إن تداول المواد في المحيط الحيوي هو عملية دورية متكررة للتحول المشترك والمترابط وحركة المواد. يعد وجود تداول المواد شرطًا ضروريًا لوجود المحيط الحيوي. بعد استخدامها من قبل بعض الكائنات الحية ، يجب أن تنتقل المواد إلى شكل يمكن للكائنات الأخرى الوصول إليه. يتطلب مثل هذا الانتقال للمواد من رابط إلى آخر تكاليف طاقة ، لذلك لا يمكن تحقيقه إلا بمشاركة طاقة الشمس. مع استخدام الطاقة الشمسية ، تحدث دورتان مترابطتان من المواد على الكوكب: كبيرة - جيولوجية وصغيرة - بيولوجية (حيوية).
التداول الجيولوجي للمواد- عملية هجرة المواد ، التي تتم تحت تأثير العوامل اللاأحيائية: التجوية ، التعرية ، حركة المياه ، إلخ. لا تشارك الكائنات الحية فيها.
مع ظهور المادة الحية على هذا الكوكب ، الدورة الدموية البيولوجية (الحيوية)... تشترك فيه جميع الكائنات الحية ، تمتص بعض المواد من البيئة وتطلق البعض الآخر. على سبيل المثال ، تستهلك النباتات في عملية نشاطها الحيوي ثاني أكسيد الكربون والماء والمعادن وتطلق الأكسجين من البيئة. تستخدم الحيوانات الأكسجين الذي تطلقه النباتات للتنفس. يأكلون النباتات ، ونتيجة للهضم ، يستوعبون المواد العضوية المتكونة في عملية التمثيل الضوئي. يطلقون ثاني أكسيد الكربون وبقايا الطعام غير المهضومة. بعد الموت ، تشكل النباتات والحيوانات كتلة من المواد العضوية الميتة (المخلفات). المخلفات متاحة للتحلل (التمعدن) عن طريق الفطريات والبكتيريا المجهرية. نتيجة لنشاطها الحيوي ، تدخل كمية إضافية من ثاني أكسيد الكربون إلى المحيط الحيوي. ويتم تحويل المواد العضوية إلى مكونات غير عضوية أصلية - مواد حيوية. تصبح المركبات المعدنية المتكونة ، التي تدخل المسطحات المائية والتربة ، متاحة مرة أخرى للنباتات للتثبيت من خلال عملية التمثيل الضوئي. تتكرر هذه العملية إلى ما لا نهاية وتغلق في الطبيعة (الدوران). على سبيل المثال ، ينتقل كل الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي على طول هذا المسار في حوالي ألفي عام ، بينما يستغرق ثاني أكسيد الكربون حوالي 300 عام للقيام بذلك.
تقل الطاقة الموجودة في المادة العضوية كلما تحركت في سلاسل الغذاء. يتم تبديد معظمها في البيئة على شكل حرارة أو يتم إنفاقها على الحفاظ على العمليات الحيوية للكائنات الحية. على سبيل المثال ، فيما يتعلق بتنفس الحيوانات والنباتات ، ونقل المواد في النباتات ، وكذلك في عمليات التخليق الحيوي للكائنات الحية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الكائنات الحيوية التي تكونت نتيجة نشاط المُحلِّلات لا تحتوي على الطاقة المتاحة للكائنات. في هذه الحالة ، يمكننا التحدث فقط عن تدفق الطاقة في المحيط الحيوي ، ولكن ليس عن الدورة. لذلك ، فإن شرط الوجود المستقر للمحيط الحيوي هو الدوران المستمر للمواد وتدفق الطاقة في التكوينات الحيوية.
تشكل الدورات الجيولوجية والبيولوجية معًا الدورة البيوجيوكيميائية العامة للمواد ، والتي أساسها دورات النيتروجين والماء والكربون والأكسجين.
دورة النيتروجين
النيتروجين هو أحد أكثر العناصر وفرة في المحيط الحيوي. يوجد الجزء الأكبر من نيتروجين الغلاف الحيوي في الغلاف الجوي في صورة غازية. كما تعلم من مسار الكيمياء ، فإن الروابط الكيميائية بين الذرات في النيتروجين الجزيئي (N 2) قوية جدًا. لذلك ، فإن معظم الكائنات الحية غير قادرة على استخدامها مباشرة. ومن ثم ، فإن إحدى المراحل المهمة في دورة النيتروجين هي تثبيته وتحويله إلى شكل يمكن للكائنات الحية الوصول إليه. هناك ثلاث طرق لتثبيت النيتروجين.
تثبيت الغلاف الجوي... تحت تأثير التصريفات الكهربائية في الغلاف الجوي (البرق) ، يمكن أن يتفاعل النيتروجين مع الأكسجين لتكوين أكسيد النيتروجين (NO) وثاني أكسيد (NO 2). يتأكسد أكسيد النيتريك (NO) بسرعة كبيرة بواسطة الأكسجين ويتحول إلى ثاني أكسيد النيتروجين. يذوب ثاني أكسيد النيتروجين في بخار الماء وفي شكل أحماض نيتروز (HNO 2) وأحماض النيتريك (HNO 3) مع هطول الأمطار يدخل إلى التربة. في التربة ، نتيجة لتفكك هذه الأحماض ، تتشكل أيونات النتريت (NO 2 -) والنترات (NO 3 -). يمكن بالفعل امتصاص أيونات النتريت والنترات بواسطة النباتات وإدراجها في الدورة البيولوجية. يمثل تثبيت النيتروجين في الغلاف الجوي حوالي 10 ملايين طن من النيتروجين سنويًا ، وهو ما يمثل حوالي 3 ٪ من التثبيت السنوي للنيتروجين في المحيط الحيوي.
التثبيت البيولوجي... يتم تنفيذه بواسطة بكتيريا مثبتة للنيتروجين ، والتي تحول النيتروجين إلى أشكال يمكن للنباتات الوصول إليها. بفضل الكائنات الحية الدقيقة ، يرتبط نصف النيتروجين تقريبًا. تُثبت البكتيريا الأكثر شهرة النيتروجين في عقيدات النباتات البقولية. يزودون النباتات بالنيتروجين على شكل أمونيا (NH 3). الأمونيا قابلة للذوبان في الماء بسهولة مع تكوين أيون الأمونيوم (NH 4 +) ، الذي تمتصه النباتات. لذلك ، فإن البقوليات هي أفضل أسلاف النباتات المزروعة في تناوب المحاصيل. بعد موت الحيوانات والنباتات وتحلل بقاياها ، يتم إثراء التربة بمركبات النيتروجين العضوية والمعدنية. ثم تقوم البكتيريا المتعفنة (المتعفنة) بتفكيك المواد المحتوية على النيتروجين (البروتينات واليوريا والأحماض النووية) للنباتات والحيوانات إلى أمونيا. هذه العملية تسمى ammonification... تتأكسد معظم الأمونيا لاحقًا بواسطة البكتيريا الآزوتية إلى نتريت ونترات ، والتي يعاد استخدامها بواسطة النباتات. تحدث عودة النيتروجين إلى الغلاف الجوي من خلال نزع النتروجين ، والذي يتم بواسطة مجموعة من البكتيريا المزيلة للنيتروجين. نتيجة لذلك ، يتم تقليل المركبات النيتروجينية إلى نيتروجين جزيئي. يدخل جزء من النيتروجين في النترات والأمونيوم مع الجريان السطحي إلى النظم الإيكولوجية المائية. هنا يتم استيعاب النيتروجين بواسطة الكائنات المائية أو يدخل في الرواسب العضوية السفلية.
التثبيت الصناعي... يتم ربط كمية كبيرة من النيتروجين سنويًا في إنتاج الأسمدة النيتروجينية المعدنية. يتم استيعاب النيتروجين من هذه الأسمدة بواسطة النباتات في أشكال الأمونيوم والنترات. يبلغ حجم الأسمدة النيتروجينية المنتجة في بيلاروسيا حاليًا حوالي 900 ألف طن سنويًا. أكبر شركة مصنعة هي JSC GrodnoAzot. تنتج هذه المؤسسة اليوريا ونترات الأمونيوم وكبريتات الأمونيوم والأسمدة النيتروجينية الأخرى.
تستخدم النباتات حوالي 1/10 من النيتروجين المطبق صناعيًا. يمر الباقي مع الجريان السطحي والمياه الجوفية إلى النظم الإيكولوجية المائية. هذا يؤدي إلى تراكم كميات كبيرة من مركبات النيتروجين في الماء المتاحة لاستيعاب العوالق النباتية. نتيجة لذلك ، من الممكن التكاثر السريع للطحالب (التخثث) ، ونتيجة لذلك ، الموت في النظم الإيكولوجية المائية.
دورة المياه
الماء هو المكون الرئيسي للمحيط الحيوي. إنها وسيلة لحل جميع العناصر تقريبًا خلال الدورة. يتم تمثيل معظم مياه المحيط الحيوي بالمياه السائلة والماء من الجليد الأبدي (أكثر من 99٪ من جميع احتياطيات المياه في المحيط الحيوي). جزء ضئيل من الماء في حالة غازية - إنه بخار ماء في الغلاف الجوي. تعتمد دورة مياه الغلاف الحيوي على حقيقة أن تبخره من سطح الأرض يتم تعويضه عن طريق الترسيب. يسقط الماء على سطح الأرض على شكل هطول ، ويساهم في تدمير الصخور. هذا يجعل المعادن المكونة لها متاحة للكائنات الحية. إن تبخر الماء من سطح الكوكب هو الذي يحدد دورته الجيولوجية. تستهلك حوالي نصف الطاقة الشمسية العارضة. يحدث تبخر المياه من سطح البحار والمحيطات بمعدل أعلى من عودته مع هطول الأمطار. يتم تعويض هذا الاختلاف عن طريق الجريان السطحي والعميق ، نظرًا لحقيقة أن هطول الأمطار يسود على التبخر في القارات.
تعود الزيادة في شدة تبخر المياه على الأرض إلى حد كبير إلى النشاط الحيوي للنباتات. تستخرج النباتات الماء من التربة وتنقله بنشاط إلى الغلاف الجوي. يتم تكسير جزء من الماء في الخلايا النباتية أثناء عملية التمثيل الضوئي. في هذه الحالة ، يتم تثبيت الهيدروجين على شكل مركبات عضوية ، ويتم إطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي.
تستخدم الحيوانات الماء للحفاظ على التوازن الأسموزي والملح في الجسم وإطلاقه في البيئة الخارجية جنبًا إلى جنب مع منتجات التمثيل الغذائي.
