Функции нескольких переменных

Возбужденные энергетические состояния электронов в атомах и ионах образуются при переходе электронов на вышестоящие по энергии уровни. Оставшиеся электроны образуют, так называемый, атомный остаток. Для обозначения суммарных квантовых чисел остатка используются те же символы квантовых чисел S, L и J, но со штрихом в правом верхнем угле.

Під природними ресурсами розуміють все те, що людина використовує для забезпечення свого існування – продукти харчування, мінеральну сировину, енергоносії, простір для життя, повітряний простір, воду, об’єкти для задоволення естетичних потреб.

План

Тема 1.1. Структура природного середовища

1. Предмет, метод і завдання екології.

2. Природне середовище.

3. Природні ресурси, проблеми їх використання та відновлення.

4. Біосфера. Загальні властивості біосфери. Склад і функціонування біосфери.

5. Виникнення життя на Землі.

6. Еволюція біосфери і людини. Головні потреби людини. Вчення про ноосферу.

1. Предмет, метод і завдання екології. Вперше термін “екологія” (від грец. ойкос – житло, місцеперебування та логос – наука) запропонував у 1866 р. німецький дослідник природи Е. Геккель, однак формування екології як науки почалося в XX ст. й триває досі. Сучасна екологія – це системна наука, що має багатоярусну конструкцію, в якій кожен із поверхів спирається на безліч традиційних дисциплін (М.М. Мойсеєв). Специфіка сучасної екології полягає в тому, що вона із суто біологічної науки перетворилася на цілий цикл знань, увібравши в себе розділи географії, геології, хімії, фізики, соціології, теорії культури, економіки й навіть теології (М.Ф. Реймерс). На думку інших учених, екологія – це соціально-природнича наука; її однаково можна віднести і до біологічної, і що географічної галузей знань і її слід розглядати як цілком самостійну науку, що набула фундаментальності й глобальності.

Сучасна екологія з традиційної біоекології виросла в комплексну, складну, багатогранну інтегральну науку-лідера, стала філософією виживання людства – екологічною філософією. Вона, як і раніше, базується на біогеографічних знаннях, але для вивчення й осмислення всіх складових сучасних екологічних проблем, установлення прямих і зворотних зв’язків між процесами, які формують екологічні умови, визначення шляхів виходу з екологічної кризи, розроблення для цього конкретних локальних, регіональних і глобальних планів та програм сучасна наука про довкілля залучає знання практично з усіх інших наук.

Сучасна екологія – це одна з головних фундаментальних наук про взаємовідносини живої й неживої природи, нова філософія людства, що перебуває в стадії формування. Це наука про середовище нашого проживання, його живі й неживі компоненти, їхній взаємозв’язок, що формує умови життя та розвитку всіх екосистем. Це наука про узгодження Стратегії Природи й Стратегії Людини, що має базуватися на ідеях самообмеження й самозбереження, розумної коеволюції техносфери й біосфери.

Сучасна екологія – це нова комплексна наука про виживання в довкіллі, завдання якої – пізнання законів розвитку й функціонування біосфери як цілісної системи під впливом природних і, головне, антропогенних факторів, а також визначення шляхів ефективного співіснування техносфери й біосфери.

Об’єкти досліджень науки про довкілля або її галузевих підрозділів – це екосистеми планети та їхні елементи (залежно від рівня досліджень).

Головний предмет досліджень нової екології – взаємозв’язки (їхні особливості й розвиток) живих організмів, їхніх груп різних рангів, живих і неживих компонентів екосистем, а також характер впливу природних і антропогенних факторів на функціонування екосистем і біосфери в цілому.

Основні завдання екології XXI століття:

• вивчення загального стану сучасної біосфери, умов його формування та причин змін під впливом природних і антропо­генних факторів;

• прогнозування динаміки стану біосфери в часі й просторі;

• розробка з урахуванням основних екологічних законів шляхів гармонізації взаємовідносин людського суспільства й Природи, збереження здатності біосфери до самоочищення, саморегулювання й самовідновлення.

Сучасні екологічні дослідження мають стати науковою базою для розробки стратегії й тактики поведінки людства у XXI ст.

Оскільки для ефективного вирішення сучасних екологічних проблем необхідно мати фактичний і науковий матеріал геохімічного, геофізичного, біохімічного, біологічного, медичного, фізичного, хімічного, геологічного, соціального, економічного та іншого характеру, а також можливість статистичної обробки, програмування, моделювання різних процесів, синтезування й прогнозування, сучасна екологія використовує всі ефективні, в тому числі найновіші, методи й апаратуру цих наук – і природничих, і технічних, і соціальних.

Останніми десятиліттями в усьому світі почали розвиватися найрізноманітніші напрями екологічних досліджень, мета яких – забезпечити спеціалістів необхідною для прийняття рішень екологічною інформацією в усіх сферах людської діяльності. На сьогодні вже сформувалося близько 90 напрямів екологічних досліджень, які можна умовно об'єднати за принципом галузевої належності (з подальшим поділом у кожній галузі), пріоритетності, належності до геосфер та їхніх компонентів, взаємопідпорядкованості, соціально-економічної значущості з урахуванням прямих і зворотних зв’язків.

2. Природне середовище. Характеризуючи природне середовище Землі з екологічної точки зору, еколог на перше місце завжди має ставити висвітлення типів і особливостей існуючих у ньому взаємозв’язків між усіма природними процесами та явищами (даного об’єкта, району, ландшафту чи регіону), а також характеру впливу на такі процеси людської діяльності. При цьому дуже важливо використовувати сучасні методи вивчення взаємозв’язків між населенням, господарством і довкіллям, приділяти особливу увагу причинам і наслідкам виникнення так званих ланцюгових реакцій у природі. Важливо також дотримуватися нового принципу – комплексної оцінки екологічних ситуацій на основі побудови ланцюгів причинно-наслідкових зв’язків на різних стадіях прогнозу із залученням до вирішення проблеми представників різних областей знань, перш за все – географів, геологів, біологів, економістів, медиків, юристів.

