Структурные уровни организации материи 2

1. Структурные уровни организации материи В самом общем виде материя представляет собой бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств, связей, отношений и форм движения. При этом она включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все то, что не дано нам в ощущениях.

1. Структурные уровни организации материи

В самом общем виде материя представляет собой бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств, связей, отношений и форм движения. При этом она включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все то, что не дано нам в ощущениях. Весь окружающий нас мир — это движущаяся материя в ее бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми свойствами, связями и отношениями. В этом мире все объекты обладают внутренней упорядоченностью и системной организацией. Упорядоченность проявляется в закономерном движении и взаимодействии всех элементов материи, благодаря чему они объединяются в системы. Весь мир, таким образом, предстает как иерархически организованная совокупность систем, где любой объект одновременно является самостоятельной системой и элементом другой, более сложной системы.

Согласно современной естественно-научной картине мира все природные объекты также представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Исходя из системного подхода к природе вся материя делится на два больших класса материальных систем — неживую и живую природу. В системе неживой природы структурными элементами являются: элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы, галактики, метагалактики и Вселенная в целом. Соответственно в живой природе основными элементами выступают белки и нуклеиновые кислоты, клетка, одноклеточные и многоклеточные организмы, органы и ткани, популяции, биоценозы, живое вещество планеты.

В то же время как неживая, так и живая материя включают в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Структура — это совокупность связей между элементами системы. Поэтому любая система состоит не только из подсистем и элементов, но и из разнообразных связей между ними. Внутри этих уровней главными являют ся горизонтальные (координационные) связи, а между уровнями — вертикальные (субординационные). Совокупность горизонтальных и вертикальных связей позволяет создать иерархическую структуру Вселенной, в которой основным квалификационным признаком является размер объекта и его масса, а также их соотношение с человеком. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир — область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется в диапазоне от 10-8 до 10-16 см, а время жизни — от бесконечности до 10-24 с. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Макромир — мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабам с человеком и его физическими параметрами. На этом уровне пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, днях и годах. В практической действительности макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, т.е. макротелами.

Мегамир — сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет. К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.

На каждом из этих уровней действуют свои специфические закономерности, несводимые друг к другу. Хотя все эти три сферы мира теснейшим образом связаны между собой.

Структура мегамира

Основными структурными элементами мегамира являются планеты и планетные системы; звезды и звездные системы, образующие галактики; системы галактик, образующие метагалактики.

Планеты — несамосветящиеся небесные тела, по форме близкие к шару, вращающиеся вокруг звезд и отражающие их свет. В силу близости к Земле наиболее изученными являются планеты Солнечной системы, двигающиеся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. К этой группе планет относится и наша Земля, расположенная от Солнца на расстоянии 150 млн. км.

Звезды — светящиеся (газовые) космические объекты, образующиеся из газово-пылевой среды (преимущественно водорода и гелия) в результате гравитационной конденсации. Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и тем самым изолированы друг от друга. Это означает, что звезды практически не сталкиваются друг с другом, хотя движение каждой из них определяется силой тяготения, создаваемой всеми звездами Галактики. Число звезд в Галактике — порядка триллиона. Самые многочисленные из них — карлики, массы которых примерно в 10 раз меньше массы Солнца. В зависимости от массы звёзды в процессе эволюции становятся либо белыми карликами, либо нейтронными звездами, либо черными дырами.

Белый карлик — это электронная постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последнем этапе своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Диаметр белого карлика равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность — 10 т/см3 , т.е. в сотни раз больше земной плотности.

Нейтронные звезды возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. Высокие температура и давление в них создают условия для образования большого количества нейтронов. В этом случае происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого в наружных ее слоях начинается бурное протекание ядерных реакций. При этом выделяется так много энергии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды. Внутренние же ее области стремительно сжимаются. Оставшийся объект и получил название нейтронной звезды, поскольку он состоит из протонов и нейтронов. Нейтронные звезды также называют пульсарами.

Черные дыры — это звезды, находящиеся на заключительном этапе своего развития, масса которых превышает 2 солнечные массы, и имеющие диаметр от 10 до 20 км. Теоретические расчеты показали, что они обладают гигантской массой (1015 г) и аномально сильным гравитационным полем. Свое название они получили потому, что не обладают свечением, а за счет своего гравитационного поля захватывают из пространства все космические тела и излучение, которые не могут выйти из них обратно, они как бы проваливаются в них (затягиваются, как в дыру). Из-за сильной гравитации никакое захваченное материальное тело не может выйти за пределы гравитационного радиуса объекта, и поэтому они кажутся наблюдателю «черными».

Звездные системы (звездные скопления) — группы звезд, связанные между собой силами тяготения, имеющие совместное происхождение, сходный химический состав и включающие в себя до сотен тысяч отдельных звезд. Существуют рассеянные звездные системы, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие системы не имеют правильной формы. В настоящее время известно более тысячи

звездных систем. Кроме того, к звездным системам относятся шаровые звездные скопления, насчитывающие в своем составе сотни тысяч звезд. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет. В настоящее время ученым известно около 150 шаровых скоплений.

Галактики — совокупности звездных скоплений. Понятие «галактика» в современной интерпретации означает огромные звездные системы. Этот термин (от греч. «молоко, молочный») был введен в обиход для обозначения нашей звездной системы, представляющей собой тянущуюся через все небо светлую полосу с молочным оттенком и поэтому названную Млечным Путем.

Условно по внешнему виду галактики можно разделить на три вида. К первому (около 80%) относятся спиральные галактики. У этого вида отчетливо наблюдаются ядро и спиральные «рукава». Второй вид (около 17%) включает эллиптические галактики, т.е. такие, которые имеют форму эллипса. К третьему виду (примерно 3%) относятся галактики неправильной формы, которые не имеют отчетливо выраженного ядра. Кроме того, галактики различаются размерами, числом входящих в них звезд и светимостью. Все галактики находятся в состоянии движения, причем расстояние между ними постоянно увеличивается, т.е. происходит взаимное удаление (разбегание) галактик друг от друга.

Наша Солнечная система принадлежит к галактике Млечного Пути, включающей не менее 100 млрд. звезд и поэтому относящейся к разряду гигантских галактик. Она имеет сплюснутую форму, в центре которой находится ядро с отходящими от него спиральными «рукавами». Диаметр нашей Галактики составляет около 100 тыс., а толщина — 10 тыс. световых лет. Соседней с нами является галактика Туманность Андромеды.

Метагалактика — система галактик, включающая все известные космические объекты.

Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для измерения этих расстояний разработаны следующие специальные единицы:

световой год — расстояние, которое проходит луч света в течение одного года со скоростью 300 000 км/с, т.е. световой год составляет 10 трлн км;

астрономическая единица — это среднее расстояние от Земли до Солнца, 1 а.е. равна 8,3 световым минутам. Это значит, что солнечные лучи, оторвавшись от Солнца, достигают Земли через 8,3 мин;

парсек — единица измерения космических расстояний внутри звездных систем и между ними. 1пк — 206 265 а.е., т.е. приблизительно равен 30 трлн км, или 3,3 световым года.

Структура макромира

Каждый структурный уровень материи в своем развитии подчиняется специфическим законам, но при этом между этими уровнями нет строгих и жестких границ, все они теснейшим образом связаны между собой. Границы микро- и макромира подвижны, не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микрообъектов. Тем не менее, выделим важнейшие объекты макромира.

Центральным понятием макромира является понятие вещества, которое в классической физике, являющейся физикой макромира, отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами — удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, тепло- и электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий.

Структура микромира

На рубеже XIX—XX вв. в естественно-научной картине мира произошли радикальные изменения, вызванные новейшими научными открытиями в области физики и затронувшие ее основополагающие идеи и установки. В результате научных открытий были опровергнуты традиционные представления классической физики об атомной структуре вещества. Открытие электрона означало утрату атомом статуса структурно неделимого элемента материи и тем самым коренную трансформацию классических представлений об объективной реальности. Новые открытия позволили:

выявить существование в объективной реальности не только макро-, но и микромира;

подтвердить представление об относительности истины, являющейся только ступенькой на пути познания фундаментальных свойств природы;

доказать, что материя состоит не из «неделимого первоэлемента» (атома), а из бесконечного многообразия явлений, видов и форм материи и их взаимосвязей.

