/
Автор: Самсонова А.В. Цаллагова Р.Б.
Теги: математика естественные науки естественные науки в целом физическая подготовка спорт физическая культура издательство советский спорт
ISBN: 978-5-9718-0697-4
Год: 2014
Текст
ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ
основь
ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ
И СПОРТА
Учебник
Рекомендовано
Учебно-методическим объединением
высших учебных заведений Российской Федерации
по образованию в области физической культуры
в качестве учебника для образовательных учреждений
высшего профессионального образования,
осуществляющих образовательную деятельность
по направлению 034300 (62) —
«Физическая культура»
ИЗДАТЕЛЬСТВО
Москва 2014
УДК 50/796
ББК 20/75.0я73
Е86
Рецензенты:
Ю.Ф. Курамшин, доктор педагогических наук, профессор, зав. кафедрой
теории и методики физической культуры Национального государственного
университета физической культуры, спорта и здоровья им. П.Ф. Лесгафта,
заслуженный работник высшей школы РФ;
С.С. Михайлов, доктор медицинских наук, профессор, зав. кафедрой био-
химии Национального государственного университета физической культу-
ры, спорта и здоровья им. П.Ф. Лесгафта, заслуженный деятель науки РФ;
В.А. Морозов, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой
физической механики СПбГУ (раздел I - «Математика»);
В.Ю. Карасёв, доктор физико-математических наук, профессор кафедры
общей физики СПбГУ (раздел II - «Физика»);
Е.Д. Суглобова, доктор биологических наук, старший научный сотрудник,
заведующая лабораторией почечной недостаточности НИИ нефрологии
ГБОУ ВПО СПбГМУ им. И.П. Павлова (раздел III - «Химия»);
Л.А. Мамон, доктор биологических наук, старший научный сотрудник, про-
фессор кафедры генетики и селекции СПбГУ (раздел IV - «Биология
с основами экологии»).
Естественно-научные основы физической культуры
Е86 и спорта : учебник / под ред. А. В. Самсоновой, Р. Б. Цаллаго-
вой. - М. : Советский спорт, 2014. - 456 с. : ил.
18ВК 978-5-9718-0697-4
Учебник написан в соответствии с Федеральным государственным образо-
вательным стандартом по направлению подготовки 034300 (62) - «Физическая
культура» (квалификация «бакалавр»). Учебник составляют четыре раздела
дисциплины «Естественно-научные основы физической культуры и спорта»:
математика, физика, химия, биология с основами экологии.
Предназначен для студентов дневной и заочной форм обучения высших
и средних учебных заведений физической культуры.
УДК 50/796
ББК 20/75.0я73
18ВМ 978-5-9718-0697-4
© Коллектив авторов, 2014
© Оформление. ОАО «Издательство
“Советский спорт”», 2014
Введение
В настоящее время все больший удельный вес в подготовке специа-
листов в вузах физической культуры приобретают дисциплины естест-
венно-научного цикла: анатомия, биохимия, биомеханика, физиология,
спортивная медицина и др. Сегодня, в век развития информационных
технологий, во всех областях деятельности человека на передний план
выдвигаются фундаментальные знания специалиста. Все большую роль
играет математизация знаний.
Еще недавно казавшиеся чисто гуманитарными образовательные
профили студентов вузов физической культуры (физкультурное образо-
вание, спортивно-оздоровительный туризм, двигательная рекреация,
спортивный менеджмент, физкультурно-оздоровительные технологии,
спортивные сооружения и индустрия, спортивная тренировка в избран-
ном виде спорта) не обходятся без знаний в области математики, физи-
ки, химии, биологии.
Начавшийся в первой половине XX века процесс математизации
знаний в наше время затронул гуманитарные дисциплины. Практически
во всех гуманитарных науках для описания изучаемых ими объектов
(процессов, явлений) используется математический язык. Без математи-
ки невозможно изложение физики, химии и биомеханики. Этим объяс-
няется тот факт, что именно с математики начинается предлагаемый
читателю учебник.
В настоящем учебнике объединены все разделы, входящие в дисци-
плину «Естественно-научные основы физической культуры и спорта»
(ЕНОФКС). Это позволит студентам иметь одну книгу, по которой
можно учиться и готовиться к сдаче зачетов и экзаменов по перечис-
ленным разделам, не прибегая к помощи других учебных пособий.
К сожалению, количество часов, предусмотренное программой
и планом обучения на усвоение каждого раздела дисциплины ЕНОФКС,
невелико. Поэтому авторы основное внимание уделили только тем те-
мам, которые необходимы студентам при последующем обучении.
Учебник состоит из четырех разделов, соответствующих основной
образовательной программе направления подготовки 034300 (62) -
«Физическая культура» по дисциплине «Естественно-научные основы
физической культуры и спорта». Каждый раздел учебника содержит
список условных обозначений, контрольные вопросы, глоссарий
и рекомендуемую литературу.
Материал представлен в доступной для студентов форме, по мере
возможности упрощено изложение, главным образом в области терми-
нологии. Особое внимание уделено вводной части каждой крупной
темы. Разделы разбиты на подразделы или главы, внутри текста тем или
иным способом выделяются те или иные положения, важные для усвое-
ния материала. Мы надеемся, что все это облегчит усвоение студентами
предлагаемой информации.
Разделы учебника выступают в роли пререквизитов при изучении
последующих предметов. А именно: раздел «Математика» выполняет
такую функцию для физики, биомеханики и спортивной метрологии.
В этом разделе излагаются основы элементарной математики, матема-
тического анализа, аналитической геометрии и теории дифференциаль-
ных уравнений.
Раздел «Физика» выполняет такую же функцию при изучении курса
биомеханики, где основное внимание уделено классической механике.
Раздел «Химия» необходим для усвоения курса биохимии и других
дисциплин медико-биологического цикла.
Раздел «Биология с основами экологии» выступает как пререквизит
для большинства дисциплин медико-биологического цикла. В нем наря-
ду с фундаментальными знаниями содержится и факультативная ин-
формация по некоторым специальным областям. В первую очередь -
это прикладные аспекты биологии, подчеркивающие ее возрастающую
роль в современном мире (например, прикладная генетика в области
физической культуры и спорта). В учебнике достаточно широко осве-
щена экологическая тематика с изучением неблагоприятного воздейст-
вия ряда факторов на здоровье человека. Включено новое вводное об-
суждение вопросов систематики организмов.
Учебник подготовлен сотрудниками кафедр биомеханики, биохи-
мии, профилактической медицины и основ здоровья НГУ им. П.Ф. Лес-
гафта, Санкт-Петербург, с участием специалистов родственных кафедр
других вузов.
Авторский коллектив:
Редакторы: А.В. Самсонова, Р.Б. Цаллагова.
Раздел 1. Математика: А.Г. Катранов, В.В. Азанчевский.
Раздел 2. Физика: А.Б. Яковлев, А.В. Самсонова.
Раздел 3. Химия: И.М. Зубина, Э.А. Фактор.
Раздел 4. Биология с основами экологии: А.В. Кьергаард, Р.Б. Цалла-
гова, О.Е. Симакина.
Авторы благодарят Н.А. Катранову, А.А. Комарову, Г.А. Самсонова,
М.А. Борисевич за подготовку качественных иллюстраций и оформле-
ние текста.
Раздел I
МАТЕМАТИКА
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
Числовые множества:
И 2 <2 К (а; Ъ) [а; Ъ\ (а, Ь) + <Х) , — сю - множество натуральных чисел - множество целых чисел - множество рациональных чисел - множество вещественных чисел - интервал - сегмент - промежуток (любой из перечисленных выше) - знаки плюс и минус бесконечности
Математические величины, функции и операции:
А и 8 - оценки абсолютной и относительной погрешностей
|х| - модуль (абсолютная величина) числа х
х а Х^ 67 + 0 х а — 0 х—>а а. Ъ а • Ъ а^Ъ ах ! — = /'(0 аг к' <#(х) - х стремится к а - х стремится к а справа (т.е. х > а) - х стремится к а слева (т.е. х < а) _ предел функции / (х) при х а - вектор “ скалярное произведение векторов а и Ъ - векторное произведение векторов а и Ъ - производная функции / (х) - производная функция / (7) - дифференциал функции / (х)
/*(х;у), /у(х;у) - частные производные первого порядка
функции /(х;у)
а — неопределенный интеграл от функции / (х) - определенный интеграл от функции / (х) по сегменту [а; Ь]
{/(МУ! Г / Е(м)аг к.А^В II /(х;у) Л 1И/(х;у;А^ О - криволинейный интеграл 1-го рода от функции /(7И) по кривой Р — криволинейный интеграл 2-го рода от функции по кривой Р - двойной интеграл от функции /(х; у) по области В - тройной интеграл от функции /(х; у; г) по области В Буквы латинского алфавита
Начертание Произношение Начертание Произношение
Аа Аа а ЭН
ВЬ ВЪ бэ Оо Оо 0
СсСс ЦЭ Рр Рр ПЭ
МТУ/ ДЭ САКА ку
Ее Ее е Кг /?/ эр
КР/ эф 8з& ЭС
же Т1 Я тэ
НЕЯ/г аш Ии Ш У
п н и Уу вэ
йот XVу/ КУ дубль-вэ
КкКк ка ХхХх икс
ы и эль Ху Ху игрек
Мш Мт эм 2/ 7.2 зэт
Представлен наиболее употребительный (но не единственный)
вариант произношения (в частности, вместо «йот» иногда говорят
«жи»).
Буквы греческого алфавита
Начерта- ние Произно- шение Начерта- ние Произно- шение Начерта- ние Произно- шение
А а альфа I 1 йота р р ро
В р бета К к каппа Е а сигма
г у гамма А 2 ламбда Т т тау
А д дельта М /л ми Т V ипсилон
Е 8 эпсилон И V ни ф <р фи
2 С дзета 2 КСИ X X хи
Н ц эта 0 о омикрон Т у/ пси
© -& е тэта П 77 пи И со омега
Наряду с указанным произношением также говорят «лямбда»,
«мю» и «ню».
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ В МАТЕМАТИКУ
В ходе изучения главы важно запомнить: понятие множест-
ва; множества натуральных, целых, рациональных и действитель-
ных чисел; понятия абсолютной и относительной погрешностей;
декартову и полярную системы координат на плоскости; уравнение
прямой на плоскости.
1.1. Числовые множества
Множество - это совокупность некоторых элементов. Множест-
во может быть составлено на основе различных признаков и элемен-
тов. Элементами числовых множеств являются числа. Множества
обозначаются большими буквами: А, В, С, ..., 2. Элементы множест-
ва обозначаются маленькими буквами: а, Ь, с, ..., г. Если элемент а
принадлежит множеству Л, то пишут а е А . Если элемент Ъ не при-
надлежит множеству Л, то пишут А . Множество можно опреде-
лить с помощью перечисления его элементов А = {ах.а2.....ап} или
указанием какого-либо свойства элементов А = {а: (р(а)}.
Натуральные числа образуют множество, которое обозначается
буквой А = {1, 2, 3,...}.
Е(,елые числа образуют множество, которое обозначается буквой
7 = {0, ±1, ±2,..}.
Рациональные числа - это те числа, которые можно представить
в виде обыкновенной дроби. Множество рациональных чисел обо-
значается буквой \ —: т, п Е 2, п О
I п
Арифметические операции с рациональными числами:
т р _тд + пр . т р _тд-пр.
п д пд ' п д пд '
т'Р тпр. т , р тд
п д пд п д пр
Числа, которые невозможно представить в виде обычной дроби,
называются иррациональными. Например: тг,л/2.
Совокупность рациональных и иррациональных чисел называется
множеством действительных чисел и обозначается буквой К.
Рациональные степени действительных чисел и правила действия
с ними:
ап = а-а-а-...а , пеМ; ап=—:
'----------->----ап
п сомножителей
1.2. Абсолютная и относительная погрешности
Пусть а* - приближенное значение числа я, тогда величина
| а-аД
а*
△ = \а — называется абсолютной погрешностью, а 3 =
относительной погрешностью приближенного значения а*. Так как
точное значение величины а неизвестно, то при расчетах использу-
ют оценки погрешностей. Оценками абсолютной и относительной
погрешностей называют соответственно числа Л и 3, удовлетворяю-
щие неравенствам: Д < Д, 3 < 3.
1.3. Системы координат на прямой
и плоскости
Числовой осью называется прямая с выбранными на ней положи-
тельным направлением и точками, соответствующими числам нуль
и один.
Числовую ось называют также координатной прямой.
Каждой точке на числовой оси соответствует единственное дей-
ствительное число и каждому действительному числу соответствует
единственная точка на оси.
Для описания положения точки на
* * X
плоскости нужно построить две перпен- о 1
дикулярные числовые оси, имеющие на-
чалом отсчета точку пересечения. Рис. 1.1
X
Рис. 1.2
Получившаяся конструкция называется декартовой системой ко-
ординат на плоскости. Горизонтальная ось называется осью абсцисс,
вертикальная - осью ординат.
Каждой точке на плоскости соответствует пара чисел (х; у), кото-
рые называются декартовыми координатами точки.
При решении некоторых задач удобнее использовать полярную
систему координат. Положение точки в полярных координатах
определяется двумя числами (р; ср\, р - полярный радиус точки, ко-
торый равен расстоянию от фиксированной точки О - центра поляр-
ной системы координат до точки; (р - полярный угол, отсчитывае-
мый от полярной полуоси. Угол (р считается положительным, если
он отсчитывается против часовой стрелки.
Если центр полярной системы координат совпадает с центром
декартовой, а полярная ось с положительной полуосью оси абсцисс,
то полярные и декартовы координаты точки связаны следующими
соотношениями:
Х = Р • СО8 (р.у = р • 8Ш ср. (1.1)
1.4. Уравнение прямой на плоскости
Уравнение у = кх + Ъ определяет прямую на плоскости ХОУ, где
число Ъ - точка пересечения прямой с осью ОУ, а число к = 1ра -
тангенс угла между прямой и осью ОХ, которое называют угловым
коэффициентом.
Пусть заданы две прямые:
у = кус + Ъх, у = к2х + /?2.
Условие параллельности прямых:
к2 = к}.
Условие перпендикулярности пря-
7 1
мых: к0 =----.
к1
Уравнение прямой, проходящей
через две заданные точки М^х^у^
КТ. X У~У1 Х~Х1
и У(х2, у2): =------к
^2-^1 *2-*1
Уравнение прямой, проходящей через заданную точку М(хи ух)
и имеющей заданный угловой коэффициент к =
У-У1 = к(х — х1).
1.5. Кривые на плоскости
Кривые на плоскости могут задаваться общим уравнением:
/(х; у) = О и параметрическими уравнениями, т.е. когда коорди-
наты точки (х; у) являются функциями новой переменной:
X = (/9 (7)
У = Ч'У)
(е{а; /3).
В этом случае переменную которую называют параметром,
удобно трактовать как текущее время, а соответствующая кривая на
плоскости называется траекторией движения.
Рассмотрим некоторые задачи аналитической геометрии.
1. Для нахождения точек пересечения двух кривых, заданных
общими уравнениями /(х; у) = 0 и (х; у) = 0, необходимо решить
систему:
/(х;у) = 0
(1-2)
2. Расстояние от точки М0(х0, у0) до прямой ах + Ъу + с = 0 вы-
числяется по формуле:
ах0+Ъуй+с
у/а2 + Ь2
3. Пусть кривая, задаваемая уравнением /(х;у) = О, проходит
через точку тИ0(х0, у0), что означает выполнение равенства
/(х0; уо) = О. Уравнение касательной к кривой в указанной точке
имеет вид: /Х'(хо; >’0)-(х-х0) + /Дх0; у0)-(у - у0) = 0.
Уравнение касательной к кривой в данной точке в случае пара-
метрического задания кривой:
х = (р(Г)
,у=ч'((У
[при этом х0 = <^(Г0), у0 = у/(70)]
принимает вид:
Х-Хр У-Уо
</Оо) /Оо)'
(1-3)
Контрольные вопросы
1. Из каких числовых множеств состоит множество действительных
чисел?
2. Что такое абсолютная погрешность приближенного значения?
3. Из каких компонентов состоит числовая ось?
4. Сколько координат у точки на плоскости?
5. В чем заключается геометрический смысл углового коэффициента?
Глава 2
ЛИНЕЙНАЯ АЛГЕБРА
В ходе изучения главы важно запомнить: определение вектора
как направленного отрезка и упорядоченной двойки или тройки чи-
сел, операции сложения векторов и умножения вектора на число,
базисной системы векторов; понятие системы линейных алгебраи-
ческих уравнений и ее решение.
2.1. Векторная алгебра
Геометрическим вектором называется направленный отрезок.
Точка А называется началом вектора, точка В - концом вектора.
Вектор обозначается А В или а.
Для каждого вектора на плоскости можно построить горизон-
тальную и вертикальную составляющие: ах - горизонтальная со-
ставляющая вектора сц ау - вертикальная составляющая вектора а.
Величины ах и ау, равные длинам векторов ах и ау и взятые
со знаком плюс или минус, называются координатами вектора а.
Знак плюс ставится, если направление составляющей совпадает
с направлением соответствующей координатной оси, знак минус -
если направления противоположны. Числа ах. ау называются коор-
динатами вектора а.
Длина вектора вычисляется по формуле: |Н| = ^ах + ау.
Сложение векторов. Если конец одного вектора (АВ ) совпадает
с началом второго (ВС), то результирующий вектор (АС ) проводят
из начала первого в конец второго (правило треугольника).
Если оба вектора выходят из одной точки, то получившуюся фи-
гуру достраивают до параллелограмма; тогда диагональный вектор
АО является суммой векторов АВ и АС.
Если известны координаты векторов АВ = (ах\ау)
и АС = (Ах; Ъу\ то координаты вектора АО = (ах +ЬХ; ау + Ьу).
Вычитание векторов АВ — АС. При
вычитании начала векторов совпадают,
а результирующий вектор проводят из
конца вычитаемого в конец уменьшае-
мого вектора.
Если известны координаты векторов
X АВ = (ах; а ) и АС = (Ьх; Ъ\ то коор-
динаты вектора СВ = (ах —Ъх\ а — Ь ).
Умножение вектора на число к • АВ.
При умножении вектора на число, его направление остается преж-
ним при к > 0, меняется на противоположное при к < 0, а длина
умножается на абсолютную величину этого числа.
Если известны координаты вектора АВ = (ах\ а \ то к-АВ =
= (к ах; к ау).
Рассмотрим два вектора / и длины которых равны единице,
а направления совпадают с направлением координатных осей ОХ
и ОУ. Эти векторы называют базисной системой векторов на плос-
кости или базисом.
Теорема 2.1. Любой вектор можно представить в виде:
а = ахг + а у.Это равенство называется разложением вектора по
базису /, у.
Скалярным произведением векторов а • Ъ называется число, рав-
ное произведению длин векторов на косинус угла между ними:
а-Ь = |^| • |й|- соза.
Если известны координаты векторов а = (ах\ а) и Ь = (ЬХ; Ъу\
то а-Ъ = аЬ -\-аЪ.
л л У У
Во всех перечисленных действиях для простоты изложения мы,
не умаляя общности, рассматривали векторы на плоскости. В случае
векторного произведения векторов необходимо ввести третью коор-
динатную ось 2. При этом каждый вектор в пространстве будет
иметь три координаты.
Векторным произведением векторов а х Ъ называется такой век-
тор с, что:
1) он перпендикулярен плоскости, в которой лежат векторы со-
множители, отложенные от одной точки;
2) если смотреть по направлению вектора с, то поворот от пер-
вого вектора-сомножителя к второму на наименьший угол происхо-
дит по часовой стрелке;
3) его длина равна произведению длин исходных векторов на си-
нус угла между ними: |с| = |а| • |й| • зта.
Если известны координаты векторов а = (ах; ау; а2)
и Ъ = (Ах; Ъ \ Ъ2\ то вектор с можно вычислить следующим обра-
зом. Введем число, которое обозначается
а Ъ
с с1
(в алгебре оно назы-
вается определителем второго порядка) и вычисляется по правилу:
а Ъ
с (I
= ад — Ъс.
Формула для нахождения
в виде:
векторного произведения запишется
к
с = ахЪ =
ах
а,
Ъ
а2
Ъ
а.
Ъ.
ах а.
ьг ъ.
ах а
ъ \
-к. (2.1)
Ъ
Пример 2.1. Найти
= 8)Л = (2; 3; 1).
векторное произведение векторов
Решение.
2 3 1
-1 8 1 8 1 -1
• 1 — ] + • к =
3 1 2 1 2 3
= -25-7+15-/ + 5-1
До сих пор мы рассматривали векторы как стрелки, имеющие
координаты. Оказалось, что все операции с векторами имеют анало-
ги в соответствующих операциях с координатами векторов (упоря-
доченными двойками или тройками чисел). Теперь можно забыть,
что вектор является стрелкой и под словом «вектор» понимать соот-
ветствующий набор чисел. В современной математике это так и де-
лается.
2.2. Линейные алгебраические системы.
Метод Крамера
Система второго порядка
Системой линейных алгебраических уравнений второго порядка
называется следующая система:
апх + я12у = Ъх
а2Хх + а22у = /?2
(2.2)
где а\ 1, б?12, я21, а^ъ Ь2 - действительные числа, а х, у - не-
известные.
Каждое уравнение задает прямую на плоскости ХОТ.
Решением системы называется пара чисел х± и которая при
подстановке вместо х и у превращает алгебраическую систему в сис-
тему верных равенств.
Решение системы начинается с вычисления определителей
ДАД:
ап
^22
-- 6/^6?22 ^12 ^2 г
а2\
(2.3)
— Ъх а^ 2 •
67ц
^21
= апЪ2 —Ь1а21.
(2.4)
(2.5)
Если Д 0, то система имеет единственное решение, которое
Д Ду
находят по формулам: = -^-, У1 = ~^- Геометрически это озна-
чает, что прямые пересекаются в точке (х^ух}.
Если Д = 0, то возможны два случая:
1) хотя бы один из определителей Дх или Д^ не равен нулю,
система не имеет решения (прямые параллельны);
2) оба определителя Дх = Д^ = 0; система имеет бесконечно
много решений (прямые совпадают).
Система третьего порядка
Системой линейных алгебраических уравнений третьего порядка
называется следующая система:
апх + <212у + = Ъх
а2рс + а22у + а23г = Ь2
а3рс + <232у + а33г = Ъ3
(2.6)
где а\ 1, б?12, ^1з? ^21? атъ а1з? ^зь ^32, ^зз? Ьз — действительные
числа, ах, у, г - неизвестные.
Каждое уравнение задает плоскость в пространстве.
Решением системы называется тройка чисел хг, и1? которая при
подстановке вместо х, у, 2 превращает алгебраическую систему
в систему верных равенств.
Решение системы начинается
с
вычисления
величин
Д, Д , Д , Д :
— 9 —X ’ — у ’ — 2
67ц
<212
<т13
Д =
а2\
а2з
— <2ц
аХ1
а23
<231
<Т32
а33
а32
азз
<2П
^21
<Т23
^21
аХ1
<т31
азз
33
<т31
а32
ъ.
<2П
<213
△ =
Й2
а23
= ъ,
^22
а23
^3
а32
азз
<232
азз
ап
й3
а23
азз
зз
Й2
63
^22
<232
^2
^22
а32
При Д О система имеет единственное решение:
При Д = 0 линейная система либо имеет бесконечно много ре-
шений, либо не имеет. При этом если хотя бы один из определителей
Дх, Д^, Д2 отличен от нуля, то система не имеет решений.
Контрольные вопросы
1. Что такое геометрический вектор?
2. Сколько координат у вектора на плоскости?
3. Как выражается вектор через свои составляющие?
4. В каком случае при сложении геометрических векторов приме-
няют правило треугольника?
5. Скалярное произведение векторов это вектор или число?
Глава 3
ВВЕДЕНИЕ В МАТЕМАТИЧЕСКИЙ
АНАЛИЗ
В ходе изучения главы важно запомнить: определение функции
и связанных с ней понятий аргумента и значений функции, графика
функции, сложной функции, периодической функции, вектор-функ-
ции; классы элементарных функций - степенные, показательные,
логарифмические, рациональные; наконец, основное понятие мате-
матического анализа - предела функции и ее свойство непрерыв-
ности.
3.1. Определение функции
Пусть даны два множества X и У элементов произвольной приро-
ды. Если каждому элементу х Е X поставлен в соответствие единст-
венный элемент у е У, то говорят, что на множестве X задана функ-
ция с областью определения X и множеством значений в У.
Функцию обозначают у = /(х).
Переменная х называется аргументом функции, а переменная у -
значением функции.
Множество значений, которые может принимать переменная х,
называют областью определения функции.
Множество значений, которые может принимать переменная у,
называют областью значения функции.
Функция двух переменных 7 = /(х; у) определена на части или
на всей плоскости переменных (х; у).
Графиком функции у = /(х) называется множество точек с ко-
ординатами (х;/(х)).
Пусть имеются две функции у = /(г/) и и = ^(х). Каждому зна-
чению х поставим в соответствие значение и = р(х) и, в свою оче-
редь, этому значению и поставим в соответствие у = /(г/). Таким
образом, мы имеем функцию у = и’(х), которая называется сложной
функцией, или суперпозицией указанных функций, и обозначается
М<х) =
В описанной ситуации функция </?(х) называется внутренней.
а функция /(г/) - внешней.
3.2. Свойства функций
Функция у = /(х) называется возрастающей (убывающей) на
промежутке (я;0, если для любых х1? х2 е хх < х2 выполня-
ется неравенство /(хх) < /(х2) (/(хх) > /(х2)).
Функция называется периодической если существует отличное от
нуля число Т, такое, что для любого х из области определения функ-
ции выполняется соотношение /(х + Т) = /(х).
Число Т в этом случае называется периодом функции /(х).
Очевидно, что все числа вида кТ (к е X) тоже являются периода-
ми. Действительно, например:
/(х + 1Т) = /1х + Т + Т)=/(х + Т') = /(х)
Л*-Л=Л*-7'+Л=Л4
За период функции часто принимают наименьшее положительное
число с описанным свойством.
3.3. Вектор-функция
Вектор Р называется векторной функцией, или вектор-функцией
скалярного аргумента /, если каждому значению соответствует оп-
ределенное значение вектора Р (определенный модуль вектора
и направление вектора). В противоположность векторной функции
скалярная величина, зависящая от Г, называется скалярной функцией.
Обозначение вектор-функции: запись Р = Р(1) означает, что Р
есть вектор-функция аргумента Л
Координаты вектора Р являются скалярными функциями аргу-
мента Л-
Р = Р(1) = {Рх(1),Ру^,Рг(1)}. (3-1)
3.4. Элементарные функции
Основными элементарными функциями называются следующие
функции:
• ха - степенная,
• ах - показательная,
• 1о§йх - логарифмическая,
• зт х (синус), соз х (косинус) - тригонометрические.
Рассмотрим подробно свойства перечисленных функций.
1. Степенная функция /(х) = ха при любом вещественном пока-
зателе а определена для положительных значений переменной х.
График степенной функции при различных значениях показате-
При отдельных значениях показателя а степенная функция опре-
делена для всех вещественных значений переменной х. Например,
при а = 2, 3,
2. Показательная функция /(х) = ах при любом положительном
основании определена для всех вещественных значений перемен-
ной х. Область значений показательной функции - положительные
числа.
Графики показательной функции при различных значениях осно-
вания а имеют вид, изображенный на рисунке.
Среди показательных функций основной во всех областях
етествознания является функция с натуральным основанием
е = 2,718281828....
Эту функцию называют экспонентой и записывают как ехр х.
3. Логарифмическая функция /(х) = 1о§ах при любых положи-
тельных и отличных от единицы значениях основания а определена
только для положительных значений переменной х. Множество
значений логарифмической функции - все вещественные числа.
Соотношение, известное под названием логарифмическое тож-
дество, можно записать в двух видах:
а) для любого положительного х: аХо^°х = х,
б) для любого вещественного х: 1о§й ах = х.
Два написанных равенства выражают тот факт, что каждая из
функций у = ах и у = 1о§й х является обратной по отношению
к другой.
График логарифмической функции
при различных значениях основания а
имеет вид, показанный на рис. 3.3. Если
в роли основания логарифмической
функции выступает число е, то функция
называется натуральным логарифмом
и обозначается как 1пх. Логарифмиче-
скую функцию с основанием <т = 10 на-
зывают десятичным логарифмом и обоз-
начают как 1§х.
Следующая формула позволяет пере-
ходить от логарифма с основанием а
к логарифму с основанием с\
1 1оёс х
1оёах = -^.
1°§с а
4. Две тригонометрические функции
/(х) = 8Ш х и ^(х) = соз х определяют-
ся для всех вещественных х как,
соответственно, ордината и абсцисса
полярного угла х точки на единич-
ной окружности (рис. 3.4). Основные
функциональные соотношения для этих функций записываются
в форме:
8Ш1 2 х + СО82 х = 1,
8Ш (х + = 8Ш X • СО8 / + СО8 X • 8ШI,
СО8 (х + ^) = СО8 X • СО81 — 8Ш X • 8ШI
для любых вещественных х и Л Из них можно получить все свойства
функций, важнейшими из которых являются:
• множество значений [-1; 1];
• периодичность с наименьшим положительным периодом Т = 2л;
• четность у = соз х и нечетность у = зт х.
Графики синуса и косинуса имеют вид:
3.5. Некоторые неэлементарные функции
Многочленом (полиномом) степени п называется функция вида:
Рп (х) = апхп + ап_рсп~1 +... + арс + (ап^(Ф).
Многочлен 1-й степени называется линейной функцией. 2-й сте-
пени - квадратичной функцией, 3-й степени - кубической функцией.
Если многочлен Рп(х) степени п имеет корнем число с, т.е.
Рл(с) = 0, то он представляется в виде Рп(х) = (х — с)-<2п_х(х\ где
<2п_х(х) - многочлен степени п-1. Например, квадратичная функция
2
а2х + арс + а0, имеющая два вещественных корня хг и хъ представ-
ляется в виде: а2х^ + ахх + а0 = а2(х — хх)(х — х2).
Рациональной функцией называется функция, в которой при-
сутствуют только арифметические операции над переменными
и вещественными числами. Рациональная функция приводится
к отношению двух многочленов. При одной независимой перемен-
ной имеем:
п/ \ = ^(Х) = У* + ап-1хП 1 + - + а\Х + ^0 /о
И в.И ^+ьт_1Х^+...+ь1Х+ь0-
Рациональная функция, у которой п = т = 1, называется дробно-
линейной. Графиком дробно-линейной функции является гипербола
(кривая 2-го порядка).
Рассмотрим функцию у = стах + 5созх, при которую
представим в виде:
У = 6/81ПХ + ЬСОЗХ =
а
§шхТ—<=
+х 77
Ъ
+ Ъ2
С08Х
Выберем величину ос так, чтобы:
а
СО8СЕ = , , 81ПП =
7 2 , а
Ъ
। 7,2
Теперь можем написать:
у = <28тх + 5со8х =
(3.3)
(3.4)
Итак, графиком этой функции является синусоида со смещенным
началом (в точке х = -а) и амплитудой ^а2 + Ъ2.
3.6. Предел и непрерывность функции
Говорят, что переменная х стремится к точке (или к значению) а,
если для любого <5 > 0 выполняется неравенство |х-а|<5. Факт
стремления переменной х к точке (или к значению) а записывает-
ся в виде: х а или Итх = а. Для независимой переменной
выполнение этого неравенства предполагается и при этом х Ф а
(т.е. О < |х — а\ < 3). Для зависимой же переменной требуется обос-
нование.
Стремление х —> а может происходить:
справа - х а + 0, если х > а , или слева - х а — 0 , если х < а.
В каждом из этих случаев говорят об одностороннем пределе пе-
ременной х.
Очевидно, что переменная не может иметь более одного предела.
Действительно, предположение существования хотя бы двух преде-
лов противоречит понятию и существованию предела.
Точка, к которой стремится переменная, может быть символиче-
ской, а именно: одной из следующих + ос,—ос.Определим такое
стремление.
Говорят, что х^+оо, если для любого 3 > 0 выполняется не-
равенство х>3. Аналогично: х^— оо, если для любого 3 > 0 вы-
полняется неравенство х< — 3.
Число называется пределом функции /(х) при х а, если, по
мере того как х приближается к а, значение /(х) приближается к Ъ:
/(х)^Ъ или Пт /(х)=й.
х—?а х^а
С помощью предела определяется понятие непрерывности функ-
ции, а именно: функция /(х) называется непрерывной в точке х0,
если Пт /(х) = /(х0). Функция называется непрерывной на проме-
х^х0
жутке, если она непрерывна в каждой точке этого промежутка.
Теорема. Все элементарные функции непрерывны во всех точ-
ках, в которых они определены.
Контрольные вопросы
1. Что такое область определения функции?
2. Что такое период функции?
3. Какая функция называется убывающей на промежутке?
4. Какой вектор является вектор-функцией?
5. Как называется многочлен первой степени?
Глава 4
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ
В ходе изучения главы важно запомнить: определения произ-
водной и дифференциала функции, их геометрический и физический
смысл, правила нахождения производных, определения и методы
нахождения экстремумов функций.
4.1. Определение производной.
Ее геометрический смысл
Напомним, приращением функции /(х) в точке х0 называется
А/ (х0) = / (х0 + Ах) - /(х0).
(4.1)
Производной функции /(х) по независимой переменной х в точ-
ке хо называется предел отношения приращения функции А/(х0)
к приращению аргумента Дх при стремлении последнего к нулю
(если указанный предел существует), т.е.
/'(х0) = Нт Л*о+Ах)-/(хо)
7 к 07 Дх—»о Аг 4 7
Если функция / (х) на промежутке длиной Ах получает прира-
Л г/ \ Д/ (х0 )
щение Д/(х0), то отношение —является средней скоростью
изменения функции на этом промежутке, а пт —- мгновен-
ной скоростью изменения функции в точке х0.
При стремлении Ах к нулю точка 7И, принадлежащая графику
у — /(х). приближается к точке 7И0? а секущая М$М стремится
к некоторому предельному положению МК Уравнение последней
получается из уравнения секущей у — / (х0) =
пере-
Ду (х0)
ходом к пределу при Дх^О. Отношение --------—- имеет своим
Дх
пределом, с одной стороны, величину /' (х0), ас другой - угловой
коэффициент прямой МК. Таким образом, получается уравнение
У~/{,хо) =/'{хо){х~хй\
Прямая МК является касательной к графику функции у = / (х)
в точке х0.
Дифференциалом функции у = /(х) в точке х0 называется
б^(х0)= /7(х0)Дх (соответствующий отрезок отмечен на рис. 4.1.
Дифференциал независимой переменной равен ее приращению:
(1х = Дх. Действительно, при / (х) = х /' (х) = 1.
Производную функции у = / (х) в точке х обозначают по разно-
/ М ( \ фу Ф/'{ф) Т-Г /-
му: у , / (х), —, —Последние два обозначения показывают,
с1х с1х
что производная является отношением дифференциалов зависимой и
независимой переменных. Если независимой переменной является
время I, то производную обозначают точкой: у, /(7).
Производная функции является функцией, от которой, в свою
очередь, тоже можно найти производную. Такая производная назы-
вается второй производной от функции /(х) и обозначается как
/Х,(х). Для любого натурального п ? производной п-го порядка
(х) называется (х) = ((х)) (производной нулевого по-
рядка является сама функция).
4.2. Таблица производных
и правила дифференцирования
Операцию нахождения производной называют дифференцирова-
нием функции.
Приведем таблицу производных основных элементарных функ-
ций:
с' = 0;
^ха) = оха~х, в частных случаях:
х' = 1, (л/х) =—!у= и [-] =—у;
= ех ,(ах^ =ах\\]сг.
(1пх)' =-,(1о§ах/ = ——;
X Х1П<2
(зтх)7 = созх , (созх)7 = — зтх.
Правила вычисления производной:
1. Производная суммы (разности) функций равна сумме (разно-
сти) производных этих функций:
(/(7±= (/(х))' ±(#(х))'. (4.3)
Например, (х4 + 2х^ = (х4) + (2х/ = 4х + 2.