Тому, вивчаючи особливості основних складових природного середовища, необхідно пам’ятати, що всі вони тісно пов’язані між собою, залежать одне від одного й чутливо реагують на будь-які зміни, а довкілля – це дуже складна, багатофункціональна, споконвічно збалансована єдина система, яка живе й постійно самовідновлюється за­вдяки своїм особливим законам обміну речовин і енергії. Ця система розвивалася та функціонувала мільйони років, але людина на сучасному етапі своєю діяльністю настільки розбалансувала природні зв’язки всієї глобальної екосистеми, що вона почала активно деградувати, втрачаючи здатність самовідновлюватися.

Природне середовище – це мегаекзосфера постійних взаємодій і взаємопроникнення елементів і процесів чотирьох її складових екзосфер (приповерхневих оболонок): атмосфери, літосфери, гідросфери й біосфери – під впливом екзогенних (зокрема космічних) та ендогенних факторів і діяльності людини. Кожна з екзосфер має свої складові елементи, структуру та особливості. Три з них – атмосфера, літосфера й гідросфера – утворені, неживими речовинами і є ареалом функціонування живої речовини – біоти – головного компонента четвертої складової довкілля – біосфери.

Складові частини атмосфери. Атмосфера є зовнішньою газовою оболонкою Землі, що сягає від її поверхні в космічний простір приблизно на 3000 км. Історія виникнення та розвитку атмосфери досить складна й тривала, вона налічує близько 3 млрд. років. За цей період склад і властивості атмосфери неодноразово змінювалися, але протягом останніх 50 млн. років, як вважають вчені, вони стабілізувалися.

Маса сучасної атмосфери становить приблизно одну мільйонну частину маси Землі. З висотою різко зменшуються щільність і тиск атмосфери, а температура змінюється нерівномірно й складно. Зміна температури в межах атмосфери на різних висотах пояснюється неоднаковим поглинанням сонячної енергії газами. Найінтенсивніше теплові процеси відбуваються у тропосфері, причому атмосфера нагрівається знизу, від поверхні океану та суші.

Функції атмосфери: захищає всі живі організми Землі від згубного впливу космічних випромінювань і ударів метеоритів, регулює сезонні температурні коливання, врівноважує й вирівнює добові. Якби атмосфери не існувало, то коливання добової температури на Землі досягло б ±200 °С. Атмосфера є не лише життєдайним «буфером» між Космосом і поверхнею нашої планети, носієм тепла та вологи, через неї відбуваються також фотосинтез і обмін енергії – головні процеси біосфери. Атмосфера впливає на характер і динаміку всіх екзогенних процесів, що відбуваються в літосфері (фізичне та хімічне звітрювання, діяльність вітру, природних вод, мерзлоти, льодовиків).

Розвиток гідросфери також значною мірою залежав від атмосфери через те, що водний баланс і режим поверхневих і підземних басейнів і акваторій формувалися під впливом режиму опадів і випаровування. Процеси гідросфери і атмосфери тісно пов’язані між собою.

Однією з найголовніших складових атмосфери є водяна пара, яка має велику просторово-часову мінливість і зосереджена переважно в тропосфері.

Важливою змінною складовою атмосфери є також вуглекислий газ, мінливість вмісту якого пов’язана з життєдіяльністю рослин, його розчинністю в морській воді та діяльністю людини (промислові й транспортні викиди).

Останнім часом дедалі більшу роль у атмосфері відіграють аерозольні пилуваті частки – продукти людської діяльності, які можна виявити не лише в тропосфері, але й на великих висотах (щоправда, в мізерних концентраціях). Фізичні процеси, що відбуваються в тропосфері, дуже впливають на кліматичні умови різних районів Землі.

Структура атмосфери складається з двох частин: внутрішньої – тропосфери, стратосфери, мезосфери та термосфери (або іоносфери) та зовнішньої – магнітосфери (екзосфери).

Тропосфера – найближчий до поверхні Землі шар атмосфери, товщина якого становить над екватором 16-18 км, а над плюсами – 7-9 км. Цей шар атмосфери істотно впливає на клімат Землі. У ньому містяться значні маси води (у вигляді хмар і водяної пари), пилу та диму, що переміщуються повітряними потоками на великі відстані. Ці потоки виникають внаслідок нерівномірного прогрівання земної поверхні. Температура повітря у тропосфері зменшується в міру віддалення від поверхні Землі та досягає на висоті 10-15 км мінус 60-70°С.

Стратосфера знаходиться вище тропосфери та простягається на висоту 50-60 км над Землею. У ній розміщується озоновий шар (25-40 км), що поглинає жорстке ультрафіолетове випромінювання, що забезпечує створення сприятливих умов для існування багатьох видів тварин і рослин. Температура у стратосфері зростає залежно від висоти до 10°С та знижується до -120°С у мезосфері.

Термосфера (іоносфера) розміщується на висоті 150-800 км над Землею. Температура у цій зоні підвищується і досягає 600°С на висоті 150 км. Характерна особливість термосфери – наявність великої кількості іонізованих частинок, що відбивають електромагнітні хвилі.

Магнітосфера оточує Землю на висоті понад 800 км та характеризується присутністю іонів атомарного кисню, іонів гелію та водню. Частина водню може відійти у космос. Через повітряний шар атмосфери на Землю проникає сонячне випромінювання: радіохвилі, інфрачервоне, ультрафіолетове, рентгенівське та гамма-випромінювання.

Розглянемо основні газоподібні речовини, які містяться у приземному шарі атмосфери. У таблиці 1 наведений склад повітря.