Концепция элементарных частиц. Переход естественно-научных знаний с атомного уровня на уровень элементарных частиц привел ученых к заключению, что понятия и принципы классической физики оказываются неприменимыми к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи (микрообъектов), таких, как электроны, протоны, нейтроны, атомы, которые образуют невидимый нами микромир. В силу особых физических показателей свойства объектов микромира совершенно не похожи на свойства объектов привычного нам макромира и далекого мегамира. Отсюда возникла необходимость отказа от привычных представлений, которые навязаны нам предметами и явлениями макромира. Поиски новых способов описания микрообъектов способствовали созданию концепции элементарных частиц.

Согласно этой концепции основными элементами структуры микромира выступают микрочастицы материи, которые не являются ни атомами, ни атомными ядрами, не содержат в себе каких-либо других элементов и обладают наиболее простыми свойствами. Такие частицы были названы элементарными, т.е. самыми простыми, не имеющими в себе никаких составных частей.

После того как было установлено, что атом не является последним «кирпичиком» мироздания, а построен из более простых элементарных частиц, их поиск занял главное место в исследованиях физиков. История открытия фундаментальных частиц началась в конце XIX в., когда в 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу — электрон. История открытия всех известных сегодня элементарных частиц включает два этапа.

Первый этап приходится на 30—50-е гг. XX в. К началу 1930-х гг. были открыты протон и фотон, в 1932 г. — нейтрон, а спустя четыре года — первая античастица — позитрон, которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд. К концу этого периода стало известно о 32 элементарных частицах, причем каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений.

Второй этап приходится на 1960-е гг., кода общее число известных частиц превысило 200. На этом этапе основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. В 1970-80-е гг. поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили о семействах элементарных частиц. На данный момент науке известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик.

Все элементарные частицы обладают некоторыми общими свойствами. Одно из них — свойство корпускулярно-волнового дуализма, т.е. наличие у всех микрообъектов как свойств волны, так и свойств вещества.

Другим общим свойством является наличие почти у всех частиц (кроме фотона и двух мезонов) своих античастиц. Античастицы — это элементарные частицы, схожие с частицами по всем признакам, но отличающиеся противоположными знаками электрического за ряда и магнитного момента. После открытия большого числа античастиц ученые заговорили о возможности существования антивещества и даже антимира. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции — превращение частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращается в излучение).

Еще одним важнейшим свойством элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость. Этого свойства нет ни в макро-, ни в мегамире.

2. Развитие структурной химии

Многочисленные эксперименты по изучению свойств химических элементов в первой половине XIX в. привели ученых к убеж дению, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул. К этому времени мануфактурное производство сменилось фабричным, опирающимся на машинную технику и широкую сырьевую базу. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения. Качественное разнообразие данных веществ потрясающе велико — сотни тысяч химических соединений, состав которых, тем не менее, крайне однообразен, так как они состоят из нескольких элементов-органогенов. Это — углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор. Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном элементном составе было найдено в явлениях, получивших названия изомерии и полимерии. Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии.

Структурная химия стала более высоким уровнем по отношению к учению о составе вещества. При этом химия из науки преимущественно аналитической превратилась в науку синтетическую. Главным достижением этого этапа развития химии стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.

Сам термин «структурная химия» — понятие условное. В нем, прежде всего, подразумевается такой уровень химических знаний, при котором, комбинируя атомы различных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения. Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

Основы структурной химии были заложены еще Дж. Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Затем И. Бер-целиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами. Как позже показал химик Ш. Жерар, это утверждение было верно не всегда, поэтому еще в середине XIX в. структура молекул оставалась загадочной.

В 1857 г. немецкий химик А. Кекуле опубликовал свои наблюдения о свойствах некоторых элементов, могущих заменять атомы водорода в ряде соединений, и ввел новый термин — сродство. Он стал обозначать количество атомов водорода, которые может заместить данный химический элемент. Число единиц сродства, прису щее данному химическому элементу, Кекуле назвал вагентностыо. При объединении атомов в молекулу происходило замыкание свободных единиц сродства. Таким образом, понятие «структура молекулы» свелось к построению наглядных формульных схем, которые служили химикам руководством в их практической работе, показывали, какие исходные вещества нужно брать для получения конечного продукта.

Структурная химия позволяет наглядно демонстрировать валентность химических элементов как число единиц сродства, присущих атому: =С=; -О-; Н-. Комбинируя атомы различных химических элементов с их единицами сродства, можно создать структурные формулы любого химического соединения. А это означает, что химик в принципе может создавать план синтеза любого химического соединения — как уже известного, так и еще неоткрытого. То есть химик может прогнозировать получение неизвестного соединения и проверить свой прогноз синтезом.

К сожалению, схемы Кекуле не всегда можно было осуществить на практике. Часто придуманная химиками реакция, которая должна была привести к получению вещества с нужной структурной формулой, не происходила. Это было вызвано тем, что подобные формальные схемы не учитывали реакционной способности веществ, вступавших в химическую реакцию.

Поэтому важнейшим шагом в развитии структурной химии стало создание теории химического строения органических соединений русским химиком А.М. Бутлеровым. Бутлеров вслед за Кекуле признавал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связывает вещества между собой. Иными словами, Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других. Кроме того, она указывала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекул.

В XX в. структурная химия получила дальнейшее развитие. В частности, было уточнено понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы. Также было введено понятие атомной структуры — устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом, и моле кулярной структуры — сочетания ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.

На основе достижений структурной химии у исследователей появилась уверенность в положительном исходе экспериментов в области органического синтеза. Сам термин «органический синтез» появился в 1860—1880-е гг. и стал обозначать целую область науки, названную так в противоположность общему увлечению анализом природных веществ. Этот период в химии был назван триумфальным шествием органического синтеза. Химики гордо заявляли о своих ничем не сдерживаемых возможностях, обещая синтезировать из угля, воды и воздуха все самые сложные тела, вплоть до белков, гормонов и пр. И действительность, казалось, подтверждала эти заявления: за вторую половину XIX в. число органических соединений за счет вновь синтезированных возросло с полумиллиона до двух миллионов.

В это время появились всевозможные азокрасители для текстильной промышленности, различные препараты для фармации, искусственный шелк и т.д. До этого подобные материалы добывались в ограниченных количествах и с огромными затратами низкопроизводительного, преимущественно сельскохозяйственного, труда.

Современная структурная химия достигла больших результатов. Синтез новых органических веществ позволяет получить полезные и ценные материалы, отсутствующие в природе. Так, ежегодно в мире синтезируют тысячи килограммов аскорбиновой кислоты (витамина С), множество новых лекарств, среди которых — безвредные антибиотики, лекарства против гипертонии, язвенной болезни и др.

Самым последним достижением структурной химии является открытие совершенно нового класса металлорганических соединений, которые за свою двухслойную структуру получили название «сэндвичевых» соединений. Молекула этого вещества представляет собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом какого-либо металла.

Исследования в области современной структурной химии идут по двум перспективным направлениям:

синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;

создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами кристаллической решетки для производства материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.

Решение каждой из этих проблем имеет свои сложности. Так, для решения первой проблемы необходимо соблюдение таких условий выращивания кристаллов, которые исключали бы воздействие на процесс всех внешних факторов, в том числе и поля гравитации (земного притяжения). Поэтому кристаллы с заданными свойства ми выращиваются на орбитальных станциях в космосе. Решение второй проблемы затруднено тем, что, наряду с запрограммированными дефектами, практически всегда образуются и нежелательные нарушения.

Тем не менее, классическая структурная химия была ограничена рамками сведений только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии. Этих сведений недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения вещества. Так, согласно структурным теориям должны быть вполне осуществимы многие химические реакции, которые на практике не происходят. Большое количество реакций органического синтеза, основанных лишь на принципах структурной химии, имеют столь низкие выходы продукции и такие большие отходы в виде побочных продуктов, что не могут быть использованы в промышленности. К тому же подобный синтез требовал в качестве исходного сырья дефицитных активных реагентов и сельскохозяйственной продукции, в том числе и пищевой, что крайне невыгодно в экономическом отношении.

Поэтому изумление успехами структурной химии было недолгим. Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики, приборостроения в первой половине XX в. выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получить высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов способ решения основной проблемы химии, основанный на учении о составе и структурных теориях, был явно недостаточен. Он не учитывал резких изменений свойств вещества в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость протекания химических процессов. Учет и использование этих факторов вывело химию на новый качественный уровень ее развития.