2. Постоянный множитель можно выносить за знак производной:
(<?-/(х)/=с-(/(х))'. (4.4)
Например, (2х3) = 2^х3) =2-Зх2.
3. Производная произведения:
(ЛЛ ^(х))' = (/(х))' • + /(х)-(^(х))'. (4.5)
Например, (х • зт х)7 = (х)7 • зт х + х • (зт х)7 = 1 • зт х + х • соз х.
4. Производная частного:
7 (4 ( = (Л7)'-77-Л477))' (4
л(х)| Л 7)
тт ГсОЗх/ (созх) 'X — С08Х-(х) — §шX • X — СОЗX • 1
Например, ----- = 3---------------=-------------------.
П X ) (х)2 X2
5. Производная сложной функции:
(/Их))) = /№)-Д(х). <4-7)
Например, (созСх3)) = (со8<Дх)) = — зт<^-</(х) = — зт(х3)-Зх2.
4.3. Частные производные
Для функции двух независимых переменных 7 = / (х; у) опреде-
ляется понятие частных производных.
Частной производной первого порядка от функции 2 = / (х; у)
,// \ г /(х + Дх; у)-/(х; у)
по переменной х называется /Х(х; у) = ^пп—---
Аналогично, частной производной первого порядка от функции
2 = /(х; у) по переменной у называется:
/// \ г /Д у+Ду)-/(х; у) оч
Л \х’ у) = Л11т ------У—— (4-8)
у Ду^о Ду
Используются следующие обозначения частных производных:
Так как при определении частной производной по одной из пере-
менных вторая считается постоянной, то все правила нахождения
производных функции одной переменной остаются справедливыми.
Например; при /(х; у) = ух получим: (х; у) = ух • 1п у
И /Дх; у) = хух~1.
Частные производные порядка выше первого определяются ана-
логично. Например, выпишем частные производные второго порядка
вместе с их обозначениями:
(/ш >'))',=й («у)=ДМ ш* .>))',=у. >)=ДД1.
Шу у)1 = (« у) = ДД • Ш.У >•))', = Г (* 3-) = аУУ
Итак, у функции двух переменных существуют четыре частные
производные второго порядка. Справедлива следующая теорема.
Теорема 4.1. Если частные производные непрерывны, то они не
зависят от порядка дифференцирования.
Другими словами, если /Х"(х;у) и /^(х;у) непрерывны, то
(х; у) = У^(х; у). Например, в предыдущем примере производ-
ные /ху(х’У) = хУх~11пУ + Ух~1 и /ух(х;у) = Ух~1+хУх~11пу сов-
падают.
Производную неявной функции;/= 72 (х), определяемую уравне-
нием /(х; у) = 0, (т.е. такую, что /(х; у?(х)) = 0), находят по фор-
/ / \ /х у) - / \
муле: 7? [х) =--в которой у = (р[х).
/у Xх? У)
4.4. Производная вектор-функции
Производной от вектор-функции 7^(7) называется вектор:
Р'(() = Нт — + Р(1)]. (4.10)
Аг^оДД 4 7 ]
Вектор сам является вектор-функцией аргумента и его
координаты соответственно равны производным от координат век-
тора Р(1), т.е.
Р'(1) = \РХ(1)1 + Ру(Ы + Р^)к\ = РХ\У + Ру'(Ы + Рх(1)к. (4.11)
Пример 4.1. Вычислить производную вектор-функции
Р(Г) = 21 • г +12 • у — 4 • к.
Решение. 7^(7) = (2^) •/ +(^2) -у— (4) 'к = 2-1 + 2^-7.
4.5. Исследование функций с помощью
производных
Теорема 4.2. Пусть функция /(х) определена и непрерывна на
промежутке (я; 0 и существует/'(х). Тогда:
а) если /' (х) > 0, то функция на указанном промежутке возрас-
тает;
б) если /'(х) < 0, то функция на указанном промежутке убывает;
в) если /7(х) = 0, то функция на указанном промежутке по-
стоянна.
Говорят, что функция /(х) в точке х0 имеет максимум (мини-
мум), если в некоторой окрестности точки х0 выполняется неравен-
ство: /(%)</(х0) (/(х)>/(х0)).
Точки максимума и минимума функции называются точками
экстремума функции и обозначаются соответственно как т. шах
и т. шт. Значения функции в точках экстремума называются экс-
тремальными значениями. Не путать с наибольшим и наименьшим
значениями функции на промежутке.
Точки, в которых производная непрерывной функции равна нулю
или не определена, называются критическими точками.
Теорема 4.3.
1. Пусть производная функции /(х) меняет знак при переходе
независимой переменной через критическую точку х0. Тогда:
а) если производная /' (х) меняет знак с ”+” на то в точке х0
функция / (х) имеет максимум;
б) если производная /' (х) меняет знак с на ”+”, то в точке х0
функция /(х) имеет минимум.
2. Если производная (х) не меняет знак при переходе незави-
симой переменной через критическую точку, то экстремума в точке
х0 нет.
Для нахождения экстремумов функции находят критические точ-
ки функции из области определения, т.е. те, в которых производная
/7(х) = 0 или не определена. По смене знака у производной или
отсутствия смены делается заключение о наличии экстремума, его
виде или его отсутствии.
Пример 4.2. Найти экстремум функции / (х) = х2 — 6х — 7.
Решение.
Вычислим производную и приравняем ее к нулю:
/' (х) = 2х — 6 = 0.
Корнем уравнения является х = 3. Числовая ось разбивается этой
точкой на два интервала (—сю; 3), (3; + оо). Найдем знак производ-
ной на каждом из них. Для этого возьмем из каждого промежутка
любое число, например 2 и 4, и подставим вместо х в производную:
/'(2) = 2-2- 6 = -2 < 0, /'(4) = 2-4 - 6 = 2 > 0.
Теперь по смене знака производной при переходе независимой
переменной через критическую точку можно утверждать, что в точ-
ке х = 3 функция имеет шт.
Говорят, что график функции у = /(х) при имеет
выпуклость вниз (выпуклость вверх), если он располагается выше
(ниже) любой касательной, проведенной к нему на этом проме-
жутке.
На рис. 4.2 график функции в случае а) имеет выпуклость вниз,
а в случае б) - выпуклость вверх.
Теорема 4.4. Пусть функция у = /(х) имеет при хЕ^а.Ъ^ не-
прерывную вторую производную. Тогда, если
а) /,,(х)>0при хе(я;0, то график функции имеет выпук-
лость вниз;
б) /,,(х)<0при хе(я;0, то график функции имеет выпук-
лость вверх.
Из этого же рисунка понятно, что в точке минимума вторая про-
изводная положительна, а в точке максимума - отрицательна.
Точки графика функции, разделяющие участки выпуклости раз-
личной направленности (но при условии существования касатель-
ных в них), называются точками перегиба.
Задача исследования функции на экстремум предполагает нахож-
дение области определения функции, критических точек, решение
вопроса о наличии или отсутствии в них экстремума и представле-
ние графика функции.
В задаче нахождения наименьшего (наибольшего) значения
функции на сегменте необходимо найти критические точки, значе-
ния функции в них и на концах сегмента. Из полученных значений
выбрать наименьшее (наибольшее).
Контрольные вопросы
1. Что такое приращение функции?
2. Чему равна производная сложной функции?
3. Какие правила используют при вычислении частной произ-
водной?
4. Как называется точка, в которой производная равна нулю?
5. Как называется точка, в которой производная меняет знак с плю-
са на минус?
Глава 5
ИНТЕГРАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ
В ходе изучения главы важно запомнить: определение опреде-
ленного интеграла и его связь с первообразной; понятия криволи-
нейных интегралов 1-го и 2-го родов, их сведение к определенным
интегралам, определения двойного и тройного интегралов.
5.1. Определение первообразной
и неопределенного интеграла
Функция Е(х) называется первообразной для функции /(х) на
интервале (я; 5), если в каждой точке этого интервала выполняется
равенство Е'(х) = /(х).
Вместе с Г(х) первообразными для функции /(х) на интервале
(а; Ь) являются функции 7?(х) + С, где С - произвольная постоян-
ная. При этом множество {^(х) + С} содержит все первообразные
функции /(х).
Множество всех первообразных функций /(х) на интервале
(а;Ь) называется неопределенным интегралом функции /(х)
и обозначается символом / /(х)б/х.
Таким образом, / /(х)б/х = Г(х) + С.
В обозначении неопределенного интеграла / является знаком
интеграла, выражение /(х)с!х называется подынтегральным выра-
жением, /(х) - подынтегральной функцией, х - переменной инте-
грирования.
Графики функций у = Е(х) + С называются интегральными кри-
выми и получаются сдвигом графика у = Е(х) на величину С вдоль
оси ординат.
Операция нахождения всех первообразных называется интегри-
рованием функции /(х).
Свойства неопределенного интеграла:
1°. /(/(х) ± #(х))<* = //(х)<* ± ]>(х)<*.
2°. /с- /(х)б/х = с • //(х)б/х для любой постоянной с.
Свойства 1° и 2° называются свойствами линейности интеграла.
Свойство 1° справедливо для любого конечного числа слагаемых
в подынтегральном выражении.
Таблица неопределенных интегралов основных элементарных
функций:
/ с1х = х + С;
/^ = 1п|х| + С;
Сха(1х = -— + с, а*-1;
' а + 1
Г ехс!х = ех + С, Г ахс1х = ——|- С;
1п б/
/ §тх& = - созх + С;
/ созхб/х = зтх + С.
Приведем один метод нахождения первообразных, называе-
мый подведением под знак дифференциала. Состоит он в том,
что подынтегральная функция / (х) представляется в виде
/(х) = ^((/9(х))-(//(х) и известна первообразная функции ^(г/) -
С(г/) (например, из таблицы). Тогда
Например,
г / \ 1г / \ 1г / \/ \ зт(4х)
соз(4х)б/х = — соз(4х)4б/х = — соз(4х)б/(4х) =——- + С. (5.2)
5.2. Определение определенного интеграла
и его свойства
Определенным интегралом от функции /(х) по сегменту [а; Ь]
называется приращение любой из ее первообразных, т.е.
ъ
/(х}ск = Р(Ъ] — Р(а).
(5.3)
Эта основная формула интегрального исчисления в математиче-
ском анализе получила название формулы Ньютона-Лейбница.
Введем обозначение ^(х)^
= Г(Ь) — Р(а\ которое читается как
«двойная подстановка от а до Ь». Теперь формулу Ньютона-
Лейбница можно переписать в виде
(5.4)
2
Например, § х2с1х
1
Функцию, у которой на сегменте [а; Ь] существует интеграл, на-
зывают интегрируемой, или суммируемой, на этом промежутке.
Свойства определенного интеграла
ъ ъ
1°. Для любой постоянной X: § Л/(х)с1х = Л^ /(х)ск.
а а
2°. Для функций /(х) и ^(х):
ъ ъ ъ
/ {/(*) ±ё(х))с& = / /(х) Лс ± / §(х) <1х. (5.5)
а а а
Свойства 1° и 2° называются свойством линейности определенно-
го интеграла и объединяются одним соотношением
ъ ъ ъ
§(а/(х)± Р^(х))с1х = а^/(х)с1х ± Р§§(х)с1х, (5.6)
а а а
3°. Свойство аддитивности определенного интеграла: если
функция / (х) интегрируема на наибольшем из сегментов
[я; Ь], [а; с], [с; 5], то
Ъ с Ъ
§р(х)с1х = §/(х)с!х-\- У*/(х)«7х. (5.7)
Введем понятие: средним значением функции /(х) на сегменте
। ъ
[а\Ъ\ называется величина / =-----//(х)«7х.
Ъ-а а
Эта числовая характеристика широко используется в биомехани-
ке и математической статистике.
Полезно помнить, что среднее значение функций зт х и соз х на
промежутке, длиной в период, равно нулю.
5.3. Приложения определенного интеграла
В этом параграфе приводятся формулы интегрального исчисле-
ния, необходимые для решения различных задач геометрии и меха-
ники.
ъ
1°. Интеграл §/(х)(Лх. (/(•*:)> 0) выражает площадь криволи-
нейной трапеции, ограниченную осью абсцисс, графиком функции
у = /(х) и отрезками прямых х = а.х = Ь;
2°. Длину Ь плоской кривой (пройденного пути), задаваемой па-
раметрическими уравнениями х = </?(?),у = при I е \а; р\,а < /3,
находят по формуле:
/, = /д/И0)2+И0)2^ (5.8)
а
В случае явного задания кривой у = /(х) при х е [а; Ь] имеем:
= (5.9)
а
3°. Для нахождения объема произвольного тела рассмотрим его
сечения плоскостями, перпендикулярными оси абсцисс. Площадь
сечения в этом случае является функцией 5(х) при хе[а;Ь].
В описанной ситуации объем тела
ь
У = / 8(х)Лх.
а
В частном случае при вращении
криволинейной трапеции, ограниченной
графиком функции у = /(х) при
х е [а; Ь], вокруг оси абсцисс объем тела
ъ
вращения равен: Ух=л[/2(х)ск.
а
Пример 5.2. Найти объем тела, полученного вращением одной
полуволны синусоиды вокруг оси абсцисс.
находится по
Рис. 5.1
Решение. Используем предложенную выше формулу при
/(х) = 8тх и хе[0;тг]:
71 / 1 \ 2
Ух =7С§8Ш2 хс1х = —^(1 —СО8 2х)б/х = —Ьг-8Ш2х|о •
о 2 0 2(2 ) 2
5.4. Интегрирование вектор-функции
одного аргумента
По аналогии со скалярным случаем § /(х)Л = Р(х) + С инте-
грал от вектор-функции §/(1)<Й определяется следующим образом:
= АО + С. (5.10)
В этой формуле /х (?) = у- Рх (?), / (?) = Р (0, Л (0 = -у Р2 (0,
сП сП сП
или, другими словами, координаты вектор-функции являются
первообразными соответствующих координат вектор-функции /(7).
Пример 5.3. Вычислить интеграл от вектор-функции
/ = + 6?) -41
Решение. В(/) = /= 21сИА + §бГ2^--к =
= (?2 +С1)-Г + (2? +С2)Д-(4/ + С3)-Г
В следующих пунктах этой главы будут рассматриваться инте-
гралы от функций двух /(х;у) и трех /(х;у;х) переменных. Эти
функции рассматриваются, соответственно, в плоской ограниченной
области и в ограниченной области трехмерного пространства. Об-
ласти определения этих функций будем обозначать одной буквой В.
Эти области имеют границы. Двухмерная область ограничивается
непрерывной замкнутой кривой, а трехмерная - непрерывной замк-
нутой поверхностью. Область В с присоединенной к ней границей
называется замкнутой областью и обозначается Р.
Таким образом, можно просто говорить о функции/(7И), заданной
в области В (не уточняя, сколько переменных и плоская или трех-
мерная область).
5.5. Криволинейные интегралы
Рассмотрим функцию/(М)> заданную на отрезке кривой Р от точ-
ки А до точки В. Разобьем кривую I точками на ^-частей и на ка-
ждой части кривой произвольно выберем точку Пусть длина дуги
М1_ХМ1 равна Д/г , а точки еМ1_1М1.
Рис. 5.2
Составим интегральную сумму
Е /(Е) Д/г- и введем 2 = шах Д.
/—1 1<1<П
Криволинейным интегралом 1-го
рода от функции по кривой Ь
называется предел интегральных сумм
при 2, стремящемся к нулю; т.е.
/ ф\М)д1= КшЕ/СЛ^Д/;. (5.11)
ь ^°/=1
Модели криволинейного интеграла 1-го рода
1°. Функция называется линейной плотностью кривой Д
т.е. /(Л/) = 21П1 , где АМ- масса отрезка длинной Л/. Тогда
масса кривой находится по формуле:
г
2°. Пусть 2 - плоская кривая в плоскости переменных (х; у), яв-
ляющаяся основанием цилиндрической
поверхности с образующей, параллель-
ной оси 02, и высотой в каждой точке М,
равной /(ЛТ) > 0 . Тогда площадь ци-
линдрической поверхности находится по
формуле:
Нахождение криволинейного интеграла 1-го рода
Пусть кривая 2 задана параметрически:
х = х(^)
У = У(!), * € [а; /3}, (а</3).
2 = 2(/)
(5.12)
Функции х, у, г - дифференцируемые, а функция ^х, у, г) при
(х, у, г) е Ь - непрерывная функция. Тогда
//(х;у;Дс?/ = //(х(0; т(0; 2(0)-Д2(0 + у2(0 + 2,2(0<#. (5.13)
Ь а
Пример 5.4. Найти площадь цилиндрической поверхности
у1 = 2х между плоскостями г = 0 и г = у при 0 < х <4.
Рис. 5.4
Решение. Так как кривая Т задается уравнением у1 = 2х или
2
при 0 < у < 4% ,
то сП = + (х7)2фу = д/1 + у2 фу
и 5Ч1а.Пов. =/у(Я = IУР+У^У= (1 + ^ ) 2
ТО з
27-1
3
26
3 '
При /(Л/) = с (с - постоянная) имеем у(м)<Ц = р<П = с-1ъ
в в
(/ь- длина кривой Т).
Криволинейным интегралом 2-го рода от векторной функции
Р(Л/) по кривой й в направлении от точки А до точки В называют
интеграл § р(М}Фг, который сводится к трем криволинейным
Ь-.А^В
интегралам от скалярных функций:
§ р(М^с!г= § Р(хуу^Аг =
В.А^В (5 14)
= / У(х;у;г)с/х + д(х;у;г)с1у + Я(х;у;г)±.
Ь-.А^В
Пусть кривая Т задана параметрически, т.е. х = х(0, у = у(0>
7 = 7(7) при / е [«;Р]. Следовательно, г(7) = х(1) • г + у(^) • у +
+ х(у) • к и векторы гА=г(а) и гв=г(Р) являются соответственно
радиусами-векторами точек Л и В. Тогда
Аг = г7(7)(я7 = / +у7(/)су + 2 (Р)-к\сЙ. (5.15)
/ Р(М')с17 = /(Р(х(Г), у(0, 2(/))-х'(0+ ,, 1М
к.А^В а (Э.10)
+ 2(х(0, у({), у/({)К(х(1'), у(1),
Например, если = а - постоянный вектор, то
§ Е(М^с1г = § ас1г =а(гв—г^.
В.А^В В.А^В
Если при этом кривая Ь является замкнутой, то ас!г = 0.
ь
Рассмотренные ранее свойства интеграла от функции одного пе-
ременного переносятся на криволинейные интегралы. Основными
свойствами являются свойства линейности и аддитивности интегра-
лов. Но, и это существенно, только криволинейный интеграл 2-го
рода зависит от направления обхода кривой. А именно, имеет место
следующее равенство:
/ Р(М)Лг = - / Р(М)Лг.
В:А^В В:В^А
Этот факт непосредственно следует из
определения интеграла.
Важным частным случаем для криво-
линейных интегралов являются интегралы
по замкнутым кривым. Можно доказать, что
такие интегралы (и Его, и 2-го родов) не
зависят от выбора начальной точки на этом
контуре.
Действительно (в силу аддитивности
интегралов)
§ /=//+//=//+//= / / (5-17)
АВСА АВ ВСА ВСА АВ ВСАВ
5.6. Определение двойного и тройного интегралов
Пусть функция /(_х, у) определена при (х, у) е В (замкнутой ог-
раниченной области Р). _
Диаметром области й сИат й = сНат й называется наибольшее
из расстояний между любыми двумя точками замкнутой области.
Сформулированное определение диаметра области относится
и к трехмерной области.
Разобьем Р произвольным образом на ^-частей Д, таких, что
Р = □ Д и Д П Д = 0 \//^ у, /,у =
(5.18)
Пусть Дев — площадь области Д (илиД). Выберем точки Д,
такие, что V/ = 1,...,п , е Д.
Составим интегральную сумму:
/=1
(5.19)
В сформулированных условиях рангом разбиения области В на-
зывается величина X = шах (ИатВ-.
Рис. 5.6
Двойным интегралом от функции
/(х, у) по области В у№
о
называется предел Нт , т.е.
///(х,у)с1а = \1т^/(х1,у1)^а1, (5.20)
где с/о называется дифференциалом
площади, или элементом площади.
Из определения двойного
/(х, у) = С, то = С
о
интеграла следует, что
где - площадь области В.
если
Пусть в каждой точке области В определен век-
тор Е(х\у} = Р(х\у}1 +^(x\у}^ + К(х\у)к. Введем вектор
скт = с1о-к. Двойной интеграл Рек? = ^р(х;у)Да (под знаком
о о
интеграла стоит скалярная функция) можно найти, если использо-
вать скалярное произведение векторов:
ЦР<Ду = Р(Х;уУ с/о = (р(х;у) 1 + @(х;у)} + Я(х;у)к]Дас1к =
ОО В ' '
= // К(х;уУа. (5.21)
В
Определение тройного интеграла
Пусть /(х; у; г) определена в ограниченной замкнутой трехмер-
ной области Р. Разобьем область Р произвольным образом на
^-частей Д так, что
Р = р Д и Д П Д = 0 V/ у, /,7 = 1,..., п.
Пусть Дц - объем области Д (или Д). Выберем точки Р1 такие,
что \// = 1,...,?7 Дх,.; Л; Д)Е Д, и введем 2 = шахб//шиД. Соста-
1</<и
вим интегральную сумму:
= (5-22)
/=1
Рис. 5.7
Тройным интегралом от функции /(х, у, 7) по области В назы-
вается предел Нт бт({Д,^. / = 1,т.е.
ДГ Ях’ У’М» = л; 2,)△«, (5.23)
Из определения следует, что /// Т = /// Ли =УО - объем об-
п л
ласти Ри /// С • = С •УС).
о
По аналогии с тем, как двойной интеграл /(х, у)с!а определя-
и
ет массу плоской пластинки, так и тройной интеграл /(х;у;?уй) -
и
массу тела с неравномерно распределенной в нем массой вещества.
Если вещество распределено равномерно, т.е. с плотностью
/(х, у, 7) = С, то масса тела (области В):
Щ/(х;^;2> = /// С^ = С-УО. (5.24)
В в
На двойные и тройные интегралы также распространяются все
свойства интегралов от функций одного аргумента.
Контрольные вопросы
1. В чем отличие первообразной от неопределенного интеграла?
2. Как используется первообразная при вычислении определенного
интеграла?
3. Какие величины можно вычислить с помощью определенного
интеграла?
4. Чему равен криволинейный интеграл от линейной плотности
соответствующей кривой?
5. Чему равен тройной интеграл от единицы?
Глава 6
ОБЫКНОВЕННЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ
УРАВНЕНИЯ
В ходе изучения главы важно запомнить: понятие обыкновен-
ного дифференциального уравнения, линейные однородные и неодно-
родные дифференциальные уравнения 2-го порядка, свойства их ре-
шений, нахождение общих решений, решение задачи Коши.
6.1. Основные определения
В механике изучаются широко распространенные периодические
или, в более широком смысле, колебательные процессы и явления. В
большинстве случаев последние описываются дифференциальными
уравнениями 2-го порядка. Поэтому изучение механики невозможно
без овладения элементарными методами решения простейших типов
дифференциальных уравнений.
Обыкновенным дифференциальным уравнением называется урав-
нение, описывающее связь независимого переменного, неизвестной
функции одного переменного и ее производных. Дифференциальное
уравнение содержит производные неизвестной функции и может
содержать или не содержать независимую переменную и искомую
функцию.
Порядок старшей производной неизвестной функции называется
порядком дифференциального уравнения.
В общем виде обыкновенные дифференциальные уравнения 1-го
и 2-го порядка записываются в виде:
х; х) = 0 - уравнение 1-го порядка и
Р\1. х; х; х) = 0 - уравнение 2-го порядка.
Например: х + /х = О, х — 6х + 5х = 0.
Дифференциальное уравнение называется линейным, если функ-
ция К (левая часть уравнения) является линейной функцией относи-
тельно неизвестной функции и ее производных.
Приведенные выше дифференциальные уравнения являются
линейными дифференциальными уравнениями. Приведем при-
меры нелинейных дифференциальных уравнений: х + 1х2 = О,
х — 6х3 + 5х = О.
Решением дифференциального уравнения называется функция,
которая определена на некотором интервале, имеет производные до
порядка уравнения включительно и при подстановке в уравнение
превращает его в верное равенство.
Например, функции х = 8ЙП и х = со8Л, определенные для всех
действительных значений переменной Г, являются решениями ли-
нейного дифференциального уравнения 2-го порядка: х + х = 0.
6.2. Общее и частное решения
дифференциального уравнения. Задача Коши
Общим решением дифференциального уравнения называется
функция, содержащая вместе с независимой переменной столько
произвольных постоянных, каков порядок дифференциального
уравнения, и являющаяся решением при всех допустимых значениях
этих постоянных.
Общее решение дифференциального уравнения 2-го порядка
имеет вид: х = Ср С2).
Решение, получающееся из общего при конкретных значе-
ниях произвольных постоянных Сх иС2. называется частным
решением.
Нахождение решений дифференциальных уравнений связано
с операцией интегрирования, поэтому процесс нахождения решений
дифференциальных уравнений тоже называется интегрированием;
а сами решения - интегралами.
Для дифференциального уравнения 2-го порядка задача Коши
формулируется так: найти решение х = х(ф} уравнения
х; х; х) = 0, обладающее свойствами: х(70) = х0, х(70) = х0.
Последние два равенства называются начальными условиями,
а тройка чисел (70; х0; х0) - начальными данными.
6.3. Интегрирование линейных
дифференциальных уравнений 2-го порядка
с постоянными коэффициентами
Линейное дифференциальное уравнение 2-го порядка в канони-
ческой форме имеет вид: х + рх + цх = /(7), где /(7) - непрерыв-
ная на (а; 5) функция, ар и ц - действительные числа.
Линейное дифференциальное уравнение называется линейным
однородным уравнением, если на (а; 5) функция /(Д = 0. В про-
тивном случае уравнение называется линейным неоднородным.
Свойства решений линейных дифференциальных уравнений.
1°. Если функция является решением линейного однородно-
го уравнения, то произведение С • (С е К) - решением того же
линейного однородного уравнения.
2°. Если функции р(к) и у/(7) являются решениями линейного
однородного уравнения, то их сумма р(д) + у/(д) - решение того
же линейного однородного уравнения.
Нахождение общего решения линейного неоднородного диффе-
ренциального уравнения (ЛНДУ) 2-го порядка с постоянными коэф-
фициентами
х + рх + дх = /(О (ЛНДУ2)
сводится к решению линейных алгебраических уравнений и систем.
В настоящем пособии будет приведен без обоснования только алго-
ритм построения общих решений.
Линейным однородным дифференциальным уравнением (ЛОДУ),
соответствующим данному ЛНДУ2, называется уравнение:
х + рх + дх = О (ЛО ДУД.
Характеристическим уравнением, соответствующим ЛОДУ2, на-
зывается квадратное уравнение относительно неизвестной к\
к2 + рк + д = 0.
(6.1)
Введем дискриминант этого квадратного уравнения: В = р2 — 4с/.
Общее решение ЛОДУ2 с постоянными коэффициентами строится
следующим образом.
1. Если дискриминант квадратного уравнения Р > О
и кх 2 = ? ± - его корни, то общее решение дифференциально-
го уравнения имеет вид: хоо(1) = Сг • ек1'1 + С2 • ек2\
2. Если дискриминант квадратного уравнения Р = 0 и к = — -
его корень, то общее решение дифференциального уравнения имеет
вид: хоо(0 = (С1 +С2-1)-ек‘.
3. Если дискриминант квадратного уравнения В < 0, то общее
решение дифференциального уравнения имеет вид:
х00(Д = е 2 [Сх-8т(сщ) + С2-со8(сщ)]
(6.2)
Итак, чтобы найти общее решение ЛОДУ2 с постоянными коэф-
фициентами, необходимо:
а) составить характеристическое уравнение, соответствующее за-
данному дифференциальному уравнению;
б) найти дискриминант квадратного уравнения и его корни;
в) в соответствующем случае (из трех возможных) выписать по
предписанной формуле общее решение ЛОДУ2.
Перейдем к интегрированию ЛНДУ.
Теорема 6.1. Общее решение ЛНДУ является суммой общего
решения, соответствующего ЛО ДУ, и частного решения линейного
неоднородного уравнения.
Частное решение линейного неоднородного уравнения будем
обозначать . Таким образом, общее решение ЛНДУ записывает-
ся в виде
•40 = *оо (0+^(0, (6.3)
где х00 (I) - общее решение ЛО ДУ.
Рассмотрим случай:
/(0 = к • 8П1(у^) + 8 • С08(аД), (^, 5, V е К, V > 0).
Теперь:
а) при р = 0, со = V - = (Л 8ш(у^) + В соз(уО) •
б) в остальных случаях - = Л 8ш(у0 + Всоз(у1).
Неизвестные коэффициенты А, В находятся подстановкой в
исходное дифференциальное уравнение и приравниванием коэффи-
циентов при одинаковых тригонометрических функциях.
Пример 6.1. Найти решение задачи Коши:
х + х = 28пП , х(0) = 1, х(0) = 0. (6.4)
Решение. Имеем х + х = 0 Д2 +1 = 0,1> = -4 < 0. Общее реше-
ние линейного однородного уравнения записывается в форме
*оо(0 = Су 8ШТ + с2 СО8Л
Частное решение ЛНДУ2 следует искать в виде (со = V = 1):
ср(Р) = (Л 8ШI + В СО8 г) А = Л18ШI + В1СО81. (6.5)
Найдем уЛ(/) = 2(Лсо8/ /?8ш/) (Л8Ш/+/?со8/)-/ и подста-
вим в исходное дифференциальное уравнение:
2(ЛсО8Г-Л8гпг)-(Л8ГПГ +ЛсО8Г)т + (Л8ГПГ + ЛсО8Г)-Г = 28ГПГ,
2 (Л СО81 — В 8Ш Г ) = 2 8ШI. (6.6)
Приравняем коэффициенты при одинаковых тригонометрических
функциях:
8пП: — 25 = 2,
(6.7)
созЛ 2Л = 0.
Отсюда получаем А = О, В = -1. Итак, общим решением исходно-
го ЛНДУ2 имеет вид:
х(^) = Сх 8Ш^ + С2 СО8^ — ^СО8Л
Для удовлетворения начальных условий найдем:
х(0 = сх СО8^ — С2 8Ш7 — СО8^ + Г81ПЛ
Подставим начальные данные:
х(0) = С2 = 1,
х(0) = — 1 = 0.
(6.8)
(6.9)
(6.10)
Отсюда С1 = С 2 = 1.
Следовательно, частное решение исходной задачи Коши прини-
мает вид:
X = 8НП + СО8^ — ^СО8Л (6.11)
Контрольные вопросы
1. Что является решением дифференциального уравнения?
2. Как составляется характеристическое уравнение?
3. От чего зависит вид общего решения однородного уравнения?
4. Из чего складывается общее решение неоднородного уравнения?
5. От чего зависит вид частного решения неоднородного уравнения?
Глоссарий
Вектор АВ - отрезок АВ, у которого точку А считают началом, а точ-
ку В концом.
Координаты вектора - длины составляющих, взятые со знаком плюс
или минус; плюс берется, если направление составляющей совпадает с на-
правлением соответствующей координатной оси; минус, если оно противо-
положное.
Линейная функция - функция вида у = кх + /?, графиком линейной
функции является прямая линия.
Максимум функции - говорят, что функция у = /(х) имеет максимум
в точке х0, если для всех значений х достаточно близких к х0 выполняется
следующее неравенство: /(х) < /(х0).
Минимум функции - говорят, что функция у = /(х) имеет минимум
в точке х0, если для всех значений х достаточно близких к х0 выполняет-
ся следующее неравенство: /(х) < /(х0).
Многочлен - функция вида у = апхп + ап_ххп~Х + ... + ахх + а0.
Неопределенный интеграл - множество всех первообразных.
Область значения функции - множество всех значений функции.
Область определения функции - множество всех значений аргумента
функции.
Первообразная - функция, производная от которой равна исходной
функции.
Переменная величина - величина, которая в условиях данного вопроса
может принимать различные значения.
Предел функции - характеризует значение функции в данной точке.
Производная функции - предел отношения приращения функции
к приращению аргумента, при стремлении последнего к нулю, характери-
зует скорость изменения функции.
Составляющие вектора - векторы, лежащие на координатных осях,
чьи начала совпадают с проекциями начала, а концы с проекциями конца
данного вектора на соответствующие оси.
Угловой коэффициент - множитель при аргументе линейной функции.
Функция - соответствие, относящее данному значению переменной ве-
личины х единственное значение переменной величины у, величину х назы-
вают аргументом, величину у - значением функции.
Экстремум функции - обобщающее название максимума и минимума.
Рекомендуемая литература
Основная
1. Катранов А.Г., Азанчевский В.В., Белоусова В.М., Григорьева Н.В.,
Ивакин В.В. Математика. Учебное пособие. СПб ГАФК им. П.Ф. Лесгафта,
2001.
2. Фелимонова Е.В. Математика. Учебное пособие для среднеспециаль-
ных учебных заведений. Ростов: Феникс, 2008.
3. Омельченко В.П., Курбатова Э.В. Математика (2-е издание). Учебное
пособие. Ростов: Феникс, 2007.
Дополнительная
1. Натансон И.П. Краткий курс высшей математики. М.: Высшая шко-
ла, 1962.
2. Кудрявцев В.А., Демидович В.П. Краткий курс высшей математики.
М., 1962.
3. Зельдович Я.Б. Элементы прикладной математики. М., 1965.
Раздел II
ФИЗИКА
Глава 1
ПРЕДМЕТ И МЕТОД ФИЗИКИ.
ИЗМЕРЕНИЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
В ходе изучения главы важно запомнить: понятие об элемен-
тарных частицах, виды взаимодействий и их свойства, определение
модели и используемые в физике виды моделей, модели атома, опре-
деление физической величины и классификацию физических величин,
основные величины системы СИ.
1.1. Физика - основа естествознания
Первые научные представления возникли давно - по-видимому,
на самых ранних этапах истории человечества, отраженной в пись-
менных источниках. Однако физика как наука в своем современном
виде берет начало со времен Галилео Галилея (1564-1642). Галилей
и его последователь Исаак Ньютон (1643-1727) совершили револю-
цию в научном познании. Галилей предложил в качестве основного
метода исследования метод экспериментального познания, а Ньютон
сформулировал первые законченные физические теории (классиче-
ская механика, классическая оптика, теория тяготения).
Слово рйузхз в буквальном переводе означает природа, т.е. сущ-
ность, внутреннее основное свойство явления, какая-то скрытая за-
кономерность, определяющая протекание, ход явления.
Физика - это наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее
общих свойствах тел и явлений. Физика - фундамент естество-
знания.
В основании физики (как и любой естественной науки) лежат ут-
верждения о материальности мира и существовании объективных
устойчивых причинно-следственных связей между явлениями. Фи-
зика объективна, так как изучает реальные природные явления, но
одновременно и субъективна вследствие сущности процесса позна-
ния, как отражения действительности.
По современным представлениям все, что нас окружает, пред-
ставляет собой комбинацию небольшого количества так называемых
элементарных частиц, между которыми возможны четыре различ-
ных вида взаимодействий. Элементарные частицы характеризуются
четырьмя числами (квантовыми зарядами), значения которых опре-
деляют: в какой вид взаимодействия может вступать рассматривае-
мая элементарная частица (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Виды взаимодействий
Заряды Взаимодействия
Массовый Г равитационное
Электрический Электромагнитное
Барионный Сильное
Лептонный Слабое
Такая формулировка обладает двумя важными свойствами:
• адекватно описывает наши современные представления об ок-
ружающем мире;
• достаточно обтекаема и вряд ли придет в противоречие с но-
выми экспериментальными фактами.