دورة الكربون
يوجد الكربون كعنصر كيميائي في الغلاف الجوي في تكوين ثاني أكسيد الكربون. هذا يحدد المشاركة الإلزامية للكائنات الحية في دورة هذا العنصر على كوكب الأرض. المسار الرئيسي الذي يمر به الكربون من المركبات غير العضوية في تكوين المواد العضوية ، حيث يكون عنصرًا كيميائيًا أساسيًا ، هو عملية التمثيل الضوئي. يتم إطلاق جزء من الكربون في الغلاف الجوي في تكوين ثاني أكسيد الكربون أثناء تنفس الكائنات الحية وأثناء تحلل المواد العضوية الميتة بواسطة البكتيريا. تستهلك الحيوانات الكربون الذي تمتصه النباتات. إلى جانب السلائل المرجانية ، تستخدم الرخويات مركبات الكربون لبناء التكوينات الهيكلية والأصداف. بعد أن يموتوا ويستقروا في القاع ، تتشكل رواسب الحجر الجيري. وبالتالي ، يمكن التخلص من الكربون من الدورة. تتم إزالة الكربون من الدورة لفترة طويلة من خلال تكوين المعادن: الفحم والنفط والجفت.
طوال فترة وجود كوكبنا ، تم تعويض الكربون المزال من الدورة عن طريق ثاني أكسيد الكربون المنطلق في الغلاف الجوي أثناء الانفجارات البركانية وفي سياق العمليات الطبيعية الأخرى. في الوقت الحاضر ، تمت إضافة تأثير بشري كبير إلى العمليات الطبيعية لتجديد الكربون في الغلاف الجوي. على سبيل المثال ، عند حرق الوقود الهيدروكربوني. هذا يعطل دورة الكربون التي استمرت لقرون على الأرض.
أدت الزيادة في تركيز ثاني أكسيد الكربون بنسبة 0.01٪ فقط على مدى قرن إلى ظهور مظهر ملحوظ لتأثير الاحتباس الحراري. ارتفع متوسط درجة الحرارة السنوية على الكوكب بمقدار 0.5 درجة مئوية ، وارتفع مستوى المحيط العالمي بحوالي 15 سم.يتوقع العلماء أنه إذا زاد متوسط درجة الحرارة السنوية بمقدار 3-4 درجات مئوية أخرى ، فإن الجليد الأبدي سيبدأ ليذوب. في الوقت نفسه ، سيرتفع مستوى المحيط العالمي بمقدار 50-60 سم ، مما سيؤدي إلى فيضان جزء كبير من الأرض. يعتبر هذا بمثابة كارثة بيئية عالمية ، لأن حوالي 40 ٪ من سكان العالم يعيشون في هذه المناطق.
دورة الأكسجين
في عمل المحيط الحيوي ، يلعب الأكسجين دورًا مهمًا للغاية في عمليات التمثيل الغذائي وتنفس الكائنات الحية. يتم تعويض النقص في كمية الأكسجين في الغلاف الجوي نتيجة عمليات التنفس واحتراق الوقود والتعفن بالأكسجين الذي تطلقه النباتات أثناء عملية التمثيل الضوئي.
تشكل الأكسجين في الغلاف الجوي الأساسي للأرض أثناء تبريده. نظرًا لفاعلية عالية ، فقد انتقل من الحالة الغازية إلى تكوين مركبات غير عضوية مختلفة (الكربونات ، الكبريتات ، أكاسيد الحديد ، إلخ). تشكل الغلاف الجوي الحالي للكوكب المحتوي على الأكسجين حصريًا نتيجة لعملية التمثيل الضوئي التي تقوم بها الكائنات الحية. يزداد محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي إلى قيمه الحالية لفترة طويلة. لا يمكن حاليًا الحفاظ على مقدارها عند مستوى ثابت إلا بفضل الكائنات الحية الضوئية.
لسوء الحظ ، في العقود الأخيرة ، أدت الأنشطة البشرية التي تؤدي إلى إزالة الغابات وتآكل التربة إلى تقليل كثافة التمثيل الضوئي. وهذا بدوره يعطل المسار الطبيعي لدورة الأكسجين في مناطق واسعة من الأرض.
يشارك جزء صغير من الأكسجين الجوي في تكوين وتدمير شاشة الأوزون تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس.
أساس الدورة الحيوية للمواد هو الطاقة الشمسية. الشرط الرئيسي للوجود المستقر للمحيط الحيوي هو الدوران المستمر للمواد وتدفق الطاقة في التكوينات الحيوية. في دورات النيتروجين والكربون والأكسجين ، ينتمي الدور الرئيسي للكائنات الحية. يتم توفير أساس دورة المياه العالمية في المحيط الحيوي من خلال العمليات الفيزيائية.
تعمل النباتات والحيوانات اليوم على تغيير البيئة الطبيعية. ومن الأمثلة على ذلك الشعاب المرجانية في المحيط ، ورواسب الخث في المستنقعات ، وانتشار الأشنات ، وانتشار الطحالب والكائنات الدقيقة المدمرة للجبال. تشارك جميع العناصر الكيميائية تقريبًا في النظام الدوري لـ D.I.Mendeleev في الدورة البيولوجية ، ولكن من بينها العناصر الحيوية الرئيسية.
كربون. تتعدد مصادر الكربون في الطبيعة وتنوعها. وفي الوقت نفسه ، فإن ثاني أكسيد الكربون فقط ، الذي يكون إما في حالة غازية في الغلاف الجوي أو في حالة مذابة في الماء ، هو مصدر الكربون الذي يعمل كأساس لمعالجته إلى مادة عضوية للكائنات الحية. يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون الذي تلتقطه النباتات في عملية التمثيل الضوئي إلى سكر ، ومن خلال عمليات التخليق الحيوي الأخرى يتم تحويله إلى بروتينات ودهون وما إلى ذلك. تعمل هذه المواد المختلفة كغذاء كربوهيدرات للحيوانات والنباتات غير الخضراء. من ناحية أخرى ، تتنفس جميع الكائنات الحية وتطلق الكربون في الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون. عندما يحدث الموت ، تتحلل الرعامات وتمعد الجثث ، وتشكل سلاسل غذائية ، وفي نهايتها غالبًا ما يدخل الكربون مرة أخرى في الدورة على شكل ثاني أكسيد الكربون (ما يسمى "تنفس التربة"). تعمل بقايا النباتات والحيوانات الميتة المتراكمة على إبطاء دورة الكربون: فالرذاذ الحيواني والكائنات الحية الدقيقة الرخامية التي تعيش في التربة تحول المخلفات المتراكمة على سطحها إلى دبال. معدل تأثير الكائنات الحية على الدبال أبعد ما يكون عن نفسه ، كما أن سلاسل الفطريات والبكتيريا ، التي تؤدي إلى التمعدن النهائي للكربون ، ذات أطوال مختلفة. كقاعدة عامة ، يتحلل الدبال بسرعة.
في بعض الأحيان يمكن أن تكون السلسلة قصيرة وغير كاملة. في هذه الحالة ، تُحرم سلسلة المستهلكين من فرصة العمل بسبب نقص الهواء أو الحموضة العالية جدًا ، ونتيجة لذلك تتراكم المخلفات العضوية في شكل خث وتشكل مستنقعات خث. في بعض مستنقعات الخث ذات الغطاء الخصب من طحالب الطحالب ، تصل طبقة الخث إلى 20 مترًا أو أكثر. هذا هو المكان الذي تتوقف فيه الدورة. تشير تراكمات المركبات العضوية الأحفورية في شكل ونفط إلى أن الدورة قد تباطأت على مقياس الزمن الجيولوجي.
تعمل المياه أيضًا على إبطاء دورة الكربون ، حيث يتراكم ثاني أكسيد الكربون هنا على شكل طباشير أو حجر جيري أو دولوميت أو مرجان. غالبًا ما تظل كتل الكربون هذه خارج الدورة لفترات جيولوجية كاملة حتى ترتفع فوق مستوى سطح البحر. من هذه اللحظة ، نتيجة لانحلال الحجر الجيري أو تحت تأثير الأشنات ، وكذلك جذور النباتات المزهرة ، يبدأ إدراج الكربون والكالسيوم في الدورة.
نتروجين. دورة النيتروجين معقدة للغاية. يحتوي على 78٪ نيتروجين ، ومع ذلك ، من أجل استخدامه من قبل الغالبية العظمى من الكائنات الحية ، يجب تثبيته في شكل مركبات كيميائية معينة. يحدث تثبيت النيتروجين أثناء النشاط البركاني ، أثناء تصريفات البرق في الغلاف الجوي ، أثناء احتراق النيازك. ومع ذلك ، فإن الكائنات الحية الدقيقة ، التي تعيش بحرية وتعيش على الجذور ، وأحيانًا على أوراق بعض النباتات ، لها أهمية أكبر بما لا يقاس في عملية تثبيت النيتروجين. من البكتيريا التي تعيش بحرية ، يتم إصلاح النيتروجين عن طريق الكائنات الهوائية (أي أولئك الذين يعيشون مع الوصول إلى الأكسجين) ، وكذلك اللاهوائية (أي الذين يعيشون دون الوصول إلى الأكسجين). وتتراوح كمية النيتروجين التي تحددها هذه البكتيريا الحرة الحية من 2-3 كجم إلى 5-6 كجم للهكتار في السنة. يبدو أن الطحالب الخضراء المزرقة التي تعيش في التربة تلعب دورًا معينًا في تثبيت النيتروجين.
عند دخول التربة بالمنتجات الأيضية وبقايا النباتات والحيوانات ، تتحلل المواد العضوية إلى مواد معدنية ، بينما تحول البكتيريا نيتروجين المواد العضوية إلى أملاح أمونيوم.
تحدد قدرة النيتروجين على تغيير تكافؤه في نطاق واسع دوره المحدد في إنشاء مركبات عضوية مختلفة.
كبير على سطح الكرة الأرضية معروف جيدًا. ينتج عن التبخر من المسطحات المائية الناتجة عن الطاقة الشمسية رطوبة الغلاف الجوي. تتكثف هذه الرطوبة على شكل سحب تحملها الرياح. عندما تبرد الغيوم ، يتساقط هطول الأمطار على شكل مطر وثلج. تمتص التربة الترسيب أو تتدفق على سطحها. تعود المياه إلى البحار والمحيطات. عادة ما تكون كمية الماء التي تتبخرها النباتات كبيرة. إذا كان هناك الكثير من الرطوبة والمياه للنباتات ، يزداد التبخر. يتبخر خشب البتولا الواحد يوميًا 75 لترًا من الماء ، والزان - 100 لتر ، والزيزفون - 200 لتر ، وهكتار واحد من الغابات - من 20 إلى 50 ألف لتر. غابة البتولا ، التي تبلغ كتلة أوراقها لكل هكتار واحد فقط 4940 كجم ، تتبخر 47 ألف لتر من الماء يوميًا ، بينما تبلغ كتلة غابة التنوب ، كتلة الإبر لكل هكتار واحد ، 31 ألف كجم. - فقط 43 ألف لتر من الثيران للكسل. يستخدم القمح لكل هكتار 3750 طنًا من المياه خلال فترة التطوير ، وهو ما يعادل 375 ملم من الأمطار.