Высокомолекулярные соединения

(полимеры), характеризуются молекулы массой от нескольких тысяч до нескольких (иногда многих) миллионов. В состав молекул высокомолекулярных соединений (макромолекул) входят тысячи атомов, соединенных хим. связями. Любые атом или группа атомов, входящие в состав цепи полимера или олигомера, наз. составным звеном. Наименьшее составное звено, повторением которого м. б. описано строение регулярного (см. ниже) полимера, наз. составным повторяющимся звеном. Составное звено, которое образуется из одной молекулымономера при полимеризации, называется мономерным звеном (ранее иногда наз. элементарным звеном). Например, в полиэтилене [—СН2 СН2 —]n повторяющееся составное звено - СН2 , мономерное -СН2 СН2 .

Название линейного полимера образуют прибавлением приставки "поли" (в случае неорганич. полимеров -"катена-поли"): а) к названию составного повторяющегося звена, заключенному в скобки (систематич. названия); б) к названию мономера, из к-рого получен полимер (полусистематич. названия, которые ИЮПАК рекомендует использовать для обозначения наиболее часто применяемых полимеров). Название составного повторяющегося звена образуют по правилам номенклатуры химической. Например: (первыми указаны полусистематич. названия):

3. Структурные уровни организации жизни

Жизнь характеризуется диалектическим единством противоположностей: она одновременно целостна и дискретна. Органический мир представляет собой единое целое, так как составляет систему взаимосвязанных частей (существование одних организмов зависит от других), и в то же время дискретен, поскольку состоит из отдельных единиц — организмов, или особей. Каждый живой организм, в свою очередь, также дискретен, так как состоит из отдельных органов, тканей, клеток, но вместе с тем каждый из органов, обладая определенной автономностью, действует как часть целого. Каждая клетка состоит из органоидов, но функционирует как единое целое. Наследственная информация осуществляется генами, но ни один из генов вне всей совокупности не определяет развитие признака и т.д.

С дискретностью жизни связаны различные уровни организации органического мира, которые можно определить как дискретные состояния биологических систем, характеризуемых соподчи-ненностью, взаимосвязанностью и специфическими закономерностями. При этом каждый новый уровень обладает особыми свойствами и закономерностями прежнего, низшего уровня, поскольку любой организм, с одной стороны, состоит из подчиненных ему элементов, а с другой — сам является элементом, входящим в состав какой-то макробиологической системы.

На всех уровнях жизни проявляются такие ее атрибуты, как дискретность и целостность, структурная организация, обмен веществом, энергией и информацией. Существование жизни на более высоких уровнях организации подготавливается и определяется структурой низшего уровня; в частности, характер клеточного уровня определяется молекулярным и субклеточным, организменный — клеточным, тканевым уровнями и т.д.

Структурные уровни организации жизни чрезвычайно многообразны, но при этом основными являются молекулярный, клеточный, онтогенетический, популяционно-видовой, биоценотический, биогеоценотический и биосферный.

Молекулярно-генетический уровень

Молекулярно-генетический уровень жизни — это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, лежащих в основе процессов жизнедеятельности организмов. На этом уровне элементарной структурной единицей является ген, а носителем наследственной информации у всех живых организмов — молекула ДНК. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул РНК. В связи с тем, что с молекулярными структурами связаны процессы хранения, изменения и реализации наследственной информации, данный уровень называют молекуляр-но-генетическим.

Важнейшими задачами биологии на этом уровне являются изучение механизмов передачи генной информации, наследственности и изменчивости, исследование эволюционных процессов, происхождения и сущности жизни.

Все живые организмы имеют в своем составе простые неорганические молекулы: азот, воду, двуокись углерода. Из них в ходе химической эволюции появились простые органические соединения, ставшие, в свою очередь, строительным материалом для более крупных молекул. Так появились макромолекулы — гигантские мо лекулы-полимеры, построенные из множества мономеров. Существуют три типа полимеров: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них соответственно служат моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды.

Белки и нуклеиновые кислоты являются «информационными» молекулами, так как в их строении важную роль играет последовательность мономеров, которая может быть весьма разнообразной. Полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза) играют роль источника энергии и строительного материала для синтеза более крупных молекул.

Белки — это макромолекулы, представляющие собой очень длинные цепи из аминокислот — органических (карбоновых) кислот, содержащих, как правило, одну или две аминогруппы (—NH2 ).

В растворах аминокислоты способны проявлять свойства как кислот, так и оснований. Это делает их своеобразным буфером на пути опасных физико-химических изменений. В живых клетках и тканях встречается свыше 170 аминокислот, однако в состав белков их входит только 20. Именно последовательность аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями1 , образует первичную структуру белков. На долю белков приходится свыше 50% общей сухой массы клеток.

Большинство белков выполняет функцию катализаторов (ферментов). В их пространственной структуре есть активные центры в виде углублений определенной формы. В такие центры попадают молекулы, превращение которых катализируется данным белком. Кроме того, белки играют роль переносчиков; например, гемоглобин переносит кислород от легких к тканям. Мышечные сокращения и внутриклеточные движения — результат взаимодействия молекул белков, функция которых заключается в координации движения. Функцией белков-антител является защита организма от вирусов, бактерий и т.д. Активность нервной системы зависит от белков, с помощью которых собирается и хранится информация из окружающей среды. Белки, называемые гормонами, управляют ростом клеток и их активностью.

Нуклеиновые кислоты. Процессы жизнедеятельности живых организмов определяет взаимодействие двухвидов макромолекул — белков и ДНК. Генетическая информация организма хранится в молекулах ДНК, которая служит носителем наследственной информации для следующего поколения и определяет биосинтез белков, контролирующих почти все биологические процессы. Поэтому нук леиновым кислотам принадлежит такое же важное место в организме, как и белкам.

Как белки, так и нуклеиновые кислоты обладают одним очень важным свойством — молекулярной дисимметрией (асимметрией), или молекулярной хиральностью. Это свойство жизни было открыто в 40—50-е гг. XIX в. Л. Пастером в ходе исследования строения кристаллов веществ биологического происхождения — солей виноградной кислоты. В своих опытах Пастер обнаружил, что не только кристаллы, но и их водные растворы способны отклонять поляризованный луч света, т.е. являются оптически активными. Позже они получили название оптических изомеров. У растворов веществ небиологического происхождения данное свойство отсутствует, строение их молекул симметрично.

Сегодня идеи Пастера подтверждены, и считается доказанным, что молекулярная хиральность (от греч. cheir — рука) присуща только живой материи и является ее неотъемлемым свойством. Вещество неживого происхождения симметрично в том смысле, что молекул, поляризующих свет влево и вправо, в нем всегда поровну. А в веществе биологического происхождения всегда присутствует отклонение от этого баланса. Белки построены из аминокислот, поляризующих свет только влево (L-конфигурация). Нуклеиновые кислоты состоят из Сахаров, поляризующих свет только вправо (D-конфигурация). Таким образом, хиральность заключается в асимметрии молекул, их несовместимости со своим зеркальным отражением, как у правой и левой руки, что и дало современное название этому свойству. Интересно отметить, что если бы человек вдруг превратился в свое зеркальное отражение, то с его организмом все было бы нормально до тех пор, пока он не стал бы есть пищу растительного или животного происхождения, которую он просто не смог бы переварить.

Нуклеиновые кислоты — это сложные органические соединения, представляющие собой фосфорсодержащие биополимеры (поли-нуклеотиды).

Существует два типа нуклеиновых кислот — дезоксирибонук-леиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Свое название нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus — ядро) получили из-за того, что впервые были выделены из ядер лейкоцитов еще во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером. Позже было обнаружено, что нуклеиновые кислоты могут находиться не только в ядре, но и в цитоплазме и ее органоидах. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом.

В середине XX в. американский биохимик Дж. Уотсон и английский биофизик Ф. Крик раскрыли структуру молекулы ДНК. Рентгеноструктурные исследования показали, что ДНК состоит из двух цепей, закрученных в двойную спираль. Роль остовов цепей играют сахарофосфатные группировки, а перемычками служат основания пуринов и пиримидинов. Каждая перемычка образована двумя основаниями, присоединенными к двум противоположным цепям, причем, если у одного основания одно кольцо, то у другого — два. Таким образом, образуются комплементарные пары: А-Т и Г-Ц. Это значит, что последовательность оснований одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой, комплементарной ей цепи молекулы.

