Экология. Рациональное природопользование и безопасность жизнедеятельности. Часть 1
ПРИРОДНЫЕ И ТЕХНОГЕННЫЕ
ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ
§ 1.1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
О ВОЗНИКНОВЕНИИ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
По современным упрощенным модельным представлениям
Земля образовалась из рассеянного газопылевого облака в резуль-
тате гравитационной конденсации отдельных частиц, которые
притягивались друг к другу, укрупнялись и объединялись в небес-
ное тело.
Под действием сил сжатия и теплоты распада радиоактивных
элементов происходил разогрев ее глубоких слоев и разделение ве-
щества Земли на несколько сфер — образовались центральное
ядро, мантия, земная кора. С помощью радиоизотопного анализа
установлено, что наиболее древние породы земной коры возникли
3,4—3,8 млрд лет назад. Процесс формирования земной коры, по
оценкам ученых, длился около 1 млрд лет, так что возраст Земли
составляет примерно 4,5 млрд лет.
Определение абсолютного возраста горных пород, следов че-
ловеческой цивилизации и в целом Земли может осуществляться
методом изотопной хронологии, учитывающей накопление в изу-
чаемом объекте продуктов распада радионуклидов. Изотопная
хронология учитывает, что радиоактивный распад каждого радио-
нуклида идет с постоянной скоростью и приводит к накоплению
стабильных нуклидов, содержание D которых связано с возрастом
t исследуемого объекта соотношением: /)=Р(ея\'\'— 1), где Р —
число ядер радионуклида, X — постоянная распада. Отсюда
t= — In 1н— . Подробнее о радиоактивном распаде см. §4.1. >*
X \\ Р)
По мере остывания планеты тяжелые элементы перемещались\'
к ее центру, а более легкие оставались на поверхности. Атмосфера
6
состояла из свободного водорода и его соединений (Н2О, СН4,
NH3, HCN) и поэтому носила восстановительный характер. Это
обстоятельство послужило важной предпосылкой возникновения
органических молекул небиологическим путем. Соединения, яв-
ляющиеся восстановителями, легко вступают в химические реак-
ции, отдавая водород, и при этом сами окисляются. Компоненты
атмосферы подвергались воздействию различных видов энергии:
радиоактивному, рентгеновскому, коротковолновому излучению
Солнца, грозовым разрядам, действию высокой температуры и др.
(табл. 1.1).
В результате этих воздействий химически простые компонен-
ты атмосферы вступали во взаимодействие, изменяясь и усложня-
ясь. Возникли молекулы Сахаров, аминокислот, азотистые основа-
ния, органические кислоты и другие простые органические соеди-
нения.
Таблица 1.1
Возможные источники энергии первичной химической эволюции
Источник энергии
Полная солнечная радиация
Ультрафиолетовое излучение 300—250 нм
То же, 250—200 нм
« 200—150 нм
« < 150 нм
Электрические разряды
коронные
молнии
Естественная радиоактивность до глубины в 1 км 4 •
назад
Ударные волны и волны давления в атмосфере
Солнечный ветер
Вулканическое тепло
Космические лучи
109 лет
Энергетическая
экспозиция,
кДж/м2 • год
10 900 000
119 000
22 000
1650
71
126
42
117
46
8
6
0,06
Важное свойство образующихся органических молекул — спо-
собность объединяться, создавая капельки более концентриро-
ванного раствора, чем окружающая среда. Такие концентрирован-
ные капельки — коацерваты — способны поглощать из окружаю-
щего раствора различные вещества, увеличиваясь при этом в раз-
мерах. Это уже отдаленно похоже на процессы питания и роста
организмов. Опытным путем установлено, что коацерватные кап-
¦¦¦•¦¦ ¦ •- ¦ ¦¦¦••¦. . • • ....... 7
ли взаимодействуют между собой, вещества капель вступают в ре-
акции, а некоторые продукты реакций выделяются из коацервата
во внешнюю среду. Это напоминает известный биологический
процесс обмена веществ.
В настоящее время определена основная совокупность характе-
ристик, позволяющих отнести объект к живому организму:
• общность биогенных химических элементов (Н, С, О, Р, N,
S), из которых построены биоорганические соединения: белки,
жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты;
• поглощение из внешней среды необходимых для жизнедея-
тельности веществ, извлечение из них энергии и выделение про-
дуктов распада;
• способность к самовоспроизведению (наследственность);1
• изменчивость;
• способность к саморегуляции (поддержание постоянства хи-
мического состава);
• клеточное строение;
• раздражимость;
• системность и дискретность (живые системы состоят из от-
дельных (дискретных) взаимодействующих элементов);
• иерархичность структурной организации: менее сложные
уровни являются необходимой основой для возникновения более
сложных уровней организации живой материи.