Компонент	Зміст	Компонент	Зміст
% (мас)	% (об.)	% (мас)	% (об.)
Азот	75,52	78,09	Оксид азоту	2,5x10^-3	2,5x10^-4
Кисень	23,15	20,94	Водень	3,5x10^-6	5x10^-5
Аргон	1,28	0,93	Метан	0,8x10^-4	1,5x10^-4
Діоксид вуглецю	0,046	0,0330	Діоксид азоту	8x10^-5	1x10^-7
Неон	1,2x10^-3	1,8x10^-3	Озон	10^-6-10^-5	2x10^-6
Гелій	7,2x10^-5	5,2x10^-4	Діоксид сірки	-	2x10^-8
Криптон	3,3x10^-4	1x10^-4	Оксид вуглецю	-	1x10^-5
Ксенон	3,9x10^-5	8x10^-6	Аміак	-	1x10^-6

Структура літосфери. Роль ґрунтів. Літосфера – зовнішня тверда оболонка Землі, яка включає всю земну кору з частиною верхньої мантії Землі й складається з осадочних, вивержених і метаморфічних порід. Нижня межа літосфери нечітка й визначається різким зменшенням в’язкості порід, зміною швидкості поширення сейсмічних хвиль і збільшенням електропровідності порід. Товщина літосфери на континентах і під океанами різниться й становить в середньому відповідно 25-200 і 5-100 км.

Розглянемо в загальному вигляді геологічну будову Землі. Третя за віддаленістю від Сонця планета – Земля має радіус 6370 км, середню густину – 5,5 г/см³ і складається з трьох оболонок – кори, мантії та ядра. Мантія та ядро поділяються на внутрішні й зовнішні частини.

Земна кора – тонка верхня оболонка Землі, яка має товщину на континентах 40-80 км, під океанами – 5-10 км і становить всього близько 1 % маси Землі. Вісім елементів – кисень, кремній, водень, алюміній, залізо, магній, кальцій, натрій – утворюють 99,5 % земної кори. На континентах кора тришарова: осадочні породи вкривають гранітні, а гранітні залягають на базальтових. Під океанами кора “океанічного”, двошарового типу; осадочні породи залягають просто на базальтах, гранітного шару немає. Розрізняють також перехідний тип земної кори (острівно-дужні зони на околицях океанів і деякі ділянки на материках, наприклад Чорне море). Найбільшу товщину земна кора має в гірських районах (під Гімалаями – понад 75 км), середню – в районах платформ (під Західно-Сибірською низиною – 35-40, в межах Російської платформи – 30-35), а найменшу – в центральних районах океанів (5-7 км).

У літосфері зосереджені основні корисні копалини, без яких неможливе існування сучасного суспільства: вугілля, нафта, газ, різні рудні та нерудні копалини. Вміст елементів у літосфері характеризується такими даними, %: кисень 49,19; кремній – 26,80; алюміній – 7,45; залізо 4,20; кальцій – 3,35; натрій – 2,60; калій – 2,40; магній – 1,93 і т.д.

Актуальність екологічного вивчення літосфери зумовлено тим, що літосфера є середовищем усіх мінеральних ресурсів, одним з основних об’єктів антропогенної діяльності (складових природного середовища), через значні зміни і якого розвивається глобальна екологічна криза. У верхній частині континентальної земної кори розвинені ґрунти, значення яких для людини важко переоцінити. Ґрунти – органо-мінеральний продукт багаторічної (сотні та тисячі років) спільної діяльності живих організмів, води, повітря, сонячного тепла та світла є одними з найважливіших природних ресурсів. Залежно від кліматичних і геолого-географічних умов ґрунти мають товщину від 15-25 см до 2-3 м.

Ґрунти виникли разом з живою речовиною і розвивалися під впливом діяльності рослин, тварин і мікроорганізмів, поки не стали дуже цінним для людини родючим субстратом. Основна маса організмів і мікроорганізмів літосфери зосереджена в ґрунтах, на глибині не більше кількох метрів. Сучасні ґрунти є трифазною системою (різнозернисті тверді частки, вода та гази, розчинені у воді, та порах), яка складається із суміші мінеральних часток (продукти руйнування гірських порід), органічних речовин (продукти життєдіяльності біоти та мікроорганізмів і грибів). Ґрунти відіграють величезну роль у кругообігу води, речовин і вуглекислого газу.

З різними породами земної кори, як і з її тектонічними структурами, пов'язані різні корисні копалини: горючі, металічні, будівельні, а також такі, що є сировиною для хімічної та харчової промисловості.

У межах літосфери періодично відбувалися й відбуваються різні екологічні процеси (зсуви, селі, обвали, ерозія), які мають величезне значення для формування екологічних ситуацій у певному регіоні планети, а іноді призводять до глобальних екологічних катастроф.

Особливо велике значення має ефективне, економічне використання геологічних природних ресурсів: різних палив, у першу чергу нафти, газу та вугілля, руд металів, хімічної природної сировини та ін. Геологічні природні ресурси нашої планети дуже великі. Проте необхідно мати на увазі, що, по-перше, ці ресурси є практично не відновлювальними, по-друге, видобуток їх зростає високими темпами. При сучасному рівні споживання органічного палива вистачить на 200-300 років. Більш близький дефіцит можна передбачити й на інші види сировини. Наприклад, за даними деяких авторів. Запаси срібла виснажаться в межах найближчих 13-40 років, свинцю – 20-60 років і т.д. У зв’язку з цим велике значення має найповніше видобування природних ресурсів та, що важливо, комплексне використання ресурсів, при якому знаходять застосування всі корисні речовини, які містяться у даному виді сировини.

Структура водних ресурсів планети. Гідросфера – це водяна сфера нашої планети, сукупність океанів, морів, вод континентів, льодовикових покривів. Загальний об’єм природних вод становить близько 1,39 млрд. км³ (1/780 об’єму планети). Води вкривають 71 % поверхні планети (361 млн. км²).

Вода виконує чотири дуже важливі екологічні функції: а) є найважливішою мінеральною сировиною, головним природним ресурсом споживання (людство використовує її в тисячу разів більше, ніж вугілля чи нафти); б) є основним механізмом здійснення взаємозв’язків усіх процесів у екосистемах (обмін речовин, тепла, біомаси); в) є головним агентом-переносником глобальних біоенергетичних екологічних циклів; г) є основною складовою частиною всіх живих організмів.

Для величезної кількості живих організмів, особливо ранніх етапах розвитку біосфери, вода була середовищем зародження та розвитку.