Дадим краткие пояснения незнакомым понятиям, используемым
в этих утверждениях. Почему мы говорим о так называемых элемен-
тарных частицах? Элементарные частицы, в точном значении этого
термина, - первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по
предположению, состоит вся материя. Однако большинство извест-
ных элементарных частиц не удовлетворяют строгому определению
элементарности, поскольку являются составными системами. Со-
гласно модели Цвейга и Гелл-Манна, структурными единицами та-
ких частиц являются кварки. В свободном состоянии кварки не на-
блюдаются. Необычное название «кварки» было заимствовано из
книги Джеймса Джойса «Поминки по Финнигану», где встречается
словосочетание «три кварка», которое слышится герою романа
в кошмарном бреду. В настоящее время известно более 350 элемен-
тарных частиц, в основном нестабильных, и их число постоянно
растет.
Вы ранее уже сталкивались с таким проявлением сильного
взаимодействия, как ядерные силы, удерживающие протоны и ней-
троны внутри атомного ядра. Сильное взаимодействие вызывает
процессы, протекающие с наибольшей, по сравнению с другими
процессами, интенсивностью и приводит к самой сильной связи
элементарных частиц. В отличие от гравитационного и электро-
магнитного сильное взаимодействие является короткодействующим:
его радиус: 7? ~ 1,41 • 10”15 м = 1,41 Ферми.
Характерные времена сильного взаимодействия: I = 10-23—10-24 с.
Слабое взаимодействие ответственно за распады элементарных
частиц, стабильных относительно сильного и электромагнитного
взаимодействий. Эффективный радиус слабого взаимодействия не
превышает 10-18 м. Поэтому на больших расстояниях оно сущест-
венно слабее электромагнитного, которое в свою очередь до
расстояний меньше 1 Ферми слабее сильного взаимодействия.
На расстояниях, меньших 10”18 м, слабые и электромагнитные
взаимодействия образуют единое электрослабое взаимодействие.
Слабое взаимодействие вызывает очень медленно протекающие
процессы с элементарными частицами, в том числе распады квази-
стабильных элементарных частиц, времена жизни которых лежат
в диапазоне 10”6-10”14 с. Несмотря на малую величину, слабое
взаимодействие играет очень важную роль в природе. В частности,
процесс превращения протона в нейтрон, в результате которого
четыре протона превращаются в ядро гелия (основной источник вы-
деления энергии внутри Солнца), обусловлен слабым взаимодей-
ствием.
Может ли быть открыто пятое взаимодействие? Однозначного
ответа не существует. Однако, по современным представлениям, все
четыре вида взаимодействия являются различными проявлениями
одного единого взаимодействия. Это утверждение составляет суть
теории великого объединения.
1.2. Понятие о научном методе
Научное знание об окружающем нас мире формируется в резуль-
тате синтеза двух присущих человеку элементов деятельности: твор-
чества и регулярного освоения окружающего пространства с помо-
щью метода проб и ошибок.
В основе физики как любой науки о природе лежит наблюдение,
эксперимент. Однако, согласно квантовой теории, все результаты
измерений являются до некоторой степени неопределенными, при-
чем эта неопределенность заложена в самой природе вещей, что вы-
ражается соотношением неопределенностей Гейзенберга.
Процесс познания может идти только через построение модели,
что связано с субъективной стороной этого процесса (неполнота ин-
формации, многообразие любого явления, облегчение освоения
с помощью конкретных образов).
Модель в науке - это не увеличенная или уменьшенная копия
предмета, а картина явления, освобожденная от не существенных
для поставленной задачи деталей.
Модели в физике подразделяются на механические и математи-
ческие.
Примеры: атом, материальная точка, абсолютно твердое тело
(см. гл. 2).
Как правило, для большинства понятий процесс развития моде-
лей идет путем постепенного усложнения от механических моделей
к математическим. Этот процесс легко проследить на примере поня-
тия атома. Перечислим основные модели:
• Шарик (атом древних и классической физики).
• Атом Томсона.
• Планетарная модель (Резерфорда).
• Модель Бора.
• Уравнение Шредингера.
Модель атома в виде твердого неделимого шарика, при всей ка-
жущейся с точки зрения сегодняшних представлений нелепости, по-
зволила, например, в рамках кинетической теории газов получить
все основные газовые законы.
Открытие в 1897 г. электрона привело к созданию Дж.Дж. Томп-
соном модели, которую обычно называют «пудинг с изюмом»
(рис. 1.1).
Согласно этой модели, в положительно заряженном «тесте» пла-
вают отрицательно заряженные изюминки
объясняла электронейтральность атома,
одновременное возникновение свобод-
ного электрона и положительно заря-
женного иона. Однако результаты опыта
Резерфорда по рассеянию а-частиц
принципиально изменили представление о
строении атома.
В рамках модели Томпсона было
невозможно объяснить зафиксированное
в опытах Резерфорда сильное отклоне-
- электроны. Модель
заряженное
«тесто»
Рис. 1.1.
Модель Дж.Дж. Томпсона
«пудинг с изюмом»
ние траектории движения а-частиц
и, поэтому, возникло понятие атомного
ядра. Проведенные расчеты позволили
определить размеры ядра, они оказались
порядка одного Ферми. Таким образом,
на смену модели Томпсона пришла планетарная модель Резерфорда
(рис. 1.2).
Это типично механическая модель, поскольку атом представляет-
ся как аналог солнечной системы: вокруг ядра - Солнца по круго-
вым траекториям движутся планеты - электроны. Известный совет-
ский поэт Валерий Брюсов так отозвался об этом открытии:
«Еще, быть может, каждый атом -
Вселенная, где сто планет;
Там все, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет».
Рис. 1.2. Планетарная
модель Резерфорда
С момента возникновения плане-
тарная модель подвергалась серьезной
критике в связи с ее нестабильностью.
Движущийся по замкнутой орбите
электрон должен излучать электро-
магнитные волны и, следовательно,
упасть на ядро. Точные расчеты пока-
зывают, что максимальное время жиз-
ни атома в модели Резерфорда не больше 20 минут. Великий дат-
ский физик Нильс Бор для спасения идеи атомного ядра создал но-
вую модель атома, носящую его имя. Она основана на двух основ-
ных положениях - постулатах Бора (см. также раздел «Химия»):
1. Атомы могут длительное время находиться только в оп-
ределенных, так называемых стационарных состояниях. Энергии
стационарных состояний образуют дискретный спектр. Иначе гово-
ря, возможны только круговые орбиты с радиусами, задаваемыми
соотношением:
4тге0Л2 1 2
-----;-----п ,
те1 7
где п - целое число, те - масса электрона, е - заряд электрона,
X - атомный номер, к - постоянная Планка, <70 - электрическая
постоянная.
2. При переходе из одного начального квантового состояния
в другое происходит излучение или поглощение кванта света.
Модель Бора смогла объяснить большинство известных в то вре-
мя свойств атомов, но с самого начала выявились и ее существенные
недостатки. Прежде всего, эта теория не была ни последовательно
классической, ни последовательно квантовой. Последовательно
квантового описания удалось добиться переходом к математической
модели, основанной, например, на уравнении Шредингера. Это
уравнение представляет собой дифференциальное уравнение в част-
ных производных относительно волновой функции \|/. Физический
смысл имеет не сама волновая функция, а квадрат ее модуля, кото-
рый пропорционален вероятности нахождения частицы (электрона)
в данной точке пространства. Иначе говоря, электрон при своем
движении как бы «размазан» по всему объему, образуя электронное
облако, плотность которого характеризует вероятности нахождения
электрона в различных точках объема атома (рис. 1.3). Более под-
робное описание квантово-механического подхода дано в разделе
«Химия».
К сожалению, язык, которым мы
пользуемся в нашей повседневной жизни,
непригоден для описания процессов, проис-
о ходящих в глубинах материи (применяются
очень абстрактные модели). Физики «бе-
седуют» с Природой на языке математики
с помощью чисел, геометрических фигур
Рис ] 3 и линий, уравнений, таблиц, функций и т.д.
Электронные облака Такой язык обладает удивительной предска-
зательной силой: оперируя формулами, мож-
но получить следствия (как в математике), оценить результат коли-
чественно и проверить затем опытом справедливость предсказания.
За изучение явлений, которые нельзя описать на языке физики из-за
неопределенности понятий, невозможности определить процесс из-
мерения, физики просто не берутся.
История развития физики показала, что разумное использование
математики неизменно приводило к мощному прогрессу в исследо-
вании природы, а попытки абсолютизировать какой-то математиче-
ский аппарат как единственно пригодный ведут к застою.
Физика как любая наука может ответить только на вопрос
«Как?», но не на вопрос «Почему?».
1.3. Понятие физической величины
Физическое понятие, отражающее какое-то свойство тел и явле-
ний и выражаемое числом в процессе измерения, называется физи-
ческой величиной.
Физические величины, в зависимости от способа их представле-
ния, подразделяются на скалярные, векторные, тензорные и т.д.
(табл. 1.2).
Напомним, что вектором называется упорядоченный набор чи-
сел, а тензорные физические величины записываются с помощью
матриц.
Таблица 1.2
Классификация физических величин
Величины Примеры
Скалярные Температура, объем, давление в газе
Векторные Скорость, ускорение, напряженность
Тензорные Давление в движущейся жидкости
Также все физические величины можно разделить на основные
и производные от них. К основным относятся единицы измерения
массы, электрического заряда (основные характеристики материи,
обусловливающие гравитационное и электромагнитное взаимодей-
ствие), длины и времени (так как отражают фундаментальные свой-
ства материи и ее атрибутов - пространства и времени), а также
температуры, количества вещества и силы света. Для установления
производных единиц используют физические законы, связывающие
их с основными единицами.
В настоящее время обязательна к применению в научной и учеб-
ной литературе Международная система единиц (СИ), где в каче-
стве основных единиц используются килограмм, Ампер, метр, се-
кунда, Кельвин, моль и Кандела. Причина замены в качестве
основной единицы Кулона (электрический заряд) на Ампер (сила
электрического тока) чисто техническая: реализация эталона в 1 Ку-
лон в отличие от 1 Ампера практически невозможна, а сами единицы
связаны простым соотношением: Кулон = Ампер х секунда.
Хочется сделать два замечания относительно правильной форму-
лировки вопроса о единицах измерения физических величин и их
возможных значениях. 1) Многие физические величины, как мы ви-
дели, являются векторами, а единицы измерения скалярами. Поэто-
му вопрос о единицах измерения, например, скорости и ускорения,
не совсем корректен. Однако в целях упрощения используемого
языка мы будем пользоваться подобными формулировками, подра-
зумевая, что в данных единицах измеряется модуль соответствую-
щего вектора. 2) Для векторов, в отличие от скаляров, не существует
понятие больше-меньше, поэтому утверждения об увеличении или
уменьшении векторных величин, а также о положительных или от-
рицательных их значениях следует понимать только в отношении
компонент рассматриваемых векторов или, как в первом случае, для
модулей векторов.
Контрольные вопросы
1. Перечислите фундаментальные виды взаимодействий.
2. Какие утверждения лежат в основе физики?
3. В чем состоят отличительные свойства сильного взаимодействия?
4. Что такое модель?
5. Почему была отвергнута модель Томпсона?
6. Каков основной недостаток планетарной модели атома?
7. В чем состоит физический смысл волновой функции?
8. Что такое физическая величина?
9. Приведите примеры векторных физических величин.
10. Какие физические величины относят к основным?
11. Перечислите основные единицы системы СИ.
Глава 2
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
КЛАССИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ
В ходе изучения главы важно запомнить: разделы механики,
понятие о механическом движении и его свойствах, определение
системы отсчета, постулаты классической механики, используе-
мые в механике модели тел и виды движений, теорему о механиче-
ском движении.
2.1. Что изучает механика
Механика - раздел физики, в котором изучается механическое
движение.
Механическим движением называется изменение взаимного
расположения тел или частей тела относительно друг друга в про-
странстве с течением времени.
Механика состоит из трех подразделов - кинематики, динамики
и статики.
Кинематика изучает движение тел, не рассматривая те причины,
которые это движение обусловливают.
Динамика изучает законы движения тел и те причины, которые
вызывают или изменяют это движение.
Статика изучает законы равновесия системы тел.
Основным свойством механического движения является его от-
носительность. Как известно, движение тел происходит в простран-
стве и во времени. Мы можем говорить только о взаимном переме-
щении тел относительно друг друга. Произвольно выбранное тело,
которое условно считается неподвижным и по отношению к которо-
му определяется положение материальной точки, называется телом
отсчета. Тело отсчета, связанная с ним система координат
и часы для измерения времени образуют систему отсчета (СО) по-
ложений материальной точки (рис. 2.1).
Изменение системы отсчета приводит, как видно из рис. 2.2,
к изменению характера движения, а следовательно, к изменению
используемых для его описания математических выражений.
Рис. 2.1. Система отсчета
Рис. 2.2. Относительность движения
О— Солнце
2.2. Анализ основных положений
классической механики
Прежде всего, необходимо сделать два замечания.
1. Перечисленные ниже основные постулаты не были непосред-
ственно сформулированы в момент создания классической механи-
ки, в частности в знаменитом труде Ньютона «Математические на-
чала натуральной философии». Они появились много позже в
процессе анализа классических трудов, и их формулировка во мно-
гом была вызвана необходимостью понять суть тех противоречий в
физике, которые накопились к началу XX столетия.
2. Классическая механика создавалась в те времена и теми людь-
ми, для которых основой мировоззрения была христианская религия,
что непосредственно прослеживается при анализе постулатов.
Постулаты:
• Пространство - это «пустое» вместилище тел.
• Пространство непрерывно.
• Пространство трехмерно.
• Пространство евклидово.
• Время одномерно.
• Течение времени не зависит от системы отсчета.
Дадим краткое пояснение по каждому из постулатов и сравним
эти положения с современными представлениями.
Первый постулат является, по сути, калькой с библейской притчи
о сотворении мира, в которой пространство и планеты создавались в
разные дни творения.
Пространство и время, как известно, являются атрибутами мате-
рии, поэтому могут возникать и уничтожаться только вместе с ней.
На рис. 2.3 и 2.4 хорошо видно отличие плоского мира классической
механики от искривленного (вследствие влияния материи) мира со-
временной физики.
Рис. 2.3.
Плоский мир классической физики
Рис. 2.4.
Искривленное пространство
Требование непрерывности обусловлено формальным условием
применимости аппарата дифференциального и интегрального исчис-
ления для решения механических задач (этот аппарат специально
создавался Ньютоном и Лейбницем для этих целей). Так как условие
непрерывности функции является более слабым, чем условие диф-
ференцируемости, использование дифференцируемых функций воз-
можно только в пространстве, обладающем свойством непрерыв-
ности.
В современной физике есть разные взгляды на проблему непре-
рывности пространства. В частности, в некоторых моделях предпо-
лагается квантованность пространства (пространство как набор ку-
биков) и движение частиц представляется по аналогии с движением
кузнечика с заданной вероятностью перехода из одного кубика в
другой. Однако мы должны понимать, что проверить эти модели
можно только косвенно, по проверяемым следствиям, и часто в ка-
честве критерия выбора модели используется критерий красоты
(простоты получаемых уравнений).
Под трехмерностью пространства понимается достаточность за-
дания трех чисел (координат) для определения положения точки в
пространстве. Это утверждение кажется нам очевидным, однако,
давайте проанализируем понятие мерности пространства. В целом
ряде научно-фантастических и научно-популярных книг рассмотре-
но существование двухмерных живых организмов, способных пере-
Рис. 2.5. Восприятие
мерности пространства
двигаться и наблюдать явления только
вдоль поверхности. На рис. 2.5 показано,
что такое существо способно одновре-
менно видеть только две стороны квад-
рата, нарисованного на этой поверхности.
Чтобы увидеть одновременно все
четыре стороны квадрата, необходимо
«выйти» в третье измерение. В трехмер-
ном случае человек видит одновременно
только три грани куба, чтобы увидеть сразу все шесть граней, необ-
ходимо четвертое измерение, например время. Проблема мерности
пространства, как это не покажется странным, связана с возможным
видом физических законов. Например, в законе Кулона сила обратно
пропорциональна квадрату расстояния. Такая закономерность воз-
можна только для трехмерного пространства, в случае другого коли-
чества измерений показатель степени был бы иной.
Проведенные в конце XIX - начале XX в. исследования трех вы-
дающихся ученых: француза Анри Пуанкаре, голландца Хендрика
Антона Лоренца и Альберта Эйнштейна, закончившиеся созданием
специальной теории относительности (СТО), - сделали общеприня-
тым понимание неразрывной связи между пространственной и вре-
менной координатами и необходимости использования при описа-
нии движения тел четырехмерного пространства Минковского
(четырехмерного пространства-времени).
Начиная с общей теории относительности Альберта Эйнштейна,
проводились попытки описать известные взаимодействия как гео-
метрические свойства пространства. В частности, Эйнштейн дока-
зал, что гравитационное взаимодействие может быть описано как
искривление четырехмерного пространства-времени. То есть на
смену «плоскому» пространству-времени СТО приходит искривлен-
ное четырехмерное пространство.
Следующим шагом в развитии идей Эйнштейна было создание
чешским физиком Теодором Калуцой теории, которая позволяла
описывать электромагнитное поле как свойство некоторого пяти-
мерного пространства-времени. Причем новое пятое измерение
принципиально отличалось от четырех ранее известных. Оно было
замкнутым, причем с очень малым радиусом порядка 10-34 м. Для
наглядности это можно изобразить как систему колец, прикреплен-
ных к каждой точке четырехмерного пространства-времени.
В дальнейшем в целях геометризации других взаимодействий ис-
пользовались пространства с еще большим количеством размерно-
стей (шесть, семь, одиннадцать).
Ответить на вопрос: существуют эти дополнительные размерно-
сти реально (и сколько их) или они - плод нашего воображения -
сложно по нескольким причинам. Во-первых, они являются альтер-
нативным описанием реально существующих взаимодействий, во-
вторых, в силу их цикличности трудно предложить несвязанный
с рассматриваемыми взаимодействиями способ их обнаружения.
Аргументом «за» может служить единообразие в описании свойств
материи (окружающего мира).
Евклидовость пространства подразумевает справедливость в ок-
ружающем мире геометрии Евклида.
Как показано известным немецким математиком Феликсом
Клейном в его «Эрлангенской программе», основным атрибутом
всякой геометрии является некоторый набор взаимно однозначных
преобразований некоторого множества М. Можно показать, что су-
ществует несколько десятков принципиально различных геометрий.
Одной из важнейших характеристик описываемого любой геометри-
ей пространства является его кривизна. Так какую же геометрию
имеет окружающий нас мир (в мире с какой кривизной мы живем)?
Как показано в общей теории относительности Эйнштейна, сущест-
вующее гравитационное взаимодействие является причиной отрица-
тельной кривизны Вселенной. Однако этот эффект проявляется
только при рассмотрении областей пространства, включающих де-
сятки или сотни галактик, поэтому мы в обыденной жизни его не
замечаем. Следовательно, при изучении большинства явлений на
Земле или в масштабах Солнечной системы можем считать про-
странство евклидовым.
Под одномерностью времени понимается достаточность задания
одного числа для определения положения события во времени. При
этом подразумевается, что время может течь (изменяться) только
в одном направлении, т.е. говорят о стреле времени.
В классической механике течение времени не зависит от системы
отсчета, т.е. рассматривается единое время. Это противоречит спе-
циальной теории относительности Эйнштейна, описывающей про-
цессы в четырехмерном пространстве-времени, каждая из координат
которого зависит от выбранной системы отсчета. Однако нужно от-
метить, что если мы рассматриваем движения тел со скоростями
много меньше скорости света, то можно не принимать во внимание
влияние системы отсчета на ход времени.
2.3. Используемые в механике модели тел
В предыдущей главе введено важнейшее для естественных наук
понятие - понятие модели. В физике используются механические
и математические модели явлений. Важнейшими моделями механи-
ки являются материальная точка и абсолютно твердое тело.
Материальная точка - тело, обладающее конечной массой, раз-
мерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи.
Понятие материальной точки - абстрактное понятие (сущест-
вующее только в нашем воображении), но его введение облегчает
решение конкретных задач.
На рис 2.6 дана иллюстрация понятия
«материальная точка». Мы можем при-
менять модель, если размеры тела суще-
ственно меньше размеров области его
возможного движения.
Например, легкоатлета, бегущего по
дорожке стадиона, можно рассматривать
как материальную точку, а майского
жука внутри спичечного коробка - нет.
Рис. 2.6.
Материальная точка
Абсолютно твердым телом называется тело, форма и размер ко-
торого при наличии внешних воздействий могут считаться неизмен-
ными, а расстояние между двумя частицами этого тела остается по-
стоянным в процессе движения.
Естественно, что это тоже абстрактное понятие. Как известно, все
тела состоят из атомов, находящихся, как и их компоненты - элек-
троны и протоны, в непрерывном движении. Кроме того, при доста-
точно сильном воздействии любые тела деформируются. Надо отме-
тить, что возможность применения модели абсолютно твердого тела
не всегда очевидна. Гранитный булыжник на первый взгляд является
очень хорошим кандидатом для использования применительно
к нему модели абсолютно твердого тела. И действительно, для боль-
шинства возможных движений это приближение справедливо, так
как форма и размеры камня при движении не изменяются. Однако
если мы рассмотрим вход такого камня в плотную атмосферу Земли
из космоса, то модель окажется не применимой, так как тело при
этом частично или полностью сгорает. С другой стороны, такой объ-
ект как воздушный шарик никак не похож на твердое тело, но если
он движется достаточно медленно, то рассматриваемую модель
к нему можно применить. Это еще раз демонстрирует тот факт, что
выбор модели зависит от рассматриваемой задачи, в частности: воз-
можность использования модели абсолютно твердого тела зависит
не только от характеристик самого тела, но
мого движения.
Рассмотрим еще одну полезную модель.
Абсолютно упругим телом называется
тело, деформации которого остаются
упругими при любых нагрузках.
Деформация - изменение размеров
и формы тела (рис. 2.7).
и от вида рассматривае-
Рис. 2.7.
Деформация
Деформация называется упругой, если она полностью исчезает
после снятия нагрузки.
2.4. Виды механического движения
Рис. 2.8.
Поступательное движение
Рис. 2.9.
Вращательное движение
Простейшими видами механического движения абсолютно твер-
дого тела являются поступательное и вращательное движения.
Движение тела называется поступа-
тельным, если любая прямая, жестко
связанная с телом, остается параллель-
на самой себе в процессе движения
(рис. 2.8). На рисунке также изображены
векторы скоростей некоторых точек тела.
Иногда дают другое определение посту-
пательного движения. Движение тела на-
зывается поступательным, если скоро-
сти всех точек тела параллельны. Однако
это определение обладает одним суще-
ственным недостатком: мы не опреде-
лили пока, что такое скорость.
Вращательным называется такое
движение твердого тела, при котором все
точки его движутся по окружностям
и центры этих окружностей расположе-
ны на одной прямой, которая называет-
ся осью вращения (рис. 2.9).
Сформулируем теперь важнейшую
теорему, результат которой принци-
пиальным образом определяет структуру
механики.
Теорема о механическом движении.
Любое механическое движение абсо-
лютно твердого тела может быть
представлено как комбинация поступательного и вращательного
движений.
Мы не будем доказывать теорему, а просто проиллюстрируем ее
рисунком. На рис. 2.10 изображен прямоугольник, совершающий
двухмерное движение. Построим центральную линию в прямо-
угольнике и рассмотрим два положения тела: в начальный момент и
через промежуток времени АЛ Хорошо видно, что переход из на-
чального положения в конечное можно осуществить последователь-
но как горизонтальный и вертикальный
перенос и поворот на угол (р вокруг оси,
перпендикулярной плоскости рисунка. То
есть указанный переход представляет
комбинацию поступательного и враща-
тельного движений. Так как Аг - про-
межуток времени, выбранный произ-
вольно, то вывод справедлив для любого
момента времени. Приведенные рассуж-
дения не являются доказательством тео-
ремы, так как рассмотренное тело не
произвольное, а движение не трехмерное.
Полное доказательство желающие могут
посмотреть в курсах теоретической меха-
Рис. 2.10.
К теореме о механическом
движении
ники.
Таким образом, становится понятным, что достаточно уметь опи-
сывать только два вида движения - поступательное и вращательное,
так как из них можно скомбинировать почти любое механическое
движение.
Контрольные вопросы
1. В чем проявляется относительность движения?
2. Что такое система отсчета?
3. В чем причина искривленности пространства современной
физики?
4. Что понимают под трехмерностью пространства?
5. Что такое стрела времени?
6. Существуют ли в природе материальные точки?
7. Что такое абсолютно твердое тело?
8. Какая деформация называется упругой?
9. Перечислите виды механического движения.
10. Для каких тел справедлива теорема о механическом движении?
Глава 3
КИНЕМАТИКА ПОСТУПАТЕЛЬНОГО
ДВИЖЕНИЯ
В ходе изучения главы важно запомнить: определения основ-
ных кинематических характеристик поступательного движения
материальной точки, понятие о прямой и обратной задачах кине-
матики и способах их решения.
3.1. Скорость и ускорение материальной точки
В соответствии с изложенным во 2-й главе начнем изучение с по-
ступательного движения.
Кинематика - раздел механики, описывающий механическое
движение без изучения причин его вызвавших.
Для описания перемещения тела в пространстве (а это и есть ме-
ханическое движение) введем систему отсчета и будем использовать
модель материальной точки.
По отношению к системе отсчета положение точки А в данный
момент времени в декартовой системе координат, используемой
наиболее часто, определяется тремя координатами: хЛ,уЛ,зЛ или
радиус-вектором г, проведенным из точки начала отсчета в данную
точку (рис. 3.1).
При движении материальной точки ее координаты с течением
времени изменяются. Уравнения, выражающие зависимость радиус -
Рис. 3.1.
Радиус-вектор
вектора движущейся точки от времени
г = г(0, или эквивалентная ему система
трех скалярных уравнений:
х = х(у)
у = у(Ч,
2
(3.1)
называются уравнениями движения точки
или законом движения.
Введем еще несколько необходимых
понятий.
Траектория движения материальной точки - линия, описывае-
мая этой точкой в пространстве. Это не очень точное, хотя простое
и понятное определение. Точнее было бы сказать, что траектория -
это геометрическое место точек, последовательно занимаемых телом
в процессе движения.
В зависимости от формы траектории движения подразделяются
на прямолинейные и криволинейные. Если все точки траектории
лежат в одной плоскости, движение называется плоским.
Траектории механического движе-
ния в различных системах отсчета
могут иметь неодинаковую форму.
Исследуя пространственно-временное
перемещение тел, кинематика опериру-
ет следующими физическими величи-
нами (время, длина пути, перемещение,
скорость движения и ускорение).
Рассмотрим движение материаль-
ной точки по произвольной траекто-
Вектор перемещения
рии. Отсчет времени начнем с момента, когда точка находилась
в положении А (рис. 3.2).
Длиной пути Л5 называется длина участка траектории АВ, прой-
денного материальной точкой с момента начала отсчета времени.
Длина пути является скалярной функцией времени: А5 = А^(/).
Перемещением называется вектор: Дг = г - г0.
Средней скоростью (г движения за интервал времени А1 = I- 1ц
называется физическая величина:
Дг
Дг ’
(3.2.)
Здесь нами используется стандартный способ обозначения сред-
них величин с помощью треугольных скобок ( . Необходимо отме-
тить, что средняя скорость определя-
ется для заданного интервала време-
ни, а не его конкретного значения.
Направление вектора средней скоро-
сти совпадает с направлением векто-
ра перемещения Дг (рис. 3.3).
Средняя скорость характеризует
движение в течение всего интервала
Рис. 3.3.
Средняя скорость
времени, для которого она определена. Это простое определение, но
оно мало информативно, так как для больших интервалов Д^ не
позволяет описать характер движения. Уменьшая Д^ и, соответст-
венно, увеличивая количество вычисленных средних скоростей,
можно улучшить описание движения.
Мгновенной скоростью в момент времени / называется физиче-
ская величина, равная пределу, к которому стремится средняя ско-
рость при бесконечном уменьшении интервала времени Д/:
—> /—>\ /\т
V = ЙШ (У ) = ЙШ ----.
А^О ' 7 А^О Д^
(3.3)
В математике такой предел называется производной, поэтому
' с1г
V =-------.
с1/
(3.4)
Вектор мгновенной скорости V направлен по касательной к тра-
ектории в сторону движения материальной точки. Это следует из
того, что при стремлении к нулю (при этом точка В движется
к точке А) хорда, вдоль которой направлен вектор средней скорости,
переходит в касательную.
Средним ускорением неравномерного движения за интервал
времени Л/ = / - /0 называется физическая величина:
а
V - Уо _ Ду
I -
(3.5)
Мгновенным ускорением материальной точки в момент време-
ни Г называется физическая величина, равная пределу, к которому
стремится среднее ускорение при бесконечном уменьшении интер-
вала времени ЛГ:
Рис. 3.4.
Изменение скорости
а = Нш (а} = Нш —— = —. (3.6)
А/—>0 ' 7 А^О Д^
Направление среднего ускоре-
ния совпадает с направлением век-
тора Ду (рис. 3.4).
С мгновенным ускорением дело
обстоит сложнее, поэтому рас-
смотрим это подробно.
3.2. Ускорение при движении по криволинейной
траектории
Как всякий вектор, вектор ускорения при произвольном плоском
движении (например, по окружности) материальной точки можно
представить в виде суммы его составляющих по двум взаимно-
перпендикулярным направлениям. В качестве одного направления
выберем направление касательной в рассматриваемой точке траек-
тории, тогда другим перпендикулярным ему направлением окажется
направление нормали к кривой в этой же точке (выбирается в сторо-
ну вогнутости траектории).
Составляющая ускорения, направленная по касательной к траек-
тории, называется тангенциальной составляющей ускорения (ат)
и определяет быстроту изменения скорости движения по численно-
му значению. Таким образом, тангенциальная составляющая уско-
рения численно равна производной величины скорости по времени:
с1у
а =—
т Л
(3.7)
Вектор направлен в сторону движения точки при возрастании ее
скорости и в противоположенную сторону - при убывании скорости.
Вторая составляющая называется нормальной составляющей ус-
корения (ап) и направлена по нормали к касательной к центру впи-
санной в данной точке окружности (поэтому ее называют также
центростремительным ускорением).
Нормальная составляющая ускорения характеризует быстроту
изменения скорости движения по направлению и численно равна:
2
(З-8)
Л
где К - радиус криволинейной траектории в данной точке (радиус
вписанной окружности). Способ определения радиуса кривизны
произвольной кривой излагается в
дисциплине, которая называется
дифференциальная геометрия.
Таким образом, мгновенное ус-
корение представляется в следую-
щем виде (рис. 3.5):
а = — = ат\ап. (3.9)
<М
При этом величина ускорения
равна а = + ^.
специальной математической
Рис. 3.5. Нормальное
и тангенциальное ускорения
3.3. Прямая и обратная задачи кинематики
Рассмотренная процедура определения скорости и ускорения по
заданному закону движения называется прямой задачей кинема-
тики.
Данное определение можно представить в виде диаграммы.
Прямая задача кинематики:
(зло)
Указанная задача решается с помощью операции дифференциро-
вания.
Задачу определения скорости и закона движения по заданному
ускорению естественно называть обратной задачей кинематики.
Обратная задача кинематики:
(З.и)
Естественно, что эта задача решается с помощью операции ин-
тегрирования:
у (О = г0 + (3.12)
у(О = уо+^ (3.13)
г (Г) = Го + / (3.14)
г(О = го+^ + ^. (3.15)
Здесь г0 и г0 - положение и скорость в начальный момент вре-
мени.
Первая и третья формулы соответствуют решению в общем слу-
чае, а вторая и четвертая - для постоянного ускорения.
Следует отметить, что указанное решение обратной задачи спра-
ведливо только в том случае, когда ускорение является функцией
только времени. Однако в большинстве интересных для приложений
задач ускорение является функцией координат или скорости. Окон-
чательное решение обратной задачи поэтому возможно только
в рамках динамики, о чем будет рассказано в соответствующем
месте.
Рассмотренные в данной главе определения позволяют ввести
новое понятие - «понятие состояния». Под состоянием обычно по-
нимают минимальный набор величин, который дает возможность
предсказывать дальнейшее поведение системы.
Для классической механики таким набором будут радиус-вектор
и скорость (или радиус-вектор и импульс), а для квантовой механи-
ки - волновая функция у (г).
Контрольные вопросы
1. Что такое закон движения?
2. Дайте определение длины пути.
3. Что такое перемещение?
4. Как направлен вектор средней скорости?
5. Почему необходимо вводить понятие мгновенной скорости?
6. Как направлен вектор мгновенной скорости?
7. Что характеризует тангенциальная составляющая ускорения?
8. В каких случаях движение происходит без нормального ускоре-
ния?
9. От чего зависит угол между скоростью и ускорением материаль-
ной точки?
10. С помощью какой математической операции решается прямая
задача кинематики?
11. В чем состоит обратная задача кинематики?
Глава 4
ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ
В ходе изучения главы важно запомнить: понятие о физиче-
ском поле и его свойствах, обоснование необходимости использова-
ния эмпирических выражений для сил и конкретные их виды.
4.1. Понятие физического поля
Тематика этой главы имеет вспомогательный и общеобразова-
тельный характер, так как предваряет переход к изучению динамики
поступательного движения. Как мы уже знаем, существует четыре
вида фундаментальных взаимодействий, для описания которых мы
введем новое понятие.
Физическим полем называется изменение свойств пространства,
вызванное наличием источника данного поля.
Таким образом, существуют как минимум гравитационное, элек-
тромагнитное, слабое и сильное поля.
Рассмотрим два связанных между собой мысленных эксперимен-
та, иллюстрируемых на рис. 4.1. Необходимо подчеркнуть, что это
не реальные, а именно мысленные эксперименты, которые не могут
быть напрямую реализованы в действительности, но, с другой сто-
роны, выявляют наиболее существенные черты большого количества
реальных опытов.
Опишем указанные эксперименты. Для конкретности будем рас-
сматривать электрическое поле, однако, аналогично можно рассмот-
реть любые другие поля. В первом экспери-
менте (верхняя часть рис. 4.1) в точках 1 и 2,
отстоящих друг от друга на расстояние 7?,
одновременно появляются два электриче-
ских заряда. При этом взаимодействие начи-
нается не сразу, а через промежуток времени
Д7 = К/с. Во втором эксперименте (нижняя
часть рис. 4.1) в точку 1 помещаем электри-
ческий заряд и ждем в течение промежутка
времени, большего Л/, после чего в точку 2
2
одновременно
К
2
задержка 1> А1
К
Рис. 4.1. Свойства
физического поля
помещаем второй заряд. В этом случае взаимодействие начинается
сразу. Из этого можно сделать вывод, что характерными свойствами
поля являются:
- конечная скорость распространения.
- существование частицы-переносчика поля.
Теперь необходимо ввести характеристики поля.
4.2. Напряженность поля
Силовой характеристикой любого физического поля является его
напряженность:
Е = {Ех,Еу,Е^.
(4.1)
Рассмотрим известные выражения для напряженностей некото-
рых фундаментальных взаимодействий.
Если источником гравитационного поля является материальная
точка массой тгр, положение которой задается радиус-вектором ,
то напряженность гравитационного поля в точке г вычисляется по
формуле (рис. 4.2):
ДДО = —(4.2)
к-'о!
2
где 0 = 6,67-10 " —
кг-с
- гравитационная постоянная.
Егр
Рис. 4.2. Напряженность
гравитационного поля
Тогда для модуля вектора напряжен-
ности гравитационного поля получим
известную формулу, соответствующую
закону обратных квадратов.
7? = |г-^| - расстояние между
точками:
К2
Здесь
двумя
(4.3)
Заметим, что вектор напряженности
гравитационного поля всегда направлен
в сторону источника поля (поле притя-
жения).
Силовой характеристикой электрического поля является вектор
напряженности поля. Если источником электрического поля явля-
ется материальная точка с электрическим зарядом #0, положение
которой задается радиус-вектором г0, то напряженность электриче-
ского поля в точке г вычисляется по формуле (рис. 4.3):
Ял(д = (г-Г0), (4.4)
к - 7'о|
где к0 = 9-109
кг- м3
Кл1-с2
Рис. 4.3. Напряженность
электрического поля
Рис. 4.4. Индукция
магнитного поля
В отличие от гравитационного элек-
трическое поле может быть как полем
притяжения, так и полем отталкивания.