الأكسجين من الناحية الكمية هو المكون الرئيسي للمادة الحية. إذا أخذنا في الاعتبار الماء في الأنسجة ، فعلى سبيل المثال ، يحتوي جسم الإنسان على 62.8٪ أكسجين و 19.4٪ كربون. بشكل عام ، الأكسجين هو عنصره الرئيسي مقارنة بالكربون والهيدروجين.
تعقد دورة الأكسجين بحقيقة أن هذا العنصر يمكن أن يشكل العديد من المركبات الكيميائية. نتيجة لذلك ، هناك العديد من الدورات الوسيطة بين الغلاف الجوي أو بين هاتين البيئتين.
يبدأ الأكسجين بتركيز معين ، وهو شديد السمية للخلايا والأنسجة ، حتى في الكائنات الهوائية. أثبت العالم الفرنسي لويس باستور (1822 - 1895) أنه لا يوجد كائن حي لا هوائي يمكنه تحمل تركيز أكسجين يتجاوز الغلاف الجوي بنسبة 1٪ (تأثير باستير).
تحدث دورة الأكسجين بشكل رئيسي بين الغلاف الجوي والكائنات الحية. إن عملية إنتاج وإطلاق الأكسجين في شكل غاز أثناء عملية التمثيل الضوئي هي عكس عملية استهلاك الأكسجين أثناء التنفس. في هذه الحالة ، يحدث تدمير المواد العضوية وتفاعل الأكسجين مع الهيدروجين. في بعض النواحي ، تشبه دورة الأكسجين الدورة العكسية لثاني أكسيد الكربون: تحدث حركة أحدهما في الاتجاه المعاكس لحركة الآخر.
كبريت. الجزء الغالب من دورة هذا العنصر ذو طبيعة رسوبية ويحدث في التربة والمياه. المصدر الرئيسي للكبريت المتاح للكائنات الحية هو جميع أنواع الكبريتات. تسهل القابلية الجيدة للذوبان في الماء للعديد من الكبريتات وصول الكبريت غير العضوي إلى النظم البيئية. عن طريق امتصاص الكبريتات ، تستعيدها النباتات وتنتج أحماض أمينية تحتوي على الكبريت.
تتحلل النفايات العضوية المختلفة للتكاثر الحيوي بواسطة البكتيريا ، والتي تنتج في النهاية كبريتيد الهيدروجين من البروتينات الكبريتية الموجودة في التربة. يمكن لبعض البكتيريا أيضًا إنتاج كبريتيد الهيدروجين من الكبريتات التي تقللها في ظل الظروف اللاهوائية. تستقبل هذه البكتيريا ، التي تستخدم الكبريتات ، الطاقة اللازمة لعملية التمثيل الغذائي.
من ناحية أخرى ، هناك بكتيريا يمكنها أكسدة كبريتيد الهيدروجين مرة أخرى إلى كبريتات ، مما يزيد مرة أخرى من إمداد الكبريت المتاح للمنتجين. تسمى هذه البكتيريا بكتيريا التخليق الكيميائي ، حيث يمكنها إنتاج الطاقة الخلوية دون مشاركة الضوء ، فقط من خلال أكسدة المواد الكيميائية البسيطة. لذلك ، في المحيط الحيوي ، تحتوي الصخور الرسوبية على الاحتياطيات الرئيسية من الكبريت ، والتي توجد بشكل أساسي في شكل البيريت ، وكذلك الكبريتات ، مثل الجبس.
الفوسفور. دورة الفوسفور بسيطة نسبيًا وغير مكتملة للغاية. يعد الفوسفور أحد العناصر الأساسية المكونة للمادة الحية ، حيث يوجد بكميات كبيرة إلى حد ما. تتركز احتياطيات الفوسفور المتاحة للكائنات الحية بالكامل في الغلاف الصخري. المصادر الرئيسية للفوسفور غير العضوي هي الصخور النارية (مثل الأباتيت) أو الصخور الرسوبية (مثل الفوسفوريت). يعد الفسفور المعدني عنصرًا نادرًا في المحيط الحيوي ، حيث لا يتعدى 1٪ في قشرة الأرض ، وهو العامل الرئيسي الذي يحد من إنتاجية العديد من النظم البيئية. يتم سحب الفسفور غير العضوي من الصخور القشرية إلى التداول عن طريق الترشيح والذوبان في المياه القارية. يدخل في النظم البيئية للأرض ، ويمتصه النبات ، والذي ، بمشاركته ، يصنع مركبات عضوية مختلفة ، وبالتالي يتم تضمينه في الروابط الغذائية. ثم يعود الفوسفات العضوي ، جنبًا إلى جنب مع الجثث والنفايات وإفرازات الكائنات الحية ، إلى الأرض ، حيث يتعرضون مرة أخرى للكائنات الدقيقة ويتم تحويلهم إلى مركبات أورثوفوسفات معدنية ، جاهزة للاستخدام من قبل النباتات الخضراء وغيرها من الكائنات ذاتية التغذية (من السيارات اليونانية - نفسها وتروب - الغذاء والتغذية).
يتم جلب الفوسفور إلى النظم البيئية المائية عن طريق جريان المياه. تعمل الأنهار باستمرار على إثراء المحيطات بالفوسفات ، مما يساهم في تطوير العوالق النباتية والكائنات الحية الموجودة على مستويات مختلفة من المياه العذبة أو شبكات الغذاء البحرية. يتكون تاريخ أي عنصر كيميائي في المناظر الطبيعية من دورات لا حصر لها ، تختلف في الحجم والمدة. تشكل العمليات المعاكسة - التراكم الحيوي والتمعدن - دورة بيولوجية واحدة من الذرات.
تتشكل مناظر التندرا في ظروف باردة مع فترة صيف قصيرة وبالتالي فهي غير منتجة. التربة المنخفضة هي السبب الجذري للعديد من سمات التندرا. ترتبط "موجات الحياة" أيضًا بنقص الحرارة: في السنوات التي يكون فيها الصيف أكثر دفئًا ، يزداد إنتاج المادة الحية. تزهر بعض النباتات في التندرا فقط في السنوات الملائمة (على سبيل المثال ، شاي إيفان في منطقة التندرا القطبية). تنمو النباتات ببطء في التندرا. تنمو الأشنات بنسبة 1-10 مم في السنة ؛ يمكن أن يصل حجم العرعر الذي يبلغ قطر جذعه 83 ملم إلى 544 حلقة نمو. لا يؤثر تأثير درجات الحرارة المنخفضة فحسب ، بل يؤثر أيضًا على نقص كمية كافية من العناصر الغذائية.
في العديد من التندرا ، تلعب الطحالب والأشنات دورًا مهمًا. هناك مناظر طبيعية يسيطرون عليها.
في التندرا ، الكتلة الحيوية النباتية هي 170.3 ش / هكتار ، منها 72٪ يقع في الجزء الموجود تحت الأرض. يبلغ النمو السنوي للكتلة الحيوية 23.5 ج / هكتار ، والقمامة السنوية 21.9 ج / هكتار. وبالتالي ، فإن النمو الحقيقي ، الذي يساوي الفرق بين النمو والقمامة ، صغير جدًا - 1.6 ج / هكتار (في التايغا الشمالية - 10 ج / هكتار ، في التايغا الجنوبية - 30 ج / هكتار ، في المناطق المدارية الرطبة - 75 ج / هكتار) ...
نظرًا لانخفاض درجة الحرارة ، فإن تحلل بقايا الكائنات الحية في التندرا يستمر ببطء ، ولا تعمل مجموعات كثيرة من الكائنات الحية الدقيقة أو تعمل بشكل ضعيف جدًا (البكتيريا التي تتحلل الألياف ، وما إلى ذلك). وهذا يؤدي إلى تراكم المواد العضوية على السطح وفي التربة.
تنتشر الغابات المتساقطة الأوراق في روسيا في الجزء الأوروبي ، في ،. هذه كلها مناطق ذات مناخ رطب ودافئ بدرجة معتدلة. الكتلة الحيوية هنا ليست أقل بكثير من المناطق المدارية الرطبة (3000 5000 كجم / هكتار) ، ولكن الإنتاج السنوي وكتلة الاستيعاب الخضراء أقل عدة مرات. يتراوح الإنتاج من 80 إلى 150 ج / هكتار (في المناطق المدارية الرطبة - 300-500 ج / هكتار) ، كتلة الاستيعاب الخضراء في غابات البلوط هي 1٪ من الكتلة الحيوية وتصل إلى 40 ج / هكتار (8٪ و 400 ج / هكتار) في المناطق المدارية الرطبة).
الأشجار عريضة الأوراق غنية نسبيًا بالرماد ، خاصة الأوراق (تصل إلى 5٪). يوجد الكثير من الكالسيوم في رماد الأوراق - تصل إلى 20٪ أو 0.6 - 3.8٪ على المادة الجافة ، وأقل من K (0.15 - 2.0٪) وسيلي (0.4 - 2.8٪) ، وحتى أقل من Mg ، A1 ، P ، كذلك مثل Fe ، Mn ، Na ، C1.
في التايغا ، الكتلة الحيوية ليست أدنى بكثير من المناطق المدارية الرطبة والغابات المتساقطة. في التايغا الجنوبية ، تتجاوز الكتلة الحيوية 3000 ج / هكتار وفقط في التايغا الشمالية تنخفض إلى 500 - 1500 ج / هكتار. الزوومس في التايغا لا يكاد يذكر (في التايغا الجنوبية - 0.01 ٪ من الكتلة الحيوية).
يمثل الخشب أكثر من 60٪ من الكتلة الحيوية ، ويتكون من الألياف (حوالي 50٪) ، اللجنين (20-30٪) ، هيميسليلوز (أكثر من 10٪).
الإنتاج السنوي في التايغا الجنوبية هو نفسه تقريبًا كما هو الحال في الغابات المتساقطة الأوراق (85 ج / هكتار مقابل 90 سم / هكتار في غابات البلوط) ، في التايغا الشمالية - أقل بكثير (40-60 ج / هكتار). النفايات النباتية في التايغا الجنوبية أقل من غابات البلوط ، وتساوي 55 ج / هكتار (في غابات البلوط 65 ج / هكتار) ؛ في التايغا الشمالية أقل - 35 ج / هكتار.