Ген — это участок молекулы ДНК или РНК (у некоторых вирусов). РНК содержит 4—6 тысяч отдельных нуклеотидов, ДНК — 10—25 тысяч. Если бы можно было вытянуть ДНК одной человеческой клетки в непрерывную нить, то ее длина составила бы 91 см.

И все же рождение молекулярной генетики произошло несколько раньше, когда американцы Дж. Бидл и Э. Тэйтум установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Именно тогда появилось знаменитое высказывание: «один ген — один белок». Позже было выяснено, что основной функцией генов является кодирование синтеза белка. После этого ученые сконцентрировали свое внимание на вопросе, как записана генетическая программа и как она реализуется в клетке. Для этого нужно было выяснить, как всего четыре основания могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцати аминокислот. Основной вклад в решение этой проблемы внес знаменитый физик-теоретик Г. Гамов в середине 1950-х гг.

По его предположению, для кодирования одной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наследственности, кодирующая одну аминокислоту, получила название кодона. В 1961 г. гипотеза Гамова была подтверждена исследованиями Ф. Крика. Так был расшифрован молекулярный механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при синтезе белков.

В живой клетке имеются органеллы — рибосомы, которые «читают» первичную структуру ДНК и синтезируют белок в соответствии с записанной в ДНК информацией. Каждой тройке нуклеотидов ставится в соответствие одна из 20 возможных аминокислот. Именно так первичная структура ДНК определяет последовательность аминокислот синтезируемого белка, фиксирует генетический код организма (клетки).

Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, происхождении всех живых существ на Земле от единого предка.

Также был расшифрован механизм воспроизводства ДНК. Он состоит из трех частей: репликации, транскрипции и трансляции.

Репликация — это удвоение молекул ДНК. Основой репликации является уникальное свойство ДНК к самокопированию, что дает возможность деления клетки на две идентичные. При репликации ДНК, состоящая из двух скрученных молекулярных цепочек, раскручивается. Образуются две молекулярные нити, каждая из которых служит матрицей для синтеза новой нити, комплементарной к исходной. После этого клетка делится, и в каждой клетке одна нить ДНК будет старой, а вторая — новой. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме — мутациям.

Транскрипция — это перенос кода ДНК путем образования од-ноцепочной молекулы информационной РНК (и-РНК) на одной из нитей ДНК. и-РНК — это копия части молекулы ДНК, состоящей из одного или группы расположенных рядом генов, несущих информацию о структуре белков.

Трансляция — это синтез белка на основе генетического кода и-РНК в особых органоидах клетки — рибосомах, куда транспортная РНК (т-РНК) доставляет аминокислоты.

В конце 1950-х гг. русскими и французскими учеными одновременно была выдвинута гипотеза о том, что различия в частоте встречаемости и порядке расположения нуклеотидов в ДНК у разных организмов имеют специфический для видов характер. Данная гипотеза позволила изучать на молекулярном уровне эволюцию живого и характер видообразования.

Существует несколько механизмов изменчивости на молекулярном уровне. Важнейшим из них является уже упоминавшийся механизм мутации генов — непосредственное преобразование самих ге нов, находящихся в хромосоме, под воздействием внешних факторов. Факторами, вызывающими мутацию (мутагенами), являются радиация, токсичные химические соединения, а также вирусы. При этом механизме изменчивости порядок расположения генов в хромосоме не меняется.

Еще один механизм изменчивости — рекомбинация генов. Это создание новых комбинаций генов, располагающихся в конкретной хромосоме. При этом сама молекулярная основа гена не меняется, а происходит его перемещение с одного участка хромосомы на другой или идет обмен генами между двумя хромосомами. Рекомбинация генов имеет место при половом размножении у высших организмов. При этом не происходит изменения общего объема генетической информации, он остается неизменным. Этот механизм объясняет, почему дети лишь частично похожи на своих родителей — они наследуют признаки от обоих родительских организмов, которые сочетаются случайным образом.

Другой механизм изменчивости — неклассическая рекомбинация ге нов — был открыт лишь в 1950-е гг. При неклассической рекомбинации генов происходит общее увеличение объема генетической информации за счет включения в геном клетки новых генетических элементов. Чаще всего новые элементы привносятся в клетку вирусами. Сегодня обнаружено несколько типов трансмиссивных генов. Среди них — плазмиды, представляющие собой двухцепочную кольцевую ДНК. Из-за них после длительного использования каких-либо лекарств наступает привыкание, после чего они перестают оказывать медикаментозное воздействие. Патогенные бактерии, против которых действует наше лекарство, связываются с плазми-дами, что и придает бактериям устойчивость к лекарству, и они перестают его замечать.

Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов. Возможность использования таких элементов человеком привела к появлению новой науки — генной инженерии, целью которой является создание новых форм организмов с заданными свойствами. Таким образом, с помощью генетических и биохимических методов конструируются новые, не существующие в природе сочетания генов. Для этого видоизменяется ДНК, кодирующая производство белка с нужными свойствами. Данный механизм лежит в основе всех современных биотехнологий.

С помощью рекомбинантной ДНК можно синтезировать разнообразные гены и вводить их в клоны (колонии идентичных организмов) для направленного синтеза белка. Так, в 1978 г. был синтезирован инсулин — белок для лечения сахарного диабета. Нужный ген был введен в плазмиду и внедрен в обычную бактерию.

Генетики работают над созданием безопасных вакцин от вирусных инфекций, так как традиционные вакцины представляют собой ослабленный вирус, который должен вызывать выработку антител, поэтому их введение связано с определенным риском. Генная инженерия позволяет получить ДНК, кодирующую поверхностный слой вируса. В этом случае иммунитет вырабатывается, но заражение организма исключено.

Сегодня в генной инженерии рассматривается вопрос об увеличении продолжительности жизни и возможности бессмертия путем изменения генетической программы человека. Достичь этого можно, увеличив защитные ферментные функции клетки, оберегая молекулы ДНК от различных повреждений, связанных как с нарушением обмена веществ, так и с влиянием окружающей среды. Кроме того, ученым удалось открыть пигмент старения и создать специальный препарат, освобождающий клетки от него. В опытах с мы

шами было получено увеличение продолжительности их жизни. Также ученым удалось установить, что в момент деления клетки уменьшаются теломеры — особые хромосомные структуры, расположенные на концах клеточных хромосом. Дело в том, что при репликации ДНК специальное вещество — полимераза — идет по спирали ДНК, снимая с нее копию. Но копировать ДНК полимераза начинает не с самого начала, а оставляет каждый раз недокопи-рованный кончик. Поэтому с каждым последующим копированием спираль ДНК укорачивается за счет концевых участков, не несущих никакой информации, или теломер. Как только теломеры исчерпываются, при последующих копированиях начинает сокращаться часть ДНК, несущая генетическую информацию. Это и есть процесс старения клеток. В 1997 г. в США и Канаде был проведен эксперимент по искусственному удлинению теломер. Для этого использовался вновь открытый клеточный фермент — теломераза, способствующий наращиванию теломер. Полученные таким образом клетки обрели способность многократно делиться, полностью сохранив свои нормальные функциональные свойства и не превращаясь в раковые клетки.

В последнее время стали широко известны успехи генных инженеров в области клонирования — точного воспроизведения того или иного живого объекта в определенном количестве копий из соматических клеток. При этом выращенная особь генетически неотличима от родительского организма.

Получение клонов у организмов, размножающихся посредством партеногенеза, без предшествующего оплодотворения, не является чем-то особенным и давно используется генетиками. У высших организмов также известны случаи естественного клонирования — рождение однояйцевых близнецов. Но искусственное получение клонов высших организмов связано с серьезными трудностями. Тем не менее, в феврале 1997 г. в лаборатории Яна Вильмута в Эдинбурге был разработан метод клонирования млекопитающих, и с его помощью была выращена овечка Долли. Для этого у овцы породы Шотландской черномордой извлекли яйцеклетки, поместили их в искусственную питательную среду и удалили из них ядра. Затем взяли клетки молочной железы взрослой беременной овцы породы Финский дорсет, несущие полный генетический набор. Эти клетки через некоторое время слили с безъядерными яйцеклетками и активировали их развитие посредством электрического разряда. Затем развивающийся зародыш в течение шести дней рос в искусственной среде, после чего эмбрионы были трансплантированы в матку приемной матери, где и развивались до рождения. Но из 236 опытов успешным оказался лишь один — выросла овечка Долли.