Силовой характеристикой магнитного
поля является вектор индукции маг-
нитного поля В.
Если источником магнитного поля яв-
ляется движущаяся со скоростью г0 ма-
териальная точка с электрическим заря-
дом #0, положение которой задается ра-
диус-вектором то индукция магнит-
ного поля в точке г вычисляется по
формуле (рис. 4.4):
5(г ) = ^0 х (г - К), (4.5)
с -|г -г0|
где с - скорость света, а крестиком обо-
значено векторное произведение.
Представленные выше формулы спра-
ведливы для случаев единственного то-
чечного источника. В реальной жизни
такие случаи не реализуются. Чтобы понять, как вычислить напря-
женность при наличии нескольких источников, воспользуемся
одним из важнейших законов классической физики - принципом
суперпозиции.
4.3. Принцип суперпозиции
Напряженность поля от нескольких источников равна вектор-
ной сумме напряженностей от каждого из источников.
Е = ^Ег. (4.6)
/=1
Рис. 4.5. Принцип
суперпозиции
На рис 4.5 проиллюстрирован прин-
цип суперпозиции для трех источников
электрического поля. Показана последо-
вательность сложений напряженностей
одиночных источников для определения
вектора суммарной напряженности.
Для приложений, однако, более инте-
ресны характеристики взаимодействия
тел, чем характеристики полей.
4.4. Сила
Основной характеристикой взаимодействия является сила. Зна-
ние напряженности позволяет рассчитывать силу данного взаимо-
действия.
Если в некоторой области пространства существует гравитацион-
ное поле с напряженностью Егр, то на материальную точку массой
т, находящуюся в точке с радиус-вектором г, действует гравита-
ционная сила:
Ргр=тЕгр(г\ (4.7)
Если в некоторой области пространства существует электриче-
ское поле с напряженностью Еэл, то на материальную точку с элек-
трическим зарядом находящуюся в точке с радиус-вектором г,
действует электрическая сила:
Лл=Дл(г). (4.8)
На электрический заряд движущийся в магнитном поле со ско-
ростью V, действует магнитная сила - сила Лоренца:
РлоР=^х^(Л (4.9)
Характер рассмотренных выражений позволяет утверждать, что
принцип суперпозиции справедлив также и для сил.
Все полученные до сих пор формулы относятся к силам меж-
ду материальными точками или их системами. В реальной жизни
необходимо уметь вычислять силы между телами конечных раз-
меров.
4.5. Вычисление сил между телами конечных
размеров
Рассмотрим возможный алгоритм определения силы между дву-
мя телами на основе принципа суперпозиции. Разделим каждое из
тел на большое количество частей (М - для первого тела, М - для
второго), каждую из которых можно считать материальной точкой,
перенумеруем материальные точки каждого тела индексом / для
первого тела и индексом у - для второго (рис. 4.6). Так как выраже-
ние для силы взаимодействия между двумя материальными точками
Еу известно, то выражение для результирующей силы может быть
получено суммированием по обоим индексам:
^ = ЕЕ^-
1 7
(4.Ю)
Рис. 4.6. К вычислению
силы между двумя
телами
Однако, как показывают проведенные
оценки, этот алгоритм для двух реальных
тел не может быть реализован, так как
требует слишком много машинного вре-
мени (больше времени существования
Вселенной) и обусловленной принци-
пом неопределенности Гейзенберга не-
возможностью точного определения ко-
ординат и скоростей точечных объектов.
Таким образом, необходимы принципиально другие подходы к оп-
ределению сил между телами конечных размеров. Выделим два ос-
новных подхода: выражения для моделей тел и эмпирические выра-
жения для сил.
4.6. Выражения для моделей тел
В этом случае рассматриваются тела простой геометрической
формы с простым непрерывным распределением источников поля по
объему тела. Тогда сумма преобразуется в интеграл, который для
простых тел и распределений может быть взят аналитически или
численно с любой заданной степенью точности. В качестве тел
обычно используются шары, эллипсоиды, кубы, плоскости и т.д. На-
пример, гравитационная сила между двумя телами с заданными рас-
пределениями плотности р(гу) и р(г2) (где г, и г2 - радиус-
векторы точек внутри первого и второго тела соответственно) опре-
деляется интегрированием по объемам обоих тел:
? Г Г Г ^Р^ ХГ2 - Г\ Ж1<^2
р = !-------1-'
|г2-Г1|
(4.И)
Если в качестве тел рассмотреть шары с равномерным или
центрально-симметричным распределением, то интеграл берется
аналитически и окончательное выражение для модуля силы имеет
простой вид:
7 _ Ст}т2
гр ~ П2
(4.12)
где т\ и т2- масса тел, К - расстояние между центрами шаров. По-
лученное выражение совпадает с формулой для материальных точек,
к которой оно и должно сходиться для больших К.
4.7. Эмпирические выражения для сил
Эти выражения получены при математической обработке резуль-
татов натурных экспериментов. Они, конечно, носят приближенный
характер, но зато обычно имеют простой и удобный вид. Рассмот-
рим несколько эмпирических выражений для сил, которые потребу-
ются в дальнейшем.
4.7.1. Сила тяжести
Сила тяжести - это сила гравитации
вблизи поверхности Земли. Некорректное
выражение «вблизи поверхности Земли»
означает выполнение двух условий:
с1«К3 и Л<<7?3 (рис. 4.7). При этом
выражение для силы тяжести имеет сле-
дующий вид:
ЕТ =
где % - постоянный вектор с такими двумя
свойствами: 1) % перпендикулярен по-
верхности Земли и 2) 9,8 л//с2. Без-
условно, эти свойства справедливы
Рис. 4.7.
Сила тяжести
в модели плоской однородной Земли, а для реальной планеты они
могут быть приняты как приближенные с учетом ее вращения и не-
равномерного распределения массы внутри планеты.
4.7.2. Контактные силы
Контактные силы - это силы, возникающие при непосредствен-
ном соприкосновении тел. Например, они возникают, когда мы
опираемся рукой на стол или прислоняемся спиной к стене. Кон-
тактные силы имеют электромагнитную природу, т.е. являются ре-
зультатом сложения очень большого ко-
личества взаимодействий между припо-
верхностными атомами двух тел. Это
сложное взаимодействие сводится к двум
силам: реакции опоры и силе сухого
трения Етр (рис. 4.8), которые обладают
Рис 4 8 следующими свойствами:
Контактные силы 1- Сила реакции опоры перпендику-
лярна поверхности соприкосновения.
2. Сила трения параллельна поверхности соприкосновения.
3. Направление силы трения противоположно направлению дви-
жения.
4. Для характеристики силы трения вводится коэффициент
трения:
(4.13)
5. Коэффициент трения не зависит от величины силы реакции
опоры и площади поверхности соприкосновения.
6. Коэффициент трения зависит от вида материалов тел, ка-
чества обработки поверхности (рис. 4.9) и относительной скорости
(рис. 4.10).
Сделаем несколько комментариев относительно перечисленных
свойств.
1. Если тело не движется, то сила трения или отсутствует или
противоположна приложенной к телу горизонтальной силе.
Рис. 4.9. Влияние
шероховатостей
Рис. 4.10. Сила сухого
трения
2. Независимость от величины силы реакции опоры и площади
поверхности соприкосновения устанавливается экспериментально.
3. Зависимость от качества обработки поверхности (степени ше-
роховатости поверхности) немонотонная - минимальный коэффици-
ент трения для некоторой конечной степени шероховатости.
4. Экспериментально определенные коэффициенты трения для
пары материалов поверхностей сведены в специальные таблицы.
Зная эти коэффициенты, можно вычислять силу трения по формуле:
Ртр=^. (4.14)
5. Формулы для силы трения и коэффициента трения математи-
чески эквивалентны, но принципиально отличны с точки зрения фи-
зики, так как одна позволяет создавать таблицы на основе экспери-
ментальных данных, а другая использует эти таблицы при решении
расчетных задач.
6. Зависимость коэффициента трения от скорости, изображенная
на рис. 4.10, носит немонотонный характер и в целях наглядности
изображена гиперболизированной - в реальности величина провала
(падения) в коэффициенте трения не превосходит 1-2% от значения
при нулевой скорости. Поэтому в большинстве задач можно не учи-
тывать зависимость коэффициента трения от скорости. Однако су-
ществуют явления, которые не могут быть объяснены без учета рас-
сматриваемой зависимости, например: скрип открываемой двери
или игра смычком на скрипке.
4.7.3. Сила упругости
Рассмотрим деформацию абсолютно упругого тела (рис. 4.11).
Для него справедлив закон Гука:
Еупр=к-Ы, (4.15)
где Еупр - сила упругости, т.е. сила, возникающая внутри тела
и препятствующая дальнейшей деформации тела (рис. 4.12), к - по-
стоянный коэффициент.
Свойства коэффициента к:
1. Не зависит от величины силы.
2. Зависит от материала и размеров тел.
Также возможна запись закона Гука в независящем от размеров
виде (см. главу «Статика»).
Рис. 4.11.
Растяжение тел
Рис. 4.12.
Сила упругости
4.7.4. Сила вязкого трения
Сила вязкого трения - это сила, препятствующая движению тела
в среде.
Мы ощущаем эту силу, например, когда вбегаем в воду или бы-
стро едем на велосипеде.
Для малых скоростей у сила вязкого трения вычисляется так:
Рв.тр = -а-г.
(4.16)
Свойства коэффициента пропорциональности а :
1. Зависит от вязкости среды (соответствующего свойства любой
жидкости или газа).
2. Зависит от размеров тела.
3. Зависит от формы тела.
4. Зависит от ориентации вектора скорости (рис. 4.13).
То есть коэффициент а будет разным для каждого из трех изо-
браженных векторов скорости.
Если не ограничиваться малыми скоростями, то вид зависимо-
сти силы вязкого трения от скорости имеет вид, изображенный на
рис. 4.14.
Рис. 4.14. Сила вязкого
трения
Рис. 4.13. Зависимость
коэффициента а
от ориентации
Видно, что с увеличением скорости зависимость из линейной
переходит в квадратичную. В связи с этим возникает понятие эко-
номичной скорости, т.е. максимальной скорости, для которой зави-
симость еще линейна. Проще всего это понятие ощутить по количе-
ству бензина, требуемому автомобилю на преодоление 100 км.
После скорости порядка 60 км/ч это количество начинает постепен-
но расти.
Контрольные вопросы
1. Что такое физическое поле?
2. Перечислите основные свойства физических полей.
3. Как зависит напряженность гравитационного поля от расстояния?
4. Чему равна индукция магнитного поля, создаваемого покоящим-
ся зарядом?
5. Сформулируйте принцип суперпозиции.
6. Почему вычисляют силы для моделей тел?
7. Что такое сила тяжести?
8. Перечислите свойства контактных сил.
9. Как сила сухого трения зависит от величины относительной ско-
рости тел?
10. От чего зависит коэффициент пропорциональности в законе
Гука?
11. Всегда ли зависимость силы вязкого трения от скорости является
линейной?
Глава 5
ДИНАМИКА ПОСТУПАТЕЛЬНОГО
ДВИЖЕНИЯ
В ходе изучения главы важно запомнить: определение основ-
ных динамических характеристик поступательного движения ма-
териальной точки, законы Ньютона, понятие о консервативной
силе, формулировки законов сохранения импульса, механической
энергии и полной энергии.
В основе классической механики лежат законы Ньютона. Обычно
законы носят имя тех, кто их открыл, однако Ньютон не является
создателем первого и второго законов. Почему же они носят имя
Ньютона? Исаак Ньютон объединил эти три закона и доказал в сво-
ем великом труде «Математические начала натуральной филосо-
фии» (1687 г.), что знания этих законов достаточно для решения лю-
бых задач механики. При этом подразумевалось, что известны
выражения для всех сил, рассматриваемых в данной задаче.
Начнем последовательно рассматривать законы Ньютона, ис-
пользуя для этого более современный способ изложения, введенный
последователями Ньютона, так как язык «Математических начал
натуральной философии» - это геометрия.
5.1. Первый закон Ньютона
Существуют такие системы отсчета, которые называются
инерциальными, в которых если на тело не действует сила, то тело
или покоится или движется прямолинейно-равномерно.
Это закон существования инерциальных систем. Сколько же
инерциальных систем существует согласно первому закону? Как для
любой теоремы существования согласно первому закону Ньютона
должна существовать хотя бы одна такая система. В развитие перво-
го закона доказано, что если существует одна инерциальная систе-
ма отсчета (СО), то любая другая СО, движущаяся относительно
нее с постоянной скоростью, также будет инерциальной.
Таким образом, инерциальных систем бесконечно много и для
каждой задачи можно подобрать соответствующую СО.
В неинерциальных СО в отсутствие сил возможны сложные не
прямолинейные движения. Поэтому использование таких систем
неудобно, однако ими иногда приходится пользоваться, так как вра-
щающаяся Земля - неинерциальная СО и нельзя объяснить некото-
рые явления без рассмотрения задачи в неинерциальных системах.
5.2. Второй закон Ньютона
Мы рассмотрим четыре различные формулировки этого закона
и обсудим, зачем нужна каждая из них.
Первая формулировка - это экспериментальный закон. Он может
быть легко установлен, например, для тела на воздушной подушке,
если измерить его ускорение и действующую на него суммарную
силу (с помощью динамометра).
Ускорение, приобретаемое материальной точкой в инерциальной
системе отсчета, совпадает по направлению с действующей на нее
результирующей силой и прямо пропорционально этой силе.
а^Р
Т рез ’
В таком виде закон неудобен для использования, так как пропор-
циональности плохо поддаются математическим преобразованиям.
Поэтому следует от пропорциональности перейти к равенству, кото-
рое удобно для математических операций. Для этого необходимо
ввести коэффициент пропорциональности. В данном случае коэф-
фициент пропорциональности - физическая величина, являющаяся
мерой инертности. Мера инертности тела при поступательном дви-
жении называется инертной массой тИ.
Таким образом, получаем вторую формулировку второго закона
в виде равенства:
= (5Л)
гДе: = ЕЛ-
/=1
Надо подчеркнуть, что инертная масса во втором законе - это
просто коэффициент пропорциональности между ускорением и си-
лой. Ее физический смысл становится ясным при рассмотрении
принципа эквивалентности.
Принцип эквивалентности
Инертная масса равна гравитационной массе:
ти = тгр.
Этот принцип экспериментально установлен знаменитым венгер-
ским физиком Лораном Этвешем (1848-1918). Принцип многократ-
но проверялся и подтвержден с очень большой степенью точности.
Совпадение инертной и гравитационной масс не следует из ка-
ких-то общих принципов, это свойство окружающего мира. И это
очень благоприятное для нас свойство, так как несовпадение указан-
ных масс могло бы, например, привести к принципиально более
сложным движениям планет, а следовательно, резко уменьшить ве-
роятность возникновения жизни на основе белков.
Теперь мы можем говорить просто масса, так как ее различные
виды совпадают.
Импульсом материальной точки массой т, движущейся со ско-
ростью V, называется физическая величина, задаваемая следующим
соотношением:
р = т-у. (5.2)
Используя понятие импульса, получим третью формулировку
второго закона Ньютона:
^=р
<и рез'
Покажем, что в рамках классической механики вторая и третья
формулировки эквивалентны:
Ф ? /с
~г=т~с=та = рр^- (5-3)
си си
Однако в рамках современной физики эти формулировки неэк-
вивалентны, поскольку, как следует из результатов специальной тео-
рии относительности (СТО) Альберта Эйнштейна, масса зависит от
скорости следующим образом:
где /770 - масса покоя, т.е. масса при нулевой скорости тела, с - ско-
рость света. Если скорость тела не превышает одного процента от
скорости света, то массу можно считать постоянной. Таким образом,
только третья формулировка второго закона Ньютона является спра-
ведливой как в классической, так и в современной физике.
Возможна еще одна (четвертая) формулировка второго закона,
позволяющая формализовать решение механических задач.
Представив ускорение как вторую производную от радиус-
вектора, получим
т—- =
<11
п .
й=1
(1г
о»
(5.5)
где Ек - силы, действующие на материальную точку, которые в об-
щем случае могут зависеть от координат, скоростей и времени,
п - количество сил. Уравнение представляет собой дифференциаль-
ное уравнение второго порядка, решением которого будет закон
движения г (7). В теории обыкновенных дифференциальных урав-
нений показано, что при заданных начальных условиях такие урав-
нения всегда имеют единственное решение.
Такой подход позволяет сказать, что в рамках динамики обратная
задача получает окончательное решение.
5.3. Третий закон Ньютона
Если два тела взаимодействуют друг с другом, то сила, дейст-
вующая на первое тело со стороны второго, равна по величине
и противоположна по направлению силе, действующей на второе
тело со стороны первого.
В виде формулы третий закон записывается так:
Л 2 = “^21 ’
где Еп - сила, действующая на первое тело со стороны второго,
а Т21 - сила, действующая на второе тело со стороны первого. На
рис. 5.1 показан опыт, подтверждающий третий закон.
Рис. 5.1. Третий закон Ньютона
Несмотря на свою простоту, третий закон Ньютона часто вызы-
вает трудности при своем применении, поэтому проиллюстрируем
его действие на следующем примере. На лежащую на столе книгу,
как и на любое другое тело у поверхности Земли, действует сила
тяжести. Какая сила равна ей по третьему закону Ньютона? Это сила
гравитационного притяжения, действующая на Землю со стороны
книги. В свою очередь, действующая на книгу со стороны стола сила
реакции опоры равна в силу третьего закона силе, действующей на
стол со стороны книги, которая называется весом тела.
Напомним, что весом называется сила, с которой тело действует
на подставку или подвес.
5.4. Закон сохранения импульса
Определенный нами импульс, так же как и некоторые другие фи-
зические величины, которые мы рассмотрим позже, обладает осо-
бым свойством - сохраняемостью при некоторых условиях.
Совокупность материальных точек, рассматриваемых как единое
целое, называется механической системой.
Импульс системы, состоящей из п материальных точек, равен:
Рсиет =^Р1 = Е»ЛЛ, (5.6)
/=1 /=1
где пц - массы материальных точек, входящих в систему.
Силы взаимодействия можно разделить на внутренние и внеш-
ние. Силы взаимодействия между материальными точками механи-
ческой системы называются внутренними. Силы, с которыми на ма-
териальные точки системы действуют внешние тела, называются
внешними.
Эти определения позволяют выделить важный вид механических
систем - замкнутые системы.
Механическая система, на которую не действуют внешние силы,
называется замкнутой (изолированной).
Закон сохранения импульса для замкнутой системы
В инерциальной системе отсчета суммарный импульс замкнутой
системы с течением времени не изменяется. То есть
Рсист = Ъ тУ = сопМ. (5.7)
/=1
Докажем это утверждение. Для этого воспользуемся третьей
формулировкой второго закона Ньютона, подразделением всех сил
на внутренние и внешние, определением замкнутой системы и треть-
им законом Ньютона.
^Р сист
&
= ЕЛ = Е Рквиутр + Е Р-неш =0 + 0 = 0.
/=1 к=\ /=1
(5.8)
Сумма внешних сил равна нулю вследствие определения замкну-
той системы, а сумму внутренних сил можно представить в виде
суммы пар противоположно направленных сил, удовлетворяющих
третьему закону Ньютона. Так как производная от полного импульса
равна нулю, то
Рсист = С0™1-
Замечание. Данное доказательство справедливо в рамках меха-
ники, в других разделах физики для доказательства требуется ис-
пользовать соответствующие законы этих разделов. В то же время
закон сохранения импульса - фундаментальный закон природы
(справедлив для любых явлений природы), так как является следст-
вием однородности пространства.
5.5. Центр масс
Центром масс (центром инерции) системы материальных точек
называется воображаемая точка С, радиус-вектор которой равен:
п
13 ^ггг
Гс = , (5.9)
/=1
где пц и г1 - масса и радиус-вектор /-ой материальной точки. В слу-
чае сплошных тел суммы заменяются интегралами по объему тела.
Сделаем два важных замечания относительно введенного понятия.
Часто вместо него используют понятие центра тяжести тела, кото-
рое предполагает однородность гравитационного поля во всех точ-
ках тела. Однако это несправедливо для достаточно крупных тел,
поэтому предпочтительнее использовать всегда применимое понятие
центра масс. Хотя для тел сложной формы точка центра масс может
находиться вне тела, принято прилагать результирующую силу
именно к центру масс. Также точка центра масс обладает следую-
щим важным свойством.
Импульс системы материальных точек равен произведению мас-
сы системы на скорость поступательного движения ее центра
масс.
Рсист (5.10)
Это свойство обеспечивает возможность использования систе-
мы отсчета центра масс - очень удобной инерциальной системы
отсчета.
5.6. Работа силы
5.6.1. Работа постоянной силы
перемещения.
Р
Рис. 5.2. Работа
постоянной силы
Понятие работы возникает как развитие золотого правила меха-
ники, полученного для простых механизмов типа рычага или блока.
Для постоянной силы и прямолинейного перемещения работой
силы называется скалярное произведение вектора силы на вектор
Используя определение скалярного про-
изведения, это определение можно записать
иначе (рис. 5.2):
Л = К-5-СО86С, (5.11)
где а - угол между векторами силы и пере-
мещения. Однако в большинстве случаев
движения тел не соблюдаются оба условия
справедливости формулы (5.11), поэтому необходимо обобщить оп-
ределение на случай переменной силы и криволинейной траектории
движения.
5.6.2. Работа переменной силы
Рассмотрим перемещение материальной точки под действием
силы В вдоль криволинейной траектории от точки В до точки С
(рис. 5.3).
Рис. 5.3. Работа переменной силы
Разобьем траекторию на маленькие отрезки , такие, что на ка-
ждом из них силу можно считать постоянной, а перемещение - пря-
молинейным. Тогда на каждом отрезке для расчета элементарной
работы б/Д можно воспользоваться формулой (5.11):
= В\сД со$аг (5.12)
Просуммировав частные работы (5.12) по траектории ВС, полу-
чим приближенное выражение для полной работы:
Л = (5.13)
/
Для получения точного выражения надо найти предел сумм (5.13)
при стремлении длин отрезков к нулю. Этот предел, как известно,
называется интегралом, т.е.
с
А = /В-со8а<В. (5.14)
в
Формула (5.14) - это и есть искомое общее определение работы
силы.
Так как, согласно геометрическому смыслу интеграла, его значе-
ние численно равно площади под графиком подынтегральной функ-
ции, то работу можно определить как на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Вычисление работы
5.7. Энергия
Энергией называется скалярная физическая величина, характе-
ризующая общую количественную меру различных процессов и ви-
дов взаимодействия.
В физике обычно используют конструктивное определение пол-
ной энергии как суммы частных энергий, для которых можно запи-
сать конкретные выражения.
Механическая энергия характеризует движение и взаимодействие
тел и равна сумме кинетической и потенциальной энергий.
5.7.1. Кинетическая энергия
Кинетическая энергия Л?/ материальной точки с массой пц
движущейся со скоростью V/ в заданной инерциальной системе от-
счета или имеющей импульс равна:
Кинетическая энергия К системы материальных точек равна
сумме:
2 2
« п ту п V
К = = (5.16)
/=1 /=1 2 /=12т-
Теорема о связи энергии и работы
Теорема. Работа результирующей силы равна изменению кине-
тической энергии на концах траектории.
Докажем эту теорему.
л СГк СГ^Р СГ^ ту2 С тг
ЛРез = ] Рре3Ж =] ~ = КС~КВ-
в в ш в 2 в
Первое равенство следует из определения работы, второе из вто-
рого закона Ньютона и определения скорости, третье - из определе-
ния импульса, а четвертое и пятое - из правил интегрирования.
5.7.2. Консервативные силы
Если под действием силы происходит перемещение тела из одно-
го положения в другое и работа, совершаемая при этом, не зависит
от того, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит
только от начального и конечного положений, то такая сила называ-
ется консервативной.
Данное определение можно записать формально так (рис. 5.5):
с С
I Рбз = / Р(р8.
В В
1-й путь 2-й путь
Здесь 1-й и 2-й пути - два произвольных пути, соединяющих точ-
ки В и С.
Рис. 5.5. К определению консервативной силы
Напомним, что произвольная замкнутая кривая в пространстве
называется замкнутым контуром, а интеграл вдоль такой кривой -
контурным интегралом. Эти понятия дают возможность сформу-
лировать другое определение консервативных сил.
Сила называется консервативной, если ее работа по любому
замкнутому контуру равна нулю:
/ Ес18 = 0.
Можно доказать, что оба определения эквивалентны.
Второе определение, в частности, позволяет показать, что силы
трения, которые всегда направлены противоположно направлению
движения, являются неконсервативными (см. в разделе «Матема-
тика» пример вычисления контурного интеграла).
5.7.3. Потенциальная энергия
Работа консервативных сил, приложенных к телу, равна изме-
нению потенциальной энергии этого тела, взятому с обратным
знаком:
АЦ = ЦС-ЦВ=-АКОН. (5.17)
При этом потенциальная энергия определяется с точностью до
константы, так как при увеличении значения потенциальной энергии
во всех точках на одну и ту же величину разность ДЕ/ не изменит-
ся. Для определенности необходимо выбрать начальную точку (на-
чальный уровень) и задать в ней значение потенциальной энергии
(начальное значение). Выбор начального уровня и начального зна-
чения произволен и обычно вызван упрощением выражения в каж-
дом конкретном случае. Таким образом, потенциальная энергия
в точке с радиус-вектором г равна разности ее значения в началь-
ной точке г0 и работы силы по перемещению из начальной в рас-
сматриваемую точку:
щ?) = е/(;о)-/ж*.
5.7.4. Вычисление сил
В механике часто приходится решать обратную задачу, а именно:
находить значение силы по заданному выражению для потенциаль-
ной энергии. То есть, если известно выражение для потенциальной
энергии V = и(х, у, и), то:
„ эи „ ди „ ди
р =-------, Р =--------, Р =-------.
дх у ду 2 дг
Например, если источники силового поля распределены непре-
рывно в некоторой области пространства, то вычисление по принци-
пу суперпозиции потенциальной энергии математически значитель-
но более простая задача, чем вычисление вектора силы.
5.7.5. Закон сохранения механической энергии
В системе тел, между которыми действуют консервативные
силы, механическая энергия сохраняется, т.е. не изменяется со вре-
менем:
К + и = Е = сот!.
Для доказательства закона используем теорему о связи энергии
и работы и определение потенциальной энергии.
В замкнутой системе тел, силы взаимодействия между которы-
ми консервативны, взаимные превращения механической энергии
в другие виды отсутствуют. Такие системы называются замкнутыми
консервативными системами.
5.7.6. Закон сохранения полной энергии
Существует еще один вид систем - диссипативные системы -
такие системы, в которых механическая энергия постепенно умень-
шается за счет преобразования в другие (немеханические) формы
энергии.
В замкнутой системе при наличии силы трения, которая не яв-
ляется консервативной, полная механическая энергия системы при
движении убывает. В этом случае закон сохранения механической
энергии не справедлив.
Пусть на материальную точку действуют три силы: консерватив-
ная, трения и внешняя неконсервативная, тогда:
р = р + Р + Р (5 18)
рез коне 1 тр 1 вн. неконс.'
Согласно теореме о связи энергии и работы,
с
1 (Рконс + Лир + Ли неконс = ^К. (5-19)
<7 4 КвНС Гг1р оп.пеКОпе.7 к '
В
Действие диссипативной силы Ктр приводит к переходу части
механической энергии в тепло, поэтому определим изменение внут-
с
ренней энергии следующим образом: ^Увиутр = — /Тогда,
в
используя определение изменения потенциальной энергии ДЕ/, по-
лучим:
}реннекоНс^ = ^к + ^ + ^еНутР- (5-20)
В
Если внешняя неконсервативная сила отсутствует, то сумма из-
менений энергий равна нулю. Следовательно,
к + ц + ивнутр. =СОП81.
Аналогичное рассмотрение для замкнутой диссипативной систе-
мы позволяет утверждать, что это соотношение справедливо также и
в этом случае. Таким образом, в общем случае можно использовать
закон сохранения полной энергии, которая включает, кроме меха-
нической, еще внутреннюю энергию тел.
Закон сохранения полной энергии. В замкнутой системе пол-
ная энергия сохраняется.
В общем случае во внутреннюю энергию, помимо тепловой энер-
гии, могут входить ядерная, химическая, электромагнитная и т.д.
Контрольные вопросы
1. Какие системы отсчета называются инерциальными?
2. Что является мерой инертности?
3. В чем состоит принцип эквивалентности?
4. Что такое импульс?
5. В чем значение записи второго закона Ньютона в виде дифферен-
циального уравнения?
6. Что называется весом тела?
7. Когда возникает невесомость? Приведите примеры.
8. Что называется механической системой?
9. Для каких систем справедлив закон сохранения импульса?
10. Как движется центр масс замкнутой системы?
11. Что такое энергия?
12. Какие силы называются консервативными?
13. Какова связь между силой и потенциальной энергией?
14. Какие силы являются диссипативными?
15. Зачем выбирают начальный уровень при определении потенци- альной энергии?
16. Является ли замкнутость системы необходимым условием для справедливости закона сохранения механической энергии?
Глава 6
КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА
ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
В ходе изучения главы важно запомнить: определения основ-
ных кинематических и динамических характеристик вращательного
движения, формулировки основного закона вращательного движе-
ния, теоремы Штейнера и закона сохранения момента импульса.
6.1. Кинематика вращательного движения
Покажем, что вращательное движение имеет смысл рассматри-
вать только в модели абсолютно твердого тела. На рис. 6.1 изобра-
жены: ось вращения, тело и три точки: А, В и С внутри него. Вместо
движения всего тела рассмотрим движение только этих трех точек.
Для того чтобы траектории движения рассматриваемых точек: ду-
ги ЛЛ7, ВВГ и ССГ - представляли собой дуги окружностей с оди-
наковым центральным углом, необходимо, чтобы радиусы г\ и г2
не изменялись и линия ВС не искривлялась в процессе движения,
т.е. должны отсутствовать любые деформации тела.
Рис. 6.1. К обоснованию использования модели абсолютно твердого тела
В случае модели абсолютно твердого тела все его точки сохра-
няют неизменное взаимное расположение и радиусы вращения всех
точек описывают одинаковые углы за одно и то же время. Это об-
стоятельство позволяет ввести характеристики, единые для всех то-
чек тела, что принципиально облегчает описание вращательного
движения.
Углом поворота называется угол ср. который описывает радиус
вращения К за некоторое время Л
Кинематическое уравнение вращательного движения задается
функцией времени: (р = (р (Г).
Рис. 6.2. Некоммутативность поворотов
Пока угол введен как скалярная величина и возникает вопрос:
а можно ли его ввести
Рис. 6.3. Вектор
угловой скорости
как вектор? Доказано, что это не возмож-
но принципиально. Проиллюстрируем это
рис. 6.2. Здесь изображен результат двух
последовательных поворотов относитель-
но осей ОХ и ОУ в разной последователь-
ности. Видно, что результат зависит от
порядка выполнения, т.е. сложение пово-
ротов не является коммутативной опера-
цией. В то же время коммутативность сло-
жения есть неотъемлемое свойство любых
векторных величин. Поэтому характеристику поворота ср нельзя вве-
сти как вектор.
Аналогично случаю поступательного движения введем остальные
кинематические характеристики вращательного движения.
Величина, характеризующая быстроту изменения угла поворота (р
с течением времени, называется угловой скоростью и определяется
с!ср
производной от угла поворота (р по времени: со = —
Ж
В отличие от (р угловую скорость можно ввести как вектор.
Угловая скорость тела представляет собой вектор со. который
направлен вдоль оси вращения тела таким образом, чтобы, смотря
вдоль вектора, видеть вращение тела, совершающееся по часовой
стрелке (рис. 6.3). Модуль этого вектора равен абсолютной величине
1-1 г
|бУ| = угловой скорости со. точка его приложения выбирается на
оси вращения произвольно, т.е. вектор угловой скорости - скользя-
щий вектор.
Угловым ускорением называется векторная величина, характе-
ризующая быстроту изменения угловой скорости тела с течением
времени и равная первой производной угловой скорости тела по вре-
мени.
Если направление оси вращения не изменяется, то вектор углово-
го ускорения е направлен по оси вращения; при ускоренном движе-
нии направление вектора е совпадает с направлением вектора со.
а при замедленном - противоположно ему (рис. 6.4).
Рис. 6.4. Направление вектора углового ускорения
6.2. Связь с характеристиками поступательного
движения
Найдем связь между линейными (длина пути 5, пройденного точ-
кой вдоль дуги окружности радиуса К, линейная скорость у, танген-
циальное ат, нормальное ал ускорения) и угловыми величинами
(угол поворота ср, угловая скорость бУ, угловое ускорение г).
Согласно теореме из геометрии: длина дуги окружности равна
произведению радиуса окружности на величину центрального угла,
опирающегося на эту дугу.
©5 = Кер. (6.2)
Это чисто геометрический факт. Про-
дифференцируем по времени обе стороны
формулы (6.2) и дадим результатам механи-
ческую интерпретацию. Тогда
V = Кео. (6.3)
Продифференцировав соотношение (6.3),
О
получим
Рис. 6.5. Пояснение
к формуле (6.2) ат — Ке. (6.4)
Подставив в определение нормального
ускорения выражение (6.3) для величины скорости, получим
ап = ео2К. (6.5)
Как следует из соотношений (6.3)-(6.5), величина скорости и со-
ставляющие ускорения пропорциональны радиусу вращающегося
тела. Поэтому прочностные характеристики тела (силы, связываю-
щие отдельные его части) накладывают ограничения на его макси-
мальные угловые скорости и ускорения.
6.3. Динамика вращательного движения
Рис. 6.6. К обоснованию
ввода понятия момента
силы
Прежде всего, покажем, что для
описания динамики вращательного дви-
жения необходимо ввести новую физи-
ческую величину. Для этого рассмотрим
тело прямоугольной формы, способ-
ное вращаться относительно оси,
перпендикулярной плоскости рисунка
(рис. 6.6).
Пусть на тело действуют 5 сил, одинаковых по величине, но
имеющих разные направления и(или) точки приложения. Силы
и Е2 не приводят к возникновению вращения; под действием силы
вращение будет происходить быстрее, чем и в случае Е3,
и в случае силы Р5. Таким образом, необходимо ввести новую фи-
зическую величину, включающую в себя 3 элемента: величину силы,
направление силы и точку приложения силы.
6.3.1. Момент силы
Моментом силы относительно точки О называется вектор М,
задаваемый соотношением:
М =гхЕ,
где г - радиус-вектор точки приложения силы относительно точ-
ки О.
Напомним, что результат векторного произведения перпендику-
лярен сомножителям и его направление определяется по правилу
правой руки (рис. 6.7).
Рис. 6.7. Правило правой руки
Модуль вектора моменты силы, согласно определению век-
торного произведения, равен:
\М| = |г|-1^ -зта.
(6.6)
Рис. 6.8. Вычисление
величины момента силы
2
Рис. 6.9. Момент силы
относительно оси
Как видно из рис 6.8 модуль вектора момента силы равен удво-
енной площади заштрихованного треугольника, которая в свою оче-
редь равна половине произведения стороны треугольника на высоту.
Таким образом, величина момента силы равна произведению вели-
чины силы Е на плечо этой силы г± (расстоянию от точки О до ли-
нии действия силы): М = Е -гг.
Моментом силы относительно оси М2 называется проекция
момента силы относительно точки, расположенной на этой оси,
на рассматриваемую ось (рис. 6.9).
Справедливость этого определения обусловлена следующей тео-
ремой.
Теорема. Для заданной силы Е и любых двух точек (91 и (Е на
оси проекции на рассматриваемую ось для моментов силы относи-
тельно точек (91 и (92 равны.
6.3.2. Основной закон динамики вращательного движения
Этот закон является аналогом второго закона Ньютона для вра-
щательного движения.