تحتل المناطق المدارية الرطبة مساحات شاسعة في المناطق الاستوائية والجنوبية والجنوبية والوسطى و. كانت أكثر انتشارًا في العصور الجيولوجية الماضية (من نهاية العصر الديفوني). يتم هنا الجمع بين وفرة من الحرارة مع وفرة من الترسيب ؛ الحرارة والرطوبة لا تحد من الدورة البيولوجية الفردية للذرات. تحدث الذرات بنفس الكثافة على مدار العام ، وتواتر الهجرة ضعيف.
تحدد وفرة الحرارة والرطوبة الإنتاج السنوي الكبير للمادة الحية في المناطق المدارية الرطبة. قيمة الإنتاج هنا أكبر من 2-3 مرات من الغابات المتساقطة والتايغا ، وتصل إلى 300-500 ج / هكتار. من حيث نسبة الكتلة الحيوية والإنتاج ، الكتلة الحيوية فوق الأرض وتحت الأرض ، الكتلة الحيوية الخضراء وغير الخضراء ، والعديد من المؤشرات الأخرى ، لا تختلف المناطق المدارية الرطبة أيضًا بشكل كبير عن المناظر الطبيعية للغابات الرطبة الأخرى. ومع ذلك ، تختلف المناطق المدارية الرطبة عن الغابات المتساقطة الأوراق من حيث كمية البوتاسيوم في الكتلة الحيوية. تبلغ الكتلة الحيوية للحيوانات في المناطق المدارية الرطبة حوالي 1٪ من الكتلة الحيوية (45 كجم / هكتار). هذه هي بشكل رئيسي النمل الأبيض والنمل والحيوانات السفلية الأخرى. وفقًا لهذا المؤشر ، تختلف المناطق المدارية الرطبة بشكل حاد عن التايغا ، التي تتراكم فقط 3.6 ج / هكتار من الزوماس (0.01 ٪ من الكتلة الحيوية). يؤدي تحلل كتلة كبيرة من المادة العضوية إلى تشبع الماء بثاني أكسيد الكربون والأحماض العضوية. العناصر الرئيسية التي تدخل الماء أثناء الدورة البيولوجية هي Si و Ca ، K. Mg ، Al ، Fe ، Mn ، S. تحتوي أوراق الأشجار الاستوائية على نسبة عالية من Si. خلال الدورة البيولوجية ، تتسرب مياه الأمطار من الأوراق كمية كبيرة من N و P و K و Ca و Mg و Na و CI و S وعناصر أخرى.
السهول والصحاري متشابهة في العديد من الخصائص. الكتلة الحيوية في السهوب هي ترتيب من حيث الحجم أقل من المناظر الطبيعية للغابات - من 100 إلى 350 ج / هكتار. يتركز معظمها ، على عكس الغابات ، في الجذور (70-90٪). تبلغ الكتلة الحيوية للحيوانات في السهوب حوالي 6٪. الإنتاج السنوي هو 13-50 ج / هكتار ، أي 30-50٪ من الكتلة الحيوية.
في كل عام ، تشارك مئات الكيلوجرامات من المواد القابلة للذوبان في الماء (لكل هكتار واحد) في الدورة البيولوجية للذرات في السهوب ، أي أكثر بكثير من التايغا (سهول المرج - 700 كجم / هكتار ؛ التايغا الجنوبية - 155 كجم / هكتار). في سهول المروج مع القمامة ، تعود 700 كجم / هكتار من المواد القابلة للذوبان في الماء سنويًا ، في المناطق الجافة - 150 كجم / هكتار (في غابات التنوب في التايغا الجنوبية - 120 كجم / هكتار). في القمامة ، تلعب القواعد التي تحيد الأحماض العضوية تمامًا دورًا مهمًا.
على عكس المناظر الطبيعية للغابات ، تتراكم تربة السهوب من المواد العضوية 20-30 مرة أكثر من الكتلة الحيوية (في سهول المروج - ما يصل إلى 8000 سم مكعب / هكتار من الدبال ؛ في السهوب الجافة - 1000-1500 ج / هكتار). بالنسبة للسهوب والصحاري ، فإن الكالسيوم والصوديوم والمغنيسيوم هي الأكثر تميزًا ، والتي تتراكم أثناء التملح في المياه والتربة ومنتجات التجوية.
وفقًا للتركيب المعدني ، يتم تقسيم جميع أعشاب السهوب إلى ثلاث مجموعات: حبوب تحتوي على نسبة عالية من Si ومحتوى منخفض من N ؛ البقوليات مع تراكم كبير من K و Ca و N ؛ فوربس التي تحتل مكانة وسيطة.
جميع المواد الموجودة على الكوكب في طور التداول. تتسبب الطاقة الشمسية في دورتين من المادة على الأرض: كبير (جيولوجي ، محيط حيوي)و صغير (بيولوجي).
يتميز الدوران الكبير للمواد في المحيط الحيوي بنقطتين مهمتين: يتم تنفيذه خلال التطور الجيولوجي الكامل للأرض وهو عملية كوكبية حديثة تأخذ دورًا رائدًا في تطوير المزيد من المحيط الحيوي.
يرتبط الدوران الجيولوجي بتكوين الصخور وتدميرها والحركة اللاحقة لمنتجات التدمير - الحطام والعناصر الكيميائية. لعبت الخصائص الحرارية لسطح الأرض والمياه ولا تزال تلعب دورًا مهمًا في هذه العمليات: امتصاص وانعكاس ضوء الشمس ، والتوصيل الحراري والقدرة الحرارية. حدد النظام الحراري المائي غير المستقر لسطح الأرض ، جنبًا إلى جنب مع نظام دوران الغلاف الجوي الكوكبي ، الدوران الجيولوجي للمواد ، والتي ارتبطت في المرحلة الأولى من تطور الأرض ، جنبًا إلى جنب مع العمليات الداخلية ، بتكوين القارات والمحيطات والحداثة. الغلاف الجوي. مع تكوين المحيط الحيوي ، تم تضمين نفايات الكائنات الحية في الدوران الكبير. يمد الدوران الجيولوجي الكائنات الحية بالمغذيات ويحدد إلى حد كبير ظروف وجودها.
العناصر الكيميائية الرئيسيةالغلاف الصخري: الأكسجين والسيليكون والألمنيوم والحديد والمغنيسيوم والصوديوم والبوتاسيوم وغيرها - تشارك في دورة كبيرة ، تمر من الأجزاء العميقة من الوشاح العلوي إلى سطح الغلاف الصخري. تبلور الصخور النارية
الصهارة ، التي تدخل سطح الغلاف الصخري من أعماق الأرض ، تخضع للتحلل ، والتجوية في المحيط الحيوي. تنتقل نواتج التجوية إلى حالة متنقلة ، وتنقلها المياه والرياح إلى أماكن منخفضة الإغاثة ، وتسقط في الأنهار والمحيطات وتشكل طبقات سميكة من الصخور الرسوبية ، والتي تغرق بمرور الوقت إلى أعماق في المناطق ذات درجات الحرارة المرتفعة و الضغط ، الخضوع للتحول ، أي "ذاب". أثناء هذا الذوبان ، تظهر صخرة متحولة جديدة تدخل الآفاق العليا لقشرة الأرض وتدخل مرة أخرى في تداول المواد. (الشكل 32).
أرز. 32. التداول الجيولوجي (الكبير) للمواد
يخضع الدوران الأكثر كثافة وسرعة لمواد سريعة الحركة - الغازات والمياه الطبيعية التي تشكل الغلاف الجوي والغلاف المائي للكوكب. تدور مادة الغلاف الصخري ببطء أكبر. بشكل عام ، تعد كل دورة لأي عنصر كيميائي جزءًا من الدورة العامة الكبيرة للمواد على الأرض ، وكلها مرتبطة ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض. تقوم المادة الحية للمحيط الحيوي في هذه الدورة بعمل رائع في إعادة توزيع العناصر الكيميائية التي تدور باستمرار في المحيط الحيوي ، وتنتقل من البيئة الخارجية إلى الكائنات الحية ومرة أخرى إلى البيئة الخارجية.
دورة المواد الصغيرة أو البيولوجية- هذا هو
تداول المواد بين النباتات والحيوانات والفطريات والكائنات الدقيقة والتربة. يكمن جوهر الدورة البيولوجية في سير عمليتين متعاكستين لكن مترابطتين - إنشاء المواد العضوية وتدميرها. ترجع المرحلة الأولية لظهور المواد العضوية إلى عملية التمثيل الضوئي للنباتات الخضراء ، أي تكوين المادة الحية من ثاني أكسيد الكربون والماء والمركبات المعدنية البسيطة باستخدام طاقة الشمس. تستخلص النباتات (المنتجون) جزيئات الكبريت والفوسفور والكالسيوم والبوتاسيوم والمغنيسيوم والمنغنيز والسيليكون والألمنيوم والزنك والنحاس وعناصر أخرى من التربة في المحلول. تمتص الحيوانات العاشبة (المستهلكون من الدرجة الأولى) مركبات هذه العناصر الموجودة بالفعل في شكل غذاء من أصل نباتي. تتغذى المفترسات (مستهلكات الدرجة الثانية) على الحيوانات العاشبة ، وتستهلك طعامًا ذو تركيبة أكثر تعقيدًا ، بما في ذلك البروتينات والدهون والأحماض الأمينية والمواد الأخرى. في عملية تدمير الكائنات الحية الدقيقة (مخفضات) للمواد العضوية للنباتات الميتة وبقايا الحيوانات ، تدخل المركبات المعدنية البسيطة المتاحة للاستيعاب بواسطة النباتات إلى التربة والبيئة المائية ، وتبدأ الجولة التالية من الدورة البيولوجية (الشكل 33).
النشاط الحيوي للنظام البيئي وتداول المواد فيه ممكن فقط في حالة التدفق المستمر للطاقة. المصدر الرئيسي للطاقة على الأرض هو الإشعاع الشمسي. يتم تحويل طاقة الشمس بواسطة كائنات التمثيل الضوئي إلى طاقة الروابط الكيميائية للمركبات العضوية. يخضع نقل الطاقة عبر سلاسل الغذاء للقانون الثاني للديناميكا الحرارية: يحدث تحويل نوع من الطاقة إلى نوع آخر مع فقدان جزء من الطاقة. علاوة على ذلك ، يخضع إعادة توزيعه لنمط صارم: الطاقة التي يتلقاها النظام البيئي ويستوعبها المنتجون يتم تبديدها أو ، جنبًا إلى جنب مع كتلتهم الحيوية ، يتم نقلها بشكل لا رجعة فيه إلى مستهلكي الأول والثاني ، إلخ. أوامر ، ثم مخفضات مع انخفاض في تدفق الطاقة عند كل مستوى غذائي. في هذا الصدد ، لا توجد دورة للطاقة.