Основну масу води на планеті становлять солоні води Світового океану. Середня солоність цих вод – 35 %₀ (тобто в 1 л океанічної води міститься 35 г солей), солоніша вода в Мертвому морі – 260 %₀ (у Чорному – 18 %о, Балтійському – 7 %₀).

Хімічний склад океанічних вод, як вважають спеціалісти, дуже схожий на склад людської крові – в них містяться майже всі відомі нам хімічні елементи, але, звичайно в різних пропорціях. Частка кисню, водню, хлору та натрію становить 95,5 %.

Велике значення для формування клімату та інших екологічних факторів має динаміка величезної маси океанічних вод, що постійно перебувають у русі під впливом неоднакової інтенсивності сонячного прогрівання поверхні на різних широтах.

Океанічні води відіграють основну роль у кругообігу води на планеті. Підраховано, що приблизно за 2 млн. років вся вода на планеті проходить через живі організми середня тривалість загального циклу обміну води, залученої в біологічний кругообіг, становить 300-400 років. Приблизно 37 разів на рік (тобто кожні десять днів) змінюється вся волога в атмосфері.

3. Природні ресурси, проблеми їх використання та відновлення. Природні ресурси – це особливий компонент природного середовища. їм слід приділяти особливу увагу, оскільки їх наявність, вид, кількість і якість значною мірою визначають ставлення людини до природи, характер і обсяг антропогенних змін навколишнього середовища.

Ще кілька десятиліть тому, коли ставлення всіх народів до природи визначалося лише одним девізом: підкорити, взяти якнайбільше, нічого не віддаючи, оскільки, мовляв, багатства Землі невичерпні, – людство й брало, руйнувало, спалювало, вирубувало, вбивало, виснажувало, поглинало, не рахуючи. Нині настали інші часи, бо, підрахувавши, схаменулися. Виявляється, практично невичерпних ресурсів у природі взагалі немає. Умовно поки ще можна відносити до невичерпних загальні запаси води на планеті та кисню в атмосфері. Але через їх нерівномірний розподіл уже сьогодні в окремих районах і регіонах Землі відчувається їх гостра нестача. Всі мінеральні ресурси належать до невідновних і найголовніші з них нині вже вичерпані або знаходяться на межі знищення (вугілля, залізо, марганець, нафта, поліметали). Через швидку деградацію ряду екосистем біосфери останнім часом ресурси живої речовини – біомаси – теж перестали відновлюватися, як і запаси прісної питної води.

Оскільки біосфера планети є замкненою системою із відносно сталою масою й обмінюється з космічним простором лише енергією, людству слід враховувати її стан і здатність самовідновлювати свою біомасу, вичерпність сучасних енергоносіїв, які використовуються людством, зменшити обсяги використання ресурсів, свідомо відмовившись від надлишків, перейти до тактики й стратегії раціонального ресурсокористування.

4. Біосфера. Загальні властивості біосфери. Склад і функціонування біосфери. Що принципово відрізняє нашу планету від будь-якої іншої планети Сонячної системи? Наявність життя. “Якби на Землі не було життя, – писав академік В.І. Вернадський, – обличчя її було б так само незмінним і хімічно інертним, як нерухоме обличчя Місяця, як інертні уламки небесних світил”. Життя на Землі реалізується у формі живої речовини, яку часто називають також біотою. Поняття “жива речовина” ввів у науку В.І. Вернадський і розумів під ним сукупність усіх живих організмів планети. Образно кажучи, всі організми – від бактерій, що потрапили на цю сторінку, до останнього дерева й тварини, до автора й читача Цих рядків – становлять живу речовину. Вона виконує надзвичайно важливу роль у процесах, що відбуваються в усіх сферах Землі.

Основні властивості живої речовини: високоорганізована внутрішня структура; здатність уловлювати із зовнішнього середовища й трансформувати речовини та енергію, забезпечуючи ними процеси своєї життєдіяльності; здатність підтримувати сталість власного внутрішнього середовища, незважаючи на коливання умов середовища зовнішнього, якщо ці коливання сумісні з життям; здатність до самовідтворення шляхом розмноження.

Жива речовина існує у формі конкретних живих одиниць – організмів (індивідів), які, своєю чергою, групуються в більш або менш дискретні одиниці існування матерії – види.

Кожен організм має свою програму розвитку й діяльності, записану у вигляді певної сукупності генів, – генотип. Ця програма реалізується в характерних, притаманних лише даному організмові зовнішньому вигляді, фізіологічних і біохімічних властивостях, у поведінці. Сукупність усіх ознак та властивостей, що визначаються генотипом, називається фенотипом. За рахунок фенотипу організм оптимальною мірою пристосовується до зовнішнього середовища, перебуває з ним у найбільш гармонійних відносинах. Організми одного виду мають досить схожі, хоча й не ідентичні генотипи й фенотипи. Сукупність генотипів усіх видів нашої планети становить її генофонд (це майже синонім терміна “видова різноманітність”). Отже, втрата будь-якого виду призводить до зменшення видової різноманітності й порушує гармонію у взаємовідносинах живої та неживої речовин.

Простір нашої планети, в якому існує й “працює” жива речовина, називають біосферою (від грец. біос – життя та сфера – куля). Перші уявлення про біосферу як “зону життя” дав відомий французький природознавець Ж.-Б. Ламарк, а термін “біосфера” ввів у науку австрійський геолог Е. Зюсс (1875 р.). Проте цілісне вчення про біосферу створив наш видатний співвітчизник, засновник і перший президент Академії наук України В.І. Вернадський.

Біосфера охоплює три геологічні сфери – частини атмосфери й літосфери та всю гідросферу. Межі біосфери визначаються межами поширення й активної роботи живої речовини.

5. Виникнення життя на Землі. Біосфера має довгу й багато в чому драматичну історію, тісно пов’язану з еволюцією Землі. Еволюцію Землі можна умовно поділити на кілька фаз.

Перша фаза. Формування ранньої земної кори, атмосфери та гідросфери. Виникнення геологічного кругообігу речовин. Згідно з найпоширенішою серед астрономів і астрофізиків гіпотезою, Всесвіт виник близько 20 млрд. років тому внаслідок Великого вибуху. Потім утворилася наша Галактика (8 млрд. років тому).