Если на тело (или систему материальных точек) действуют не-
сколько моментов сил, то их геометрическая сумма называется ре-
зультирующим моментом силы.
Мы рассмотрим 3 формулировки этого закона. Первая формули-
ровка - экспериментальная. В частности, в его справедливости мож-
но убедиться при выполнении экспериментов на так называемом
маятнике Обербека. Рассмотрим сначала случай движения относи-
тельно закрепленной (не изменяющей свое направление) оси.
Закон. Величина углового ускорения прямо пропорциональна ре-
зультирующему моменту силы относительно оси.
^Мгрез-
Так как пропорциональности не позволяют проводить с собой
математические преобразования, запишем закон в виде равенства,
введя для этого коэффициент пропорциональности I:
1?=М1рез. (6.7)
I называется моментом инерции системы точек (тела) относи-
тельно оси вращения. Момент инерции характеризует инерционные
свойства тела при вращательном движении, т.е. показывает насколь-
ко тяжело раскрутить или затормозить вращающееся тело. Можно
показать, что момент инерции системы точек - скалярная физиче-
ская величина, равная сумме произведений масс материальных точек
системы на квадраты их расстояний до рассматриваемой оси:
/ = (6-8)
В случае непрерывного распределения масс эта сумма сводится к
интегралу, где интегрирование производится по всему объему тела
(рис. 6.10).
I = / г2 (1т.
(6.9)
Как видно из формул (6.8) и (6.9), момент инерции является су-
щественно более сложной характеристикой, чем масса тела (харак-
теризует инерционные свойства при поступательном движении), так
как зависит от распределения массы внутри тела и расположения
оси вращения. Таким образом, при смене оси вращения необходимо
пересчитывать величину I. Однако есть два обстоятельства, облег-
чающих процесс определения момента инерции.
Для однородных тел простой формы
и осей вращения, проходящих через их
центры масс, моменты инерции посчитаны
и размещены в специальных справочни-
ках. На рис. 6.11 можно увидеть результа-
ты некоторых таких расчетов.
Если ось вращения не проходит через
Рис. 6.10. Определение
момента инерции
центр масс тела, то может помочь приме-
нение следующей теоремы.
Тело I
Обруч или кольцо Диск или цилиндр Стержень Твердый шар Сферическая оболочка тК 2 тК 2 2 т!2 12 2 П 2 — тК 2 »2 — тК . к
\
1_ *
1\
\1 ) К \
Рис. 6.11. Моменты инерции некоторых тел
Теорема Штейнера. Момент инерции тела относительно лю-
бой оси вращения равен сумме его момента инерции относитель-
ны. 6.12.
Теорема Штейнера
но параллельной оси, проходящей через центр
масс тела, и произведения его массы на квад-
рат расстояния между осями (рис. 6.12).
Г = 1 + т12.
(6.10)
Если не выполняются условия теоремы,
необходимо использовать формулы (6.8)
и (6.9).
Если не ограничиваться случаем постоян-
ной оси вращения, то требуется ввести новые
физические величины.
6.3.3. Момент импульса
Моментом импульса материальной точки массой т, движущей-
ся со скоростью г, называется вектор:
Ь = г хр,
где г - радиус-вектор, р = ту - импульс материальной точки.
Момент импульса твердого тела определяется как сумма момен-
тов импульса его частей. Можно доказать, что при вращении отно-
сительно постоянной оси момент импульса тела равен:
(6-11)
Рассмотрим движение материальной точки под действием систе-
мы сил относительно неподвижной точки О. Используя второй закон
Ньютона, свойства векторного произведения и определение момента
силы, получим выражение для производной момента импульса:
б/Е б/г с1р
— = — Х/Ж'Х —=
= ухр + гхГрез=Мрез.
Здесь Мрез - сумма всех моментов сил, действующих на тело.
Используя третий закон Ньютона и модель абсолютно твердого
тела, можно аналогичным способом получить основной закон дина-
мики вращательного движения в общем случае.
Производная момента импульса твердого тела относительно
неподвижной точки равна результирующему моменту силы отно-
сительно той же точки.
^1 = Мрез (6.12)
<М
При этом формула (6.11) в общем случае перестает быть спра-
ведливой, так как вектора момента импульса и угловой скорости
не параллельны. Закон вращательного движения в форме (6.12) осо-
бенно важен для описания сложнокоординированных спортивных
движений.
Закон сохранения момента импульса. В замкнутой системе
отсчета полный момент импульса сохраняется: й1Ю1Ш = сопМ.
Таким образом, для твердого тела [если при этом выполнено со-
отношение (6.11)] закон сохранения момента импульса объясняет
увеличение угловой скорости при уменьшении момента инерции.
Этот случай реализуются, например, при выполнении прыжков
в фигурном катании.
6.4. Работа и энергия при вращательном движении
Для описания вращательного движения также можно использо-
вать энергетический подход.
Кинетическая энергия тела, вращающегося с угловой скоро-
стью со, определяется выражением:
/ , _2
Если тело вращается, а его ось перемещается, оставаясь парал-
лельной самой себе во время движения, то в этом случае движение
тела является поступательным и вращательным одновременно. То-
гда полная кинетическая энергия:
Кпот=— + — (6-14)
Формула для механической работы в случае вращательного дви-
жения принимает вид:
А = / МАц).
6.5. Трение качения
При качении тел проявляется специальный тип сил трения - тре-
ние качения.
Уменьшение угловой скорости при качении тела (например, ци-
линдра) не может быть объяснено действием только силы трения
скольжения Ртр, приложенной в точке касания и направленной
в сторону, противоположную направлению движения тела, так как
момент силы трения, как видно из рис. 6.13, увеличивает угловую
скорость. Поэтому должен существовать тормозящий момент
Мтр кач , превышающий по величине момент силы трения. Момент
трения качения можно объяснить существованием действующей на
катящееся тело со стороны поверхности силы 7^, перпендикуляр-
ной поверхности и не проходящей через ось вращения тела. Физиче-
ской причиной возникновения трения качения является проминание
соприкасающихся поверхностей (в результате этого тело, катящееся
по поверхности другого тела, как бы постоянно «едет в гору», на что
требуется определенная энергия), а также прилипание трущихся по-
верхностей друг к другу. Если тело движется без проскальзывания,
то можно вывести соотношения между силами Етр и :
Рис. 6.13. Трение качения
Если величины силы трения недостаточно, то возникает про-
скальзывание.
С другой стороны, для описания поступательного движения
катящегося тела используют силу трения качения, выражаемую
подобно силе сухого трения следующим образом:
77 7
г — к—
тр.кач. ’
(6.15)
В этой формуле к - коэффициент трения качения, который для
шаров и цилиндров из различных материалов можно отыскать в
справочниках, - сила нормального давления, К - радиус катящего-
ся тела. Однако необходимо отметить, что величина коэффициента
трения качения зависит еще и от радиуса катящегося тела.
Контрольные вопросы
1. Для каких тел возможно введение единого угла поворота?
2. Почему угол поворота не является вектором?
3. Как направлен вектор угловой скорости?
4. В каком случае вектор углового ускорения направлен вдоль оси
вращения?
5. Какова связь между линейными и угловыми характеристиками?
6. Дайте определение момента силы относительно точки.
7. Что такое плечо силы?
8. Что характеризует момент инерции?
9. Относительно какой оси момент инерции будет минимальным?
10. Как найти результирующий момент силы?
11. В каком случае угловая скорость и момент импульса парал-
лельны?
12. Сформулируйте закон сохранения момента импульса.
13. В чем состоит физическая причина возникновения трения каче-
ния?
14. В каком случае при качении тела возникает проскальзывание?
Глава 7
СТАТИКА
В ходе изучения главы важно запомнить: понятие о механиче-
ском равновесии, его видах и условиях реализации; понятие о де-
формации и ее видах.
Статика изучает равновесие материальных точек, твердых тел
или систем тел.
7.1. Условия равновесия тел
Механическим равновесием называется состояние тела, когда
оно находится в покое или движется равномерно-прямолинейно.
Равновесие абсолютно твердого тела зависит не только от вели-
чины и направления действующих на тело сил, но и от точки их
приложения. Точка приложения силы к абсолютно твердому телу
может быть перенесена вдоль линии действия силы. Это возможно
из-за того, что при рассмотрении абсолютно твердого тела пренебре-
гают его деформацией. Тела, ограничивающие движение рассматри-
ваемого тела, называются связями, а силы, действующие со сторо-
ны связей на рассматриваемое тело, называются силами реакции
связей. Связями являются, например, различные опоры или под-
весы.
Так как в состоянии равновесия абсолютно твердого тела от-
сутствуют линейное и угловое ускорения, можно сформулировать
условия равновесия.
1. Если связи допускают только поступательное движение абсо-
лютно твердого тела, то оно будет находиться в равновесии при
условии:
п _>
Е^,=о
7=1
или в проекциях на оси прямоугольной системы координат:
п _> п _> п _>
Е^ = о; Е^ = о; Е^ = о-
7=1 7=1 7=1
Все силы считаются приложенными в центре масс тела;
п - число сил, действующих на тело.
2. Абсолютно твердое тело с закрепленной (неподвижной) осью
вращения находится в равновесии при условии равенства нулю век-
торной суммы всех сил и равенства нулю алгебраической суммы
проекций на ось вращения всех моментов внешних сил относитель-
но этой оси:
п _> п _>
Е75=О; ЕМу,=0.
7=1 7=1
Значения можно рассчитать как произведение величины силы
на плечо силы, а знак определяется по следующему правилу: проек-
ция момента силы, стремящейся повернуть тело против часовой
стрелки, считается положительной, а по часовой стрелке - отрица-
тельной.
3. В общем случае абсолютно твердое тело находится в равно-
весии при условии равенства нулю векторной суммы всех сил
и равенства нулю векторной суммы всех моментов внешних сил
относительно произвольной точки:
п _> п _>
Е/Л=О; ЕЧ=°-
7=1 7=1
Для заданных внешних сил записанные условия равновесия по-
зволяют определить неизвестные силы реакции связей. Если это
удается осуществить, то рассматриваемая система тел называется
статически определимой. В противном случае - статически неопре-
делимой системой.
В статике рассматривают три вида равновесия: устойчивое, неус-
тойчивое и безразличное.
Равновесие тела в некотором положении называется устойчи-
вым, если при любых малых отклонениях тела от этого положения,
допускаемых связями, возникают силы или моменты сил, стремя-
щиеся возвратить тело в исходное состояние.
Равновесие тела в некотором положении называется неустойчи-
вым, если при некоторых малых отклонениях тела от этого положе-
ния, допускаемых связями, возникают силы или моменты сил, стре-
мящиеся еще больше отклонить тело от начального положения.
Равновесие тела в некотором положении называется безразлич-
ным, если при любых малых отклонениях тела от этого положения,
допускаемых связями, не возникает сил или моментов сил, стремя-
щихся возвратить тело в исходное состояние или еще больше откло-
нить тело от начального положения.
Пусть равновесие материальной точки, тела или системы тел
обусловлено действием только потенциальных сил - тяготения, уп-
ругости или электростатических сил; тогда положению устойчивого
равновесия соответствует минимальное значение потенциальной
энергии по сравнению с ее значениями в ближайших соседних
положениях, допускаемых связями (принцип минимума потенци-
альной энергии). Условием равновесия является экстремальное зна-
чение потенциальной энергии, что математически выражается ра-
венством:
^ = 0.
(Их
Условием устойчивого равновесия является минимальное зна-
чение потенциальной энергии, что математически равносильно ус-
ловию:
Д^>0.
(1х
7.2. Деформация тел
В случае статически неопределимых систем уравнения равнове-
сия дополняются уравнениями, описывающими деформацию тел.
В природе не существует абсолютно твердых тел, поскольку все
реальные тела под действием сил изменяют свою форму и размеры,
т.е. деформируются. Деформация называется упругой, если после
прекращения действия внешних сил тело принимает первоначаль-
ные размеры и форму. Деформации, которые сохраняются в теле
после прекращения действия внешних сил, называются пластиче-
скими или остаточными.
Различают следующие виды деформаций: растяжение, сжатие,
сдвиг, изгиб, кручение.
Рассмотрим однородный стержень длиной / и площадью попе-
речного сечения 8, к концам которого приложены направленные
вдоль его оси равные по величине, но противоположно направлен-
ные силы и , и в результате чего длина стержня изменяется на
величину Л/.
Сила, действующая на единицу площади поперечного сечения,
называется напряжением:
т = -. (7.1)
Если сила направлена по нормали к поверхности (вдоль оси
стержня), то напряжение называется нормальным. Количественной
мерой, характеризующей степень деформации, испытываемой те-
лом, является его относительная деформация. Так, например, отно-
сительное изменение длины стержня:
А/
I '
(7.2)
Как следует из закона Гука, для малых деформаций относитель-
ное удлинение и напряжение прямо пропорциональны:
т = Ее,
(7.3)
где коэффициент пропорциональности Е называется модулем Юнга.
Связь между деформацией и напряжением представляется в виде
диаграммы напряжений (рис. 7.1). Линейная зависимость (закон
Гука) т от 8 выполняется на участке О А до предела пропорциональ-
Связь напряжения
и деформации
ности т„, с которым практически совпадает
предел упругости ту. За пределом пропор-
циональности удлинения начинают возрас-
тать быстрее нагрузок, и после перехода
«критической» точки (точка В) удлинение
может возрастать без увеличения нагрузки.
Напряжение, соответствующее точке В, на-
зывается пределом текучести тт. При даль-
нейшей нагрузке материал вновь приобрета-
ет способность сопротивляться растяжению:
кривая идет вверх. Затем в точке С наступает
разрыв. Нагрузка, действующая в момент
разрыва, отнесенная к первоначальной пло-
щади поперечного сечения, называется пре-
делом прочности тПР.
Контрольные вопросы
1. Что изучает статика?
2. Что такое механическое равновесие?
3. Какие тела называют связями?
4. Сформулируйте условие равновесия тела в общем случае.
5. Что такое статически определимая система?
6. Какие виды равновесия вы знаете?
7. Что такое неустойчивое равновесие?
8. Сформулируйте условия устойчивого равновесия.
9. Что такое остаточная деформация?
10. Что такое предел упругости?
Глава 8
КОЛЕБАНИЯ
В ходе изучения главы важно запомнить: определение осцил-
лятора и основных характеристик колебаний, понятие о видах ко-
лебаний и методах их описания, понятие о фазовом пространстве и
фазовой траектории.
8.1. Гармонические колебания
Рассмотрим несколько изображенных на рис. 8.1-8.7 систем, спо-
собных совершать движения с многократно меняющимся направле-
нием. Такие движения принято называть колебаниями. Колебания
являются не новым видом движения, а частным случаем поступа-
тельного или вращательного движения, характерная черта которого
- возвратность.
Причинами внимания к рассмотрению именно колебательного
движения являются большая распространенность данного вида дви-
жения и возможность продемонстрировать на простейшем примере
использование аппарата дифференциальных уравнений.
Системы, совершающие колебания, называются осцилляторами.
тх + тр — = О
Рис. 8.1. Математический
маятник
10+С0=О
Рис. 8.2. Крутильный
маятник
тх + кх = О
Гф + т§1 • 8Ш (р = О
к
т
со2
Рис. 8.3. Пружинный маятник
Рис. 8.4. Физический маятник
рГх + 2 р§х = О
Рис. 8.5.17-образная трубка
Рис. 8.6. Модель струны
Ы] + -3- = о
с
Рис. 8.7. Электрический колебательный контур
8.1.1. Уравнение гармонических колебаний
Рассмотрим подробнее один из осцилляторов - пружинный маят-
ник (рис. 8.8). Если на пружину подвесить груз массой т, то она уд-
линится на величину Ъ, так что в состоянии равновесия будет спра-
ведливо равенство:
кЬ = т§. (8.1)
Если предположить, что силы трения в системе отсутствуют, на
тело будут действовать только сила тяжести и сила упругости. При
этом уравнение второго закона Ньютона примет следующий вид:
та = Руг1р + т§. (8.2)
Рис. 8.8. Пружинный маятник
Поместим начало системы координат в точку равновесия и
спроецируем (8.2) на ось X, тогда:
та = -к(х + Ъ) + (8.3)
Подставив соотношение (8.1) в уравнение (8.3), получим:
та = -кх. (8.4)
Учитывая, что составляющая ускорения вдоль оси равна второй
производной от координаты:
получим дифференциальное уравнение движения пружинного маят-
ника:
т—^ + кх = 0. (8.5)
Разделив оба слагаемых на массу и введя обозначение б902 = —
получим:
б/2Х , 2 п
—- + акх = 0.
Л/2 и
(8.6)
Уравнение (8.6) называется дифференциальным уравнением
гармонических колебаний. Такое название обусловлено тем, что в
отсутствие диссипативных сил соответствующим выбором выраже-
ния для бУд уравнения для любых осцилляторов могут быть приве-
дены (рис. 8.1-8.7) к виду (8.6). Т.е. для всех осцилляторов решение
будет иметь один и тот же вид.
Определим размерность величины со^:
кг- м
\т\ кг с2-м-кг с1
Таким образом, величина 69О представляет собой частоту, в дан-
ном случае - собственную круговую частоту.
Напомним, что решением дифференциального уравнения являет-
ся функция, которая при подстановке в уравнение преобразует его
в тождество. Дифференциальное уравнение - линейное и его реше-
ния - функции:
х = А • соз и х = В • 8Ш .
(8.7)
Так как синус и косинус являются гармоническими функциями,
то так же называются и описываемые ими колебания. Общее реше-
ние (8.6) представляет собой линейную комбинацию функций (8.7):
х = а - 8т(бУ{/ + (р).
(8.8)
Соотношение (8.8) называется уравнением гармонических ко-
лебаний. С математической точки зрения соотношение (8.8) - функ-
ция, но таково исторически сложившееся название.
глллл
Рис. 8.9. График уравнения гармонического колебания
Здесь а - амплитуда (максимально возможное значение отклоне-
ния), <%>о - круговая частота, (р - начальная фаза, + (р - фаза
(рис. 8.9). Значения амплитуды и начальной фазы определяются из
начальных условий, т.е. значений координаты и скорости в началь-
ный момент времени.
Как хорошо видно из рис. 8.10, колебательное движение тесно
связано с вращательным, так как проекция на ось х радиус-вектора
г, вращающегося с угловой скоростью совершает гармониче-
ское колебание в соответствии с уравнением (8.8).
Рис. 8.10. Связь между колебаниями и вращательным движением
Продифференцировав по времени соотношение (8.8) и используя
известные формулы тригонометрии, получим:
с!х . х 7ГЧ
— = ай)^ • 81п(бУ0^ + (р+ —),
Ж 2
б/2х
—— = ай)
Л2
•8т(бУ(/ + ^+тг),
о
т.е. скорость опережает смещение на —, а ускорение - смеще-
ние На 71.
8.1.2. Энергия гармонического осциллятора
Так как на гармонический осциллятор не действуют диссипатив-
ные силы, то по теореме сохранения его механическая энергия
должна оставаться постоянной. Докажем, что это следует непосред-
ственно из дифференциального уравнения гармонических колеба-
ний. Рассмотрим на примере пружинного маятника. Сначала вычис-
лим работу силы упругости при растяжении (или сжатии) пружины
на величину х:
А = /(-/сх)-Ах = --/сх2. (8.9)
о
Предполагая нулевое значение потенциальной энергии в положе-
нии равновесия (х = 0), получим выражение для потенциальной
энергии растянутой или сжатой пружины:
Ц = -кх2.
2
(8.10)
Записав кинетическую энергию через производную от коорди-
наты:
ту2 _ т Гс7х^
2 ~ 2
(8.11)
и учитывая выражение для механической энергии Е = 17 + К, про-
дифференцируем Е по времени:
(7Е 1 с!х . с7х б/2х б/2х . т \(7х ~
— = кх------\-т-------—— т—— + кх\— = 0.
(71 (71 (71 (Иг ( (7г } Л
(8.12)
Равенство нулю вытекает непосредственно из уравнения (8.5).
Если производная равна нулю, следовательно, механическая энергия
сохраняется, т.е. в процессе движения происходит переход из кине-
тической энергии в потенциальную и обратно (рис. 8.11).
Рис. 8.11. Изменение кинетической и потенциальной энергий
гармонического осциллятора
8.1.3. Фазовые траектории
Для качественного анализа движения механических систем удоб-
но использовать метод построения так называемых фазовых траек-
торий в фазовом пространстве. Для одномерного движения
Рис. 8.12. Фазовые
траектории
построение таких траекторий является наи-
более простым и наглядным. Пространство,
в котором по разным осям откладывают
координаты и скорости частиц, называется
фазовым. В случае одномерного движения
фазовое пространство естественно является
двухмерным: оси х и ух. Точки в фазовом
пространстве задают состояния системы
в определенные моменты времени, а свя-
зывающая точки фазовая траектория опре-
деляет ее временную эволюцию. Для за-
данного значения механической энергии
пружинного маятника фазовая траектория -
замкнутая и имеет форму эллипса
(рис. 8.12).
8.2. Затухающие колебания
При движении реальных систем в большинстве случаев (особен-
но, если рассматриваются большие временные промежутки) не-
обходимо учитывать диссипативные силы. Посмотрим, как влияет
на движение осциллятора наличие силы вязкого трения (силы ли-
нейно зависящей от первой производной координаты). Выбор имен-
но этого варианта диссипативной силы связан с двумя обстоятельст-
вами. Во-первых, для многих систем, таких как математический
маятник или электрический колебательный контур, это основной
вид диссипативной силы. Во-вторых, случай сухого трения оказыва-
ется в математическом смысле более сложным, так как в точке оста-
новки при этом сила трения изменяется скачком.
Рассмотрим движение пружинного маятника, на который, кроме
силы упругости, действует также сила вязкого трения. После про-
ецирования уравнения второго закона Ньютона на ось х получим:
сРх 7 б/х
т—— = -кх -г—,
Л Л
(8.13)
где к - коэффициент упругости, а г - постоянная в выражении для
силы вязкого трения.
После преобразования и ввода новых обозначений а = —
2 т
и соц =— (8.13) переходит в дифференциальное уравнение зату-
т
хающих колебаний:
А2х с1х 2 м
—— + а------со(}х = 0.
сП2 сП 0
(8.14)
Уравнение (8.14) представляет собой линейное дифференциаль-
ное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами.
Как показано в разделе «Математика», возможны три принципиаль-
но различных вида решения в зависимости от знака величины:
а2 2
7 = Т-®о-
В случае сильного затухания (у > 0) решение уравнения (8.14)
х = е’р/(С1е?/+С2е’?')
называется апериодическим движением. Здесь Р = ~у б7 = лГ
и С2 - константы. Название обусловлено отсутствием прохождения
положения равновесия: получивший начальный толчок маятник
сможет вернуться в положение равновесия только за бесконечно
большой промежуток времени (рис. 8.13).
Увеличение силы вязкого трения (рост коэффициента а) приво-
дит к уменьшению величины максимального смещения и значения
времени, в которое оно достигается.
При 7 = 0 реализуется случай критического затухания:
х = (А +В1)е~р*.
где А и В - константы. График решения похож на изображенный на
рис. 8.13. Однако при этом возвращение в малую окрестность поло-
жения равновесия происходит за мини-
мальное время.
Первый и второй случаи крайне редко
могут реализовываться в механических
системах (в отличие от электрических
систем), так как, например, для пружин-
ного маятника движение должно проис-
ходить в очень вязкой среде, типа варе-
нья. В то же время случай критического
затухания вследствие своих экстремаль-
Рис. 8.13.
Апериодическое
движение
ных свойств крайне важен при создании стрелочных измерительных
приборов.
При у < 0 мы имеем случай затухающих колебаний (рис. 8.14):
х = а- е~р* 8т(аД + (р\
Следует отметить, что частота колебаний уменьшается при уве-
личении силы вязкого трения (рост коэффициента а).
Посмотрим на примере пружинного маятника, как изменяется
механическая энергия осциллятора, совершающего затухающие ко-
лебания:
с!Е _
(11 (11
т{(1х^\ . к 2
— — +— х
2 Ы1) 2
б#
(I2 х
(1Г
(1х
(11
2
Последнее равенства следует непосредственно из уравнения
(8.14). Таким образом, механическая энергия, как и следовало ожи-
дать, уменьшается и стоящее справа выражение является работой
силы вязкого трения в единицу времени.
Фазовая траектория в случае затухающих колебаний перестает
быть замкнутой линией и имеет вид спирали (рис. 8.15).
Рис. 8.14. Затухающие
колебания
Рис. 8.15. Фазовая траектория
для затухающих колебаний
8.3. Вынужденные колебания
Часто на осцилляторы, кроме уже рассмотренных сил, могут дей-
ствовать и другие, в частности, носящие периодический характер. В
качестве примера на рис. 8.16 изображен математический маятник,
соединенный через пружину и стержень с вращающейся точкой.
Рис. 8.16. Система, совершающая вынужденные колебания
Рассмотрим пружинный маятник, на который действуют сила
вязкого трения и вынуждающая периодическая сила соз сов1.
После проецирования на ось х уравнения второго закона Ньютона
получим:
с12х , (1х , 7 г
т —— + г----ь кх = гп соз со Л.
сП2 (II 0
Вводя новые обозначения, как и в случае затухающих колебаний,
получим:
^-Х + а^- + т20х = /Осо?,тв{, (8.15)
где /о = —
т
Уравнение (8.15) представляет собой линейное неоднородное
дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными ко-
эффициентами. Как показано в разделе «Математика», решение та-
кого уравнения состоит из двух частей: 1) нестационарного члена,
являющегося общим решением однородно уравнения (8.14), и 2) ста-
ционарного члена - частного решения уравнения (8.15):
х = Хо зт(о>/ - у/), (8.16)
где амплитуда вынужденных колебаний:
А'о = , = (8.17)
7(®о -®«)2 +4/?2юв2
а начальная фаза вынужденных колебаний:
у/ = агс1§ ———. (8.18)
Продифференцировав подкоренное выражение в знаменателе
формулы (8.17) и приравняв производную к нулю, получим значе-
ние круговой частоты, для которой амплитуда становится макси-
мальной:
Рис. 8.17. Зависимость
амплитуды от частоты
(8-19)
Такая частота называется резо-
нансной, а явление резкого возраста-
ния амплитуды при изменении часто-
ты вынуждающей силы называется
резонансом (рис. 8.17).
Как хорошо видно из рис. 8.17
и формулы (8.19), при уменьшении
силы вязкого трения амплитуда вы-
нужденных колебаний растет, а резо-
нансная частота стремится к соб-
ственной частоте со о.
На рис. 8.18 и 8.19 изображены два
случая сложения стационарного и не-
стационарного членов для нахождения
общего решения уравнения (8.15).
В первом случае частота вынуждающей силы равна, а во втором
значительно меньше частоты затухающих колебаний.
Рис. 8.18. Общее решение
при частоте, близкой
к резонансу
Рис. 8.19. Общее решение
вдали от резонанса
В обоих случаях хорошо видно, что через некоторый промежуток
времени суммарное колебание практически не отличается от вынуж-
денной компоненты.
8.3.1. Энергетические соотношения
Рассмотрим вопрос об энергии, передаваемой осциллятору внеш-
ней силой.
Мгновенная мощность может быть определена как производная
от работы силы, поэтому продифференцировав выражение (8.16),
получим:
р2С0
Р = Е • V =-. ° 6 ^=СО8 СО Л • со8(со Г - (8.20)
-сое ) +4р юв
Проинтегрировав мощность по периоду колебаний Т и разделив
полученный результат на Т, получим среднюю мощность:
Г р з р2 р Т р2 V
<Р>= ------= —------СО8 СОвР СО8(&>/ — ^)б# = — С08^Л (8.21)
о о
где К =
Если посчитать работу силы вязкого трения за период, то, ис-
пользуя формулу (8.18), можно увидеть, что вычисленная величина
совпадает с выражением (8.21). То есть в стационарном состоянии
амплитуда и фаза осциллятора, совершающего вынужденные коле-
бания, устанавливаются таким образом, чтобы средняя энергия, пе-
редаваемая внешней силой в единицу времени, точно равнялась
средней энергии, теряемой в единицу времени из-за наличия силы
трения.
Существуют такие колебательные системы, в которых осуществ-
ляется автоматический импульсный подвод энергии, компенсирую-
щий потери на трение (например, маятниковые часы с гирями). Воз-
никающие при этом колебания назы-
ваются автоколебаниями. На рис. 8.20
показаны вид вынуждающей силы
в этом случае и получающиеся в ре-
зультате почти гармонические коле-
бания. Фазовые диаграммы автоколе-
баний для двух разных способов под-
качки энергии показаны на рис. 8.21.
Рис. 8.20. Автоколебания
Рис. 8.21. Возможные виды фазовых траекторий при автоколебаниях
Контрольные вопросы
1. Является ли колебание новым видом движения?
2. Что такое осциллятор?
3. Что такое фаза колебаний?
4. Как связаны фазы смещения и скорости гармонического осцилля-
тора?
5. Как зависит от времени механическая энергия гармонического
осциллятора?
6. Что такое фазовое пространство?
7. Сколько существует принципиально различных решений диффе-
ренциального уравнения затухающих колебаний? Перечислите
их.
8. Как выглядит фазовая траектория затухающих колебаний?
9. Что такое вынужденное колебание?
10. Что такое резонанс?
11. Как вычислить среднюю мощность вынуждающей силы за период
колебаний?
12. Как выглядит фазовая траектория автоколебаний?
Глава 9
КИНЕТИЧЕСКИЙ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ
ПОДХОД К ОПИСАНИЮ СРЕД
В ходе изучения главы важно запомнить: формулировку гипо-
тезы сплошной среды, определение основных понятий термодина-
мики, законы термодинамики, модель идеального газа, виды термо-
динамических процессов, необходимость и математические основы
кинетического описания, распределение молекул по скоростям в га-
зе, закон равнораспределения энергии.
Как Вы знаете, существуют четыре агрегатных состояния веще-
ства: газообразное, жидкое, твердое и плазменное. Также в 2001 г.
трем физикам Эрику Корнеллу, Карлу Вейману и Вольфгангу Кет-
терле вручили Нобелевскую премию за открытие пятого агрегатного
состояния, которое пока называют антиплазма. Таким образом,
можно говорить о существовании разреженных и конденсированных
сред. Для описания различных сред используют два существенно
разных подхода: кинетический и термодинамический. Опишем каж-
дый из них.
9.1. Основы термодинамики
«Теория производит тем большее впечатление, чем проще
ее исходные предпосылки, чем разнообразнее те факты, между
которыми она устанавливает взаимосвязь, и чем шире простира-
ется область ее применимости. Именно поэтому классическая
термодинамика произвела на меня сильное впечатление. Это един-
ственная физическая теория универсального содержания, отно-
сительно которой я убежден, что в рамках применимости ее
основных принципов она никогда не будет опровергнута».
Альберт Эйнштейн
Термодинамика как наука возникла в период промышленной ре-
волюции из-за необходимости ответить на вопрос: как из теплоты
возникает движение? В ходе развития термодинамики стало ясно,
что ее законы являются фундаментальными и касаются почти всех
разделов физики. В основе термодинамики лежит гипотеза сплош-
ной среды.
9.1.1. Гипотеза сплошной среды
Макроскопическое поведение сред считается таковым, как если
бы их структура была идеально непрерывной, а физические величи-
ны, например масса, связанные с тем веществом, которое нахо-
дится внутри рассматриваемого объема, считаются равномерно
распределенными по этому объему, отвлекаясь от того, что
в действительности они концентрируются в его малых частях.
Введем полезное понятие физически бесконечно малого объема,
которое позволит лучше разобраться в смысле гипотезы сплошной
среды.
Ответ на вопрос: почему молекулярная структура среды обычно
не влияет на измерение - состоит в том, что возмущенный объем,
который достаточно мал, чтобы измерение было локальным по от-
ношению к макроскопическому масштабу, все-таки настолько велик,
что содержит еще очень большое число молекул, и достаточно ве-
лик, чтобы флуктуации, возникающие из-за различных свойств мо-
лекул, не оказывали никакого влияния на наблюдаемое среднее со-
стояние.
Все вводимые далее физические величины определяются для фи-
зически бесконечно малого объема.
9.1.2. Термодинамическая система
Термодинамическое описание происходящих в природе процес-
сов обычно начинается с разделения мира на «систему» и «внешнюю
или окружающую среду», которая включает в себя весь остальной
мир. Определение термодинамической системы часто зависит от
существования «границ», отделяющих рассматриваемую систему от
остального мира. Чтобы понять термодинамическое поведение фи-
зических систем, важно учесть природу взаимодействия между сис-
темой и окружающей средой. Как отмечено в монографии И.П. Ба-
зарова, строгое определение термодинамической системы требует ее
равновесности (см. ниже).
Проведем классификацию термодинамических систем.
Изолированные системы не обмениваются с внешней средой ни
энергией, ни веществом.
Закрытые системы обмениваются с внешней средой энергией,
но не обмениваются веществом.
Открытые системы обмениваются с внешней средой и энер-
гией, и веществом.
9.1.3. Термодинамические переменные и функции
В термодинамике состояние системы принято описывать в тер-
минах макроскопических переменных состояния, таких как объем V,
давление р, температура Т, число молей химических компонентов
Ык. Первое и второе начала термодинамики (см. ниже) основаны на
понятиях внутренней энергии 1/вн и энтропии 5. Можно доказать, что
внутренняя энергия и энтропия являются функциями переменных
состояния (функциями состояния). То есть
Увн^вн(т.У^к\ 8 = 8(т,у^к).
Используемые в термодинамике переменные удобно разделить на
два вида. Такие переменные, как объем или число молей, пропор-
циональные размерам системы, называются экстенсивными пере-
менными. Такие переменные, как температура и давление, которые
описывают локальное свойство, не зависящее от размера системы,
называются интенсивными переменными.
9.1.4. Термодинамическое равновесие
Одним из важнейших понятий термодинамики является понятие
термодинамического равновесия. Из повседневного опыта известно,
что если физическая система изолированна, то ее состояние, опреде-
ляемое такими макроскопическими переменными, как давление,
температура и химический состав, необратимо эволюционирует
к инвариантному во времени состоянию, в котором в системе не
наблюдается никаких физических и химических изменений. Тем-
пература во всех частях системы, находящейся в таком состоянии,
становится одинаковой. Такое состояние называется состоянием
термодинамического равновесия.
9.2. Законы термодинамики
Центральное место в термодинамике занимают четыре закона,
которые называют нулевым, первым, вторым и третьим началами
термодинамики.
9.2.1. Нулевое начало термодинамики
Если система А находится в равновесии с системой В, а систе-
ма В-в равновесии с системой С, то система А находится
в равновесии с системой С.
Это начало носит формальный характер, но вне него не имеет
смысла понятие термодинамического равновесия и оно фактически
устанавливает существование температуры как интенсивной вели-
чины, характеризующей тепловое равновесие.
9.2.2. Термодинамическая работа, связанная
с изменением объема
Для того чтобы рассмотреть первое начало термодинамики,
необходимо рассмотреть понятие термодинамической работы.
Работа системы при переходе из состояния (Д, КД в состояние
(Р2, г2) равна:
А = (9.1)
т.е. равна площади под графиком давления (рис. 9.1).
р
Л *
0 У\ Г2
Рис. 9.1. Термодинамическая работа
Как следует из следующей цепочки преобразований:
ЕсЕ = Р8сР = РАУ, (9.2)
эта формула не является принципиально новой, а известной ранее,
но записанной в новых переменных.
9.2.3. Первое начало термодинамики
Количество теплоты - это форма изменения энергии, измеряе-
мое по повышению температуры тела. После установления Джоулем
механического эквивалента теплоты ее стали считать формой энер-
гии, которая могла превращаться в работу, и наоборот. Первое нача-
ло гласит:
Когда система претерпевает превращение, алгебраическая сум-
ма различных изменений энергии - теплообмена, совершаемой над
системой работы ит.д., - не зависит от способа превращении. Она
зависит от начального и конечного состояний.
Таким образом, существует функция, которая называется внут-
ренней энергией, малое изменение которой, связанное с бесконечно
малым преобразованием, зависит только от начального и конечного
состояний. То есть возможна альтернативная формулировка первого
начала:
р^„=о.