على عكس الطاقة ، التي تُستخدم مرة واحدة فقط في النظام البيئي ، تُستخدم المواد عدة مرات نظرًا لحقيقة أن استهلاكها وتحولها يحدثان في دائرة. يتم تنفيذ هذه الدورة بواسطة الكائنات الحية في النظام البيئي (المنتجون ، المستهلكون ، المخفضات) وتسمى الدورة البيولوجية للمواد.
الدورة البيولوجية للمواد ، أو الصغيرة - تدفق المواد من التربة والجو إلى الكائنات الحية مع تغير مماثل في شكلها الكيميائي ، وعودتها إلى التربة والغلاف الجوي أثناء حياة الكائنات ومع بقايا ما بعد الذبح وإعادة دخول الكائنات الحية بعد عمليات التدمير والتمعدن بمساعدة الكائنات الحية الدقيقة. يتوافق هذا الفهم للدورة البيولوجية للمواد (وفقًا لـ N.P. Remezov و L.E. Rodin و NI Baazilevich) مع مستوى التكاثر الحيوي. من الأدق الحديث عن الدورة البيولوجية للعناصر الكيميائية ، وليس المواد ، لأنه في مراحل مختلفة من الدورة ، يمكن تعديل المواد كيميائيًا. وفقًا لـ V.A. Kovdy (1973) ، القيمة السنوية للدورة البيولوجية لعناصر الرماد في نظام التربة والنبات تتجاوز بشكل كبير قيمة الجريان الجيوكيميائي السنوي لهذه العناصر في الأنهار والبحار ويتم قياسها برقم ضخم يبلغ 109 طن / سنة.
تربط الأنظمة البيئية للأرض والمحيطات وتعيد توزيع الطاقة الشمسية والكربون الجوي والرطوبة والأكسجين والهيدروجين والفوسفور والنيتروجين والكبريت والكالسيوم وعناصر أخرى. يوفر النشاط الحيوي للكائنات النباتية (المنتجين) وتفاعلها مع الحيوانات (المستهلكين) والكائنات الدقيقة (المُحلِّلات) والطبيعة غير الحية آلية لتراكم وإعادة توزيع الطاقة الشمسية التي تدخل الأرض.
لا يتم إغلاق تداول المواد تمامًا. يتم تنفيذ بعض المواد العضوية وغير العضوية من النظام البيئي ، وفي الوقت نفسه ، يمكن تجديد احتياطياتها بسبب التدفق من الخارج. في بعض الحالات ، تكون درجة التكاثر المتكرر لبعض دورات دورة المواد هي 90-98٪. يؤدي الإغلاق غير الكامل للدورات على مقياس الزمن الجيولوجي إلى تراكم العناصر في مناطق طبيعية مختلفة من الأرض. وبالتالي ، تتراكم المعادن - الفحم والنفط والغاز والحجر الجيري ، إلخ.
2. السمات الأساسية للعلوم الطبيعية الحديثة للصورة العلمية للعالم
العلم الطبيعي هو علم الظواهر وقوانين الطبيعة. تشمل العلوم الطبيعية الحديثة العديد من فروع العلوم الطبيعية: الفيزياء ، والكيمياء ، وعلم الأحياء ، بالإضافة إلى العديد من الفروع ذات الصلة ، مثل الكيمياء الفيزيائية ، والفيزياء الحيوية ، والكيمياء الحيوية ، وما إلى ذلك.
التكنولوجيا الحديثة المتنوعة هي ثمرة العلوم الطبيعية ، والتي تعتبر حتى يومنا هذا الأساس الرئيسي لتطوير العديد من المجالات الواعدة - من الإلكترونيات النانوية إلى تكنولوجيا الفضاء الأكثر تعقيدًا ، وهذا واضح للكثيرين.
اعتمد الفلاسفة في كل العصور على أحدث إنجازات العلم ، وقبل كل شيء ، العلوم الطبيعية. جعلت إنجازات القرن الماضي في الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا وغيرها من العلوم من الممكن إلقاء نظرة جديدة على الأفكار الفلسفية التي تطورت على مر القرون. ولدت العديد من الأفكار الفلسفية في أعماق العلوم الطبيعية ، وكان للعلوم الطبيعية بدورها في بداية تطورها طابع فلسفي طبيعي. يمكن قول هذه الفلسفة على لسان الفيلسوف الألماني آرثر شوبنهاور (1788-1860): "لم تعطني فلسفتي أي دخل على الإطلاق ، لكنها أنقذتني من نفقات كثيرة".
شخص لديه على الأقل معرفة علمية عامة ومفاهيمية في نفس الوقت ، أي معرفة الطبيعة ، سيقوم بالتأكيد بأداء أفعاله بحيث يتم دائمًا الجمع بين الفوائد ، نتيجة لأفعاله ، مع احترام الطبيعة والحفاظ عليها ليس فقط للحاضر ، ولكن أيضًا للأجيال القادمة.
إن معرفة الحقيقة العلمية والطبيعية تجعل الإنسان حراً ، بالمعنى الفلسفي الواسع للكلمة ، وخالٍ من القرارات والأفعال غير الكفؤة ، وأخيراً ، حراً في اختيار طريق نشاطه النبيل والإبداعي.
ليس من المنطقي سرد إنجازات العلوم الطبيعية ، فكل واحد منا يعرف التقنيات التي ولدها ويستخدمها. تعتمد التقنيات المتقدمة بشكل أساسي على الاكتشافات العلمية الطبيعية في العقود الأخيرة من القرن العشرين ، ومع ذلك ، على الرغم من الإنجازات الملموسة ، تظهر المشكلات ، والتي سببها بشكل أساسي الوعي بالتهديد الذي يهدد التوازن البيئي لكوكبنا. يتفق العديد من اقتصاديي السوق على أن السوق الحرة لا يمكنها حماية الأفيال الأفريقية من الصيادين أو المواقع التاريخية لبلاد ما بين النهرين من الأمطار الحمضية والسائحين. فقط الحكومات هي القادرة على وضع القوانين التي تحفز توفير السوق بكل ما يحتاجه الشخص ، دون تدمير موطنه.
في الوقت نفسه ، لا تستطيع الحكومات اتباع مثل هذه السياسة دون مساعدة العلماء ، وقبل كل شيء العلماء الذين يعرفون العلوم الطبيعية الحديثة. نحن بحاجة إلى علاقة بين العلوم الطبيعية والهياكل الحاكمة في الأمور المتعلقة بالبيئة والأمن المادي ، وما إلى ذلك. بدون العلم ، من الصعب الحفاظ على كوكب الأرض نظيفًا: يجب قياس مستوى التلوث ، والتنبؤ بعواقبه - وهذا هو الشيء الوحيد الطريقة التي يمكننا من خلالها التعرف على المشاكل التي يجب منعها. فقط بمساعدة أحدث الأساليب العلمية والطبيعية ، أولاً وقبل كل شيء ، من الممكن مراقبة سماكة وتجانس طبقة الأوزون ، التي تحمي الشخص من الأشعة فوق البنفسجية. سيساعد البحث العلمي فقط في فهم أسباب وعواقب الترسيب الحمضي والضباب الدخاني ، التي تؤثر على حياة كل شخص ، لتوفير المعرفة اللازمة لرحلة الشخص إلى القمر ، واستكشاف أعماق المحيط ، وإيجاد طرق للتخلص من العديد من الأمراض الخطيرة.
نتيجة لتحليل النماذج الرياضية الشائعة في السبعينيات ، توصل العلماء إلى استنتاج مفاده أن مواصلة تطوير الاقتصاد سيصبح مستحيلًا قريبًا. وعلى الرغم من أنهم لم يجلبوا معرفة جديدة ، إلا أنهم ما زالوا يلعبون دورًا مهمًا. لقد أظهروا العواقب المحتملة لاتجاهات التنمية الناشئة اليوم. في وقت من الأوقات ، أقنعت هذه النماذج حقًا الملايين من الناس بأن حماية الطبيعة ضرورية ، وهذه مساهمة كبيرة في التقدم. على الرغم من الاختلافات في التوصيات ، تحتوي جميع النماذج على نتيجة رئيسية واحدة: لم يعد من الممكن أن تكون الطبيعة ملوثة كما هي اليوم.
يمكن ربط العديد من المشكلات على الأرض بمعرفة العلوم الطبيعية. ومع ذلك ، فإن هذه المشاكل ناتجة عن عدم نضج العلم نفسه. دعها تواصل مسارها - وستتغلب الإنسانية على صعوبات اليوم - هذا هو رأي غالبية العلماء. بالنسبة للآخرين ، إلى حد كبير أولئك الذين يعتبرون أنفسهم فقط ضمن مجموعة العلماء ، فقد العلم أهميته.
تعكس العلوم الطبيعية إلى حد كبير احتياجات الممارسين وفي نفس الوقت يتم تمويلها اعتمادًا على التعاطف المتغير باستمرار من الدولة والجمهور.
العلم والتكنولوجيا ليسا فقط الأداة الرئيسية التي تسمح للناس بالتكيف مع الظروف الطبيعية المتغيرة باستمرار ، ولكن أيضًا القوة الرئيسية التي تسبب بشكل مباشر أو غير مباشر مثل هذه التغييرات.
إلى جانب السمات الإيجابية الواضحة المتأصلة في العلوم الطبيعية ، ينبغي للمرء أن يتحدث عن أوجه القصور بسبب طبيعة المعرفة نفسها ، ونقص الفهم في هذه المرحلة لبعض الخصائص المهمة جدًا للعالم المادي بسبب المعرفة المحدودة للإنسان. على سبيل المثال ، توصل علماء الرياضيات البحتون إلى اكتشاف يتعارض مع أفكار مفكري الماضي: يمكن وصف العمليات العشوائية الفوضوية بنماذج رياضية دقيقة. علاوة على ذلك ، اتضح أنه حتى النموذج البسيط المجهز بردود فعل فعالة حساس جدًا لأدنى التغييرات في الظروف الأولية بحيث يصبح مستقبله غير متوقع. هل يستحق الجدل ، إذن ، ما إذا كان الكون حتميًا إذا أعطى نموذج حتمي صارم نتائج لا تختلف عن النتائج الاحتمالية؟
الغرض من العلوم الطبيعية هو وصف وتنظيم وشرح مجمل الظواهر والعمليات الطبيعية. تتطلب كلمة "شرح" في منهجية العلم نفسه تفسيراً. في معظم الحالات ، هذا يعني أن نفهم. ماذا يعني الشخص عادة عندما يقول "أنا أفهم"؟ عادةً ما يعني هذا: "أعرف من أين أتت" و "أعرف إلى أين ستقود". هذه هي الطريقة التي تتشكل بها العلاقة السببية: السبب - الظاهرة - النتيجة. إن توسع مثل هذا الاتصال وتشكيل بنية متعددة الأبعاد تغطي العديد من الظواهر يخدم كأساس لنظرية علمية تتميز ببنية منطقية واضحة وتتألف من مجموعة من المبادئ أو البديهيات والنظريات مع جميع الاستنتاجات الممكنة. يتم بناء أي تخصص رياضي وفقًا لهذا المخطط ، على سبيل المثال ، الهندسة الإقليدية أو نظرية المجموعات ، والتي يمكن أن تكون بمثابة أمثلة نموذجية للنظريات العلمية. يفترض بناء النظرية ، بالطبع ، إنشاء لغة علمية خاصة ، ومصطلحات خاصة ، ونظام من المفاهيم العلمية التي لها معنى لا لبس فيه والمترابطة بقواعد المنطق الصارمة.