Близько 6 млрд. років тому у віддаленій частині одного з рукавів Галактики розтягнута на трильйони кілометрів газопилова хмара під дією гравітаційних сил поступово ущільнилася й перетворилася на водневий диск, що повільно обертався. З його центральної частини утворилося Сонце, де за надзвичайно високих температури й тиску почалися реакції ядерного синтезу, в ході яких водень перетворювався на гелій і виділялася величезна кількість енергії. Периферичні залишки диска також зближувалися під дією сил взаємного притягання, поступово ущільнювалися, доки не перетворилися на суцільні сфери – планети Сонця. Потім поверхні таких сфер тверднули, утворюючи первинну планетарну кору.

Первинна кора нашої планети – Землі – утворилася приблизно 4,6 млрд. років тому. Відтоді на її поверхні осідали метеорити й космічний пил. Завдяки ізотопному аналізові таких метеоритних залишків (метеоритного свинцю) вдалося визначити час виникнення земної кори, тобто дату народження нашої планети. З тріщин тонкої кори неперервно вивергалася розжарена лава, а разом із нею – гази. Витримувані гравітаційними силами, ці гази утворили первинну атмосферу планети. Вона складалася з метану, аміаку, водяної пари, вуглекислого газу, сірководню, ціанистого водню й практично не містила кисню та озону.

Коли поверхня планети охолола, водяна пара почала конденсуватися в атмосфері й випадати першими дощами, розчинюючи численні мінерали земної кори. Поступово вода накопичувалася, утворюючи океани. На планеті сформувалася гідросфера. Циркуляція атмосферних мас, води й розчинених у ній мінералів, переміщення магматичних продуктів на поверхню планети й знову в її надра породили великий, або геологічний, кругообіг речовин. Закінчувалася перша фаза еволюції нашої планети.

Друга фаза. Передбіологічна (хімічна) еволюція. Протягом цієї фази (4,6-3,8 млрд. років тому) на Землі відбувалися процеси синтезу й накопичення простих органічних сполук, необхідних для існування життя: амінокислот і простих пептидів, азотистих основ, простих вуглеводів. Ці сполуки, “цеглинки життя”, виникли внаслідок процесів абіотичного синтезу.

Гіпотезу про можливість виникнення таких сполук абіотичним шляхом, тобто без участі живої речовини, висловив у 1923 р. російський біохімік, академік О.І. Опарін, а вперше експериментально перевірив у 1953 р. американський аспірант С. Міллер. У своїх дослідах С. Міллер зімітував умови давньої Землі: в стерильний реактор він помістив водень, метан, аміак та воду, і крізь цю суміш пропускав електричні розряди, імітуючи блискав­ки в первинній атмосфері. За тиждень у реакторі було виявлено кілька амінокислот, деякі прості вуглеводи, інші органічні сполуки, які входять до складу живої речовини. Органічні речовини нагромаджувалися в океані, утворюючи так званий “первинний бульйон”.

Релігія розглядає виникнення життя на Землі як акт творіння Господа, даючи часом досить витончені тлумачення опису цього акту Книгою Буття й різко критикуючи наукові гіпотези природного походження життя.

Деякі вчені (в тому числі видатні – В.І. Вернадський, Ф. Крик) вважають, що живі організми були занесені на Землю з Космосу або з метеоритами й космічним пилом (гіпотеза панспермії), або “зародки життя” розсилалися на зорі геологічної історії Землі якоюсь космічною надцивілізацією для запліднення безживних, але потенційно придатних для життя планет (спрямована панспермія).

Проте більшість біологів та еволюціоністів вважають, що життя на Землі виникло природним шляхом, у результаті процесів абіогенного синтезу. Сьогодні на основі цього припущення висунуто цілу низку наукових гіпотез, які, конкуруючи між собою, все ж мають спільні принципові позиції: а) виникненню життя передувало нагромадження в Світовому океані органічних речовин, синтезованих абіогенним шляхом; б) у зонах концентрації цих речовин виникли молекули, здатні до самокопіювання (стосовно живого цей процес називають реплікацією, отже Р. Докінз запропонував називати такі молекули реплікаторами); в) на основі реплікаторів сформувалися реакції й механізмиматричного синтезу (в тому числі біосинтез білків), генетичний код, що й зумовило виникнення на планеті клітин живої речовини. Перше твердження вже доведено експериментально, а для другого й третього – фізиками, математиками, біологами й хіміками запропоновано низку моделей, кілька з яких мають непрямі експериментальні підтвердження.

Незалежно від того, яким шляхом з’явилося життя на нашій планеті, жива речовина докорінно змінила її зовнішній вигляд: на Землі виникла біосфера.

Третя фаза. Давня біосфера. Еволюція прокаріотичного світу. Виникнення біологічного кругообігу речовин. Формування кисневої атмосфери. Ця фаза еволюції нашої планети почалася приблизно 3,8-4 млрдю років тому. Рештки перших живих організмів (їхній вік становить 3,8 млрд. років) дійшли до нас у вигляді так званих строматолітів – вапнякових решток синьо-зелених водоростей і актиноміцетів, а також у вигляді осадових порід, у котрих шари двовалентного заліза чергуються з шарами окисненого тривалентного, подібно до того, як це нині спостерігається в “мікробних матах” на узбережжях багатьох субтропічних морів.

Перші живі організми мали примітивну – прокаріотичну – будову, були анаеробами, тобто організмами, які існують у безкисневому середовищі. Вони жили в морях, “ховаючися” на глибині від згубного ультрафіолетового випромінювання Сонця, оскільки на планеті ще не існувало захисного озонового шару. Необхідні для життя енергію й речовини перші мешканці Землі діставали, використовуючи готові органічні сполуки первинного бульйону, тобто були гетеротрофами. Така “споживацька” стратегія життя, що ґрунтувалася на використанні обмежених запасів органічних речовин, нагромаджених протягом тривалої передбіологічної історії, могла б призвести до цілковитої переробки всього низькоентропійного й енергетично цінного матеріалу у відходи й урешті-решт – до загибелі всього живого.