После этого Вильмут заявил о принципиальной возможности клонирования человека, вызвавшей самые оживленные дискуссии

не только в научной литературе, но и в парламентах многих стран, поскольку такая возможность связана с очень серьезными моральными, этическими и юридическими проблемами. Не случайно в некоторых странах уже приняты законы, запрещающие клонирование человека. Ведь большинство клонированных эмбрионов гибнет. Кроме того, велика вероятность рождения уродов. Так что опыты по клонированию не только аморальны, но и просто опасны с точки зрения сохранения чистоты вида Homosapiens. To, что риск слишком велик, подтверждается информацией, пришедшей в начале 2002 г. и сообщающей о заболевании овечки Долли артритом — болезнью, не характерной для овец, после чего ее вскоре пришлось усыпить.

Поэтому намного более перспективным направлением исследований является изучение генома (совокупности генов) человека. В 1988 г. по инициативе Дж. Уотсона была создана международная организация «Геном человека», которая объединила множество ученых из разных стран мира и поставила задачу расшифровки всего генома человека. Это грандиозная задача, так как число генов в организме человека составляет от 50 до 100 тысяч, а весь геном — это более 3 млрд. нуклеотидных пар.

Считается, что первый этап данной программы, связанный с расшифровкой последовательности расположения нуклеотидных пар, будет завершен к концу 2005 г. Уже проведена работа по созданию «атласа» генов, набора их карт. Первая такая карта составлена в 1992 г. Д. Коэном и Ж. Доссе. В окончательном варианте она бьыа представлена в 1996 г. Ж. Вайсенбахом, который, изучая под микроскопом хромосому, с помощью специальных маркеров отмечал ДНК различных ее участков. Затем он клонировал эти участки, выращивая их на микроорганизмах, и получал фрагменты ДНК — последовательность нуклеотидов одной цепочки ДНК, из которой состояли хромосомы. Таким образом, Вайсенбах определил локализацию 223 генов и выявил около 30 мутаций, приводящих к 200 заболеваниям, среди которых гипертония, диабет, глухота, слепота, злокачественные опухоли.

Одним из результатов этой программы, пусть и не законченной, является возможность выявления генетических патологий на ранних стадиях беременности и создание генотерапии — метода лечения наследственных заболеваний с помощью генов. Перед проведением процедуры генотерапии выясняют, какой ген оказался дефектным, получают нормальный ген и вводят его во все больные клетки. При этом очень важно отследить, чтобы введенный ген работал под контролем механизмов клетки, иначе будет получена раковая клетка. Уже есть первые больные, вылеченные таким образом. Правда, пока не ясно, насколько радикально они излечены и

не вернется ли болезнь в будущем. Также пока не ясны и отдаленные последствия такого лечения.

Конечно, использование биотехнологии и генной инженерии имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Об этом говорит опубликованный в 1996 г. Федерацией европейских микробиологических обществ меморандум. Связано это с тем, что широкая общественность с подозрением и враждебностью относится к генным технологиям. Страх вызывают возможность создания генетической бомбы, способной исказить геном человека и привести к рождению уродов; появление неизвестных заболеваний и производство биологического оружия.

И, наконец, в последнее время широко обсуждается проблема повсеместного распространения трасгенных продуктов питания, созданных путем внедрения генов, блокирующих развитие вирусных или грибковых заболеваний. Уже созданы и продаются трансгенные помидоры и кукуруза. На рынок поставляются хлеб, сыр и пиво, изготовленные с помощью трансгенных микробов. Такие продукты устойчивы по отношению к вредным бактериям, обладают улучшенными качествами — вкусом, питательной ценностью, крепостью и т.д. Так, в Китае выращивают устойчивые к вирусам табак, томаты и сладкий перец. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчивые к грибкам. Но до сих пор неизвестны отдаленные последствия использования таких продуктов, прежде всего, механизм их воздействия на организм и геном человека.

Конечно, за двадцать лет использования биотехнологий не случилось ничего из того, чего опасаются люди. Все новые микроорганизмы, созданные учеными, менее болезнетворны, чем их исходные формы. Ни разу не произошло вредного или опасного распространения рекомбинантных организмов. Тем не менее, ученые тщательно следят за тем, чтобы трансгенные штаммы не содержали генов, которые после их переноса в другие бактерии могут дать опасный эффект. Существует теоретическая опасность создания новых видов бактериологического оружия на основе генных технологий. Поэтому ученые должны учитывать этот риск и содействовать развитию системы надежного международного контроля, способного зафиксировать и приостановить подобные работы.

С учетом возможной опасности использования генных технологий разработаны документы, регламентирующие их применение, правила безопасности проведения лабораторных исследований и промышленного освоения, а также правила внесения генетически модифицированных организмов в окружающую среду.

Таким образом, сегодня считается, что при соблюдении соответствующих предосторожностей польза, приносимая генными технологиями, перевешивает риск возможных отрицательных последствий.

4. Концепция развития цивилизации (Н.Н. Моисеева, В. Зубакова,

Л. Брауна)

Самый радикальный вариант депопуляции предложил В. Зубаков, сформулировавший представления об экогее (Гея - богиня Земли) - будущем биосферы с депопуляцией до 1,5 млрд человек в течение 50 лет [6]. В его сценарии присутствуют в качестве основных элементов такие сомнительные (при самой мягкой оценке!) положения, как внедрение матриархата, создание внеклассового и вненационального мирового сообщества, формирование экологической армии за счет вооруженных сил НАТО и России, уничтожение преступников и преступности в течение одного поколения и т. д.
Таким образом, несмотря на экологическую привлекательность сценария консервационистов он трудно реализуем в силу социальных причин. На страже многодетности стоят национальные традиции и практически все религии, запрещающие регулирование деторождения.
«Центристскими» являются документы, принятые на «Рио-92». На позициях центризма стоит американский Институт «WorldWatch», основанный Л. Брауном. Институт ежегодно выпускает специальные обзоры состояния проблем экологии в мире (ежегодники за 1992, 1993 и 2000 гг. переведены на русский язык). Особую роль сыграл ежегодник за 1994 г. [7], содержавший две теоретических главы (их авторы - Сандра Постел и Лестер Браун), в которых были сформулированы крайне важные для разработки модели общества устойчивого развития понятия - поддерживающей емкости (carrying capacity) планеты и продовольственной безопасности (food security).
Первое понятие обозначает некую максимальную нагрузку на биосферу, при которой она способна восстанавливаться за счет механизмов самоорганизации, а второе отражает соотношение плотности народонаселения и возможностей биосферы устойчиво снабжать его продуктами питания как из естественных экосистем (в первую очередь океанических), так и из искусственных - сельскохозяйственных.
В этом же выпуске Л. Браун дал оптимистическую оценку и благоприятный прогноз перспективы построения общества устойчивого развития. Он считал, что уже наметился перелом в отношении к проблеме УР, и начиная с 1990 г. человечество вступило в новую «энвайронментальную эру», сменившую эру экономического роста. Как ключевой признак «энвайронментальной эры» Браун назвал переключение систем национальной безопасности с решения военных задач (период «холодной войны») на обеспечение населения продовольствием, регулирование роста народонаселения и охрану окружающей среды. Однако сегодня, спустя 10 лет после «Рио-92», очевидно, что путь к обществу устойчивого развития будет долгим и тернистым...
Центристский сценарий включает ряд элементов стратегии, которые должны быть приняты мировым сообществом. Общие очертания общества устойчивого развития сегодня уже в основном определились [8], хотя «технологические» аспекты экологизации уклада жизни человечества пока не ясны, а лишь обсуждаются. Чтобы построить мировое сообщество устойчивого развития, необходимо:
гуманными методами добиться регулирования роста народонаселения на уровне, который не превысит поддерживающей емкости планеты (8-12 млрд человек);
обеспечить продовольственную безопасность человечества, т. е. защитить его от угрозы голода в настоящем и будущем (за счет компромиссной системы сельского хозяйства при умеренном использовании удобрений, гербицидов, трансгенных растений и максимальном раскрытии агроресурсного и биологического потенциала агроэкосистем, а также изменения рациона большей части человечества с заменой значительной доли животного белка растительным);
обеспечить человечество энергией без истощения энергоресурсов и загрязнения среды, сопровождающего получение и транспортировку энергоносителей и энергии (смешанный тип энергетики: 30% за счет нетрадиционных источников, остальное - за счет традиционных с повышением доли атомной энергетики при использовании безопасных ядерных реакторов и замкнутого топливного цикла; переход на энергосберегающие технологии во всех сферах деятельности);
обеспечить неистощающее использование сырьевых ресурсов для промышленности (широкое внедрение рециклинга);
прекратить сокращение биологического разнообразия (доля охраняемых природных территорий должна быть не ниже 30%);
резко снизить уровень загрязнения среды за счет «экологизации» промышленности и сельского хозяйства;
преодолеть потребительский подход (в первую очередь в странах «золотого миллиарда») и тем самым снизить давление человека на природу;
резко повысить уровень международного сотрудничества в области охраны окружающей среды.
Все эти экономические по своей природе меры должны сочетаться с экологическим образованием и воспитанием, формированием у каждого жителя планеты экологического мировоззрения и социальной активности в решении вопросов охраны окружающей среды.
В заключение остается присоединиться к мнению О.К. Дрейера и В.А. Лося [2] о том, что пока концепция общества устойчивого развития напоминает «философский камень» и «вечный двигатель». Однако это ни в коей мере не снижает ее значения для человечества: философский камень не был найден, но в процессе его поисков алхимия переросла в химию, а попытки изобрести вечный двигатель стимулировали развитие механики. Можно полагать, что при конкретизации путей к обществу устойчивого развития человечество научится экологическому укладу жизни, альтернативой которому является глобальный экологический кризис.