بعد "اختبار النظرية بالتجربة ، تبدأ المرحلة التالية من إدراك الواقع ، حيث يتم وضع حدود حقيقة معرفتنا أو حدود قابلية تطبيق النظريات والبيانات العلمية الفردية. يتم تحديد هذه المرحلة من خلال عوامل موضوعية وذاتية. أحد العوامل الموضوعية الأساسية هو ديناميكية العالم من حولنا. دعونا نتذكر الكلمات الحكيمة للفيلسوف اليوناني القديم هيراكليتس (أواخر القرن السادس - أوائل القرن الخامس قبل الميلاد) ؛ "كل شيء يتدفق ، كل شيء يتغير ؛ لا يمكنك دخول نفس النهر مرتين ، للتلخيص ، دعونا نصوغ بإيجاز ثلاثة مبادئ أساسية للإدراك العلمي للواقع.
1. السببية. إن التعريف الأول والواضح للسببية موجود في بيان ديموقريطس: "لا يوجد شيء واحد ينشأ بدون سبب ، ولكن كل شيء ينشأ على أساس ما وبقوة الضرورة".
2. معيار الحقيقة. يتم التحقق (إثبات) الحقيقة العلمية الطبيعية فقط من خلال الممارسة: الملاحظات ، والتجارب ، والتجارب ، وأنشطة الإنتاج: إذا تم تأكيد النظرية العلمية عن طريق الممارسة ، فهي صحيحة. يتم التحقق من النظريات العلمية الطبيعية عن طريق التجربة المتعلقة بالملاحظات والقياسات والمعالجة الرياضية للنتائج التي تم الحصول عليها. وتأكيدًا على أهمية القياسات ، قال العالم البارز د. كتب مندليف (1834 - 1907): "بدأ العلم عندما تعلم الناس القياس ؛ العلم الدقيق لا يمكن تصوره بدون قياس ".
3. نسبية المعرفة العلمية. المعرفة العلمية (مفاهيم ، أفكار ، مفاهيم ، نماذج ، نظريات ، استنتاجات منها ، إلخ) هي دائمًا نسبية ومحدودة.
العبارة التي يتم مواجهتها بشكل متكرر: الهدف الرئيسي للعلوم الطبيعية - إنشاء قوانين الطبيعة ، واكتشاف الحقائق المخفية - يفترض صراحة أو ضمنيًا أن الحقيقة في مكان ما موجودة بالفعل وتوجد في شكل جاهز ، يجب العثور عليها فقط ، وجدت كنوع من الكنز. قال الفيلسوف القديم ديموقريطس: "الحقيقة مخفية في الأعماق (تقع في قاع البحر)". يرتبط عامل موضوعي آخر بنقص التقنية التجريبية ، والتي تعمل كأساس مادي لأي تجربة.
ينظم العلم الطبيعي بطريقة أو بأخرى ملاحظاتنا عن الطبيعة. في هذه الحالة ، لا ينبغي للمرء أن يأخذ في الاعتبار ، على سبيل المثال ، نظرية منحنيات الدرجة الثانية تقريبية على أساس أنه في الطبيعة لا توجد منحنيات من الدرجة الثانية بالضبط. لا يمكن القول أن الهندسة غير الإقليدية تنقح الإقليدية - كل منها يأخذ مكانه في نظام النماذج ، كونه دقيقًا وفقًا لمعايير الدقة الداخلية ، ويجد التطبيق عند الضرورة. بالطريقة نفسها ، من الخطأ التأكيد على أن نظرية النسبية تنقح الميكانيكا الكلاسيكية - فهذه نماذج مختلفة ، بشكل عام ، لها مجالات تطبيق مختلفة.
مهما كان مضمون الحقيقة التي شغلت أذهان العلماء العظماء منذ العصور القديمة ، وبغض النظر عن كيفية حل القضية المعقدة لموضوع العلم بشكل عام والعلوم الطبيعية بشكل خاص ، هناك شيء واحد واضح: العلم الطبيعي هو أمر بالغ الأهمية. أداة فعالة وقوية ، لا تسمح فقط بمعرفة العالم من حولك ، ولكنها تجلب أيضًا فوائد هائلة.
بمرور الوقت ، وخاصة في نهاية القرن الماضي ، كان هناك تغيير في وظيفة العلم ، وقبل كل شيء ، في وظيفة العلوم الطبيعية. إذا كانت الوظيفة الرئيسية للعلم في وقت سابق هي وصف الأشياء قيد الدراسة وتنظيمها وشرحها ، فقد أصبح العلم الآن جزءًا لا يتجزأ من نشاط الإنتاج البشري ، ونتيجة لذلك الإنتاج الحديث - سواء كان إطلاقًا لتكنولوجيا الفضاء الأكثر تعقيدًا ، أجهزة الكمبيوتر الحديثة والشخصية الفائقة أو أجهزة الصوت والفيديو عالية الجودة - تكتسب شخصية كثيفة المعرفة. هناك اندماج بين الأنشطة العلمية والإنتاجية والتقنية ، ونتيجة لذلك ، تظهر جمعيات علمية وإنتاجية كبيرة - مجمعات علمية وتقنية مشتركة بين الفروع "علوم - تكنولوجيا - إنتاج" ، يلعب فيها العلم دورًا رائدًا. في مثل هذه المجمعات ، تم إنشاء أنظمة الفضاء الأولى ، وأول محطات الطاقة النووية وأكثر من ذلك بكثير ، والتي تعتبر أعلى إنجازات العلم والتكنولوجيا.
في الآونة الأخيرة ، يعتقد المتخصصون في العلوم الإنسانية أن العلم قوة منتجة. هذا يشير في المقام الأول إلى العلوم الطبيعية. على الرغم من أن العلم لا ينتج منتجات مادية بشكل مباشر ، فمن الواضح أن التطورات العلمية هي في صميم إنتاج أي منتج. لذلك ، عندما يتحدثون عن العلم كقوة إنتاجية ، فإنهم لا يأخذون في الحسبان المنتج النهائي للإنتاج أو أي إنتاج آخر ، ولكن تلك المعلومات العلمية - نوع من المنتجات يتم على أساسه تنظيم إنتاج القيم المادية وأدركت.
مع الأخذ في الاعتبار مثل هذا المؤشر المهم مثل كمية المعلومات العلمية ، من الممكن ليس فقط إجراء تقييم نوعي ، ولكن أيضًا تقييم كمي للتغيير المؤقت في هذا المؤشر ، وبالتالي تحديد انتظام تطور العلم.
يُظهر التحليل الكمي أن معدل تطور العلوم ، بشكل عام وفروع العلوم الطبيعية مثل الفيزياء والبيولوجيا وما إلى ذلك ، وكذلك الرياضيات ، يتميز بزيادة قدرها 5-7 ٪ سنويًا على مدار العام. 300 سنة الماضية. أخذ التحليل في الاعتبار مؤشرات محددة: عدد المقالات العلمية والباحثين وما إلى ذلك. يمكن وصف معدل تطور العلم هذا بطريقة أخرى. لكل 15 عامًا (نصف متوسط فارق السن بين الآباء والأطفال) ، يزداد حجم الإنتاج العلمي بمعامل e (e = 2.72 - قاعدة اللوغاريتمات الطبيعية). هذا البيان هو جوهر قوانين التطور الأسي للعلم.
الاستنتاجات التالية تتبع من هذا النمط. كل 60 عامًا ، يزداد الإنتاج العلمي بحوالي 50 مرة. على مدار الثلاثين عامًا الماضية ، تم إنشاء ما يقرب من 6.4 مرة من هذه المنتجات أكثر مما تم إنتاجه في تاريخ البشرية بأكمله. في هذا الصدد ، إلى الخصائص العديدة للقرن العشرين. من الممكن تمامًا إضافة واحدة أخرى - "قرن العلم".
من الواضح تمامًا أنه في حدود المؤشرات المدروسة (بالطبع لا يمكن اعتبارها شاملة لوصف المشكلة المعقدة لتطور العلم) ، لا يمكن أن يستمر التطور الأسي للعلم إلى أجل غير مسمى ، وإلا في فترة زمنية قصيرة نسبيًا ، في المستقبل القريب ، سيتحول جميع سكان العالم إلى موظفين علميين. كما لوحظ في الفقرة السابقة ، يحتوي حتى عدد كبير من المنشورات العلمية على كمية صغيرة نسبيًا من المعلومات العلمية القيمة حقًا. وليس كل باحث يقدم مساهمة كبيرة في العلم الحقيقي. سيستمر تطوير العلم في المستقبل ، ولكن ليس بسبب النمو الكبير في عدد الباحثين وعدد المنشورات العلمية التي ينتجونها ، ولكن بسبب مشاركة أساليب وتقنيات البحث التقدمي ، فضلاً عن تحسين جودة عمل علمي.
اليوم ، أكثر من أي وقت مضى ، يعد العمل المكثف مهمًا ليس فقط في النقد وإعادة التفكير في الماضي ، ولكن أيضًا في دراسة المسارات إلى المستقبل ، والبحث عن أفكار ومُثُل جديدة. بالإضافة إلى القضايا الاقتصادية ، ربما يكون هذا هو النظام الاجتماعي الأكثر أهمية للعلم والثقافة المحلية. الأفكار السابقة تستنفد نفسها أو تستنفد نفسها ، وإذا لم نملأ الفراغ الناتج ، فسوف تشغلها حتى الأفكار القديمة والأصولية ، التي أقرتها بالفعل قوة وسلطة السلطات. هذا بالضبط هو التحدي الذي يواجه العقل اليوم ، والذي نشهد خروجنا منه.
3. في جميع أنظمة الإبلاغ بالقصور الذاتي ، تحدث الحركة وفقًا لنفس القوانين - هذه هي الصياغة ...