Первые живые организмы в качестве источника энергии
(пищи) использовали органические соединения, находящиеся в
растворенном виде в водах первичного океана. Поскольку в атмо-
сфере Земли свободного кислорода не было, организмы имели
анаэробный (бескислородный) тип обмена, эффективность кото-
рого невелика. Энергию, необходимую для синтеза, они получали
путем химических реакций окисления и восстановления {хемосин-
тез). Появление все большего количества анаэробных организмов
приводило к истощению вод первичного океана, в нем все меньше
оставалось готовых органических веществ, которые можно было
использовать в пищу. В этих условиях в преимущественном поло-
жении оказались организмы, приобретшие способность использо-
вать энергию света для синтеза органических веществ из неорга-
нических, а именно из диоксида углерода СО2 и молекулярного
азота N2 атмосферы. Но СО2 и N2 в атмосфере находятся в инерт-
ном окисленном состоянии, а для того, чтобы они были способны
участвовать в химических реакциях, их надо восстановить, то есть
передать им электроны от других соединений.
Дальнейшим и особенно крупным усовершенствованием жиз-
ни стал кислородный фотосинтез:
СО2 + Н20 + hv -> (СН2)О + О2 + 470
[моль]
В результате появился свободный кислород, сначала в воде, а
потом и в атмосфере, что привело к ее качественному изменению,
в частности к появлению озонового слоя.
Постепенное увеличение количества кислорода в воде, его
диффузия в атмосферу начались около 2 млрд лет назад. Это сдела-
ло возможным быстрое развитие клеток — структурных единиц
всех живых организмов вне зависимости от уровня их организа-
ции. Появление клетки в свою очередь привело к эволюции более
крупных и сложных живых организмов: растений, животных, че-
ловека.
Основные черты возникновения и начальные этапы развития
живых организмов на Земле показаны на рис. 1.1.
Современные
организмы
Человек
Животные ^^^
Растения ^^^
Грибы ^
и бактерии
Биологическая
эволюция
Молекулы и моле-
кулярные системы
Углеводно-липидные
k^k системы ^
1 Л -^^^^^_
^^^И Белково-липидные \'^^ V ^к
bi^SI системы .^^^_^_^ ^k^k
^^k Пробионты белково^^ ^
^^&Г ~ J
^^ ^Г Полинуклеотиды ш-
Белковоподобные ^^^^^^
полимеры
Химическая
эволюция
Исходные
вещества
| Метан
. 1 Водород
5 ill
S И Аммиак
Мон
¦ Диоксид
Н углерода
Образование
Земли
Рис. 1.1. Схема возникновения живых организмов на Земле
Естественно, что рассмотренная «классическая» модель воз-
никновения жизни на Земле не является безусловной, а тем более
безальтернативной.
В частности, согласно современной теории космических ката-
строф, Земле пришлось пережить ряд столкновений с астероида-
ми, при которых жизнь на ней уничтожалась в результате возник-
новения высоких температур (до 300 °С), несовместимых с биоло-
гической точки зрения с процессом жизнедеятельности. Однако
при этих условиях могут выжить некоторые термостойкие микро-
организмы (например, бактерии в глубине грунта). После таких
космических ударов Земля постепенно остывала и начинался но-
вый эволюционный этап развития жизни, причем совершенно не
обязательно по рассмотренной выше схеме.
С другой стороны, взрывы «близлежащих» к Земле сверхновых
звезд способны уничтожить или сдуть большую часть озонового
слоя, и тогда на все живое обрушится поток ионизирующего излу-
чения (прежде всего УФИ «С», см. § 1.3), что также может привес-
ти к уничтожению жизни на Земле.
В начале 80-х годов прошлого века в пробах высотных метео-
зондов на высоте около 20 км обнаружены микроорганизмы, не
встречающиеся на Земле. Возможность жизнедеятельности этих
микроорганизмов можно объяснить наличием защитной оболоч-
ки, оберегающей их от губительного действия ионизирующего
солнечного излучения. В ходе последующих космических испыта-
ний на станции «Мир» установлено, что наиболее устойчивыми из
земных бактерий являются сенные палочки, которые в комочках
грунта выживали при действии электромагнитного излучения в
открытом космосе, а бактерии, лишенные этой защитной оболоч-
ки, погибали.
ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ
§ 1.1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
О ВОЗНИКНОВЕНИИ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
По современным упрощенным модельным представлениям
Земля образовалась из рассеянного газопылевого облака в резуль-
тате гравитационной конденсации отдельных частиц, которые
притягивались друг к другу, укрупнялись и объединялись в небес-
ное тело.
Под действием сил сжатия и теплоты распада радиоактивных
элементов происходил разогрев ее глубоких слоев и разделение ве-
щества Земли на несколько сфер — образовались центральное
ядро, мантия, земная кора. С помощью радиоизотопного анализа
установлено, что наиболее древние породы земной коры возникли
3,4—3,8 млрд лет назад. Процесс формирования земной коры, по
оценкам ученых, длился около 1 млрд лет, так что возраст Земли
составляет примерно 4,5 млрд лет.
Определение абсолютного возраста горных пород, следов че-
ловеческой цивилизации и в целом Земли может осуществляться
методом изотопной хронологии, учитывающей накопление в изу-
чаемом объекте продуктов распада радионуклидов. Изотопная
хронология учитывает, что радиоактивный распад каждого радио-
нуклида идет с постоянной скоростью и приводит к накоплению
стабильных нуклидов, содержание D которых связано с возрастом
t исследуемого объекта соотношением: /)=Р(ея\'\'— 1), где Р —
число ядер радионуклида, X — постоянная распада. Отсюда
t= — In 1н— . Подробнее о радиоактивном распаде см. §4.1. >*
X \\ Р)
По мере остывания планеты тяжелые элементы перемещались\'
к ее центру, а более легкие оставались на поверхности. Атмосфера
6
состояла из свободного водорода и его соединений (Н2О, СН4,
NH3, HCN) и поэтому носила восстановительный характер. Это
обстоятельство послужило важной предпосылкой возникновения
органических молекул небиологическим путем. Соединения, яв-
ляющиеся восстановителями, легко вступают в химические реак-
ции, отдавая водород, и при этом сами окисляются. Компоненты
атмосферы подвергались воздействию различных видов энергии:
радиоактивному, рентгеновскому, коротковолновому излучению
Солнца, грозовым разрядам, действию высокой температуры и др.
(табл. 1.1).
В результате этих воздействий химически простые компонен-
ты атмосферы вступали во взаимодействие, изменяясь и усложня-
ясь. Возникли молекулы Сахаров, аминокислот, азотистые основа-
ния, органические кислоты и другие простые органические соеди-
нения.
Таблица 1.1
Возможные источники энергии первичной химической эволюции
Источник энергии
Полная солнечная радиация
Ультрафиолетовое излучение 300—250 нм
То же, 250—200 нм
« 200—150 нм
« < 150 нм
Электрические разряды
коронные
молнии
Естественная радиоактивность до глубины в 1 км 4 •
назад
Ударные волны и волны давления в атмосфере
Солнечный ветер
Вулканическое тепло
Космические лучи
109 лет
Энергетическая
экспозиция,
кДж/м2 • год
10 900 000
119 000
22 000
1650
71
126
42
117
46
8
6
0,06
Важное свойство образующихся органических молекул — спо-
собность объединяться, создавая капельки более концентриро-
ванного раствора, чем окружающая среда. Такие концентрирован-
ные капельки — коацерваты — способны поглощать из окружаю-
щего раствора различные вещества, увеличиваясь при этом в раз-
мерах. Это уже отдаленно похоже на процессы питания и роста
организмов. Опытным путем установлено, что коацерватные кап-
¦¦¦•¦¦ ¦ •- ¦ ¦¦¦••¦. . • • ....... 7
ли взаимодействуют между собой, вещества капель вступают в ре-
акции, а некоторые продукты реакций выделяются из коацервата
во внешнюю среду. Это напоминает известный биологический
процесс обмена веществ.
В настоящее время определена основная совокупность характе-
ристик, позволяющих отнести объект к живому организму:
• общность биогенных химических элементов (Н, С, О, Р, N,
S), из которых построены биоорганические соединения: белки,
жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты;
• поглощение из внешней среды необходимых для жизнедея-
тельности веществ, извлечение из них энергии и выделение про-
дуктов распада;
• способность к самовоспроизведению (наследственность);1
• изменчивость;
• способность к саморегуляции (поддержание постоянства хи-
мического состава);
• клеточное строение;
• раздражимость;
• системность и дискретность (живые системы состоят из от-
дельных (дискретных) взаимодействующих элементов);
• иерархичность структурной организации: менее сложные
уровни являются необходимой основой для возникновения более
сложных уровней организации живой материи.