Проте криза не настала, бо серед величезної різноманітності способів добування енергії й поживних речовин, які “випробовувалися” в давньому світі прокаріот, швидко з’явився принципово новий тип живлення – автотрофний. Організми-автотрофи для побудови своїх клітин не використовували готові органічні речо­вини, а самі синтезували їх з неорганічних – вуглекислого газу, води, азотовмісних і фосфоровмісних сполук. Такі процеси потребували значних енергетичних затрат. Необхідну енергію автотрофи діставали або за рахунок окисних реакцій – у процесі хемосинтезу, або в результаті прямого вловлювання й перетворення променистої енергії Сонця – фотосинтезу.

З появою автотрофів на планеті замкнувся цикл біологічного кругообігу речовин, і на мільярди років відступила загроза енергетичного й харчового голоду. Автотрофи, що здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних, дістали загальну назву – продуценти, а гетеротрофи, які розкладають органічні сполуки до неорганічних, – редуценти. Водночас виникла ще одна група організмів, котрі використовували готові органічні речовини, не розкладаючи їх до мінеральних, а трансформуючи в інші органічні речовини. Цю групу споживачів – трансформаторів готової органіки – називають консументами. Першими консументами були бактерії, що живились органікою загиблих продуцентів (так званий сапротрофний тип живлення) або вели паразитичний спосіб життя всередині клітин продуцентів чи консументів-сапротрофів.

І нарешті, органічна речовина відмерлих продуцентів і консументів споживалася редуцентами. Давні редуценти, на відміну від консументів, виділяли в зовнішнє середовище ферменти (так звані екзоферменти), що розкладали складні органічні сполуки на простіші, а потім поглинали ці прості сполуки. Всередині клітин більшу частину поглинутих простих органічних сполук редуценти окиснювали до мінеральних речовин, одержуючи необхідну енергію, а із залишків створювали потрібні для себе складніші органічні речовини.

Отже, жива речовина (біота) — продуценти, консументи й редуценти – утворила ланцюг живлення (трофічний ланцюг), який через неживу речовину – мінеральні сполуки – замкнувся в коло. Відтоді продуценти синтезували органічні речовини з неорганічних, консументи їх трансформували, а редуценти розкладали до мінеральних сполук, які потім знову споживалися продуцентами для процесів синтезу. З потоку речовин у цьому колі утворився біологічний кругообіг речови.

Геологічний і біологічний кругообіги речовин разом склали біогеохімічний кругообіг, з’єднавши в ньому водночас величезну потужність першого й надзвичайні швидкість та активність другого. Біогеохімічний кругообіг “налагоджувався” приблизно 1,5-2 млрдю років, потім стабілізувався, суттєво не змінюючися протягом більш як 2 млрд. років – дотепер.

Поява фотосинтезуючих продуцентів, окрім усього іншого, мала один важливий наслідок – на Землі сформувалася кисневаатмосфера, яка визначила подальші етапи еволюції планети й біосфери.

Четверта фаза. Виникнення еукаріот. Заселення суші. Сучасна біорізноманітність органічного світу. Ця важлива фаза в розвитку нашої планети та її біосфери ознаменувалася виникненням істот принципово нового типу – побудованих з еукаріотичних клітин. Еукаріотичні клітини значно складніші за прокаріотичні. Вони диференційовані на системи певних органоїдів (ядро, мітохондрії, ендоплазматична сітка, комплекс Гольджі, лізосоми, хлоропласти тощо), здатні до мітозу, мейозу й статевого процесу, можуть живитися шляхом фагоцитозу й пінозитозу і т. д. Завдяки здатності до статевого процесу еукаріоти еволюціонують набагато швидше за прокаріот і мають більший адаптивний потенціал, а отже, краще пристосовуються до змін умов існування. Вважають, що еукаріотична клітина виникла приблизно 1,2 млрд. років тому в результаті серії симбіозів різних прокаріотичних клітин, одні з яких дали початок клітині-хазяїну, інші – трансформувалися в мітохондрії та хлоропласти. Перші еукаріоти були гетеротрофними одноклітинними організмами. Вони, шляхом залучення до своєї клітини прокаріотичних фотоавтотрофів, поклали початок еукаріотичним одноклітинним водоростям. У подальшому від автотрофних і гетеротрофних еукаріот відокремилося кілька груп грибів. Окрім того, одноклітинні гетеротрофні прокаріоти є родоначальниками багатоклітинних безхребетних тварин.

За порівняно короткий час – кілька десятків мільйонів років – еукаріоти “перевідкрили” багатоклітинність, “відкрили” тканинну будову, і близько 430-415 млн. років тому перші рослини – нащадки водоростей, а слідом за ними й різноманітні тварини та гриби вийшли на сушу, завершуючи колонізацію всієї поверхні нашої планети.

З виходом живої речовини на сушу прискорилися процеси вивітрювання гірських порід. Відтоді не лише коливання температури, дощі та вітри руйнували гірські масиви, а й величезна армія рослин, бактерій, грибів і лишайників подрібнювала розпушувала, розчиняла мінерали. Консументи-тварини, споживаючи продуцентів, швидко переносили вміщені в органічній речовині елементи на значні відстані, редуценти вивільняли, розкладали, перевщкладали органіку консументів. Частина вивільнених мінеральних і напівперероблених органічних речовин трансформувалася в гумус, утворюючи родючі біокосні системи – ґрунти. Те, що не поверталося в біологічний кругообіг або не запасалося в ґрунті, змивалося дощами в річки й виносилося в Світовий океан, де споживалося, концентрувалось або перевідкладалось у вигляді осадових порід мешканцями гідросфери. Тектонічні переміщення земної кори повільно виносили осадові породи на поверхню, роблячи нагромаджені в них речовини знову доступ­ними для живої речовини літосфери.

6. Еволюція біосфери і людини. Головні потреби людини. Вчення про ноосферу. Поява на Землі Розуму, носієм якого є Людина, докорінно змінила хід еволюції біосфери. Перехід від “нерозумної” форми живої матерії до Розуму був таким самим революційним стрибком, як і перехід від неживої матерії до живої.