أ) قانون الجاذبية الكونية ؛ ب) مبادئ غاليليو النسبية. ج) قوانين ميكانيكا نيوتن الكلاسيكية
مبدأ النسبية هو مبدأ فيزيائي أساسي وبموجبه تسير جميع العمليات الفيزيائية في الأطر المرجعية بالقصور الذاتي بنفس الطريقة ، بغض النظر عما إذا كان النظام ثابتًا أو في حالة حركة موحدة ومستقيمة.
يشير هذا التعريف إلى النقطة "ب" - مبادئ غاليليو في النسبية.
4. مبادئ النسبية لغاليليو
مبدأ جاليليو في النسبية ,
يتجلى مبدأ المساواة المادية للأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي في الميكانيكا الكلاسيكية في حقيقة أن قوانين الميكانيكا في جميع هذه الأنظمة هي نفسها. ويترتب على ذلك أنه لا يمكن لأي تجارب ميكانيكية أجريت في أي نظام بالقصور الذاتي أن تحدد ما إذا كان نظام معين في حالة راحة أم أنه يتحرك بشكل موحد ومستقيم. أسس جاليليو هذا الموقف لأول مرة في عام 1636. وأوضح جاليليو تشابه قوانين الميكانيكا للأنظمة بالقصور الذاتي من خلال مثال الظواهر التي تحدث تحت سطح السفينة في حالة سكون أو تتحرك بشكل موحد ومستقيم (بالنسبة إلى الأرض ، والتي يمكن اعتباره بدرجة كافية من الدقة كإطار مرجعي بالقصور الذاتي): "الآن اجعل السفينة تتحرك بأي سرعة ، وبعد ذلك (إذا كانت الحركة فقط موحدة وبدون التدحرج في اتجاه أو آخر) في كل هذه الظواهر لن تجد أدنى تغيير ولن تتمكن بأي منها من تحديد ما إذا كانت السفينة تتحرك أم أنها تقف بلا حراك ... رمي شيئًا ما على رفيق ، لن تضطر إلى رميها بقوة أكبر عندما على القوس ، وأنت في المؤخرة ، مما يحدث عندما ينعكس وضعك النسبي ؛ سوف تسقط القطرات ، كما في السابق ، في السفينة السفلية ، ولن يسقط أي منها بالقرب من المؤخرة ، على الرغم من أنه أثناء الهبوط في الهواء ، ستسافر السفينة لمسافات عديدة "1.
تعتمد حركة نقطة مادية بالنسبة إلى: موضعها وسرعتها ونوع مسارها على الإطار المرجعي (الجسم المرجعي) الذي يتم اعتبار هذه الحركة فيه. في نفس الوقت ، قوانين الميكانيكا الكلاسيكية ,
أي أن العلاقات التي تربط الكميات التي تصف حركة النقاط المادية والتفاعل بينها هي نفسها في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي. تشكل نسبية الحركة الميكانيكية والتشابه (غير النسبية) لقوانين الميكانيكا في مختلف الأطر المرجعية بالقصور الذاتي محتوى مبدأ النسبية الجاليلي.
رياضياً ، يعبر مبدأ غاليليو للنسبية عن ثبات (ثبات) معادلات الميكانيكا فيما يتعلق بتحولات إحداثيات النقاط المتحركة (والوقت) أثناء الانتقال من نظام بالقصور الذاتي إلى نظام آخر - تحولات غاليليو.
لنفترض وجود إطارين مرجعيين بالقصور الذاتي ، أحدهما ، S ، نتفق على النظر فيه أثناء الراحة ؛ النظام الثاني ، S '، يتحرك بالنسبة إلى S بسرعة ثابتة شكما هو مبين في الشكل. بعد ذلك ، سيكون لتحولات جاليليو لإحداثيات نقطة مادية في النظامين S و S الشكل:
x '= x - ut، y ’= y، z’ = z، t ’= t (1)
(تشير القيم المظللة إلى نظام S ، بينما تشير القيم غير المظللة إلى نظام S). وهكذا ، فإن الوقت في الميكانيكا الكلاسيكية ، مثل المسافة بين أي نقاط ثابتة ، يعتبر هو نفسه في جميع الأطر المرجعية.
من خلال تحولات جاليليو ، يمكن للمرء الحصول على العلاقة بين سرعات نقطة ما وتسارعها في كلا النظامين:
v '= v - u، (2)
أ '= أ.
في الميكانيكا الكلاسيكية ، يتم تحديد حركة نقطة مادية بواسطة قانون نيوتن الثاني:
F = أماه ، (3)
أين م -كتلة نقطة ، أ F -نتيجة كل القوى المطبقة عليه. في هذه الحالة ، تعتبر القوى (والكتل) ثوابت في الميكانيكا الكلاسيكية ، أي الكميات التي لا تتغير عند الانتقال من إطار مرجعي إلى آخر. لذلك ، في ظل تحولات غاليليو ، لا تتغير المعادلة (3). هذا هو التعبير الرياضي لمبدأ النسبية الجليل.
لا يصلح مبدأ النسبية الجاليلية إلا في الميكانيكا الكلاسيكية ، التي تعتبر الحركات ذات السرعات أقل بكثير من سرعة الضوء. بسرعات قريبة من سرعة الضوء ، تخضع حركة الأجسام لقوانين ميكانيكا النسبية لآينشتاين ,
التي تعتبر ثابتة فيما يتعلق بالتحولات الأخرى للإحداثيات والوقت - تحولات لورنتز
(عند السرعات المنخفضة ، يتحولون إلى تحولات غاليليو).
5. نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين
تستند نظرية النسبية الخاصة على افتراضين. الفرضية الأولى(مبدأ النسبية المعمم لأينشتاين) يقول: لا توجد تجارب فيزيائية (ميكانيكية ، كهرومغناطيسية ، إلخ) يتم إجراؤها ضمن إطار مرجعي معين يمكن أن تميز بين حالات الراحة والحركة المستقيمة المنتظمة (بمعنى آخر ، قوانين الطبيعة هي نفسها في جميع أنظمة الإحداثيات بالقصور الذاتي ، أي الأنظمة التي تتحرك بشكل مستقيم وموحد بالنسبة لبعضها البعض). تأتي هذه الفرضية من نتائج تجربة ميكلسون مورلي الشهيرة ، والتي قاسَت سرعة الضوء في اتجاه حركة الأرض وفي الاتجاه العمودي. تبين أن سرعة الضوء هي نفسها في جميع الاتجاهات ، بغض النظر عن حقيقة أن المصدر كان يتحرك (بالمناسبة ، هذه القياسات رفضت فكرة وجود الأثير العالمي الذي لا يتحرك ، والذي أوضحت تذبذباته طبيعة الضوء).
الفرضية الثانيةيقول أن سرعة الضوء في الفراغ هي نفسها في جميع أنظمة الإحداثيات بالقصور الذاتي. هذه الفرضية مفهومة (بما في ذلك من قبل أينشتاين نفسه) بمعنى ثبات سرعة الضوء. من المقبول عمومًا أن هذه الفرضية هي أيضًا نتيجة لتجربة ميكلسون.
استخدم آينشتاين الافتراضات لتحليل معادلات ماكسويل للديناميكا الكهربية وتحولات لورنتز التالية ، والتي تجعل من الممكن التعبير عن الإحداثيات والوقت لنظام متحرك (مميز برمز رئيسي في الأعلى) من حيث إحداثيات ووقت ثابت النظام (هذه التحولات تترك معادلات ماكسويل دون تغيير):
x '= (x - Vt) / ^ 0.5(م) ؛ ص '= ص(م) ؛ ض '= ض(م) ؛ (1)
t '= (t - xV / c ^ 2) / ^ 0.5(ثانية). (2)
تتبع نظرية إضافة السرعة لأينشتاين مباشرة من هذه التحولات:
Vc = (V1 + V2) / (1 + V1 * V2 / c ^ 2)(تصلب متعدد). (3)
قانون الإضافة المعتاد ( Vc = V1 + V2) يعمل بسرعات منخفضة فقط.
على أساس التحليل الذي تم إجراؤه ، توصل أينشتاين إلى استنتاج مفاده أن حقيقة حركة النظام (مع السرعة الخامس) يؤثر على حجمه وسرعة الوقت والكتلة وفقًا للتعبيرات:
ل = لو / ^ 0.5(م) ؛ (4)
دلتا t = دلتا إلى / ^ 0.5(ثانية) ؛ (5)
م = مو / ^ 0.5(كلغ). (6)
يشير الصفر إلى الكميات التي تشير إلى النظام الثابت (السكون). تشير الصيغ (4) - (6) إلى أن طول النظام المتحرك يتناقص ، وأن تدفق الوقت عليه (الساعة) يتباطأ ، وتزداد الكتلة. بناءً على الصيغة (5) ، نشأت فكرة التأثير المزدوج المزعوم. رائد فضاء طار على متن السفينة لمدة عام (حسب ساعة السفينة) بسرعة 0.9998 معبالعودة إلى الأرض ، سيلتقي بأخيه التوأم ، البالغ من العمر 50 عامًا. العلاقة (6) ، التي تميز تأثير زيادة الكتلة ، قادت أينشتاين إلى صياغة قانونه الشهير (6):
E = Mc ^ 2(ي).
6. نظرية النسبية العامة لأينشتاين
النظرية العامة للنسبية (GTR) هي نظرية هندسية للجاذبية ، نشرها ألبرت أينشتاين في - سنوات. في إطار هذه النظرية ، والتي تعد تطورًا إضافيًا للنظرية النسبية الخاصة ، من المفترض أن تأثيرات الجاذبية لا تنتج عن تفاعل القوة بين الأجسام والحقول في الزمكان ، ولكن بسبب تشوه الزمكان نفسه ، والذي يرتبط ، على وجه الخصوص ، بوجود كتلة الطاقة. النظرية العامة للنسبية (GTR) هي النظرية الحديثة للجاذبية ، وتربطها بانحناء الزمكان رباعي الأبعاد.
وهكذا ، في النسبية العامة ، كما هو الحال في النظريات المترية الأخرى ، الجاذبية ليست تفاعل قوة. تختلف النسبية العامة عن نظريات الجاذبية المترية الأخرى باستخدام معادلات أينشتاين لربط انحناء الزمكان بالمادة في الفضاء.
تعتبر النسبية العامة حاليًا أكثر نظرية الجاذبية نجاحًا ، وتدعمها الملاحظات جيدًا. كان النجاح الأول للنسبية العامة هو شرح المبادرة الشاذة
الحضيض
الزئبق. بعد ذلك ، أبلغ آرثر إدينجتون عن ملاحظة انحراف الضوء بالقرب من الشمس في وقت حدوث الكسوف الكلي ، مما أكد تنبؤات النسبية العامة. منذ ذلك الحين ، أكدت العديد من الملاحظات والتجارب الأخرى عددًا كبيرًا من تنبؤات النظرية ، بما في ذلك تمدد وقت الجاذبية ، والانزياح الأحمر للجاذبية ، وتأخير الإشارة في مجال الجاذبية ، وحتى الآن بشكل غير مباشر فقط ، الإشعاع الثقالي. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تفسير العديد من الملاحظات على أنها تأكيد لواحد من أكثر تنبؤات النسبية العامة غموضًا وغرابة - وجود الثقوب السوداء.