Таким образом, Ови для заданного термодинамического состояния
определяется с точностью до константы Е/о и в формулировке перво-
го закона должно использоваться изменение внутренней энергии.
Полное изменение внутренней энергии закрытой системы за
время можно представить в виде
(9.3)
где малое количество теплоты и элементарная работа 6А могут
быть вычислены независимым способом.
Для открытых систем также существует вклад из-за потока веще-
ства:
+ (9.4)
В термодинамике возможны также и другие, кроме механической
работы, способы обмена энергией, отличные от теплоты. С понятием
теплоты связано понятие теплоемкости - количества теплоты, кото-
рое необходимо подвести к системе, чтобы поднять ее температуру
на один градус Кельвина:
С = ^
ат'
Так как количество теплоты зависит от пути перехода из началь-
ного в конечное состояние, теплоемкости классифицируются по ви-
дам рассматриваемых процессов. Чаще других рассматривают теп-
лоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении. Также
используются теплоемкости для единицы массы вещества - удель-
ную и молярную - для одного моля.
Первое начало термодинамики является особым видом закона со-
хранения энергии для тепловых процессов.
9.2.4. Второе начало термодинамики
Условимся, что (Л<2 > 0, если теплота поглощается системой,
и < 0, если теплота выделяется системой, тогда справедливо
следующее утверждение. Для произвольного цикла
^=<>.
т
Таким образом, можно определить функцию 5, которую Клаузиус
назвал энтропией, разность значений которой зависит только от на-
чального и конечного состояний обратимого процесса. Если система
переходит из состояния В в состояние С, то
Ле сгс1д а<2
△5 = I или дВ —
3 Т Т
в 1 1
Подобно внутренней энергии энтропия определяется с точностью
до константы. Введенные понятия позволяют сформулировать вто-
рое начало термодинамики.
Сумма изменений энтропии системы и внешней среды не может
убывать.
Возможна также другая формулировка закона:
Невозможно построить двигатель, который работал бы по
полному циклу и превращал всю теплоту, поглощаемую из резервуа-
ра, в механическую работу.
Это означает, что для замыкания цикла часть поглощенной энер-
гии необходимо возвратить в окружающую среду.
9.2.5. Третье начало термодинамики
Энтропия химически однородного тела конечной плотности при
стремлении температуры к абсолютному нулю стремится к пре-
дельному значению, не зависящему от давления, плотности или
фазы.
Из закона можно получить несколько важных следствий.
1. Никакими способами нельзя достичь абсолютного нуля тем-
пературы.
2. Теплоемкость, коэффициент теплового расширения и неко-
торые другие аналогичные величины должны стремиться к нулю
при температуре, стремящейся к нулю.
9.2.6. Уравнение состояния
Все приведенные законы справедливы для любых систем и лю-
бых физических сред. Различие в описании сред проявляется в запи-
си так называемых уравнений состояния. Можно доказать, что для
любых систем в состоянии равновесия между переменными состоя-
ния существует функциональное соотношение, которое и называется
уравнением состояния. Для каждой конкретной системы (среды)
уравнение состояния определяется эмпирически или методами ста-
тистической механики.
9.3. Неравновесные системы
Принципиально более сложным получается описание в случае
неравновесной системы. В этом случае вместо глобальных перемен-
ных и функций состояния приходится использовать их плотности,
где в качестве точек рассматриваются физически бесконечно малые
объемы. В качестве переменных при этом используются локальная
температура Т(х) и молярная плотность п(х) - число молей на едини-
цу объема. Тогда внутренняя энергия, энтропия и полное число
молей вычисляются через соответствующие плотности следующим
образом:
5 = / 8(Т(х),пк(х))аУ-,
V
и = /и(Т(х),пк(х))с/Г; (9.5)
V
Хк =
V
В книгах по классической термодинамике иногда утверждается,
что энтропия неравновесной системы не определена. Это означает,
что энтропия не является функцией от экстенсивных переменных V,
V и ]\[, как в случае равновесных систем. Однако если Т локально
определена, то (9.5) позволяет определить энтропию неравновесной
системы.
9.4. Термодинамика идеального газа
Наиболее простой средой для записи уравнения состояния и тер-
модинамических функций является газ, описываемый в модели иде-
ального газа. Анализ этой модели буден дан далее в параграфе,
посвященном кинетическому подходу. Любой реальный газ стано-
вится идеальным при высоких температурах и низких плотностях.
Уравнение состояния идеального газа, полученное в результате
обобщения газовых законов Бойля-Мариотта, Шарля и Гей-Люсака
и использования гипотезы Авогадро, имеет следующий вид:
рУ = хКТ.
где К = 8,31441/Д/с- К~1 • молъ~1 - универсальная газовая постоян-
ная, V - число молей. Так как молярная теплоемкость идеального
газа, как показывают эксперименты, не зависит от температуры
и объема, его внутренняя энергия равна:
иид = уСуТ+ц0.
С использованием модели идеального газа можно получить еще
одну важную формулировку второго начала термодинамики. Рас-
смотрим обратимую машину Карно, состоящую из идеального газа,
находящегося между горячим резервуаром при температуре Д и хо-
лодным резервуаром при температуре Т2. Цикл машины Карно со-
стоит из следующих четырех процессов: изотермическое расшире-
ние при температуре Т\ - АВ, адиабатическое расширение - ВС,
изотермическое сжатие при температуре Т2 - СД адиабатическое
сжатие -БА (рис. 9.2).
Вычислив полную работу, произведенную системой за цикл и ко-
личество теплоты, поглощенной во время изотермического расши-
рения, вычислим коэффициент полезного действия (КПД) машины
Карно:
А 1 Г2
/7 = ----- = 1-----
Уав Тх
(9.6)
Искомая новая формулировка выглядит так:
Никакая тепловая машина периодического действия не может
иметь КПД выше, чем у машины Карно.
9.5. Кинетическая теория
Кинетическая теория изучает свойства веществ, рассматривая их
состоящими из большого количества атомов, которые находятся
в непрерывном хаотическом движении. Например, газы содержат
1025 частиц в 1 м3 при нормальных условиях. Математи-
ческая основа кинетической теории - статистический подход, со-
стоящий в определении средних значений некоторых величин, соот-
ветствующих макроскопическим переменным. Проиллюстрируем
методы, используемые в кинетической теории, на наиболее простом
примере - газообразной среде в модели идеального газа.
9.5.1. Модель идеального газа
Существует несколько моделей газообразной среды, которые
описывают ее с разной степенью точности. Самая простая из них -
модель идеального газа, основанная на следующих постулатах:
1) в среднем молекулы далеко отстоят друг от друга: I» б/,
(Л - размер молекулы, а I - расстояние между ними;
2) движение молекул подчиняется законам классической меха-
ники, так как между столкновениями потенциальная энергия много
меньше кинетической: V « К;
3) столкновения со стенками или между молекулами - упругие.
Напомним, что упругими называются столкновения, при которых
суммарная механическая энергия сталкивающихся частиц сохра-
няется.
Если посмотреть на график зависимо-
сти потенциальной энергии взаимодейст-
вия двух молекул от расстояния между
ними (рис. 9.3), то видно, что при боль-
ших средних расстояниях между молеку-
лами потенциальная энергия значительно
меньше кинетической.
На примере закона идеального газа по-
кажем, как, используя методы классиче-
ской механики, можно получить законы,
описывающие газовую среду.
Рис. 9.3. Потенциальная
энергия молекулярного
взаимодействия
9.5.2. Закон идеального газа
Так как идеальный газ - набор невзаимодействующих частиц, то
давление возникает из-за бомбардировки молекулами стенок сосуда.
Рис. 9.4.
Рассмотрим одну молекулу внутри сосу-
да кубической формы (рис. 9.4), движущую-
ся вдоль оси X. Пусть площадь грани - 5,
а ребро -1.
Подсчитаем силу, оказываемую на стен-
ку одной частицей в момент столкновения.
Для этого воспользуемся 2-м законом
Ньютона и предположением о замкнутости
системы стенка-частица. Тогда
рхр.
(11
Так как процесс столкновения не мгновенен, то рассмотрим из-
менение импульса в результате столкновения:
△(/77 г) = тгх — (~тУх ) = 2тгх .
Найдем среднюю силу, действующую на стенку со стороны од-
ной частицы, за период времени между двумя столкновениями:
(9-8)
А/ /
/Ч
Конечно, при наличии всего одной частицы это выражение имеет
мало физического смысла, но так как частиц очень много, то, скла-
дывая такие средние силы для всех частиц, можно получить верное
сглаженное выражение для полной силы:
= (9.9)
Здесь - полное число частиц в сосуде. Возможность указанного
процесса сложения основана на хаотичности, т.е. случайности мо-
мента столкновения для каждой частицы, а следовательно, при
большом их количестве равномерности процессов соударения.
Предположим, что все массы одинаковые (рассматриваем про-
стой газ), и введем средний квадрат скорости в соответствии с фор-
мулой:
(9.Ю)
Тогда выражение для средней силы упрощается:
(9.11)
Движение происходит не только вдоль оси X. но во всех направ-
лениях. По теореме Пифагора: РМФНМ#
Так как не существует выделенного направления, квадраты
составляющих скорости должны быть равны друг другу, т.е.
Тогда =
По определению давление равно отношению силы и площади по-
верхности:
Р =
8 381
Мт (у1
ЗУ
(9.12)
Здесь принято во внимание, что объем V равен произведению
длины ребра на площадь поверхности. Умножив обе стороны равен-
ства на К и выделив выражение для средней кинетической энергии,
получим:
2 Г 1 / 9
= -т(у2
3 [2 '
Введем кинетическую температуру
(9.13)
которая, как
можно показать, совпадает с обычной термодинамической темпера-
турой Кельвина. Здесь к = 1.38 10-23 ~ постоянная Больцма-
на. В результате всех преобразований получим
РУ = МТ,
(9.14)
что совпадает с законом идеального газа, установленным экспери-
ментально.
Отметим еще несколько обстоятельств, которые потребуются в
дальнейшем.
1. Средняя кинетическая энергия частиц идеального газа пропор-
циональна температуре: (к}~т.
1 / 2\ 3
2. Исходя из выведенной формулы: — т\у ^ = —кТ и факта, что
учитывалось движение по трем степеням свободы (3 координаты -
х, у, и), можно сделать вывод, что на каждую степень свободы при-
ходится энергия
Напомним, что количество степеней свободы равно количеству
независимых координат, необходимых для описания движения тела.
3. Важная кинетическая характеристика газа - средняя квадра-
тичная скорость - может быть рассчитана по формуле:
(9.15)
9.6. Распределение молекул по скоростям
в газе
Стандартным подходом в кинетическом методе описания сред
признано использование функций распределения. Для разных сред
и их разных моделей функции распределения естественно отличают-
ся. Рассмотрим функцию распределения для идеального газа.
Это распределение установлено великим английским физиком
Джеймсом Кларком Максвеллом.
Функция распределений Максвелла имеет вид:
/ (у) = 4яУ т у2 ехр
2
ту
2кТ
(9.16)
Физический смысл функции распределения состоит в том, что
произведение /(г) • бх представляет собой число молекул, скорости
которых лежат между у и у + бу.
Функциональная зависимость /(у) установлена эксперимен-
тально, а стоящий впереди коэффициент определяется из условия
нормировки:
//(у> = ЛА. (9.17)
О
Условие нормировки имеет прозрачный смысл: так как/(у) • бу -
это число молекул, скорости которых лежат между у и у + Л, а всего
частиц в объеме У, то, просуммировав по всем интервалам, получа-
ем полное количество частиц У.
На рис. 9.5 показана функция Максвелла и несколько характер-
ных скоростей.
Хорошо видно, что функция равна нулю при нулевой скорости,
достигает максимума при некоторой скорости ур - наиболее веро-
ятной скорости (частиц вблизи этой скорости больше всего) и убы-
вает к нулю для бесконечно большой скорости. Это значит, что
в достаточно большом объеме могут существовать молекулы с очень
большими скоростями, в сотни и тысячи раз превосходящими
среднюю.
Знание функции распределения позволяет рассчитывать все ос-
новные кинематические и термодинамические характеристики сре-
ды. Покажем это на примере характерных скоростей, указанных на
рис. 9.5.
Рис. 9.5. Функция Максвелла
Интегрируя скорость с функцией распределения и деля на Ы, по-
лучаем среднюю скорость:
(9.18)
Аналогично вычисляем среднюю квадратичную скорость:
(9.19)
Так как при скорости ур функция достигает максимума, то для
определения этой скорости приравниваем нулю производную от/(у):
#1
^ = 0.
Решая получившееся уравнение, находим:
\ т \ т
(9.20)
(9.21)
Также можно использовать функцию распределения для качест-
венного и количественного объяснения многих явлений.
На рис. 9.6 показаны функции распределения газовой смеси, спо-
собной вступать в химическую реакцию, для двух близких темпе-
ратур. Заштрихованная область соответствует новым молекулам
со скоростями выше энергии активации, появляющимся при нагре-
вании.
Рис. 9.6. Влияние увеличения температуры на скорость химической реакции
Число молекул с кинетическими энергиями, большими энергии
активации, значительно возрастает даже при небольшом повышении
температуры. Скорость химической реакции прямо пропорциональ-
на числу молекул, у которых энергия больше ЕА, и поэтому ясно,
что при росте температуры скорость реакций быстро увеличивается.
Также с помощью аппарата функций распределения просто объ-
яснить, почему одни планеты имеют атмосферу, а другие - нет.
9.7. Закон равнораспределения энергии
Как мы уже отмечали, средняя энергия, приходящаяся на 1 сте-
пень свободы, равна ^кТ.
На рис. 9.7 показана модель двухатомной молекулы. Видно, что
кроме трех поступательных степеней свободы у молекулы есть так-
же две вращательные степени свободы - углы (р и 0. Угол у не рас-
сматривают, так как считается, что частицу нельзя заставить вра-
щаться относительно собственной оси. Это находит свое объяснение
только в рамках квантовой механики. Если учитывать колебания
атомов вдоль оси, то необходимо добавить еще две степени свободы
(энергия равно распределяется между кинетической и потенциаль-
ной составляющими). Таким образом, приходящаяся на одну моле-
кулу внутренняя энергия вычисляется так:
Рис. 9.7. Двухатомная молекула
Покажем, что полученный результат соответствует измерениям
для реального газа.
Согласно определению, теплоемкость при постоянном объеме
можно рассчитать по формуле:
ат ’
(9.23)
На рис. 9.8 показана зависимость теплоемкости одного моля во-
дорода от температуры. На экспериментальной зависимости наблю-
даем 3 горизонтальных участка, соответствующих вычисленным
значениям внутренней энергии. На рисунке К - универсальная газо-
вая постоянная, равная произведению постоянной Больцмана на
число Авогадро.
Изменение значения теплоемкости с ростом температуры связано
с частичной «замороженностью» степеней свободы, которая может
быть разъяснена в квантовой механике.
10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 10000
Г, К
Рис. 9.8. Молярная теплоемкость водорода при постоянном объеме
Контрольные вопросы
1. В чем состоит гипотеза сплошной среды?
2. Перечислите виды термодинамических систем.
3. Что такое интенсивные переменные?
4. Что такое термодинамическое равновесие?
5. Как определяется термодинамическая работа?
6. Как изменяется вид первого начала термодинамики для открытых
систем?
7. Перечислите известные Вам виды теплоемкостей.
8. Какая термодинамическая функция используется во втором нача-
ле термодинамики?
9. Каким способом можно достичь абсолютного нуля температуры?
10. Как устанавливаются уравнения состояния сред?
11. Что такое идеальный газ?
12. Какие процессы образуют цикл Карно?
13. Как определить количество степеней свободы?
14. Каков физический смысл функции Максвелла?
15. Как определяется наиболее вероятная скорость?
16. Чему равна теплоемкость при постоянном объеме двухатомного
газа?
Глава 10
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
В ходе изучения главы важно запомнить: факты, лежащие
в основе электростатики; определение потока электрического по-
ля, формулировку теоремы Гаусса, влияние диэлектрика на напря-
женность электрического поля, понятие об электрическом токе и
его основных характеристиках, формулировки закона Ома и правил
Кирхгофа.
10.1. Начала электростатики
Как известно, электромагнитное взаимодействие является одним
из фундаментальных взаимодействий. Электростатика описывает
это взаимодействие в случае неподвижного распределения электри-
ческих зарядов. При этом естественно отсутствует магнитная со-
ставляющая поля. То есть в электростатике разработаны методы
расчета распределения электрического поля для заданной системы
покоящихся электрических зарядов.
Напомним основные факты, лежащие в основе электростатики.
1. Если источником электрического поля является материальная
точка с электрическим зарядом положение которой задается ра-
диус-вектором то напряженность электрического поля в точке г
вычисляется по формуле:
Еэр-) = -^-(г-г0-), (10.1)
К-й)|
где^о=9-1О9-^4.
Кл -с
2. Существует два вида зарядов: положительные и отрицатель-
ные.
3. Заряд квантован, т.е. не существует заряда меньше заряда про-
тона или электрона. Заряженные тела могут иметь лишь заряд, рав-
ный целому кратному е = 1,6 • 10-19 Кл.
4. Выполняется закон сохранения заряда.
В замкнутой системе полный заряд (разность положительных и
отрицательных зарядов) остается постоянным. Этот факт много-
кратно проверен экспериментально. Одним из явлений, в котором
проявляется рассматриваемый закон, является аннигиляция (процесс
превращения электрона и его античастицы - позитрона при их
столкновении в электромагнитное излучение): е~ + е 2у.
Следствием формулы (10.1) является закон Кулона.
Величина силы взаимодействия двух точечных зарядов д^ и д2,
находящихся на расстоянии К друг от друга, равна:
Рис. 10.1.
Электрический
диполь
Р = к
к° К2 '
(Ю.2)
Для этой силы, как и любой другой, спра-
ведлив принцип суперпозиции (глава 4). При-
меним принцип для непрерывно распределен-
ного заряда. Пусть ЛЕ - сила, действующая
со стороны отдельного элемента заряда, тогда
полная сила со стороны заряда на участке ВС
равна:
р = $ар. (ю.з)
В
В качестве примера рассмотрим электриче-
ский диполь (рис. 10.1).
Из подобия треугольников следует отно-
шение:
Тогда, используя закон Кулона для системы (), д, получим:
р=-л = -(^о 4г)=4=а 4’
Г Г г г г
где р=^^.
Разделив на д, получим выражение для напряженности:
Е — к —
п — Ко з •
г
Для наглядности представления распределения поля в простран-
стве используют силовые линии поля. Направление напряженно-
Рис. 10.2. Силовые линии
системы двух зарядов
сти поля в пространстве можно
изобразить непрерывными линиями.
Направление этих линий в каждой
точке совпадает с направлением поля.
Они называются силовыми линиями
электрического поля. Посредством
силовых линий можно охарактеризо-
вать величину поля в любой области
пространства (плотность линий про-
порциональна величине напряженно-
сти). На рис. 10.2 показаны силовые
линии для системы двух противо-
положных зарядов.
10.2. Поток напряженности поля
Введем новое понятие, необходимое для формулировки теоремы
Гаусса. Рассмотрим площадку с площадью 38 и вектор 38, перпен-
дикулярный площадке и такой, что |б?5| = 38 и скалярное произве-
дение вектора напряженности электрического поля и вектора
38\ Е-38 = Е -38 • соз а. Назовем величину ЗФ = Е -38 потоком
электрического поля через 38, тогда поток через поверхность 8
равен:
Ф = $Е-с18. (10.4)
Рассмотрим точечный заряд <2 и окружим его сферой радиуса
Подставив выражение для напряженности точечного заряда и взяв
интеграл, получим
Ф = Е-(4ягД = (к0 = 4^о0. (10.5)
Г1
Таким образом, полное число силовых линий, выходящих из то-
чечного заряда О, равно 4л±0(? и эти линии непрерывны на всем
пути до бесконечности.
Пусть поверхность не сфера, тогда (рис. 10.3):
Е-38 = Е-ЗЪ,
если их пересекает одинаковое число линий. Проинтегрировав, по-
лучаем:
Ф = / Е-Л8 = /Е-сЕВ,
где 5 - сфера и Е - гауссова поверхность.
Рис. 10.3. Поток электрического поля
10.2.1. Теорема Гаусса
Рассмотрим систему из двух электрических зарядов 21 и 02 и по-
ток через гауссову поверхность (рис. 10.4).
Фполн=/Е.^ = /(Е1+Е2)^ = /Е1^ +
- (10-6)
+</> Е2с18 = 4^0й + 4^062 = 4тг/г() (С?| + 2г)-
Рис. 10.4.
К теореме Гаусса
Аналогично можно сделать для любо-
го количества зарядов. Поэтому справед-
лива теорема Гаусса:
§Е-а8 = ^к^внутр. (10.7)
Теорема Гаусса справедлива незави-
симо от присутствия зарядов вне замкну-
той поверхности. Заметим, что уравнение
(10.7) - одно из четырех уравнений Мак-
свелла, описывающих произвольное
электромагнитное поле.
В электростатике поле внутри про-
водника равно нулю (иначе было бы дви-
жение зарядов). Покажем, что при этом
полный заряд внутри проводника также
равен нулю. Проведем гауссову поверх-
ность непосредственно под поверх-
ностью проводника (рис. 10.5). Вследствие
отсутствия поля внутри проводника поток
через поверхность нулевой, а следователь-
но, равен нулю полный заряд внутри по-
верхности. Так как поверхность произволь-
ная, то заряд отсутствует внутри любой
поверхности.
Рис. 10.5. Поле внутри
проводника
10.2.2. Электрическая индукция
Явление электрической индукции состоит в перераспределении
электрического заряда вдоль поверхности
ствием электрического поля. Проиллюст-
рируем это явление на примере заряда
внутри полой сферы (рис. 10.6). Так как
поток через гауссову поверхность нуле-
вой, то сумма зарядов на внутренней по-
верхности полой сферы равна заряду
в центре. Следовательно, равны суммар-
ные заряды на обеих поверхностях полой
сферы.
Если электрически нейтральное тело
поместить в область, в которой имеется
электрическое поле, то на поверхности
тела возникают индуцированные ^заря-
ды. При этом внутри проводника Е = 0,
а внутри изолятора (диэлектрика) Е 0.
Посредством электрической индукции
проводника под воздей-
Индуцированный Индуцированный
заряд + О заряд - О
Гауссова
поверхность
Рис. 10.6. Явление
электрической индукции
электрически нейтральному проводнику можно сообщить заряд.
Вектор напряженности электрического поля перпендикулярен
поверхности проводника, так как если была бы составляющая па-
раллельная поверхности, то был бы электрический ток, что противо-
речит статичности распределения зарядов.
10.3. Электрический потенциал
Согласно введенному ранее определению потенциальной энер-
гии, для электростатической силы разность потенциальных энергий
в точках В и С равна:
ис - ив = га7 = -д/Еа7. (ю.8)
В в
Если в качестве начальной точки взять бесконечно удаленную
и положить 17ж = 0, то потенциальная энергия равна:
17 (г) = — д Е<7г.
(Ю.9)
Найдем потенциальную энергию точечного заряда д в поле дру-
гого точечного заряда О;.
У = -д/ к0Ц-аг = -дОк^
(10.10)
т.е. V = к0
г
Электрическим потенциалом называется величина:
<р= —. (10.11)
Я
Разность потенциалов между двумя точками представляет собой
работу, которую необходимо затратить для перемещения единично-
го заряда из первой точки во вторую:
с _
△(/9 = (рс — срв = ЕсТг.
в
10.4. Конденсатор
Конденсаторы - это приборы для накопления энергии. Они бы-
вают сферические, цилиндрические, плоские и т.д. Возникает во-
прос: какой заряд может накопить конденсатор? Рассмотрим пло-
ский конденсатор. Величина напряженности электрического поля
внутри конденсатора равна:
Е = -4лк0а, (10.12)
где
5
Так как напряженность постоянна, то разность потенциалов меж-
ду обкладками конденсатора: \(р = -Ех$. Здесь х0 - расстояние меж-
ду обкладками. Подставив выражения для Е и а, получим:
Др = (10.13)
Емкостью называется физическая величина, задаваемая соот-
ношением:
С = -^~. (10.14)
10.4.1. Накопление энергии
Рассчитаем сколько необходимо энергии, чтобы изменить заряд
обкладки конденсатора от 0 до Используя выражение для потен-
циала:
= р (Ю.15)
рассчитаем работу по перемещению заряда с1д с одной обкладки
конденсатора на другую:
с1А = сШ = <рс1д.
Проинтегрируя это выражение:
00 00
= = (10.16)
о о
получим 1} =
10.4.2. Диэлектрики
Если пространство между обкладками конденсатора заполнить
каким-либо диэлектриком, то емкость конденсатора увеличивается.
При неизменном заряде конденсатора напряжение (разность потен-
циалов) между обкладками уменьшается, что свидетельствует о воз-
растании емкости. Уменьшение разности потенциалов свидетельст-
вует об уменьшении напряженности электрического поля (рис. 10.7).
Причиной изменения напряженности служит возникновение инду-
цированных зарядов на поверхностях диэлектрика. Как для поляр-
ных, так и для неполярных диэлектриков их возникновение связано
с выстраиванием дипольных моментов молекул вдоль вектора на-
пряженности электрического поля конденсатора.
Диэлектрическая проницаемость г - это безразмерная величина,
показывающая во сколько раз меняется напряженность электриче-
ского поля в конденсаторе при том же заряде на обкладках.
Для плоского конденсатора:
С = ———. (10.17)
4л7г0б/
10.5. Законы электрического тока
10.5.1. Закон Ома
Для поддержания в проводнике постоянного тока необходим по-
стоянный источник электрической энергии. Распространенными ти-
пами источников являются электрические батареи и электрические
генераторы. Они называются источниками электродвижущей силы
(ЭДС), которая обычно обозначается Е.
В этих источниках электрическая энергия получается путем пре-
образования из других форм энергии. Формально ЭДС определяется
как работа неэлектрических (сторонних) сил по перемещению еди-
ничного электрического заряда внутри источника тока:
Е = /Рстор^. (Ю.18)
Таким образом, заряд д, проходя от отрицательного полюса бата-
реи к положительному, приобретает энергию дЕ.
Закон Ома связывает ток 7, протекающий через резистор К, с па-
дением напряжения 17 на нем:
17 = 1К. (10.19)
Если ток переменный, то V и I - действующие значения напря-
жения и тока соответственно.
Для замкнутой цепи закон Ома преобразуется к виду:
Е = 1К. (10.20)
где Е - ЭДС, а К - суммарное сопротивление цепи.
Участки цепи с последовательно и параллельно включенными ре-
зисторами можно преобразовать к одному резистору по следующим
правилам:
а) для последовательного включения: К = + Т?2,
Т?1 Т?2
б) для параллельного включения: 7? = — .
7?! + Т?2
10.5.2. Правила Кирхгофа
Правила Кирхгофа применяются для расчета сложных (разветв-
ленных) цепей и включают понятия узла и контура.
Узлом в разветвленной цепи называется точка, в которой схо-
дятся более двух проводников (рис. 10.8).
Первое правило Кирхгофа (правило
узлов): алгебраическая сумма токов 1к,
сходящихся в узле, равна нулю:
й=1
где п - общее число проводников, сходя-
щихся в узле. Токи считаются положи-
тельными, если они подходят к узлу, от-
рицательными - вытекающие из узла.
Второе правило Кирхгофа (прави-
ло контуров): в любом замкнутом кон-
Рис. 10.8. Узел
электрической цепи
туре, произвольно выбранном в разветвленной электрической цепи,
алгебраическая сумма произведений сил токов Д на сопротивления
Кк соответствующих участков этого контура равна алгебраиче-
ской сумме приложенных в нем ЭДС:
п т
Е4-^ = ЕЕ7.
Рис. 10.9. Контурные токи
При использовании второго правила Кирхгофа выбирается
(рис. 10.9) определенное направление обхода контура (например, по
часовой стрелке): токи 1к, совпадающие по направлению с направле-
нием обхода, считаются положительными. ЭДС источников тока
считаются положительными, если они создают токи, направленные в
сторону обхода контура. Если по ветви протекают несколько кон-
турных токов, необходимо учитывать их все.
Контрольные вопросы
1. Что такое квантованность электрического заряда?
2. В чем состоит закон сохранения электрического заряда?
3. Сформулируйте закон Кулона.
4. Для чего нужны силовые линии?
5. Что такое поток электрического поля?
6. Чему равен поток электрического поля через замкнутую сфериче-
скую поверхность, внутри которой отсутствуют электрические
заряды?
7. Чему равен электрический заряд внутри проводника?
8. Как направлен вектор напряженности электрического поля вбли-
зи поверхности проводника?
9. Чему равна разность потенциалов?
10. Как емкость зависит от разности потенциалов?
11. Как изменится емкость плоского конденсатора при внесении
внутрь него диэлектрической пластины?
12. Что такое электрический ток?
13. Что такое ЭДС?
14. Сформулируйте закон Ома для замкнутой цепи.
15. Что такое узел электрической цепи?
16. Для каких цепей используют правила Кирхгофа?
17. Что такое контур?
18. Как определяется знак ЭДС во втором правиле Кирхгофа?
Глоссарий
Абсолютно твердое тело - тело, форма и размер которого при наличии
внешних воздействий могут считаться неизменными, а расстояние между
двумя частицами этого тела остается постоянным в процессе движения.
Автоколебания - незатухающие колебания, происходящие в неконсер-
вативной механической системе, которые возникают и поддерживаются от
источника энергии неколебательной природы, причем этот источник вклю-
чен в систему. Поступление энергии регулируется движением системы.
Адиабатический процесс - термодинамический процесс в макроскопи-
ческой системе, при котором система не обменивается тепловой энергией
с окружающим пространством.
Ампер - единица измерения силы электрического тока в Международ-
ной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ. Ампер - сила
неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным
прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой пло-
щади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на рас-
стоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника
длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 х Ю”7 Ньютона (И).
Аннигиляция - в физике реакция превращения частицы и античастицы
при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных.
Аперидическое движение - затухающее движение колебательной сис-
темы, не носящее периодического характера, возникающее при ненулевых
начальных условиях и наличии большого сопротивления.
Атомная гипотеза - высказанное древними мыслителями и подтвер-
жденное в последнее столетие предположение о том, что все тела состоят из
мельчайших частиц - атомов. Согласно современным представлениям, ато-
мы находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом
расстоянии между ними, но отталкиваются, если продолжать уменьшать это
расстояние.
Атомное ядро - центральная массивная часть атома, вокруг которой по
квантовым орбитам обращаются электроны. Его масса примерно в 4000 раз
больше массы всех входящих в состав атома электронов. Размер атомного
ядра очень мал и приблизительно в 105 раз меньше диаметра всего атома.
Атрибут - всеобъемлющее свойство субстанции материи.
Вещество - одна из двух форм, в которых, как предполагает классиче-
ская физика, существует материя.
Виды взаимодействий - характеристика взаимодействия материальных
тел между собой.
Различают 4 вида взаимодействия:
а) гравитационное, обусловленное наличием массы вещества;
б) электромагнитное, которое наблюдается между телами, обладающи-
ми зарядом;
в) сильное, обусловленное, например, взаимодействием между частица-
ми ядра атома;
г) слабое - взаимодействие, характеризующее превращения элементар-
ных частиц.
Внутренняя энергия - термодинамическая функция состояния систе-
мы, определяемая внутренним состоянием. Внутренняя энергия складыва-
ется в основном из кинетической энергии движения частиц (атомов, моле-
кул, ионов, электронов) и энергии взаимодействия между ними (внутри-
и межмолекулярной).
Вынуждающая сила - периодически изменяющаяся сила, вызывающая
вынужденные колебания системы.
Вынужденные колебания - колебания, возникающие в механической
системе под влиянием какого-либо переменного во времени внешнего воз-
действия (например, возмущающей силы).
Вязкость - свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопро-
тивление перемещению одной их части относительно другой. В результате
происходит рассеяние в виде тепла работы, затрачиваемой на это переме-
щение.
Гармоническое колебание - колебания, при которых физическая (или
любая другая) величина изменяется с течением времени по синусоидально-
му или косинусоидальному закону.
Гелл-Манн Мюррей (1929) - американский физик, лауреат Нобелев-
ской премии по физике в 1969 г. «за открытия, связанные с классификацией
элементарных частиц и их взаимодействий».
Гук Роберт (1635-1703) - английский естествоиспытатель, разно-
сторонний ученый и экспериментатор, архитектор, один из создателей
и деятельный член Лондонского королевского общества, его секретарь
в 1677-83 гг. Открыл (1660) закон, названный его именем. Высказал гипо-
тезу тяготения. Сторонник волновой теории света. Улучшил и изобрел мно-
гие приборы, установил (совместно с X. Гюйгенсом) постоянные точки
термометра. Усовершенствовал микроскоп и установил клеточное строение
тканей, ввел термин «клетка».
Движение - способ, форма существования материи, ее существенней-
шее и неотъемлемое свойство. Движение, как и материя, вечно, несотвори-
мо и неразрушимо. Мир есть движущаяся материя. Материя без движения
так же немыслима, как и движение без материи. Источник движения нахо-
дится в самой материи.
Диэлектрик - вещество, практически не проводящее электрический
ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превыша-
ет 108 см 3.
Емкость (электрическая емкость) - характеристика проводника, мера
его способности накапливать электрический заряд.
Закон равнораспределения энергии - закон классической физики, ут-
верждающий, что для статистических систем в состоянии термодинамиче-
ского равновесия на каждую поступательную и вращательную степень сво-
боды приходится в среднем кинетической энергии кТ/2, а на каждую
колебательную степень свободы - в среднем энергии кТ (где Т - абсолют-
ная температура системы, к - постоянная Больцмана).
Затухающие колебания - колебания, энергия которых уменьшается с
течением времени.
Изобарический процесс - термодинамический процесс, происходящий
в системе при постоянном давлении и постоянной массе газа.
Изотермический процесс - термодинамический процесс, происходя-
щий в физической системе при постоянной температуре.
Изохорный процесс - термодинамический процесс, который происхо-
дит при постоянном объеме. Для осуществления изохорного процесса в газе
или жидкости достаточно нагревать (охлаждать) вещество в сосуде, кото-
рый не изменяет своего объема.
Импульс - векторная физическая величина, являющаяся мерой механи-
ческого движения тела. В классической механике импульс тела равен про-
изведению массы этого тела на его скорость, направление импульса совпа-
дает с направлением вектора скорости.
Инертность - свойство тела, которое можно определить как способ-
ность тела сохранять предыдущее состояние. Количественной характери-
стикой при поступательном движении этой способности служит масса. Чем
больше масса, тем труднее вывести тело из состояния, в котором оно нахо-
дилось до этого.
Инерциальная система отсчета - система отсчета, в которой справед-
лив закон инерции: материальная точка, когда на нее не действуют никакие
силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в состоя-
нии покоя или равномерного прямолинейного движения.
Калуца Теодор (1885-1954) - немецкий ученый, предложивший ввести
в математическую физику пятое измерение, послужившее основой для тео-
рии Калуцы-Клейна.
Кандела (Кд) - единица силы света, одна из семи основных единиц
Международной СИ. Определена как «сила света в заданном направле-
нии источника, испускающего монохроматическое излучение частотой
540 х 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении
составляет 1/683 Вт/ср».
Квантовая механика - раздел теоретической физики, описывающий
движение материи порциями (или, выражаясь современным научным язы-
ком, движение квантующейся материи). Предсказания квантовой механики
могут существенно отличаться от предсказаний классической механики.
Кварк - фундаментальная частица, обладающая электрическим заря-
дом, кратным е/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Кварки яв-
ляются точечными частицами вплоть до масштаба примерно 0,5 х 10 19 м,
что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона. Из кварков состоят
адроны, в частности, протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 раз-
ных «сортов» (чаще говорят - «ароматов») кварков. Кроме того, постулиру-
ется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой,
называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк с противопо-
ложными квантовыми числами.