Еволюція людини. Новітні наукові дані підтверджують ідею Ч. Дарвіна про те, що найближчими нашими родичами є людиноподібні мавпи. Дослідження генетиків показали: нуклеотидні послідовності ядерної ДНК людини, шимпанзе й горили різняться менше ніж на 2 %. За біохімічними показниками крові найближчим нашим родичем слід вважати карликового шимпанзе – бонобо, який у невеликих кількостях іще зберігся в тропічних лісах Конго. Бонобо за своїми анатомічними особливостями дуже близький до австралопітеків – людиноподібних мавп, рештки яких учені знаходять у східній частині Африки (Ефіопія, Танзанія). Жили ці примати приблизно 4-6 млн. років тому. Об’єм їхнього мозку становив 400-600 см³, тобто менше від необхідного мінімуму для розумної істоти, який, на думку вчених, дорівнює 700-750 см³. Проте ходили вони прямо, на нижніх кінцівках, будова їхньої стопи нічим не відрізнялася від людської і, цілком імовірно, вже вміли виготовляти й використовувати найпримітивніші кам’яні знаряддя – чоппери – поряд із палицями й кістками тварин.

Еволюцію далеких предків людини вивчено поки що недостатньо. Антропологи вважають, що на зміну австралопітекам прийшли представники роду гомо, до якого належить і людина сучасного типу, а саме гомо габіліс (людина вміла), гомо еректус (людина прямоходяча), потім архантропи (синантроп і неандерталець). Проте, за сучасними даними, жоден із цих видів нашим прямим предком не був, зокрема й неандерталець, який таким довго вважався. Це бічні, тупикові гілки еволюції. Людина сучасного типу, кроманьйонець, з’явилася протягом останнього, вюрмського, зледеніння, як вважають, близько 30 тис. років тому. Ці люди практично нічим не відрізнялися від сучасних, але хто був їхнім безпосереднім предком – невідомо. Еволюція людини за своїми темпами й наслідками не має аналогів серед інших представників тваринного світу. Наприклад, коню знадобилося 60 млн. років для того, щоб стати тим, чим він є нині (його палеогеновий предок гіппаріон мав п’ятипалі кінцівки й розмір собаки). Як пише американський дослідник Е. Томас, “щось дивне й нереальне є у відтвореній картині, де тварина, котра лазила по деревах, за 3 мільйони років стала двоногою, зуміла створити машини, що плавають по воді, котяться по суходолу, літають у повітрі, в той час як її мляві кузени все ще стрибають із гілки на гілку”.

Примати виділилися з тваринного світу завдяки своєму великому мозкові та вертикальному положенню тіла. Але справжніми людьми вони стали тоді, коли виробили системи абстрактних понять – математику, релігію, живопис, музику. Головним критерієм розвитку людини є її здатність жити в світі ідеального – оцінювати прекрасне, відрізняти хибне від істинного, створювати абстракції. Не досягши цього стану, наші далекі предки були тільки проміжною ланкою між тваринами й людьми.

Деякі абстрактні поняття осягали ще неандертальці. Як свідчать археологічні розкопки, вони ховали своїх небіжчиків, виконуючи при цьому певні обряди (клали в могилу їхні особисті речі, прикрашали їх квітами), тобто в них уже існували якісь примітивні релігійні культи, зокрема віра в потойбічний світ. Що ж до кроманьйонців, то численні археологічні знахідки свідчать про те, що їм були доступні всі галузі абстрактних понять, відомі нам сьогодні. Вже 20-30 тис. років тому ці люди малювали прекрасні зображення й цілі “картинні галереї” на стінах печер, вирізали з мамонтової кістки скульптурні зображення людей і тварин, склали досить досконалі місячні й сонячні календарі, виконували складні релігійні ритуали. В них були навіть музичні інструменти ударного типу, виготовлені з кісток мамонта (знайдені, зокрема, археологами на стоянці прадавніх людей на території сучасного села Межиріч Черкаської області).

Еволюція людини незвичайна. На відміну від усіх інших організмів, людина не пристосовувалася до природи, а ніби відокремлювала себе від неї. Знаряддя праці, одяг, житло, вогонь – усе це прийоми, за допомогою яких вона відгороджується від довкілля, створює своє власне стабільне середовище. Зберігаючи своє внутрішнє середовище, людина в дедалі більших масштабах змінює середовище зовнішнє. Сьогодні, на жаль, обсяги цих змін такі, що вже стали загрожувати існуванню самої людини.

Антропологи й фізіологи помітили таку дивну особливість: потенційні можливості мозку людини набагато вищі за її фізіологічні потреби. Мозок людини досяг сучасного рівня складності задовго до того, як виникли культура й цивілізація. Складається враження, начебто еволюція людини заздалегідь “передбачала” майбутні потреби виду гомо сапієнс і наділила його таким «комп'ютером», який чомусь не використовується на повну силу, але, можливо, буде задіяний у майбутньому. За деякими оцінками, мозок сучасної людини реалізує лише близько 2 % своїх потенційних можливостей.

Видатний сучасний американський філософ Е. Фромм вважає, що розумна діяльність людини виявляється через задоволення певних потреб:

1. потреба в спілкуванні, в міжіндивідуальних зв’язках;

2. потреба в творчості;

3. потреба у відчутті коренів власного буття;

4. прагнення до уподобання;

5. потреба в пізнанні, освоєнні світу.

Загальні уявлення про ноосферу. Людина в біосфері Землі виступила в ролі нової сили, нового фактора. Сьогодні людина вже оволоділа й продовжує оволодівати величезними силами природи, і це поставило перед нею найболючіше питання – про саму себе. “Людина вперше реально зрозуміла, – писав В.І. Вернадський, – що вона – житель планети й може, повинна мислити й діяти в новому аспекті, не лише окремої особини, сім’ї або роду, держав або їхніх союзів, а й у планетарному аспекті”.