صاغ أينشتاين مبدأ التكافؤ ، الذي ينص على أن العمليات الفيزيائية في مجال الجاذبية لا يمكن تمييزها عن الظواهر المماثلة مع الحركة المتسارعة المقابلة. أصبح مبدأ التكافؤ أساس نظرية جديدة تسمى النظرية العامة للنسبية (GR). رأى أينشتاين إمكانية تحقيق هذه الفكرة على طريقة تعميم مبدأ نسبية الحركة ، أي. نشره ليس فقط للسرعة ، ولكن أيضًا لتسريع الأنظمة المتحركة. إذا لم تنسب الطابع المطلق إلى التسارع ، فإن فصل فئة أنظمة القصور الذاتي سيفقد معناه ويمكن صياغة القوانين الفيزيائية بطريقة ترتبط بأي نظام إحداثي. هذا هو المبدأ العام للنسبية.
من وجهة نظر النسبية العامة ، فضاء عالمنا ليس به انحناء صفري ثابت. يتغير انحناءه من نقطة إلى أخرى ويتم تحديده بواسطة مجال الجاذبية ، والوقت في نقاط مختلفة يتدفق بطرق مختلفة. إن مجال الجاذبية ليس أكثر من انحراف لخصائص الفضاء الحقيقي عن خصائص الفضاء المثالي (الإقليدي). يتم تحديد مجال الجاذبية عند كل نقطة من خلال قيمة انحناء الفضاء عند تلك النقطة. في هذه الحالة ، يتم تحديد انحناء الزمكان ليس فقط من خلال الكتلة الكلية للمادة التي يتكون منها الجسم ، ولكن أيضًا من خلال جميع أنواع الطاقة الموجودة فيه ، بما في ذلك طاقة جميع المجالات الفيزيائية. لذلك ، في GRT ، يتم تعميم مبدأ هوية كتلة وطاقة SRT: E = mc 2. وبالتالي ، فإن الاختلاف الأكثر أهمية بين النسبية العامة والنظريات الفيزيائية الأخرى هو أنها تصف الجاذبية بأنها تأثير المادة على خصائص الزمكان ؛ تؤثر خصائص الزمكان هذه ، من جانبها ، على حركة الأجسام ، على العمليات الفيزيائية فيها.
في النسبية العامة ، تعتبر حركة نقطة مادية في مجال الجاذبية بمثابة حركة "قصور ذاتي" حرة ، ولكنها لا تحدث في الإقليدية ، ولكن في الفضاء مع انحناء متغير. نتيجة لذلك ، لم تعد حركة النقطة مستقيمة وموحدة ، ولكنها تحدث على طول الخط الجيوديسي للمساحة المنحنية. ويترتب على ذلك أن معادلة حركة نقطة مادية ، وكذلك شعاع ضوء ، يجب أن تكتب في شكل معادلة للخط الجيوديسي للفضاء المنحني. لتحديد انحناء الفضاء ، من الضروري معرفة التعبير عن مكونات الموتر الأساسي (تناظرية للجهد في نظرية الجاذبية النيوتونية). تتمثل المهمة في معرفة توزيع كتل الجاذبية في الفضاء ، وتحديد وظائف الإحداثيات والوقت (مكونات الموتر الأساسي) ؛ ثم يمكنك تدوين معادلة الخط الجيوديسي وحل مشكلة حركة نقطة مادية ، مشكلة انتشار شعاع ضوئي ، إلخ.
وجد أينشتاين المعادلة العامة لمجال الجاذبية (الذي تحول في التقريب الكلاسيكي إلى قانون الجاذبية لنيوتن) وبالتالي حل مشكلة الجاذبية بشكل عام. معادلات مجال الجاذبية في النسبية العامة هي نظام من 10 معادلات. على عكس نظرية الجاذبية لنيوتن ، حيث توجد إمكانية واحدة لحقل الجاذبية ، والتي تعتمد على كمية واحدة - كثافة الكتلة ، في نظرية أينشتاين ، يتم وصف مجال الجاذبية بـ 10 إمكانات ويمكن إنشاؤه ليس فقط من خلال كثافة الكتلة ، ولكن أيضًا من خلال تدفق الكتلة وتدفق الزخم.
هناك اختلاف جوهري آخر بين النسبية العامة والنظريات الفيزيائية التي سبقتها وهو رفض عدد من المفاهيم القديمة وصياغة مفاهيم جديدة. لذا ، فإن النسبية العامة ترفض مفاهيم "القوة" ، "الطاقة الكامنة" ، "النظام بالقصور الذاتي" "" الطبيعة الإقليدية للزمكان "، إلخ ؛ في النسبية العامة ، يتم استخدام الأجسام المرجعية غير الصلبة (المشوهة) ، حيث لا توجد أجسام صلبة في مجالات الجاذبية ويعتمد معدل الساعة على حالة هذه الحقول. يمكن لمثل هذا الإطار المرجعي (يُطلق عليه "رخويات المرجع") أن يتحرك بطريقة عشوائية ، ويمكن أن يتغير شكله ، ويمكن أن يكون للساعة المستخدمة مسار غير منتظم بشكل تعسفي. تعمل النسبية العامة على تعميق مفهوم المجال ، حيث تربط بين مفاهيم القصور الذاتي والجاذبية وقياس الزمكان ، وتعترف بإمكانية موجات الجاذبية. يتم إنشاء موجات الجاذبية من خلال مجال جاذبية متناوب ، وحركة غير متساوية للكتل وتنتشر في الفضاء بسرعة الضوء. موجات الجاذبية في الظروف الأرضية ضعيفة للغاية. هناك احتمال للتثبيت الحقيقي للإشعاع الثقالي الذي ينشأ في عمليات كارثية هائلة في الكون - انفجارات سوبر نوفا ، وتصادم النجوم النابضة ، وما إلى ذلك ، لكن لم يتم اكتشافها تجريبيًا بعد.
على الرغم من النجاح الساحق للنظرية النسبية العامة ، إلا أن هناك انزعاجًا في المجتمع العلمي مرتبطًا بحقيقة أنه لا يمكن إعادة صياغتها على أنها الحد الكلاسيكي لنظرية الكم نظرًا لظهور اختلافات رياضية لا مفر منها عند النظر في الثقوب السوداء وبشكل عام ، تفردات الزمكان. تم اقتراح عدد من النظريات البديلة لحل هذه المشكلة. تشير الأدلة التجريبية الحديثة إلى أن أي نوع من الانحراف عن النسبية العامة يجب أن يكون صغيرًا جدًا ، إن وجد.
تشكيل صورة فيزيائية حديثة للمبادئ العالمية ومفاهيم نظرية أينشتاين العامة للنسبية (نظرية الجاذبية) مفاهيم مستويات الهياكل البيولوجية وتنظيم النظم الحية
قوانين الحفظ
دورات المواد
تدفقات الهجرة الصغيرة للعناصر الكيميائية بين الكائنات الحية المترابطة وبين الكائنات الحية وبيئتها تضيف إلى دورات أكبر - دوامات... مدة وثبات وجود دعم الحياة على وجه التحديد الدورات ، لأنه بدونها ، حتى على نطاق الأرض بأكملها ، سيتم استنفاد احتياطيات العناصر الضرورية قريبًا.
الدورة البيولوجية (الحيوية)- ظاهرة إعادة توزيع المادة والطاقة 1 والمعلومات داخل النظم البيئية لمختلف مستويات التنظيم الهرمي - من التكاثر الحيوي إلى المحيط الحيوي. يسمى تداول المواد على نطاق المحيط الحيوي بأكمله بالدائرة الكبيرة ، وضمن التكاثر الحيوي المحدد - دائرة صغيرة من التمثيل الغذائي الحيوي. يُطلق على الجزء من الدورة البيولوجية ، الذي يتكون من دورات الكربون والماء والنيتروجين والفوسفور والكبريت والمواد الحيوية الأخرى ، الدورة الكيميائية الجيوكيميائية.
يمكن التخلص مؤقتًا من كمية معينة من المادة من الدورة البيولوجية (ترسبت في قاع المحيطات ، والبحار ، وسقوطها في أعماق قشرة الأرض ، وما إلى ذلك). ومع ذلك ، نتيجة للعمليات التكتونية والجيولوجية (النشاط البركاني ، صعود وسقوط قشرة الأرض ، التغيرات في الحدود بين الأرض والمياه ، إلخ) ، يتم تضمين الصخور الرسوبية مرة أخرى في الدورة ، تسمى الدورة الجيولوجية أو الدوران.
لم يتم إغلاق دورات المواد من المنتجين إلى المستهلكين من مختلف المستويات ، ثم إلى المخفضات ، ومنهم مرة أخرى إلى المنتجين. إذا وجدت النظم الإيكولوجية عزلتها الكاملة ، فلن تكون هناك تغييرات في بيئة الحياة ، ولن تكون هناك تربة أو حجر جيري أو صخور أخرى ذات أصل حيوي. وبالتالي ، يمكن وصف الدورة الحيوية بشكل تقليدي على أنها حلقة مفتوحة. يكون فقدان المادة بسبب انفتاح الدورة الدموية ضئيلًا في المحيط الحيوي (أكبر نظام بيئي على هذا الكوكب). تُفقد المعلومات في النظم البيئية مع موت الأنواع وعمليات إعادة الترتيب الجيني التي لا رجعة فيها.
وهكذا ، يحافظ كل نظام بيئي على وجوده بسبب دورة المغذيات والتدفق المستمر للطاقة الشمسية. لا توجد عمليا أي دورة طاقة في النظم البيئية ، لأنها (الطاقة) تعود من المحللات إلى المستهلكين بكميات ضئيلة. ويعتقد أن معامل دورة الطاقة لا يتجاوز 0.24٪. يمكن تجميع الطاقة وتخزينها (أي تحويلها إلى أشكال أكثر كفاءة) ونقلها من جزء من النظام إلى آخر ، ولكن لا يمكن استخدامها مرة أخرى مثل المياه والمعادن. بمجرد انتقال الطاقة من مصانع الإنتاج إلى المستهلكين إلى المخفضات ، يتم نقل الطاقة إلى الفضاء القريب من الأرض وفي الفضاء الخارجي. عند التحرك من خلال نظام بيئي ، يؤثر تدفق الطاقة بشكل أساسي على التكاثر الحيوي ، لذلك تم النظر فيه بالتفصيل في وقت سابق.
تحميل ...