В. А. ЗУБАКОВ

ИТОГИ XX И ПЕРСПЕКТИВЫ XXI веков ГЛАЗАМИ ГЕОЭКОЛОГА:

ИПОСТАСИ ГЛОБАЛИЗАЦИИ И ИМПЕРАТИВЫ ВЫЖИВАНИЯ

Г. Г. Малинецкий и другие ученые делают три важных вывода:

1. Мир подошел к системному кризису; 2. В России на государственном уровне нет прогноза динамики биотехносферы и нет мониторинга техносферных процессов; 3. Анализ дальних целей, встающих перед человечеством и страной, становится сейчас главной задачей науки (Малинецкий и др. 2003). Поскольку авторы пишут, что Рио-де-Жанейро был не рывком вперед, а шагом назад,то, по сути, ими ставится и четвертый вопрос – почему 30-летние усилия ООН по выработке стратегии поддерживаемого развития Sustainable Development – SD (у нас «устойчивого развития» – УР) не привели к успеху? Этот вопрос следует и из обзора отчета Амстердамской международной конференции «Вызовы изменяющейся Земли» (Кондратьев, Лосев 2002), а также из моего обзора итогов Йоханнесбургского саммита ООН (Зубаков 2003). К трем первым вопросам (Малинецкий и др. 2003) автор близко подошел 15 лет назад (Зубаков 1990) и тогда же решил сменить свою специализацию стратиграфа-палеоклима-

толога на исследование проблем исторической геоэкологии, тогда еще не сформировавшейся научной дисциплины. В последующих примерно 50 статьях (укажу лишь одну: Зубаков1998–2001) и в трех брошюрах (Зубаков 1995; 2000а; 2002) я 104 вышел на контуры альтернативы ныне существующей при-родопотребительской парадигмы. Я назвал ее экогеософской (от греч. «мудрость дома Земля»). Она не осталась незамеченной. Были и рецензии (и «за», и «против»), и дипломы, и даже – за одну из них (Зубаков 2002) – медаль Россий-ской академии естествознания. Однако мои попытки поставить тему для фундаментального исследования в план РАН, даже в форме гранта РФФИ, не проходили. То ли заявки принимались за «страшилки», то ли противоречили насаждаемой ныне рыночной идеологии, не знаю. Именно поэтому статью ученых (Малинецкий и др. 2003), представляющих молодую элиту РАН, я воспринял как знаковый поворот, возвещающий смену погоды, а возможно, и самого климата в РАН по отношению к пограничным вопросам экологии,

социологии и экономики. Хочу продолжить обсуждение поднятых вопросов, выведя их в конкретное русло ойкогеономической синтагмы . Под новым тер-мином синтагма (греч. «вместе построяемое») А. И. Ракитов (2003)предложил понимать систему знаний, правил и принципов, разработанных в разных науках, но сводимых вместе для решения важных практических проблем. Именно такой проблемой на стыке геоэкологии, геоэкономики, социологии, политики и синергетики и является, по-моему, создание еще не существующей, но остро не-

обходимой для выживания человечества «науки – стратегии» об управлении гомеостазисом объединенного человечества с поддерживаемой Им с помощью Коллективного Разума биосферой. Я называю ее ойкогеономикой (греч. «ведение дома Земля»).

Я согласен с постановкой (Малинецкий и др. 2003; Кондратьев, Лосев 2002) программы обсуждения. И тоже считаю, что цели человечества, не «сиюминутные», на 3–4 года, а дальние, на сто и более лет, сейчас становятся (уже стали!) главной задачей науки и ученых. Но чтобы правильно их выбирать, надо, очевидно, понимать – Где мы? и Почему? Поэтому я разделяю обсуждение поставленных четырех вопросов на две части – анализ итогов ХХ века и

осмысление целей и стратегии человечества на XXI век. Учитывая сложность и значимость проблем, сделать это можно, очевидно, только в большой статье. И при этом обсуждение вынуждено быть сжатым, почти тезисным. Обзор итогов ХХ века обычно начинают либо заголов-ками типа «Эпилог», «Эпитафия» (Азроянц 2002), «Конец истории», «Реквием» (Неклесса 2002), либо словами «Кризис», «Катастрофа», «Апокалипсис». Авторы первых главным итогом ХХ века считают глобализацию, авторы вторых – глобальный экологический кризис (ГЭК). Есть ли разница? Ведь в обоих случаях описываются, по сути, одни и те

же события. Но вопрос в том, с каких методологических позиций. Говоря о глобализации, исследователи, а это чаще всего историки и экономисты, анализируют современные процессы. О кризисе (ГЭК) говорят те, кто сравнивают современные геоэкологические процессы с прежними, то есть расширяют тему анализа до итогов цивилизации . То есть разница в интервалах осмысляемого. И здесь уместно привести заключение специалистов по проблемам управления во главес И. В. Прангишвили (Прангишвили и др. 2001) о том, что осмысление результатов социальных процессов всегда отстает от хода самих процессов как минимум на 15 лет. При анализе же системного геоэкологического кризиса это отставание, безусловно, куда более значительно.

У статьи две цели: 1) дать ответ геоэколога на вопросы, сформулированные синергетиками (Малинецкий и др. 2003; Прангишвили и др. 2001; Иноземцев 2003; и др.); 2) обсудить конкретные различия в оценке событий ХХ века (а это прежде всего процессы глобализации), возникшие между экономистами и историками (Азроянц 2002; Неклесса 2002; Субетто 2003), с одной стороны, и геоэкологами – с другой. Два слова о методологии анализа. В подкупающей своей цельностью книге Э. А. Азроянца (Азроянц 2002) глобализация рас-сматривается поочередно как проблема, как реальность и как процесс. Мне кажется, правильнее не разрывать эти три аспекта глобализации, а найти другую, содержательную ее классификацию. В этом я ближе к логике А. С. Панарина (2002) и А. И. Неклессы (2002). И ниже буду классифицировать глобализацию как проблему, реальность и процесс одновременно, выделяя четыре главные ее ипостаси (сущностные вариации), с характерными для каждой индикаторами (см. табл. 1, с. 106). Конечно, ипостасей может быть и больше, но ограничусь главными. Есть еще одно важное различие в описаниях глобализации – их можно разделить по степени соотношения эмпиризма и теории. Например, только что опубликован двухтомник трудов конференции, проведенной общественной Петровской академией наук и искусств под руководством А. И. Субетто (Субетто 2003). В нем на 750 страницах представлено 48 статей 44 видных экономистов, философов и историков, при-

держивающихся или сочувствующих социалистической идеологии. Авторы его трактуют глобализацию как заключительный этап развития империализма и капитализма. А в качестве определяющей силы называют «капиталократию» .

При этом процессу глобализации противопоставляется антиглобалистское движение, которое А. И. Субетто принимает за начало «второй волны Глобальной Социалистической Цивилизационной Революции» (Субетто 2003: 39–41).