Нині складаються зовсім нові взаємовідносини в системі людина–біосфера. Земля, котра раніше здавалася людині неосяжною, безкраєю, величезною, сили якої викликали в неї благоговійний трепет, були грізним нагадуванням про безсилість виду гомо сапієнс, сьогодні вже такою не уявляється. Хоча сліпі природні сили й нині не стали слабшими й час від часу нагадують про себе руйнівними землетрусами або іншими стихійними лиха­ми, могутність людини здається просто безмежною.

Люди й далі продовжують діяти в тому самому напрямі, не усвідомлюючи очевидного факту: Земля, на якій вони розвинулися до сучасного рівня, – це маленька планета з обмеженими ресурсами й дуже вразливим режимом, і вона вимагає до себе тим обережнішого і дбайливішого ставлення, чим ширшими стають можливості людей порушувати цей режим.

В.І. Вернадський висунув тезу про те, що біосфера Землі закономірно й неминуче перейде в нову якість, стане ноосферою (від грец. ноос — розум). На його думку, людина перебере на себе керівництво всіма процесами в біосфері, спрямує її розвиток у потрібному для себе напрямі. На зміну “дикій” біосфері має прийти нова оболонка – ноосфера, тобто якісно новий стан біосфери, переробленої, перебудованої розумом людини та її працею.

Сьогодні можна констатувати, що біосфера справді різко змінюється під впливом технологічної діяльності людини, дедалі більше замінюється техносферою, в якій дехто з учених іще недавно схильний був убачати початок формування ноосфери, передбачуваної В.І. Вернадським. Проте сьогодні стало ясно, що наступ техносфери супроводжується такими змінами природного середовища, які вже почали загрожувати самому існуванню людини на Землі. Відбувається прискорене руйнування основних, життєво важливих комірок біосфери, яке прогресує й уже здатне призвести до її повної деградації й загибелі, що автоматично означає загибель людства, оскільки люди не можуть існувати в іншому середовищі, ніж те, в якому вони з’явилися та існували. Отже, дедалі активніше рухаючи вперед “технічний прогрес”, людство лише погіршує загальну ситуацію в біосфері й своє власне становище в ній. На думку деяких учених, серед причин цієї глобальної екологічної кризи, що насувається, головними є дві: надмірне зростання чисельності населення Землі й надмірне використання людиною основних природних ресурсів.

Ситуація ще більше ускладнюється тим, що до появи на Землі людини всі процеси в біосфері базувалися на використанні відновлюваних ресурсів. Сьогодні людство 90 % енергії для своїх потреб добуває з невідновлюваних джерел (спалює нафту, вугілля, газ тощо). Використання ресурсів цього типу спричиняє такі порушення в біосфері, з якими вона неспроможна боротися. Наприклад, у природи немає механізмів нейтралізації радіоактивного забруднення внаслідок діяльності АЕС. Не може природа також компенсувати шкоду, заподіяну будівництвом гідроелектростанцій, коли великі ділянки суші затоплюються водою.

Зруйновані людством біоти самі стають джерелом забруднення природного середовища. Наприклад, через надмірне внесення в ґрунт мінеральних добрив і пестицидів порушуються склад і діяльність мікроорганізмів, що призводить до посиленого надходження в атмосферу метану й вуглекислого газу. З цієї ж причини, а також унаслідок швидкого знищення лісів біота континентів почала виділяти в атмосферу стільки СО₂, скільки його надходить туди ж від згоряння мінерального палива.

На жаль, мрія В.І. Вернадського про те, що людина може перебрати на себе керівництво всіма процесами в біосфері, спрямувати їх у “розумне русло” сьогодні виглядає нереальною. Якщо ми хочемо створити систему для повного керування біосферою, вона має бути (за правилом Ешбі) складнішою від самої біосфери. За підрахунками вчених, для цього всю поверхню Землі (разом з океанами!) довелося б укрити шаром ідеальних комп'ютерів розміром із бактерію з комірками пам’яті молекулярних розмірів і програмами, складнішими, ніж генетичні програми розвитку мільйонів видів живих істот! Звичайно, таке завдання не під силу людині. То чи є взагалі сенс ставити питання про керування всією біосферою?

Нам не можна забувати, що ми – частинка надзвичайно складної системи, єдиного біологічного комплексу, котрий об’єднує все – від планктону й лісів, що виробляють кисень до землі и вод, що виробляють продукти харчування, незамінні ресурси яких доступні нам цілком завдяки діяльності й комах і черв яків, і бактерій – усіх непомітних істот, яких людина через своє неуцтво часто зневажає.

Так, при возбуждении атома лития из состояния 1s² в состояние 2p остаток 1s будет характеризоваться квантовыми числами , L¢ = 0, , m = 2. Состояние атомного остатка обозначается аналогично основному состоянию символом .

Для возбужденного атома углерода с конфигурацией 2s²2p остаток характеризуется значениями квантовых чисел: , L¢ = 1, и , m = 2 и обозначается, соответственно, ..

Полное обозначение для возбужденного атома с LS-связью записывается в виде символа: , где n, l – главное и орбитальное квантовые числа возбужденного электрона; квантовые числа без штриха – суммарные квантовые числа остатка и возбужденного электрона; квантовые числа со штрихом - суммарные квантовые числа остатка.

Пример 2.6: показать обозначение возбужденных энергетических состояний на примере атома гелия.

Алгоритм решения: определяется электронная конфигурация возбужденного состояния атома гелия (1s2s) и квантовые числа остатка. Остаток 1s имеет квантовые числа: , L¢ = 0, . m = 2, приводится обозначение остатка (). Определяются: квантовые числа возбужденного суммарные квантовые числа, т. е.,квантовыечисла остатка и возбужденного электрона, электрона n=2, l = 0, и которые будут равны S=[S¢+s]= 0,1; L=[L¢+l]=0; J=[L+S]= 0,1; m = 1, 3. Таким образом, электронной конфигурации возбужденного атома гелия будет соответствовать два возможных состояния. Полные обозначения этих состояний могут быть записаны в виде ; . Обычно при обозначениях уровней энергии символы электронной конфигурации и обозначения остатка опускают, оставляя только обозначение возбужденного состояния.

Дата добавления: 2014-01-05