Кельвин - единица измерения температуры в Международной системе
единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ. Предложена в 1848 г.
Один кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры трой-
ной точки воды. Начало шкалы (0 К) совпадает с абсолютным нулем. Еди-
ница названа в честь английского физика Уильяма Томсона, которому было
пожаловано звание лорд Кельвин.
Килограмм (кг) - единица измерения массы, одна из семи основных
единиц Международной СИ. Действующее определение килограмма приня-
то III Генеральной конференцией по мерам и весам в 1901 г. и формулиру-
ется так: килограмм есть единица массы, равная массе международного
прототипа килограмма. Международный прототип (эталон) килограмма
хранится в Международном бюро мер и весов (расположено в г. Севр близ
Парижа) и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из
платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия).
Количество теплоты - это форма изменения энергии, измеряемое по
повышению температуры тела.
Консервативная сила - сила, работа которой по любому замкнутому
контуру равна нулю.
Лоренц Хендрик Антон (1853-1928) - голландский физик-теоретик,
лауреат Нобелевской премии по физике (1902) и других наград, член Ни-
дерландской королевской академии наук (1881), ряда иностранных акаде-
мий наук и научных обществ.
Максвелл Джеймс Кларк (1831-1879) - британский физик и матема-
тик. Шотландец по происхождению. Член Лондонского королевского обще-
ства (1861). Максвелл заложил основы современной классической электро-
динамики (уравнения Максвелла), ввел в физику понятия тока смещения
и электромагнитного поля, получил ряд следствий из своей теории (пред-
сказание электромагнитных волн, электромагнитная природа света, давле-
ние света и др.). Один из основателей кинетической теории газов (устано-
вил распределение молекул газа по скоростям). Одним из первых ввел
в физику статистические представления, показал статистическую природу
второго начала термодинамики.
Масса - физическая величина, являющаяся мерой инерционных и гра-
витационных свойств тела. Под массой понимают два различных свойства
вещества: 1) инертная масса, которая характеризует меру инертности тел
и фигурирует во втором законе Ньютона; 2) гравитационная масса, которая
определяет, с какой силой тело взаимодействует с внешними гравитацион-
ными полями (пассивная гравитационная масса) и какое гравитационное
поле создает само это тело (активная гравитационная масса). Как установ-
лено экспериментально, эти две массы пропорциональны друг другу.
Математический маятник - осциллятор, представляющий собой меха-
ническую систему, состоящую из материальной точки, находящейся на не-
весомой нерастяжимой нити или на невесомом стержне в однородном поле
сил тяготения.
Материальная точка (М. т.) - вводимое в механике понятие об объекте
исчезающе малых размеров, имеющем массу. Положение М. т. в простран-
стве определяется как положение геометрической точки, что существенно
упрощает решение задач механики. Практически данное тело можно рас-
сматривать как М. т. в случаях, когда оно движется поступательно или ко-
гда расстояния, проходимые точками тела, очень велики по сравнению с его
размерами. При движении любой механической системы (в частности, твер-
дого тела) ее центр масс (центр тяжести) движется так же, как двигалась бы
М. т. с массой, равной массе всей системы, под действием всех внешних
сил, приложенных к системе.
Машина Карно - идеальная термодинамическая машина, цикл которой
состоит из двух адиабатических и двух изотермических процессов.
Механическая энергия - сумма потенциальной и кинетической энер-
гий, имеющихся в компонентах механической системы. Механическая энер-
гия - это энергия, связанная с движением объекта или его положением, спо-
собность совершать работу.
Механический эквивалент теплоты - числовая характеристика пере-
вода внесистемной (традиционной) единицы измерения тепловой энергии -
КАЛОРИИ в единицу системы СИ - ДЖОУЛЬ: I = 4,18 Дж/кал.
Механическое движение - изменение взаимного расположения тел или
частей тела относительно друг друга в пространстве с течением времени.
Механическое равновесие - состояние тела, когда оно находится в по-
кое или движется равномерно прямолинейно.
Модель в науке - это не увеличенная или уменьшенная копия предмета,
а картина явления, освобожденная от не существенных для поставленной
задачи деталей.
Момент инерции - скалярная физическая величина, мера инертности во
вращательном движении вокруг оси.
Мощность - физическая величина, равная отношению произведенной
работы к промежутку времени ее совершения.
Наиболее вероятная скорость - это скорость, вблизи которой на еди-
ничный интервал скоростей приходится наибольшее число молекул.
Неполярный диэлектрик - диэлектрик, который состоит из неполяр-
ных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного
зарядов совпадают.
Ньютон Исаак (1642-1727) - английский математик, механик, физик
и астроном, один из создателей классической физики. Автор фундамен-
тального труда «Математические начала натуральной философии», в ко-
тором он изложил закон всемирного тяготения и три закона механики,
ставшие основой классической механики. Разработал дифференциальное
и интегральное исчисления, теорию цвета и многие другие математические
и физические теории.
Обратная задача кинематики - определение скорости и закона движе-
ния точки по известному ускорению.
Однородность пространства означает, что нет такой точки в простран-
стве, относительно которой существует некоторая «выделенная» симмет-
рия, все точки равноправны, поэтому результат эксперимента не зависит от
выбора точки отсчета.
Относительная диэлектрическая проницаемость среды - безразмер-
ная физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (ди-
электрической) среды. Связана с эффектом поляризации диэлектриков под
действием электрического поля. Величина 8 показывает, во сколько раз
сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем
в вакууме.
Относительности теория - физическая теория, которая вносит поправ-
ки в определение массы и размеров движущихся тел, а также в характер
протекания времени в инерциальных системах отсчета относительно сто-
роннего наблюдателя при движении со скоростями, соизмеримыми со ско-
ростью света в вакууме (с = 300 000 км/с). Движение с такими скоростями
характерно для элементарных частиц. При этих скоростях вещество и поле
объединяются в одно целое.
Планетарная модель - историческая модель строения атома, которую
предложил Эрнест Резерфорд в результате эксперимента с рассеиванием
а-частиц. По этой модели атом состоит из небольшого положительно заря-
женного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг кото-
рого движутся электроны, - подобно тому, как планеты движутся вокруг
Солнца. Планетарная модель атома соответствует современным представ-
лениям о строении атома с учетом того, что движение электронов имеет
квантовый характер и не описывается законами классической механики.
Планка постоянная - фундаментальная физическая постоянная, опре-
деляющая широкий круг физических явлений. Эти явления изучаются
в квантовой механике. Введена М. Планком в 1900 г. при установлении за-
кона распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела.
Наиболее точное значение 11 = (6,626196 ± 0,000050) х Ю”34 Дж х с.
Пластическая деформация - деформация, которая сохраняется в теле
после прекращения действия внешних сил.
Поле - наряду с веществом, форма существования материи. Наличие
поля проявляется через взаимодействие материальных тел. В физике рас-
сматривают 4 вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное,
сильное и слабое.
Полярный диэлектрик - диэлектрик, который состоит из полярных
молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за
их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных
зарядов не совпадают.
Потенциальная энергия - часть общей механической энергии системы,
зависящая от взаимного расположения частиц, составляющих эту систему,
и от их положений во внешнем силовом поле.
Принцип эквивалентности - равенство инертной и гравитационной
масс.
Пространство Минковского - четырехмерное псевдоевклидово про-
странство, предложенное в качестве геометрической интерпретации про-
странства-времени специальной теории относительности.
Прямая задача кинематики - определение скорости и ускорения точки
из закона движения.
Пуанкаре Анри Жюль (1854-1912) - французский математик, физик,
астроном и философ. Глава Парижской академии наук (1906), член Фран-
цузской академии (1908) и еще более 30 академий мира, в том числе ино-
странный член-корреспондент Петербургской академии наук (1895). Исто-
рики причисляют Анри Пуанкаре к величайшим математикам всех времен.
Он считается, наряду с Гильбертом, последним математиком-универсалом,
ученым, способным охватить все математические результаты своего време-
ни. Его перу принадлежат более 500 статей и книг.
Работа силы - физическая величина, позволяющая количественно оце-
нить переход энергии из одного вида в другой, равная интегралу от произ-
ведения величины силы на элементарное перемещение в направлении ее
действия. Работа и энергия измеряются в одних и тех же единицах - Джо-
улях. В зависимости от характера проявляющихся сил, работа проявляется
в многообразных формах: механической, электрической, осмотической
и др., характеризующих действие сил трения, тяжести, упругости, кулонов-
ских сил, сил осмоса и т.д.
Радиус-вектор - вектор, используемый для задания положения точки
в пространстве относительно некоторой заранее фиксированной точки, на-
зываемой началом координат.
Резонанс - явление более или менее резкого возрастания амплитуды ус-
тановившихся вынужденных колебаний механической системы при при-
ближении частоты внешнего воздействия к частоте ее собственных коле-
баний.
Связь - ограничение, накладываемое на перемещение тела.
Сила - векторная физическая величина, являющаяся мерой механи-
ческого воздействия на материальное тело со стороны других тел или
полей.
Сила является количественным выражением взаимодействий между ма-
териальными телами. В соответствии с различными типами взаимодействий
рассматривают различные виды сил.
Сила тяжести - сила, действующая на любое тело, находящееся вблизи
земной поверхности, и определяемая как геометрическая сумма силы при-
тяжения Земли и центробежной силы инерции, учитывающей эффект су-
точного вращения Земли. Направление силы тяжести - вертикаль в данной
точке земной поверхности. Аналогично определяется сила тяжести на лю-
бом небесном теле. Значение силы тяжести зависит от географической ши-
роты положения тела; например, на Земле сила тяжести на полюсе и на
экваторе отличается на 0,5%.
Сила упругости - сила, возникающая при деформации тела и противо-
действующая этой деформации. В случае упругих деформаций является
потенциальной. Сила упругости имеет электромагнитную природу, яв-
ляясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия.
В простейшем случае растяжения/сжатия тела сила упругости направлена
противоположно смещению частиц тела, перпендикулярно поверхности.
Система отсчета (СО) - это совокупность тела отсчета, связанной с ним
системы координат и системы отсчета времени, по отношению к которым
рассматривается движение каких-либо материальных точек или тел.
Система СИ - международная система измерения физических величин.
Содержит семь основных единиц измерения: килограмм (кг), метр (м), се-
кунда (с), Кельвин (К), Ампер (А), кандела (Кд), грамм-молекула (моль).
Единицы измерения большинства физических величин являются производ-
ными от указанных основных.
Скорость - векторная величина, характеризующая быстроту перемеще-
ния и направление движения материальной точки в пространстве относи-
тельно выбранной системы отсчета.
Сплошная среда - часто и успешно используемая в физике модель для
более-менее однородных систем с очень большим числом частиц (т.е. сте-
пеней свободы).
Стрела времени - метафорическое название эмпирических индикато-
ров направления времени.
Суперпозиции принцип - используется для анализа одновременного
взаимодействия нескольких тел (сил). Выражением этого принципа являет-
ся правило сложения векторов. По этому правилу, чтобы найти резуль-
тирующий вектор нескольких заданных векторов, необходимо в любой
последовательности подсоединить их друг к другу, сохраняя величины
и направления в пространстве. Результирующий вектор является характери-
стикой равнодействующей всех сил.
Теория великого объединения - теоретические модели, исходящие из
представлений о единой природе сильного, слабого и электромагнитного
взаимодействий.
Термодинамическая система - это некая физическая система, состоя-
щая из большого количества частиц, способная обмениваться с окружаю-
щей средой энергией и веществом. Также обычно полагается, что такая
система подчиняется статистическим закономерностям.
Траектория материальной точки - линия в пространстве, представляю-
щая собой множество точек, в которых находилась, находится или будет
находиться материальная точка при своем перемещении в пространстве.
Существенно, что понятие о траектории имеет физический смысл даже при
отсутствии какого-либо по ней движения.
Твердое тело - тело, вещество которого характеризуется устойчиво-
стью к сохранению внешней формы тела. Это обусловлено тем, что внут-
реннее взаимодействие в таких телах в обычных условиях значительно пре-
вышает внешние воздействия.
Угловая скорость - величина, характеризующая быстроту вращения
твердого тела.
Угловое ускорение - физическая величина, характеризующая быстроту
изменения угловой скорости твердого тела.
Упругая деформация - деформация, которая исчезает после прекраще-
ния действия внешних сил.
Упругое столкновение - модель соударения, при которой полная кине-
тическая энергия системы сохраняется.
Уравнение состояния - уравнение, связывающее между собой термо-
динамические (макроскопические) параметры системы, такие как темпера-
тура, давление, объем, химический потенциал и др. Уравнение состояния
можно написать всегда, когда можно применять термодинамическое описа-
ние явлений. При этом реальные уравнения состояний реальных веществ
могут быть крайне сложными.
Уравнение Шредингера - уравнение, описывающее изменение в про-
странстве и во времени состояния, задаваемого волновой функцией. Играет
в квантовой механике такую же важную роль, как уравнение второго закона
Ньютона в классической механике. Его можно назвать уравнением движе-
ния квантовой частицы. Установлено Эрвином Шредингером в 1926 г.
Ускорение - векторная величина, показывающая, насколько изменяется
вектор скорости точки (тела) при ее движении за единицу времени.
Ускорение свободного падения - ускорение, придаваемое телу в ва-
кууме силой тяжести. В соответствии со вторым законом Ньютона, ускоре-
ние свободного падения численно равно силе тяжести, воздействующей на
объект единичной массы. Значение ускорения свободного падения на по-
верхности Земли обычно принимают равным 9,8 или 10 м/с2. Стандартное
(«нормальное») значение, принятое при построении систем единиц, -
§ = 9,80665 м/с2, а в технических расчетах обычно принимают § = 9,81 м/с2.
Фазовое пространство - в математике и физике пространство, в кото-
ром представлено множество всех состояний системы так, что каждому
возможному состоянию системы соответствует точка фазового простран-
ства.
Физическая величина - физическое понятие, отражающее какое-то
свойство тел и явлений и выражаемое числом в процессе измерения.
Физический маятник - осциллятор, представляющий собой твердое
тело, совершающее колебания в поле каких-либо сил относительно точки,
не являющейся центром масс этого тела, или неподвижной оси, перпенди-
кулярной направлению действия сил и не проходящей через центр масс
этого тела.
Штейнер Якоб (1796-1863) - швейцарский математик, основатель син-
тетической геометрии кривых линий и поверхностей 2-го и высших поряд-
ков.
ЭДС - скалярная физическая величина, характеризующая работу сто-
ронних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного
тока.
Эйнштейн Альберт (1880-1955) - немецкий физик, создатель теории
относительности. Предложил вводить поправки в законы движения матери-
альных тел с учетом скорости их движения. Согласно его теории, при ско-
ростях движений, близких к скорости света в вакууме (300 000 км/с), раз-
меры тел, их масса и характер течения времени изменяются. Развил
возможности математического описания физических явлений, прежде
всего на основе геометрических представлений. Использовал понятие че-
тырехмерного пространства-времени, искривляющегося в сильных полях
тяготения.
Электрическая постоянная - константа равная (8,85418782 ±
±0,000 000 07) х10“12Ф/м.
Электрический заряд - это физическая скалярная величина, опреде-
ляющая способность тел быть источником электромагнитных полей и при-
нимать участие в электромагнитном взаимодействии.
Электрический колебательный контур - осциллятор, представляю-
щий собой электрическую цепь, содержащую соединенные катушку индук-
тивности и конденсатор. В такой цепи могут возбуждаться колебания тока
(и напряжения).
Электрический потенциал (электростатический потенциал) - скаляр-
ная энергетическая характеристика электростатического поля, характери-
зующая потенциальную энергию поля, которой обладает единичный заряд,
помещенный в данную точку поля.
Электрический ток - упорядоченное движение свободных электриче-
ски заряженных частиц под воздействием электрического поля.
Электрослабое взаимодействие - общее описание двух из четырех
фундаментальных взаимодействий: слабого взаимодействия и электромаг-
нитного взаимодействия. Хотя эти два взаимодействия очень различаются
на обычных низких энергиях, в теории они представляются как два разных
проявления одного взаимодействия. При высоких энергиях они соединяют-
ся в единое электрослабое взаимодействие.
Элементарная частица - собирательный термин, относящийся к мик-
рообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на
составные части. Существенной характеристикой элементарных частиц
является время их существования. Наряду с частицами, имеющими неогра-
ниченное время существования, имеются и такие, время жизни которых
составляет миллиардные доли секунды и менее. Список этих частиц посто-
янно пополняется.
Энергии закон сохранения - фундаментальный закон природы, уста-
новленный эмпирически и заключающийся в том, что для изолированной
физической системы может быть введена скалярная физическая величина,
являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая
сохраняется с течением времени
Энергия - скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой
различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода
движения материи из одних форм в другие. Введение понятия энергии
удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то
ее энергия сохраняется во времени. Понятие введено Аристотелем в тракта-
те «Физика».
Энтропия - понятие, впервые введенное в термодинамике для опреде-
ления меры необратимого рассеяния энергии.
Рекомендуемая литература
Основная литература
1. Бухман Н.С. Элементы физической механики. СПб.: Лань, 2008.
2. Бабаев В.С., Легуша Ф.Ф. Корректирующий курс физики. СПб.: Лань,
2011.
Дополнительная литература
1. Базаров И.П. Заблуждения и ошибки в термодинамике. М.: Едиториал
УРСС, 2003.
2. Трофимова Т.И. Основы физики. Механика. М.: Кнорус, 2011.
3. Орир Дж. Физика. В двух томах. М.: Мир, 1981.
Раздел III
ХИМИЯ
165
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА
группы элементов
1 11 111 IV V VI VII VIII
1 / н 1 1.00794(7) водородI И 2 Не 4.002602(2) 1 гелий
2 // ы 3 |6.94|(8)| _ 11» । ЛИТИЙ I Ве 4 9.012)82(3) бериллий* 5 5 В 10.811(5) ; бор 6 с 12.01 ((1) • М з углерод 7 м 14.00674(7) 1 азот 8 о 15,9994(3) 4 7>>' , кислород 9 р 18.9984032(9) 2 » фтор 10 Ые 20.17976(6) 5 неон
3 /11 11 22.989768(6) _ *' • натрий 1 М& 12 24,3050(6) , , магний ‘ ' 13 А1 . 26.981539(5) • з*' 1 алюминии 14 $1 28.0855(3) а >’ з кремний .5 р , 30.973762(4) * фосфор 16 5 4 32.066(6) » сера 17 С1 35.4527(9) « 7д* хлор 18 Аг 4 39.948(1) * аргон
4 /V к 19 39,0983(1) । калий ** ‘ Са 20 40.078(4) 5 кальций 5 8с 21 «955910(9) з а скандии ч Т| 22 "“'"и.'- титан » V 23 50,94)5 > ванадий ! Сг 24 хром г Мп 25 54.93805(1) » 1</»«1» , марганец з Ре 26 »л<5<г) железо ч Со 27 58.93320( 1) » е 34'41* » кобальт » м 28 58.6934(2) > 74*41' 1 никель >
V 29 Си • 63.546(3» '«• 14-41' : мель 30 7.п 4 9 65.39(2) 2 ЦИНК 31 ва » 69.723(1) * ** галлий 32 бе ,« 72.61(2) 5 г германий 33 А$ (» 74.92159(2) 1 мышьяк 34 8е ,• _ 78.М<3> * селен 35 Вг ,1 79.904(1) в 4^ _ 2 брОМ 36 Кг ‘ криптон
5 V! кь 37 . 35.4676(3) ' Д рубидий ‘ 5г 38 , 87,62(1) в 2? '* стронций 2 у 39 88.90585(2) ,* иттрии э 2г 40, 91,224(2) цирконии3* * м> 41, 92.90638(2) •» , 44*11' а Ниобий 2 Мо 42 , 95.94(1) >з ,44»!.' молибден 1 Тс 43 , 98.9072* >з » технеции 1 Ки 44 . 101,07(2) •* /Л»' '1 рутении 2 ки 4?, 102.90550(3) •» родий * •Рд 46 . палладий . ?
VII ,47 Аг- ;; 107.8662(2) ' ‘ серебро ,48 Сд ;; н2,4П(8) 1 кадмий 1п '• ) 14.818(3) в 3? 1 ИНДИЙ ,50 8п •• 118.710(7) • V 1 олово ,31 8Ь ;• )21.760()) ; сурьма . 52 Те ;• 127.60(3) • V э теллур , 53 I [» 126.90447(3) * йод ,54 Хе “ 131,29(2) . 4 ЗХ 9 ксенон
6 VIII Сз 55 ; 132.90543(5) • цезий ! Ва 36 1 ц барий ‘ Ьа57-Еи71 * нт ,72.? 178.49(2) « . _ 14'51' а гафний ъ Та 73 л 180.9479(1) зз тантал 3 \У 74 вольфрам з Ке 75 Л 186.2070) »’ зл.»; рений » Оз 76 190.23(3) з; г 3^ ОСМИЙ 1 1г 192.217(3) »з иридий 3 Р1 78 195.08(3) з» 54*41’ '» платина 1
/X 479 Ал » 196.96654(3) 114*4<‘ 1 ЗОЛОТО »80 Нй 33 200.59(2) а з. ,:81 Т1 ” 234.3833(2) ‘ таллий .:82 РЬ « 207.2(1) 1 свинец ,:83 в. » 208.98037(3) I «Я* » висмут 84 Ро за 208.9824* а полоний 83 А( з» 209.9871* } астат 86 Кп зз 222.0176’ * * радой
7 X Рг 87 • 223.0197 « _ 71» » франций > Ка 88 • 226.0254 » я Л* » радий 2 Ас891_г103 ** й( 104й 261,11 И резерфордий а ОЬ й 262.04 зз Л*?Р « дубний 5 ,01 сиборгии 2 ВН |07й 262.12 »» 4Я»7И '! борий 9 На “>8Й 12651 хассий > ГЛ1 |09й 12661 мейтмсрий ч
Ьа 571 1389055(2)4 14*41» , лантан 3 Се 58: 140.115(4)30 цсри^’5 Рг 591 14090765(3)^ гтраэкушм* Мд60; 144Д4(3) 37 4/*41' » неодим 7 Рт61; 144.9127*» прометий* $т62’, 150.36(3) з* <Г«>' . самарии г Ей 63 г 151.965(9)»; европии * ба64; 157.25(3) »; ТЬ63! 15892534(3)3? терб^ ! Оу 66 162.52(3) >• 4/-в/’ , ДИСПрО>1Й7 НО 67 2 1М9Э0ЗДЗ)37 4Г4? ‘а ГОЛЬМИЙ з Ег68: 167.26(3) зо эрбии 3 ? Тт“1 168.9342 »• ! гуляя 3 УЬ701 173.04(3) зз 4/;«<; иттербий : Ей71? 174.967(1)3] 14'41' , лютеции а
Ас 89 • 227.0278 з» «4'7(* ’» актинии » ТЬ9®;: 232.0381*»’ 44*71’ ’2 торий 1 Ра’и 231,0359*»’ 1/14'7г’.| тротахтииинз б 92' 238.0508* з» 3/*84'71’'2 уран Мр 93^ 237.0482* « 1/'«47?': нептунии 2 Ри 94,: 244.0642* з» 5Г71’.а плутоний 2 Ат95,; 243.0614*»» 1/’7,’'! америций 2 Ст96! 247.0703*3» 1Г«4'71»'! кюрий 2 Вк97! 247.0703’3» с ЗГ6Г7У*\ берклии » СТ 98,1 251.0796*1» 1/"71'.1 «алифоркки, Ез "4 252.083 « 5/-’7/’'! эни’.итгйний 2 Рт100] 257,0951 »’ ж ' фермии , Мд10'.’ 258.1* »» ЗП‘‘ ! менделевий, МО102,! 259.101 »з нобелий * Ьг103; лоуренсий 2
Глава 1
БАЗОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА
В ходе изучения темы важно запомнить: строение атома,
атомную массу, изотопы, радио активность, характеристику элек-
тронов в атоме, Периодический закон, типы химических связей (ко-
валентную, ионную, металлическую, водородную).
1.1. Строение атома
Предположение о том, что все многообразие материального мира
реализуется через небольшое число простейших элементов, сформу-
лировано еще античными философами. Их выводы были чисто умо-
зрительными, но именно они ввели понятие «атом», что означает
неделимый.
Далее пришло время естествоиспытателей. Долгое время наука
накапливала факты, свидетельствовавшие о сложном строении ато-
ма. Наконец, в результате важнейших открытий конца XIX - сере-
дины XX вв. на основании работ Дж.Дж. Томсона, Э. Резерфорда
и Н. Бора была создана модель атома, называемая ядерной или пла-
нетарной.
В соответствии с этой моделью, в центре атома находится поло-
жительно заряженное ядро, составленное из нуклонов (протонов
и нейтронов). Положительный заряд ядра, определяемый числом
протонов, компенсируется суммарным зарядом электронов, которые
движутся вокруг ядра. Следовательно, атом электронейтрален. При-
тяжение электронов к ядру компенсируется центробежной силой,
действующей на них, что обеспечивает устойчивость системы.
Размеры ядра очень малы по сравнению с размерами атома в це-
лом. Если диаметр атома составляет примерно 1О”10 м, то диаметр
ядра - величина порядка 10”15-10-14 м. Чтобы представить себе сте-
пень концентрации вещества в атоме, вообразим, что размеры его
пропорционально увеличены до размеров большого здания. В такой
модели практически вся масса здания будет заключена в шаре раз-
мером с футбольный мяч!
Приведем другой пример, иллюстрирующий плотность материи
в ядре. Спичечный коробок, наполненный веществом такой плотно-
сти, весил бы 2,5 млрд, тонн!
Как уже было отмечено, заряд ядра (число протонов) совпадает
с числом электронов в атоме. Когда атомы сближаются, то, в первую
очередь они взаимодействуют друг с другом не ядрами, а электро-
нами. Число электронов определяет способность атома образовывать
связи с другими атомами, т.е. его химические свойства. Поэтому
атомы с одинаковым зарядом ядра (и одинаковым числом электро-
нов) ведут себя в химическом отношении практически одинаково
и рассматриваются как атомы одного химического элемента. Таким
образом, совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и со-
ставляет то, что называют химическим элементом.
Сумма тяжелых частиц (нейтронов и протонов) в ядре атома ка-
кого-либо элемента называется массовым числом и обозначается
буквой А. Из названия этой величины видно, что она тесно связана
с округленной до целого числа атомной массой элемента. Атомная
масса - это масса химического элемента, выраженная в атомных
единицах массы (а.е.м.). За 1 а.е.м. принята часть массы изотопа
углерода с атомным весом 12:
1 а.е.м. = 1.6605655-10 27 кг.
Атомная масса складывается из масс всех протонов и нейтронов
в данном атоме: А = 2 + М, где А - массовое число атома, 2 - заряд
ядра (число протонов в ядре), М - число нейтронов в ядре.
В природе один и тот же элемент может существовать в виде
двух или нескольких модификаций, называемых изотопами. Изото-
пы, имея одинаковое число протонов, отличаются друг от друга
числом нейтронов в ядре (числом М) и, следовательно, массой.
Некоторые элементы, например натрий, существуют в виде един-
ственного изотопа. В таком случае атомная масса в точности равна
атомной массе этого изотопа. Иначе обстоит дело с элементами, ко-
торые существуют в виде нескольких изотопных модификаций.
Например, элемент хлор в природе находится в виде двух изото-
пов: хлор-35 и хлор-37. Их содержание составляет 75 и 25% соответ-
ственно. Очевидно, что атомный вес природной смеси двух изотопов
хлора округленно равен:
35 • 0,75 + 37 • 0,25 = 35,5 а.е.м.
Близость химических свойств изотопов одного и того же элемен-
та уже отмечалась. То же можно сказать и о физических свойствах.
Тем не менее современные наука и технология позволяют осуществ-
лять разделение изотопов даже в промышленных масштабах. Есте-
ственно, все операции по разделению основаны на разнице в атом-
ной массе изотопов и вытекающих отсюда различиях в физических
свойствах изотопов и их химических соединений. В первую очередь,
речь идет о разнице в скорости диффузии и летучести.
В некоторых случаях различия в массе существенны. Например,
между изотопами водорода протием, дейтерием и тритием: } Н, \ Н и
1Н. Здесь добавление одного нейтрона существенно меняет массу
атома и, следовательно, облегчает операции разделения. Но про-
мышленность успешно разделяет смеси изотопов, массы которых
различаются лишь на полтора процента. Например, успешно разде-
235 тт 238 тт
ляются смеси изотопов урана 92П и 92П до достижения нужной
степени обогащения природной смеси ураном-235.
Изотопы некоторых элементов самопроизвольно испускают
лучи, превращаясь в изотопы других элементов. Явление было
обнаружено в конце XIX в. французскими исследователями А. Бек-
керелем и супругами Кюри. Обнаруженное свойство было названо
радиоактивностью.
Оказалось, что излучение имеет сложную природу. В нем обна-
ружены положительно заряженные частицы (2 = 2; А = 4). Это - яд-
ра гелия, которые принято называть «-частицами.
Отрицательно заряженный компонент лучей состоит из р-частиц.
Выяснилось, что это - высоко энергичные (их скорость сопоста-
вима со скоростью света) электроны ядерного происхождения.
Обнаружение в ядре Р-частиц противоречит вышеприведенной
модели атома, в соответствии с которой в атомном ядре нет электро-
нов, оно составлено лишь из нуклонов (протонов и нейтронов). При-
рода ядерных частиц достаточно сложна. По сути дела, протон и
нейтрон есть два различных состояния нуклона, и в определенных
условиях возможен переход из одного состояния в другое:
п —> р + ё и р —> п + е+,
где ё и е - это электрон и позитрон соответственно.
Третий компонент (у-лучи) представляет собой поток жесткого
электромагнитного излучения, которое сопровождает «перестройку»
ядра.
Таким образом, в результате а-распада ядро теряет четыре атом-
ных единицы массы, а его заряд уменьшается на два. Иными слова-
ми, после а-распада получается изотоп элемента, номер которого
в Периодической таблице равен 2 - 2 (2 - исходный заряд ядра).
После вылета Р-частицы (если это электрон) заряд ядра увеличи-
вается на единицу, т.е. образуется ядро изотопа, номер которого
в Периодической таблице равен 2 + 1.
Радиоактивные элементы, распадаясь, превращаются друг в дру-
га, образуя семейства или ряды. Заканчиваются цепочки радиоак-
тивных превращений образованием стабильных изотопов свинца.
Таким образом, в результате последовательных распадов радиоак-
тивные элементы - каждый со своей скоростью - исчезают. При
этом в природе накапливается свинец.
Рассмотрим в качестве примера последовательность превраще-
238 тт
нии в «семействе» 92 И
238 т т 234 о 234 п о 234 т т 230 226 о
92 П & * 90 ТЬ р > 91 Ра Р > 92 И 01 > 99 ТЬ 01 > 88 Ка
222 о 218^ 214^1 о 214 о 214
-а-> 86Кп-а—> 84Ро-а—> 82РЬ-0^ 83В1 -р -> 84Ро-а^
282 РЬ - р —► 28з В1- р —> 284 Ро - а —> 282 РЬ (устойчивый изотоп/
Важной характеристикой радиоактивного изотопа является
Т1/2 - период полураспада. Т1/2 - время, за которое распадается
половина наличных ядер данного изотопа. Этот параметр варьи-
руется в широких пределах. Так, для реакции 292И - а—> 2^ ТЕ (пер-
вое звено в цепи приведенных превращений) период полураспада
равен 4,5 • 109 лет, а для третьего перехода той же последовательно-
сти Ра - Р —> 2^ И лишь 1,1 мин. В зависимости от величины Т1/2
изотопы делят на долго- и короткоживущие.
Заканчивается цепь превращений образованием стабильного изо-
206
топа свинца 82 РЬ.
В ядрах легких элементов число протонов равно или несильно
отличается от числа нейтронов. По мере движения по Периодиче-
ской таблице «перегруженность» ядер нейтронами возрастает, что
сопровождается уменьшением устойчивости ядер вплоть до их ра-
диоактивного распада.
Некоторые тяжелые ядра не только являются источниками ра-
диоактивного излучения, но и способны самопроизвольно или по-
глотив частицу (чаще всего - нейтрон) делиться на несколько оскол-
ков. Каждый акт такого деления сопровождается высвобождением
нейтронов. Таким образом, развивается цепная реакция деления тя-
желых ядер. При этом выделяется большое количество энергии.
Контролируемая реакция деления лежит в основе действия атомных
электростанций. Лавинообразное неконтролируемое деление ядер
приводит к взрыву.
До сих пор речь шла о природной (естественной) радиоактивно-
сти, но в определенных условиях (выбор бомбардирующих частиц
и их энергии) ядра легких стабильных изотопов превращаются
в ядра радиоактивных изотопов. Это явление называют искус-
ственной радиоактивностью.
Приведем несколько примеров. При бомбардировке ядер алюми-
ния а-частицами образуется нестабильный изотоп фосфора ^Р,
который распадается (Т1/2 = 3’15”), излучая позитрон и превращаясь
в стабильный изотоп кремния:
^А1+ ^Не—*• 15 Р+ дП
1°Р 14§1 + е+
При бомбардировке молибдена ядрами тяжелого водорода (дей-
терия) \ Н образуется сорок третий элемент Периодической систе-
мы, отсутствующий в земной коре:
^МО+ |Н^ ^ТС+ дП
Электроны в атоме. Приступая к рассмотрению организации
электронных оболочек атома, важно подчеркнуть, что речь идет
лишь о модели. Физическая реальность более сложна, и наука пока
знает об электронах в атоме далеко не все. Однако современная
электронная модель позволяет предсказывать химические и физиче-
ские свойства атомов, поэтому широко используется в химии и дру-
гих естественных науках.
Н. Бор сделал попытку объяснить накопленные данные об эмис-
сионных спектрах (спектрах излучения) элементов, сохраняя основ-
ные положения ядерной модели. Для этого он постулировал сле-
дующие положения:
электрон может вращаться вокруг ядра не по произвольным,
а только по круговым стационарным орбитам (рис. 1.1). Вне стацио-
нарных орбит в «запрещенном» пространстве электрон находиться
не может;
находясь на стационарной орбите, электрон не излучает
энергию;
атом излучает (или поглощает) энергию только при скачко-
образном переходе электрона с одной стационарной орбиты на
другую.
Рис. 1.1. Схематическое изображение строения электронной оболочки атома
в модели Бора (18, 2р, 3(1 и т.д. - обозначения уровня и подуровня)
Электронные орбиты (уровни) в модели Бора обозначаются це-
лыми числами: 1, 2, 3, ... щ начиная с ближайшей к ядру. Уровни,
в свою очередь, могут состоять из близких по энергии подуровней.
Например, 2-й уровень состоит из двух подуровней (2з и 2р). Третий
уровень состоит из 3-х подуровней (Зз, Зр и 36).
Электроны в атоме заселяют ближайшие к ядру уровни и поду-
ровни, потому что в этом случае их энергия меньше, чем если
бы они заселяли более удаленные уровни. На каждом уровне и под-
уровне может помещаться только определенное количество элек-
тронов.
Модель Бора, основанная на рассмотрении электрона в атоме
как движущегося точечного заряда, остается противоречивой и не
может объяснить базовые положения, в том числе и собственные
постулаты.
Классический подход не может удовлетворительно описать со-
стояние электронов в атоме. Описание, учитывающее двойственную
природу электрона (электрон - это и частица, и волна одновремен-
но), предлагает квантово-механический подход.
Упрощенно суть квантово-механического рассмотрения можно
свести к следующему. Электрон в атоме представляется как отрица-
тельно заряженное облако определенной формы. Это облако может
быть по-разному ориентировано в координатах атома. Вместо поня-
тия «орбита» (траектория движения точечного заряда), непримени-
мого к описанию движения облака, вводится понятие «орбиталь».
При этом боровские радиусы соответствуют максимальной плотно-
сти электронного облака.
В рамках квантово-механического подхода состояние электрона
в атоме исчерпывающе описывается набором из четырех квантовых
характеристик (чисел).