Идеологической трактовке глобализации противостоит прагматическая трактовка, характерная для большинства зарубежных монографий и обзоров, а у нас развиваемая В. Л. Иноземцевым вжурнале «Свободная мысль – XXI» (Иноземцев 2003). Он подчеркивает совершенно объективную и закономерную реальность глобализации как она есть и не считает правильным давать ей какуюлибо эмоциональную оценку. При этом, однако, характеризует

движение антиглобалистов как тупиковое и деградационное. Им де, антиглобалистам, «нечего предложить миру» (Иноземцев 2003). Есть и третья трактовка глобализации как некоего мировоззрения . Первая часть очень содержательной коллективной монографии «Глобальное сообщество», собранной А. И. Неклессой (2002), так и называется «Глобализм как феномен и как мировоззрение». Такая трактовка наиболее интересна, хотя и спорна.

Не примыкая ни к одной из этих трактовок, я предприму нижесвой независимый анализ, следуя таблице 1 (с. 106). Эколого-демографическая ипостась глобализации Ее индикаторами являются два процесса трансграничного пере-

носа – загрязнение окружающей среды токсическими отходами техногенной деятельности и этническое смешение населения. Жаком Аттали (1990) последнее именуется «ростом кочевников». Действительно, примерно каждый пятый рабочий в Германии является турком, во Франции – арабом, в США – мексиканцем. Что нашими рынками наполовину заправляют выходцы с Кавказа и из Средней Азии, мы видим и сами. По данным Н. Ф. Минеева (Субетто 2003: 79), иностранцы среди жителей Германии составляют 9 %, в США – 9,8 %, в Канаде – 17,1 %, в Швеции – 19,4 %, в Австрии – 21,1 %, а в Люксембурге даже 34,9 %. Откуда идут эти потоки мигрантов? Из стран Юга, которые являются самыми бедными. Что такое трансграничный перенос загрязнений , посмотрим на примере кислотных дождей и переноса радиоактивных изотопов – самых характерных проявлений техносферных процессов. Механизм кислотных дождей заключается в окислении диоксидов серы и оксидов азота в облачных каплях и тумане Асимметрия «демографического взрыва», ведущая к биосоциальной неустойчивости человеческой популяции (Коптюг и др. 1996).

до семи дней и ветрами переносятся на сотни и тысячи километровот района выбросов. Выпадая над лесами, кислотные дожди сжигают листву, а над озерами – убивают планктон и рыбу. После дождей с концентрацией рН ниже трех почва теряет способность что-либо производить. Уже сейчас, при средней интенсивности кислотных дождей в 400 единиц на гектар, мертвыми оказываются огромные площади лесов и тысячи озер. Однако, по расчетам Р. Айреса, к 2040 г. интенсивность кислотных дождей может возрасти до 2400–

3600 единиц, то есть в 6–9 раз (Кондратьев 1999). Перенос радиоактивных осадков «работает» на еще большие расстояния. Так, во время чернобыльской аварии около 280 разных радионуклидов выпало на территории от Швеции до Турции. Изотопы стронция и цезия, выброшенные при новоземельских испытаниях, отравили лишайникипо всему северу Евразии, а следовательно, и оленей вплоть до Чукотки. И у чукчей, питающихся олениной, концентрация этих изотопов оказалась сопоставимой с той, которая отмечена у жителей окрестностей Чернобыля (Фешбах, Френди 1992). И еще: в молоке эскимосок Гренландии и в телах пингвинов Антарктиды, питающихся рыбой, и сейчас обнаруживаются высокие, в миллионы раз превышающие водный фон, концентрации пестицидов, хотя они давно запрещены в сельском хозяйстве. Итак, трансграничные переносы – это самые явные и бесспорные индикаторы глобализации как процесса заполнения экосферы Земли людьми и отходами их техногенной деятельности и глобального экологического кризиса! Видно, что демографический взрыв – скачкообразное почти четырехкратное (!) увеличение населения Земли за ХХ век, на 4,5 млрд (с 1,6 до 6,1 млрд) – является ведущей, но не единственной характеристикой глобального экокризиса. Описывать параметры ГЭК здесь нет возможности, это сделано ранее (Зубаков 2000а). Ограничусь ссылкой на поражающие воображение размеры загрязнения окру-

жающей среды на территории бывшего СССР. Они приведены в монографии М. Фешбаха и А. Френди (1992), из которой мы узнаем, что «самым-самым» экологически загрязненным городом мира является Норильск, морем – Каспий, а регионом – окрестности Кыштыма на Урале. По индексу Dwi – Dangerous wastes index – отношению объема ядовитых отходов к общему объему отходов – наше российское производство (Dwi – 4,53) оказывается, по Е. С. Ивлевой, в

20 раз (!) опаснее немецкого (Dwi – 0,26) и в три раза – американского (Dwi – 1,49) (Зубаков 2000а). Поэтому-то наш ведущий эколог А. В. Яблоков и назвал СССР «страной-мутантом». Индикаторные процессы глобального экокризиса (ГЭК) Самое важное для нас сейчас – это понять, что техногенное загрязнение биосферы и рост техногенных отходов (общий объем которых, если их распределить ровным слоем по поверхности суши, в пять раз превышает объем биомассы живого вещества) является прямым следствием демографического взрыва, происшедшего в ХХ веке. Если население Земли за ХХ век выросло

в 4 раза (точнее, в 3,75 раза), то объем техногенных выбросов возрос в 18 раз (!).

По законам биосферы, высшие консументы (лат. «потребители»), то есть все млекопитающие, включая род Homo, могут, не нарушая биоэкологических круговоротов, потреблять только 1 % земной биомассы. Человечество же перешло этот рубеж, по расчетам В. Г. Горшкова (1995), а за рубежом Витоусека, в начале ХХ века, и сейчас потребляет около 10 % всей биомассы планеты и около 40 % биомассы суши (!). Иными словами, оно за ХХ век на порядок превысило свою численность, разрешенную биоэкологическими

законами. К этому выводу независимо пришли и видные экономисты под руководством лауреатов Нобелевской премии Р. Гудленда и Х. Дэли (Goodland, Daly, Serafy 1991), из чего они заключили, что и возможности стихийного рынка в условиях переполненной экологической ниши исчерпали себя. Однако их выводы были проигнорированы политиками, собравшимися в Рио-де-Жанейро.

По законам биологии и экологии, у вида, превысившего пределы своей экониши, происходит сброс численности. Он хорошо изучен зоологами. Демографы деликатно именуют его «демографическим переходом» . Процесс его математически изучен С. П. Капицей (1999). Он считает, что переход займет 90 лет и что за это время численность человечества может свободно удвоиться, а рост производства продовольствия (которого потребуется в 2,5 раза больше, чем за всю историю человечества) может-де быть обеспечен за счет создания генетически модифицированных видов. По мнению же биологов, сброс численности человечества будет более катастрофичен. Приведу описание его академиком НАН Украины В. А. Кордюмом. Он пишет: «Если пренебречь Биосферой, списав ее со счета как обузу, если планету превратить в подсобное хозяйство, создать искусственную среду обитания и жить, ни в чем себе не отказывая, то тогда численность свыше 1 млрд приведет уже не только и не «просто» к разрушению Биосферы, а к разрушению всей планеты, сделав ее принципиально не пригодной для содержания на ней чрезмерной численности венца творения. Так постепенно формировалось представление, получившее в конце концов название «золотой миллиард» , то есть то количество людей, которое в итоге должно существовать на Земле. Должно, потому что иначе не может… Но что это значит в реалиях жизни? Динамическая избыточность – основа существования всего живого . Она является платой за устранение мутационного груза . Но избыточность стационарная – самая большая биоопасность для всего живого. Такая избыточность ставит вид (популяцию) в состояние невозможности длительного существования. А человечество перешагнуло все не только допустимые, но теперь уже и все недопустимые пределы численности… и продолжает идти дальше. Куда? К сбросу численности до 1 млрд. И вопрос теперь переходит в чисто практическую плоскость – Как? Как он будет реализовываться, не хочется даже думать. Время для мягких решений исчерпалось 50 лет назад. Сейчас решается (пока еще «самотеком»), где и кто должен исчезнуть , и где и кто останется» (Кордюм 2003: 51–53).

Прошу прощения за долгое цитирование, но мне нужно было показать, что в понятие «золотой миллиард» сейчас вкладывается два разных смысла: классово-идеологический (см.: Субетто 2003), и научно документированный подход к оценке оптимальной численности человечества (Горшков 1995; Goodland, Daly, Serafy 1991; Кордюм 2003).