Первые живые организмы в качестве источника энергии
(пищи) использовали органические соединения, находящиеся в
растворенном виде в водах первичного океана. Поскольку в атмо-
сфере Земли свободного кислорода не было, организмы имели
анаэробный (бескислородный) тип обмена, эффективность кото-
рого невелика. Энергию, необходимую для синтеза, они получали
путем химических реакций окисления и восстановления {хемосин-
тез). Появление все большего количества анаэробных организмов
приводило к истощению вод первичного океана, в нем все меньше
оставалось готовых органических веществ, которые можно было
использовать в пищу. В этих условиях в преимущественном поло-
жении оказались организмы, приобретшие способность использо-
вать энергию света для синтеза органических веществ из неорга-
нических, а именно из диоксида углерода СО2 и молекулярного
азота N2 атмосферы. Но СО2 и N2 в атмосфере находятся в инерт-
ном окисленном состоянии, а для того, чтобы они были способны
участвовать в химических реакциях, их надо восстановить, то есть
передать им электроны от других соединений.
Дальнейшим и особенно крупным усовершенствованием жиз-
ни стал кислородный фотосинтез:
СО2 + Н20 + hv -> (СН2)О + О2 + 470
[моль]
В результате появился свободный кислород, сначала в воде, а
потом и в атмосфере, что привело к ее качественному изменению,
в частности к появлению озонового слоя.
Постепенное увеличение количества кислорода в воде, его
диффузия в атмосферу начались около 2 млрд лет назад. Это сдела-
ло возможным быстрое развитие клеток — структурных единиц
всех живых организмов вне зависимости от уровня их организа-
ции. Появление клетки в свою очередь привело к эволюции более
крупных и сложных живых организмов: растений, животных, че-
ловека.
Основные черты возникновения и начальные этапы развития
живых организмов на Земле показаны на рис. 1.1.
Современные
организмы
Человек
Животные ^^^
Растения ^^^
Грибы ^
и бактерии
Биологическая
эволюция
Молекулы и моле-
кулярные системы
Углеводно-липидные
k^k системы ^
1 Л -^^^^^_
^^^И Белково-липидные \'^^ V ^к
bi^SI системы .^^^_^_^ ^k^k
^^k Пробионты белково^^ ^
^^&Г ~ J
^^ ^Г Полинуклеотиды ш-
Белковоподобные ^^^^^^
полимеры
Химическая
эволюция
Исходные
вещества
| Метан
. 1 Водород
5 ill
S И Аммиак
Мон
¦ Диоксид
Н углерода
Образование
Земли
Рис. 1.1. Схема возникновения живых организмов на Земле
Естественно, что рассмотренная «классическая» модель воз-
никновения жизни на Земле не является безусловной, а тем более
безальтернативной.
В частности, согласно современной теории космических ката-
строф, Земле пришлось пережить ряд столкновений с астероида-
ми, при которых жизнь на ней уничтожалась в результате возник-
новения высоких температур (до 300 °С), несовместимых с биоло-
гической точки зрения с процессом жизнедеятельности. Однако
при этих условиях могут выжить некоторые термостойкие микро-
организмы (например, бактерии в глубине грунта). После таких
космических ударов Земля постепенно остывала и начинался но-
вый эволюционный этап развития жизни, причем совершенно не
обязательно по рассмотренной выше схеме.
С другой стороны, взрывы «близлежащих» к Земле сверхновых
звезд способны уничтожить или сдуть большую часть озонового
слоя, и тогда на все живое обрушится поток ионизирующего излу-
чения (прежде всего УФИ «С», см. § 1.3), что также может привес-
ти к уничтожению жизни на Земле.
В начале 80-х годов прошлого века в пробах высотных метео-
зондов на высоте около 20 км обнаружены микроорганизмы, не
встречающиеся на Земле. Возможность жизнедеятельности этих
микроорганизмов можно объяснить наличием защитной оболоч-
ки, оберегающей их от губительного действия ионизирующего
солнечного излучения. В ходе последующих космических испыта-
ний на станции «Мир» установлено, что наиболее устойчивыми из
земных бактерий являются сенные палочки, которые в комочках
грунта выживали при действии электромагнитного излучения в
открытом космосе, а бактерии, лишенные этой защитной оболоч-
ки, погибали.