Читатель может принять мнение В. А. Кордюма за «страшилку». Поэтому я продолжу обсуждение ссылкой на заключение главных специалистов планеты по проблемам продовольствия Л. Брауна и К. Флавина из WorldwatchInstitute. По их данным (Браун, Флавин и др. 1992), рост производства продовольствия на душу населения закончился в 1984 году. Во время «зеленой революции» в шестидесятых он достигал 13 % в год, в восьмидесятых снизился до 9 %, а после 1988 года он падает, причем с возрастающим ускорением, по всем видам продовольствия. Так, в 2000 г. он достиг отметки 7 %, а в 2002 г. уже 13 % (Глобальная экологическая перспектива). Соответственно численность голодных в мире поднялась к 2002 г. до 1,3 млрд человек, составив 23 % населения. Но это не все… Параллельно идет катастрофическое снижение площади пашни на душу (с 0,18 до 0,12 га), растет дефицит пресной воды , растет эрозия почв, урожайность снижается, несмотря на рост расходования минеральных удобрений и пестицидов, поверхность океанов уже на четверть площади покрыта пленкой нефти, а их продуктивность соответственно уменьшилась на 20 % . Таким образом, научный анализ эколого-демографической ситуации на Земле показывает, что жестоко ругаемый Т. Мальтус, в принципе, был прав – неконтролируемый рост численности чело-

вечества является самой большой опасностью . Вековой спормальтузианцев и «корнукопианцев», полагающих, что ресурсыЗемли неисчерпаемы, решился в пользу первых – таково мнение ученых, как зарубежных (Миллер 1993–1996), так и отечественных (Реймерс 1992; Арский и др. 1997; и др.).

Информационная ипостась глобализации Освоение человечеством в начале ХХ века техники радиосвязи, в середине века телевидения и, наконец, в семидесятых годах электронно-компьютерной явилось величайшим рубежом в истории цивилизации. Информация стала мгновенной и неограниченной по объему. Идет информационная революция . Стоимость компьютеров падает, по Р. Кохане и И. Ней (International Politic 2001: 10), на 19 % в год, их вычислительная мощность удваивается за 18 месяцев, а объем содержащейся в них информации – за 100 дней (!). Так или иначе, мы уже свыклись с новыми возможностями информационного мира. Подумаем о значимостиинформационной революции как геоис-торического рубежа в истории человечества. Ранг этого рубежа сопоставим с появлением письменности и даже с появлением речи. А каковы социальные последствия информационной революции для развития культуры? Они радикальны, если не катастрофичны…В самом деле, культура с появлением письменности развивалась путем чтения, то есть в процессе индивидуального образовательного труда , и поэтому всегда имела личностную специфику. С появлением телевидения и Интернета все принципиально изменилось. Теле-экран, дающий зрительную, не требующую затраты труда информацию, при этом выбранную для нас другими , является мощнейшим инструментом интеллектуального и духовного зомбирования . Работая на рынок и на массы зрителей и используя для привлечения внимания к рекламе интригующие и примитивно развлекающие сюжеты, включая секс и насилие, телевидение, хотим мы или нет, меняет и саму культуру. Она превращается в массовую («черную поп-культуру»), служащую рынку, и становится инструментом политического зомбирования. Как тут не вспомнить, что недавно экран беспрерывно вещал нам, что замена социальных льгот на выплату нескольких сот дешевеющих рублей делается якобы в наших же интересах. Таким образом, при несомненных плюсах информационной революции, бесспорно увеличившей скорость научнотехнического прогресса на порядок, она одновременно определяет и негативный тренд в развитии культуры и общества. Фактор телезомбирования, по сути, предопределяет неизбежность трансформации гражданского демократического общества в общество информационно-рыночного тоталитаризма!

Два маленьких примера. Моему внуку во время его практики в США нужно было на два дня приехать из Вермонта в Нью-Йорк. Так его папа в Питере, пользуясь Интернетом, составил маршрут по Нью-Йорку с планом метро и всеми станциями пересадок, и внук мгновенно получил его. Второй пример. Я случайно узнаю, что мои брошюры, изданные частным порядком мизерным тиражом, продаются в Интернете. Как? Кем? Я был возмущен. Но, подумав, успокоился: Интернет – это же РЫНОК информации. И будь доволен тем, что твои идеи и обзоры имеют спрос. И еще, информационная революция принципиально по-новому разделила мир на две половины – информационно развитых и информационно отставших стран. И дело здесь не в числе компьютеров на душу. В начале девяностых 80,4 % всех компьютеров числилось, по В. Л. Иноземцеву (2000), за семью развитыми странами. И не в количестве сайтов на душу. По Р. О. Кохане, к Интернету в 2000 г. в США было подключено 40 % населения, в Германии 15 %, а в Китае только 0,1 %. По М. Г. Делягину (2003 г.), компьютерами сейчас владеет только 6 % землян, а сайтами в Интернете 2,6 %. Но эти показатели быстро изменяются. Дело в резко

возросшей стоимости образования и науки. Если недавно стоимость высшего образования в США оценивалась в 190 тыс. долларов на студента в год, то сейчас она возросла до 250 тыс. В России образование также стало (становится) платным, и не только высшее, но уже и среднее! В то же время на Земле

целый миллиард взрослых людей неграмотен (Глобальная экологическая перспектива). Образование стало привилегией богатых и,вместе с тем, приоритетом в государственных бюджетах передовыхстран. Характерно, что Южная Корея, вышедшая по темпам развития в мире на первое место, смогла сделать это, потому что обеспечила своим учителям самую высокую, по отношению к своемуВВП, зарплату в мире. Таков же парадокс, по А. Макхиджани(2000), штата Керала в бедной и полуграмотной Индии, добившегося под многолетним руководством коммунистов поголовной грамотности.Чтобы дать населению страны среднее образование, требуютсяусилия не менее двух поколений, как это и было в СССР. Но чтобыподнять на высокий уровень науку, а это значит обеспечить развитие научных школ , требуется не менее трех поколений. А разрушить науку можно всего за 15–20 лет, что и происходит сейчас вРоссии. В 1998 г. ассигнования на науку снизились у нас, по отношению к 1991 г., в пять раз, по данным очень тревожного обзораС. Г. Кара-Мурзы (2003), и составили всего 0,28 % ВВП (в развитых странах они колеблются от 1,5 до 4 % ВВП). Это привело к сокращению численности ученых вдвое, а объема обновляемого научного оборудования в 20–25 раз. Соответственно число заявок наизобретения сократилось, по И. Л. Андрееву (2003), в 6,6 раз, ачисло патентов в 13 раз. В итоге наши научные инновации опустились до 0,84 % мировых, а наше наукоемкое производство составляет сейчас только 5 % ВВП, по сравнению с его ростом в развитыхстранах до 90 % ВВП.

5. Дописать ядерную реакцию и определить порядковый номер и массовое число второго ядра. Описать воздействие изотопов данной реакции на организм человека.

90 Th230 88 Ra226 + 2 He4

90 Th230 Ионий (Io) α 8,0·104 л.

4,62(24)

4,68(76)

0,068(0,6)

0,142(0,07)

88 Ra226 Радий (Ra) α 1602 л.

4,60(6)

4,78(95)

0,186(4)

Альфа-частицы состоят из двух протонов и двух нейтронов, частиц, из которых состоит атомное ядро. Поскольку протоны – положительно заряженные частицы, а нейтроны не несут никакого заряда, альфа-частицы обладают положительным зарядом. Они встречаются и в природе. Альфа-частицы излучают химические элементы с тяжелые ядрами, такие как уран или радий, а также те, что были получены человеком. Из-за своего относительно большого размера альфа-частицы часто сталкиваются с частицами среды и очень быстро теряют энергию. Поэтому они имеют малую проницающую способность и не способны преодолеть даже наружный слой кожи или лист бумаги.

Однако, при попадании источника альфа-излучения внутрь организма (через дыхательные пути или в желудочно-кишечный тракт путем вдыхания или проглатывания радиоактивной пыли), такие частицы могут вызвать намного более серьезные повреждения биологической ткани, чем все прочие типы радиоактивного излучения.

.

Список используемой литературы:

1. Горелов А.А. «Концепции современного естествознания », М.: Высшее

образование, 2006.

2.Канке В.А. «Концепции современного естествознания», М.: «Логос», 2001.

3.Хотунцев Ю.М. Экология и экологическая безопасность. - М.: АСADEMA,

2002.

4.Ващекин Н.П., Лось В.А., Урсул А.Д. «Концепции современного естество –

знания», М.: МГУК, 2000.

Рузавин Г.И. «Концепции современного естествознания», М.: «Юнити»,

2000.

6. Солопов Е.Ф. «Концепции современного естествознания», М.: «Владос»,

2001.