Главное квантовое число п является общим для всех электронов
одного уровня. Оно может принимать целочисленные значения
1, 2, 3..., которые связываются с энергетическим состоянием элек-
трона в атоме, иными словами, каждое значение п соответствует
определенному энергетическому уровню электрона в атоме, причем
п = 1 соответствует наименьшей энергии электрона. Формально
значение главного квантового числа совпадает с п в модели Бора
(рис. 1.1).
Побочное (орбитальное) квантовое число I определяет энер-
гетический подуровень и соответствующую ему форму электронно-
го облака. Е принимает значения 0, 1, 2, 3, ... (/7-1), которые часто
заменяют латинскими буквами 8, р, б, Г (рис. 1.2).
8-орбиталь форма и ориентация р-электронных орбиталей
Рис. 1.2. Схематическое изображение формы электронных облаков
Набор значений магнитного квантового числа т связан с раз-
личными вариантами ориентации электронного облака в координа-
тах атома. Число т может принимать следующие значения: 0, +1, -1,
+2,-2, ...± I.
Наконец, есть еще одна квантовая характеристика, отражающая
собственный момент количества движения. Это - спиновое кванто-
вое число 5, которое упрощенно можно рассматривать как характе-
ристику вращения электрона вокруг собственной оси. Спин электро-
на может принимать лишь два значения: +72 и -1/2.
Приведенные характеристики исчерпывающе описывают состоя-
ние электрона в атоме. «Исчерпывающе» в том смысле, что включа-
ют в себя всю индивидуальность электрона в атоме. В то же время -
это следует из физической интерпретации чисел - вне атома они те-
ряют смысл.
Полнота информации, заключенная в наборе квантовых характе-
ристик, лежит в основе принципа (запрета) Паули. Принцип гласит:
в одном и том же атоме не может быть двух электронов с одинако-
выми значениями квантовых чисел. Это означает, что на одной ор-
битали могут находиться два электрона с одинаковыми п. Е ит, но
с различными спинами. Если же совпадают все четыре квантовые
характеристики, значит, речь идет об одном и том же электроне.
Исходя из ограничений, накладываемых на значения квантовых
чисел, легко сосчитать максимальное число электронов (число ва-
кансий) на том или ином энергетическом уровне.
Из приведенных в табл. 1.1 данных следует, что число мест на
каждом электронном уровне: М = 2т?2, где п - главное квантовое
число. При этом если речь идет о внешнем уровне, то на нем не на-
капливается больше 8 электронов. Дело в том, что электронный ок-
тет (конфигурация из 8 электронов) отвечает минимуму энергии
электронного уровня, т.е. обеспечивает максимальную устойчивость
системы.
Таблица 1.1
Максимальное число электронов на первых четырех
электронных уровнях
Электронный уровень, п Число электронных вакансий
1 2
2 8
3 18
4 32
Стремление к максимальной энергетической устойчивости во
многом определяет порядок и последовательность заполнения элек-
тронных уровней по мере увеличения заряда ядра.
Отмеченные закономерности определяют структуру электронных
уровней, включая самый удаленный (внешний) от ядра, строение
которого во многом предопределяет химическое поведение атома.
Рассмотрим, как по мере увеличения заряда ядра размещаются
электроны, компенсирующие этот заряд.
Существует условное изображение электронных уровней и поду-
ровней, называемое орбитальной диаграммой. На такой диаграмме
орбитали условно изображаются квадратиками, а электроны - стрел-
ками. Если стрелки направлены в разные стороны, это означает, что
электроны различаются между собой спином.
Рассмотрим атом водорода. В ядре атома водорода только один
протон, поэтому в электронном облаке имеется только один элек-
трон, который размещается на самой близкой к ядру 18-орбитали:
1Н: 181 (1 Ш)-
Соответственно, для гелия, ядро которого содержит два протона,
имеем 2Не: 182 (1 [ц|). Цифра 1 в скобках указывает на то, что оба
электрона располагаются на первом уровне. Как было показано вы-
ше, больше здесь мест нет. Поэтому третий электрон следующего
элемента Ы располагается на более высоком, 2-м, уровне, где он зай-
мет ближайшую к ядру свободную 28-орбиталь. Электронная фор-
мула этого элемента выглядит следующим образом: 182 281. Для сле-
дующих элементов имеем:
Ве: 1з22з2; В: 1з22з22р1; С: 182 2з22р2; № 1з22з22р3; О:182 2з22р4.
Электронные схемы их внешнего энергетического уровня приве-
дены на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Электронные диаграммы Ве, В, С, К и О
При размещении второго р-электрона (атом углерода) теорети-
чески возможны два варианта. Электрон может встать «в пару»
к уже имеющемуся или занять свободную 2р-орбиталь (см. рис. 1.3).
В реальности здесь и далее размещение электронов подчиняется
правилу Гунда, которое гласит: при заполнении электронами ор-
биталей одного энергетического подуровня электроны с парал-
лельными (одинаковыми по знаку) спинами располагаются
в первую очередь поодиночке на каждой орбитали, и лишь по-
том начинается заселение этих орбиталей вторым «парным»
электроном. В результате модуль суммарного спина всех элек-
тронов в атоме будет максимальным.
Для следующих элементов Периодической системы имеем:
Г: 182 2з22р5; Не: 182 2з22р6.
В соответствии с приведенными принципами, накапливаются
электроны в атомах элементов, составляющих третий период:
На: 182 2з22р6 Зз1; М§: 1з2 2з22р6 Зз2; А1: 182 2з22р6 Зз2 Зр1.
Далее у 81, Р, 8, С1 добавляется по одному Зр-электрону. Восем-
надцатый элемент Аг имеет следующую структуру электронных
уровней:
182 2з22р63з2 Зр6.
Следовательно, на внешнем электронном уровне аргона (как
и в случае Не) размещаются восемь электронов (октет), составляю-
щих четыре электронных пары.
Химическое сходство этих двух элементов очевидно. Оба отно-
сятся к группе благородных газов. В чем проявляется их «благород-
ство»? Ответ очевиден: оба химически крайне инертны. Их химиче-
ская пассивность настолько велика, что еще относительно недавно
наука не располагала средствами, которые бы заставили эти газы
реагировать с другими веществами. Такую же инертность проявляют
криптон, ксенон и радон. При этом все они имеют одинаковую ок-
тетную структуру внешнего электронного уровня. Это наблюдение
позволяет сформулировать следующие важные положения.
• 8-электронная конфигурация внешнего электронного уровня
соответствует (при прочих равных условиях) минимальной энер-
гии системы, следовательно, максимальной устойчивости атома. От-
сюда - его (атома) химическая самодостаточность, выражающаяся
через отмеченную химическую инертность.
• Во многом химическое поведение элемента определяется
стремлением атома как системы к минимуму энергии, т.е.
к максимальной устойчивости. Передавая электроны партнерам по
химической реакции, обобществляя электроны, атом «стремится»
уподобить свой внешний электронный уровень электронному октету
атомов инертных газов.
Вернемся к третьему электронному уровню аргона. Из табл. 1.1
следует, что на этом уровне могут расположиться восемнадцать
электронов. Иными словами, остаются вакантными десять мест на
36-подуровне. Можно было бы предположить, что, начиная со сле-
дующего элемента, 36-электроны начнут занимать свои места, обо-
значенные пунктиром в электронных формулах К и Са. На самом же
деле имеем:
К: 1з2 282 2р63з2 Зр6.....481
Са: 1з2 2з22р6 Зз2 Зр6....4з2
и только у следующего элемента 8с появляется первый из 10 воз-
можных 3(1-электронов. Отмеченная особенность позволяет сделать
еще одно важное заключение.
При наличии 18 и более вакансий на внешнем электронном уров-
не никогда не накапливается больше восьми электронов. Эта конста-
тация отражает все то же стремление к октетному совершенству.
Заполнение б- и Г-мест происходит с «опозданием». Природа как бы
спохватывается и начинает помещать электроны на пропущенную
орбиталь лишь тогда, когда эта орбиталь перестает быть внешней.
Таким образом, основные выводы данного параграфа кратко
можно сформулировать следующим образом. Атомы стремятся
к наиболее устойчивой электронной конфигурации. Таковой
является конфигурация с завершенным внешним электронным
уровнем, составленным из двух 8- и шести р-электронов, т.е. из
электронного октета.
1.2. Периодический закон Д.И. Менделеева.
Периодическая система химических элементов
В процессе развития любой науки - химия не является исключе-
нием - наступает момент, когда проблемы систематизации и клас-
сификации приобретают первостепенную важность. В зависимости
от сделанного выбора они (систематизация и классификация) мо-
гут затормозить развитие или, наоборот, способствовать научному
прогрессу.
При этом подход к указанным проблемам всегда субъективен.
В основу классификации может быть положено любое свойство,
важное для конкретного рассмотрения.
Например, химические элементы можно поделить на газы, жид-
кости и твердые в обычных условиях.
Токсиколог мог бы выделить две группы элементов: ядовитые
и прочие. До открытия Периодического закона различных попыток
такого рода было предпринято немало.
При этом элемент рассматривался как носитель конкретных хи-
мических свойств вне связи с другими простыми веществами. В этих
работах не было единого теоретического обобщения.
Дмитрий Иванович
Менделеев
(1834-1907)
ментальный параметр,
Гениальность Д.И. Менделеева заключа-
ется в том, что он положил в основу своей
системы главное из известных во второй
половине XIX в. свойств элемента - его
атомную массу.
Первый вариант Периодической таблицы
элементов Д.И. Менделеев опубликовал
в 1869 г. - задолго до того, как было изуче-
но строение атома. В это время Менделеев
преподавал химию в Петербургском универ-
ситете. Готовясь к лекциям, собирая матери-
ал для своего учебника «Основы химии»,
Дмитрий Иванович старался найти фунда-
определявший свойства элементов, с тем,
чтобы химия перестала быть собранием разрозненных фактов.
Ориентиром в этой работе Д.И. Менделееву послужили атомные
массы (атомные веса) элементов. После Всемирного конгресса хи-
миков в 1860 г., в работе которого участвовал и Д.И. Менделеев,
проблема правильного определения атомных весов была постоянно
в центре внимания многих ведущих ученых мира, в том числе
и Д.И. Менделеева.
Располагая элементы в порядке возрастания их атомных весов,
Д.И. Менделеев обнаружил фундаментальный закон природы, кото-
рый теперь известен как Периодический закон.
Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений
элементов находятся в периодической зависимости от величины
атомных весов элементов.
Иными словами, свойства элементов периодически изменяют-
ся в соответствии с их атомным весом.
Таблица 1.2
Сопоставление предсказанных и определенных свойств Германия
Свойство Предсказано в 1870 г. Определено в 1886 г.
Цвет, внешний вид Коричневый Светло-коричневый
Атомный вес 72 72,59
Плотность, г/см3 5,5 5,35
Формула оксида ХО2 ОеО2
Формула хлорида ХС14 6еС14
Плотность хлорида, г/см3 1,9 1,84
Достоин восхищения тот факт, что свое открытие Д.И. Менделе-
ев сделал, когда атомные веса многих элементов были определены
весьма приблизительно, а самих элементов было известно всего 63,
т.е. около половины известных сегодня.
Свойства некоторых еще неоткрытых элементов Д.И. Менделеев
предсказал с удивительной точностью. В табл. 1.2 сопоставлены
предсказанные и действительные свойства тридцать второго элемен-
та Се («экасилиция» по Менделееву).
Точно так же блестяще подтвердились предсказанные гениаль-
ным ученым свойства двадцать первого и тридцать первого элемен-
тов: «экабора» (8с, открытый также при жизни Менделеева
в 1879 г.) и «экаалюминия» (Са, открытый в 1875 г.).
Научный дар Менделеева позволил ему избежать догматического
подхода к собственному закону. Составляя таблицу, он трижды на-
рушил провозглашенный принцип расположения элементов по мере
увеличения атомной массы. Более тяжелый аргон он поместил перед
калием (атомные массы приводятся в скобках), кобальт - перед ни-
келем и теллур - перед йодом. Такого расположения требовала ло-
гика химии, хотя объяснения этому наука XIX в. не давала:
18Аг (39,948) - 19К (39,098)
27Со (58,933)-28^ (58,69)
52Те (127,60)-531(126,904).
Дальнейшее развитие естествознания не опровергло, но, напро-
тив, обогатило Периодический закон, объяснив «противоречивые»
случаи.
На основании современных знаний о строении атома и составе
ядра закон формулируется следующим образом:
Свойства элементов периодически изменяются в зависимости
от величины заряда ядра.
Именно заряд ядра, т.е. число протонов в нем определяет инди-
видуальность и химическую принадлежность атома. Таким образом,
приведенные выше случаи не противоречат современной формули-
ровке закона и объясняются исключительно спецификой изотопного
состава элементов.
Структура таблицы Д.И. Менделеева. Таблица является графи-
ческим представлением Периодического закона. У каждого следую-
щего элемента заряд ядра на единицу больше, чем у его левого сосе-
да. Соответственно, для сохранения нейтральности атома в его
электронной оболочке добавляется один электрон. Располагаясь та-
ким образом, элементы обнаруживают эволюцию свойств от щелоч-
ного металла до инертного газа. Эти элементы составляют период.
Первые три коротких периода, образованные из 8- и р-элементов,
умещаются в одну строку. Далее, начиная со 8с, появляются
б-элементы, эволюция свойств замедляется и период удлиняется.
Теперь он занимает две строки. У элементов первой (четной) строки
больших периодов преобладают металлические свойства, для второй
(нечетной) в большей степени характерны неметаллические прояв-
ления.
Два семейства Г-элементов (лантаниды и актиниды) вынесены -
исключительно для компактного представления - вниз.
Некоторые закономерности изменения свойств элементов
в Периодической таблице Д.И. Менделеева
Периодическая таблица систематизирует не только элементы
и их различные свойства. Она позволяет также качественно соотно-
сить эти свойства. Отметим наиболее важные закономерности
в эволюции химических свойств при движении по таблице.
Закономерности, связанные с металлическими
и неметаллическими свойствами элементов
При движении слева направо вдоль периода металлические свой-
ства ослабевают. Это объясняется тем, что правее находятся элемен-
ты, электронные оболочки которых ближе к октету. Кроме того, при
движении в этом направлении увеличивается и заряд ядра, следова-
тельно, увеличивается притяжение к ядру валентных электронов
и затрудняется их отдача. Таким образом, элементы в правой части
периода менее склонны отдавать свои электроны вообще и для обра-
зования металлической связи в частности.
Наоборот, элементы в левой части таблицы имеют мало электро-
нов на внешней оболочке и меньший заряд ядра, что способствует
образованию именно металлической связи. Исключение составляют
водород (его оболочка близка к завершению) и гелий (электронная
оболочка завершена). Так, все 8-элементы являются металлами;
р-элементы могут быть как металлами, так и неметаллами, в зависи-
мости от того, в левой или правой части таблицы они находятся.
Некоторые элементы проявляют и металлические, и неметалли-
ческие свойства. Такие элементы расположены примерно вдоль диа-
гонали, проходящей от левого верхнего к правому нижнему углу
Периодической таблицы.
При перемещении сверху вниз по группе усиливаются металли-
ческие свойства элементов. Это связано с тем, что ниже в группах
расположены элементы, имеющие уже довольно много заполненных
электронных оболочек. Их внешние оболочки находятся дальше от
ядра. Они отделены от ядра более толстой «шубой» из нижних элек-
тронных оболочек, играющих роль экранов между ядром и электро-
нами внешних уровней. Поэтому последние удерживаются слабее.
Закономерности, связанные с окислительно-
восстановительными свойствами.
Изменения электроотрицательности элементов
Перечисленные выше причины объясняют, почему слева направо
усиливаются окислительные свойства, а при движении сверху вниз -
восстановительные свойства элементов.
Последняя закономерность распространяется даже на такие не-
обычные элементы, как инертные газы. У «тяжелых» благородных
газов криптона и ксенона, которые находятся в нижней части груп-
пы, удается отобрать электроны и получить их соединения с силь-
ными окислителями (фтором и кислородом), а для «легких» гелия,
неона и аргона подобные соединения не получены.
Как уже отмечалось, в правом верхнем углу таблицы находится
самый активный неметалл-окислитель фтор (Р), а в левом нижнем
углу - самый активный металл-восстановитель цезий (Сз). Элемент
франций (Рг) должен быть еще более активным восстановителем, но
его химические свойства изучать крайне трудно из-за быстрого ра-
диоактивного распада.
По той же причине, что и окислительные свойства элементов, их
электроотрицательность возрастает тоже слева направо, достигая
максимума у галогенов. Не последнюю роль в этом играет степень
завершенности валентной оболочки, ее близость к октету.
При перемещении сверху вниз по группе электроотрицательность
уменьшается. Это связано с возрастанием числа электронных оболо-
чек, на последней из которых электроны притягиваются к ядру все
слабее и слабее.
Закономерности, связанные с размерами атомов
Размер атома (атомный радиус) при перемещении слева направо
по периоду уменьшается. Электроны все сильнее притягиваются к
ядру по мере возрастания заряда ядра. Даже увеличение числа элек-
тронов на внешней оболочке (например, у фтора по сравнению с ки-
слородом) не приводит к увеличению размеров атома. Наоборот,
размеры атома фтора меньше, чем атома кислорода.
При перемещении сверху вниз атомные радиусы элементов рас-
тут, потому что заполнено больше электронных оболочек.
Резюмируя рассмотренные важнейшие закономерности, наб-
людаемые внутри периодов и групп Периодической таблицы
Д.И. Менделеева, можно представить их следующим образом.
При движении слева направо возрастают:
- неметаллические свойства;
- окислительные свойства;
- электроотрицательность.
При движении в том же направлении убывают:
- атомные радиусы;
- металлические свойства;
- восстановительные свойства.
При движении сверху вниз по группе возрастают:
- металлические свойства;
- восстановительные свойства;
- атомные радиусы.
При движении в том же направлении убывают:
- неметаллические свойства;
- окислительные свойства;
- электроотрицательность.
1.3. Химические связи в молекуле
Типы химических связей. Стремление к состоянию с наимень-
шей энергией является общим свойством материи. Атомы, обра-
зующие между собой связи, не являются исключением. Суммарная
энергия соединившихся атомов меньше, чем энергия тех же атомов в
свободном состоянии. Если бы дело обстояло иначе, если бы при
соединении атомов в молекулы не имело место уменьшение энергии
системы, то Вселенную заполняли бы только свободные атомы. Это
означает, что появление простых и сложных молекул было бы не-
возможно. Наша Вселенная оставалась бы безжизненным собранием
атомов.
Однако атомы не могут связываться друг с другом произвольно.
Каждый атом способен связываться с конкретным количеством дру-
гих атомов, причем связанные атомы располагаются в пространстве
строго определенным образом. Причину этих ограничений следует
искать в свойствах электронных оболочек атомов, а точнее - в свой-
ствах внешних электронных оболочек (см. предыдущий параграф),
участвующих в образовании химических связей.
Завершенная внешняя электронная оболочка обладает меньшей
(т.е. более выгодной для атома) энергией, чем незавершенная. По
правилу октета завершенная оболочка содержит 8 электронов:
82 + р6.
Таковы внешние электронные оболочки атомов благородных га-
зов, за исключением гелия (главное квантовое число п = 1), у кото-
рого завершенная оболочка состоит из двух 8-электронов (182) про-
сто потому, что р-подуровня на 1-м уровне нет.
Внешние оболочки всех элементов, кроме благородных газов, яв-
ляются незавершенными, и в процессе химического взаимодействия
они завершаются или, точнее, уподобляются внешним электронным
оболочкам атомов благородных газов.
Химическая связь образуется за счет электронов внешних элек-
тронных оболочек, но осуществляется она по-разному. Различают
три основных типа химической связи:
ковалентную (неполярную, полярную и донорно-акцеп-
торную),
ионную,
металлическую.
Ковалентная связь. При образовании ковалентной связи элек-
троны атомов обобществляются, образуя молекулярную орбиталь.
Таким образом, материальной основой ковалентной связи явля-
ется пара (пары) общих электронов из атомных оболочек обоих
атомов. Образовавшаяся новая оболочка содержит по возможности
октет электронов и заменяет атомам их собственные незавершенные
атомные оболочки.
Ковалентная неполярная связь. Рассмотрим возникновение та-
кой связи на примере образования молекулы водорода (рис. 1.4).
Этот процесс является типичной химической реакцией, потому что
из одного вещества (атомарного водорода) образуется другое - мо-
лекулярный водород. Внешним признаком энергетической «выгод-
ности» этого процесса является выделение большого количества те-
плоты.
Электронные оболочки атомов водорода (с одним 8-электроном у
каждого атома) сливаются в общее электронное облако (молекуляр-
ную орбиталь), где оба электрона «обслуживают» ядра независимо
от того, «свое» это ядро или «чужое». Новая электронная оболочка
подобна завершенной электронной
оболочке инертного газа гелия из двух
электронов: 1з2.
Первоначально два атома водорода
находятся далеко друг от друга и не
оказывают взаимного влияния. При их
сближении начинают действовать си-
лы отталкивания между двумя одина-
ково заряженными электронными обо-
лочками атомов.
Но если это отталкивание все-таки
преодолевается атомами (для этого
нужна сравнительно небольшая внеш-
няя работа), то при слиянии электрон-
ных оболочек двух атомов выделяется
намного больше энергии, чем потре-
бовалось на их сближение.
Поскольку оба ядра претендуют на
пару электронов в равной степени,
электронная плотность сосредоточена
как вокруг ядер, так и в пространстве
между атомами (рис. 1.5). Эта область
повышенной электронной плотности
между ядрами и есть физическая сущ-
ность ковалентной связи.
Повышенная плотность отрица-
тельного заряда в пространстве между
ядрами является стягивающей и фик-
сирующей эти ядра силой.
Содержание рис. 1.4 и 1.5 можно
выразить и более лаконичным спосо-
бом. Например, американский химик
Дж. Льюис предложил обозначать
электроны точками рядом с символа-
ми элементов. Одна точка обозначает
Атомы водорода
Молекула водорода
Рис. 1.4. Возникновение
ковалентной связи
при образовании
молекулы водорода
из двух атомов водорода
перекрывания электронных
облаков в молекуле водорода
один электрон. В этом случае образование молекулы водорода из
атомов записывается так:
Н • + • Н -> Н : Н,
где точкой обозначен единственный электрон атома водорода, а пара
точек соответствует двум обобществленным электронам.
Рассмотрим еще один случай образования ковалентной связи на
примере молекулы С12. Для атома хлора имеем:
1з2 2з22р6 3а23р5.
Внешний электронный уровень атома (подчеркнуто в формуле)
содержит 7 электронов. Эти внешние электроны образуют три пары
при одном неспаренном электроне. После объединения атомов в мо-
лекулу из неспаренных электронов получается новая электронная
пара:
:СГ + -С1: -> :С1:С1:
При этом каждый из атомов хлора оказывается в окружении ок-
тета электронов.
Следует подчеркнуть, что в образовании ковалентной связи уча-
ствует только пара обобществленных электронов, находящаяся меж-
ду атомами. Их также называют поделенной парой. Остальные не-
поделенные пары электронов заполняют оболочки, но не принимают
участие в связывании атомов.
В рассмотренных примерах возникающее общее электронное об-
лако (молекулярная орбиталь) строго симметрично относительно
ядер атомов. Во всех случаях, когда за счет одной или нескольких
ковалентных связей образуются молекулы типа А2, т.е. молекулы,
состоящие из одинаковых атомов (Н2, С12, О2, И2 и т.д.), ситуация
будет аналогичной; плотность облака обобществленной пары элек-
тронов относительно составляющих молекулу атомов будет симмет-
ричной. Это случай неполярной ковалентной связи.
Ковалентная полярная связь. Рассмотрим образование молеку-
лы хлористого водорода, состоящего из атомов, электронная струк-
тура которых была описана выше. «Мотивация» атомов, образую-
щих молекулу, остается прежней: уподобить структуру внешнего
электронного уровня электронной организации соответствующего
инертного газа. Для водорода - это Не, для хлора - Аг:
Н- + -С1: -> Н:С1:
Как и в предыдущих примерах, молекула возникает на основе по-
деленной пары электронов, но, в отличие от рассмотренных приме-
ров, здесь эта пара не в одинаковой степени принадлежит обоим
атомам. В силу большей электроотрицательности хлора пара обоб-
ществленных электронов оттянута в сторону последнего. Можно
сказать, что эти электроны в большей степени принадлежат атому
хлора. Смещение электронов в сторону хлора приводит к тому, что
на «хлорном» конце молекулы накапливается некоторый отрица-
тельный заряд, у водорода - равный по абсолютной величине поло-
жительный заряд. Такая полярность обнаруживается всякий раз, ес-
ли ковалентной связью соединяются разные атомы.
Наличие полярности или некоторой асимметрии в распреде-
лении электронной плотности и есть главная характеристика
полярной ковалентной связи.
На рис. 1.6 представлен еще один пример образования молекулы
на основе полярных ковалентных связей, а именно: образование
воды в реакции между двумя атомами водорода (Н: 181) и кисло-
рода (О: 182 2з2 2р4).
Очевидно, что для завершения электронных оболочек необходи-
мо взять именно два атома водорода на один атом кислорода. Одна-
ко электроотрицательность атома кислорода выше, чем у атома во-
дорода. Поэтому связывающие электронные пары будут смещены
к ядру атома кислорода. Связь в молекуле воды - полярная кова-
лентная. В силу упомянутого смещения электронных облаков (как
и в случае хлористого водорода) в молекуле возникают частичные
положительные и отрицательные заряды.
Октет электронов
Н * Кислород Н
Водород Вода
Рис. 1.6. «Завершение» электронных оболочек у атомов водорода и кислорода
при образовании молекулы воды
Таким образом, ковалентная связь становится полярной, если
возникает между двумя атомами разных элементов. Из-за различия в
величине электроотрицательности связывающая электронная пара
не располагается точно посередине между ядрами, что и является
причиной полярности ковалентной связи.
Донорно-акцепторный механизм образования
ковалентной связи
В случае возникновения донорно-акцепторной связи движущей
силой, предопределяющей поведение атомов, является все то же
стремление к завершению внешнего электронного уровня. Прин-
ципиальное отличие от обычной полярной ковалентной связи
заключается в том, что изначально оба поделенных электрона
принадлежат одному из участников связи, играющему роль до-
нора электронной пары. Другой атом (атом-акцептор) присоеди-
няется на «готовую» пару электронов.
Рассмотрим, к примеру, образование молекулы аммиака и далее -
иона аммония. На внешнем уровне атома азота (№ 1з2 2з2 2р3) име-
ются три непарных р-электрона, которые будут участвовать в обра-
зовании связей с водородом: ЗН2 + —> 2НН3. В образовавшейся
молекуле аммиака азот сохранил свободную пару электронов. Если
аммиак попадает в среду, где есть ионы водорода Н+, то последние
присоединяются к молекуле НН3, используя эту пару. Так образуется
ион аммония ИН .
Ионная связь. В принципе она может быть рассмотрена как
предельный случай полярной ковалентной связи. Ионная связь об-
разуется при взаимодействии атомов с сильно отличающимися
окислительно-восстановительными свойствами. Здесь стремление
к октетной оболочке не ограничивается нарушением симметрии
в пространственном расположении обобществленных электронных
облаков, но приводит к полной передаче электрона (электронов) от
одного атома к другому. Поэтому ионная связь возникает между
химическими антиподами.
Рассмотрим реакцию между атомами натрия (На: 1з2 2з2 2р6 Зз1)
и фтора (Е: 1з2 2з2 2р5). В электронных формулах нам важны только
подчеркнутые электронные конфигурации внешнего уровня.
При образовании связи оба элемента приобретают внешнюю
электронную оболочку благородного газа неона (Не: 1з2 2з2 2р6):
На- + :Ё: —► Ыа+:Ё:
Натрий, отдав фтору свой Зз^электрон, становится ионом На+ и
остается с заполненной 2з22р6 оболочкой, что отвечает электронной
конфигурации неона. Точно такую же электронную конфигурацию
приобретает атом Е, приняв один электрон, отданный натрием. Те-
перь это ион Е".
При этом в дополнение к ковалентной составляющей химической
связи (образованию «октета») в молекуле Иа+: Е” добавляется еще и
электростатическое притяжение между ионами натрия и фтора. Это
увеличивает прочность химической связи. Однако ковалентная со-
ставляющая (стремление к октету) продолжает играть важную роль
и в ионных соединениях.
общие электроны.
Рис. 1.7. Строение
кристаллов
металлического
натрия
Металлическая связь. Рассмотрим природу металлической свя-
зи на примере натрия. Это - очень мягкий металл, он легко режется
и расплющивается, его можно без труда расплавить. В кристалле
натрия каждый атом На окружен восемью другими такими же ато-
мами (рис. 1.7).
Каждый атом натрия в кристалле отдает в пространство между
атомами по одному валентному электрону, превращаясь в ион на-
трия На . Во внутреннем объеме кристалла свободно перемещаются
Именно эти электроны обеспечивают устой-
чивость металлического кристалла. На примере
натрия рассмотрим более подробно природу
металлической связи. У атома натрия на внеш-
нем электронном уровне всего один электрон
(На: 1з2 2з22р6 За1). Следовательно, свободные
валентные орбитали имеются в избытке. Един-
ственный 3 8-электрон натрия может занимать
(при поглощении незначительной энергии) лю-
бую из свободных и довольно близких по энер-
гии орбиталей - Зр или 36. При сближении
атомов в кристалле валентные орбитали сосед-
них атомов перекрываются, благодаря чему
электроны свободно перемещаются от одного атома к другому, осу-
ществляя связь между всеми атомами кристалла металла. Каждому
атому натрия энергетически выгодно «потерять» свой единственный
38-электрон, потому что при этом его электронная оболочка стано-
вится подобной электронной оболочке инертного газа неона.
Таким образом, обобщая, можно утверждать, что металлическую
связь склонны образовывать элементы, атомы которых на внешних
оболочках имеют мало валентных электронов. Эти валентные элек-
троны, осуществляющие металлическую связь, обобществлены на-
столько, что могут перемещаться по всему металлическому кристал-
лу и обеспечивают высокую электропроводность металла.
Водородная связь. При образовании полярной ковалентной
связи, например, между атомом кислорода и атомом водорода
смещение связывающей электронной пары к кислороду приводит
к появлению положительного заряда на «водородном конце» связи
и отрицательного - на кислородном. Эти заряды позволяют ато-
мам-участникам образовывать еще одну связь с другим таким же
атомом. Водороду - с еще одним кислородом, кислороду - с еще
одним водородом. Водородная связь - это связь между двумя
электроотрицательными атомами посредством атома водоро-
да, ковалентно связанного с одним из электроотрицательных
атомов.
Она возникает не только между водородом и кислородом, но
также между водородом и другими электроотрицательными элемен-
тами, например: фтором, азотом.
В заключение следует отметить, что водородные связи могут
возникать и между отдельными частями одной и той же молекулы.
Например, пространственная структура молекул белков и нуклеино-
вых кислот (НК) во многом определяется именно водородными
связями.
Контрольные вопросы
1. Из каких элементарных частиц построено ядро атома?
2. Что такое изотопы?
3. Какой физический смысл имеет главное квантовое число? Какое
максимальное количество электронов может располагаться на
3-ем энергетическом уровне?
4. Как изменяются металлические свойства элементов при движе-
нии сверху вниз по группе в Периодической системе элементов?
5. Как образуется ионная связь? Привести примеры.
6. Как образуются неполярная и полярная ковалентные связи? При-
вести примеры.
7. Что такое металлическая связь?
Глава 2
ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
В ходе изучения темы важно запомнить: понятие об истинных
и коллоидных растворах, растворимость, способы выражения со-
става раствора (процентная и молярная концентрации), электро-
литическая диссоциация, кислоты и щелочи, водородный показа-
тель, буферные системы, специфические свойства коллоидов, типы
дисперсных систем.
Дисперсными называют системы, в которых одно (или несколь-
ко) вещество равномерно распределено (диспергировано) в другом.
Дисперсные системы состоят из сплошной непрерывной фазы -
дисперсионной среды и частиц дисперсной фазы, равномерно рас-
пространенных в среде. Дисперсные системы принято делить по
степени дробления частиц дисперсной фазы.
2.1. Истинные растворы. Вода, ее особые свойства
Если размеры растворенных частиц не превышают 1 нанометра
(1 нм = 10-9 м), то систему принято называть истинным раствором.
Чрезвычайно велика роль воды как растворителя.
Во многих отношениях вода является веществом исключитель-
ным. Все формы жизни и само ее зарождение неразрывно связаны с
водой.
Особая роль Н2О объясняется ее физическими свойствами. Плот-
ность большинства веществ в твердом состоянии выше, чем в жид-
ком. У воды - наоборот: лед плавает на поверхности жидкой воды.
Максимум плотности приходится на 4°С.
Вода имеет очень большую теплоемкость. Аномально высока ее
температура кипения. Эти специфические свойства, объясняемые
полярностью молекул и структурирующим эффектом водородных
связей (см. 1.3), во многом предопределили возможность развития
и существования различных биологических форм.
Свойства молекул Н2О делают ее мощным поливалентным рас-
творителем. В воде легко растворяются многие газы, различные
твердые и жидкие вещества. Среди них мы видим органические
и минеральные молекулы, вещества полярные, неполярные. Подчер-
кивая это, воду называют «универсальным» растворителем.
2.2. Растворение. Характеристика растворов
Истинные растворы представляют собой гомогенные (одно-
родные) смеси двух и более веществ. Растворы могут быть газо-
образными, твердыми и жидкими. Любая газовая смесь, например,
воздух - это раствор (раствор кислорода в азоте). Многие спла-
вы, некоторые минералы представляют собой твердые растворы.
В преддверии курса биохимии наше внимание будет сосредоточено
на жидких растворах, особенно на системах, где в качестве раство-
рителя выступает вода.
Несмотря на непреходящий интерес физиков, химиков, геологов
и представителей других наук, общая теория растворов до сих пор
не создана. Это объясняется многообразием и разнообразием про-
цессов растворения.
Легко найти случаи, когда процесс растворения сводится к про-
стому механическому перемешиванию. Так, упомянутые кислород
и азот воздуха практически не взаимодействуют друг с другом.
С другой стороны, многочисленны примеры, указывающие на
интенсивное взаимодействие между растворителем и растворяемым
веществом.
При добавлении серной кислоты к воде, при смешивании воды
с этиловым спиртом выделение тепла настолько значительно, что
обнаруживается без приборов, буквально на ощупь. Напротив, рас-
творение нитрата аммония НН4НО3 в воде сопровождается замет-
ным поглощением тепла.
Часто в результате смешения двух компонентов образовавшийся
раствор демонстрирует свойства, не являющиеся средними по отно-
шению к растворенному веществу и растворителю. Например,
Д.И. Менделеев, изучая смесь С2Н5ОН - Н2О, обнаружил, что объем
двух смешанных компонентов несколько меньше суммы их объемов,
что указывает на взаимодействие веществ.
Легко найти случаи появления у раствора свойств, которыми не
обладали смешиваемые компоненты. Ни вода, ни кристалл ИаС1
электрический ток не проводят, а водный раствор этой соли является
проводником.
Наконец, суть процесса растворения металла в кислоте сводится
к конкретной химической реакции и может быть выражена строкой
химического уравнения.
Таким образом, приведенные примеры показывают, что раство-
рение может включать в себя различные процессы: от простого
механического перемешивания до очевидного химического взаимо-
действия.
Растворимость.
Факторы, влияющие на растворимость веществ
Растворимостью называют способность вещества раство-
ряться в конкретном растворителе. Численно - это предельное
количество вещества, которое может раствориться в данном количе-
стве раствора (или растворителя) в конкретных условиях. Раствор,
содержащий предельное для данных условий количество растворен-
ного вещества, называют насыщенным.
Влияние природы веществ на их растворимость
Важнейшим фактором, определяющим возможность одного ве-
щества растворяться в другом, является природа и растворителя,
и растворяемого вещества. Здесь под понятием «природа» подразу-
мевается совокупность физических и химических свойств: размеры
частиц, их заряды, полярность, прочность решетки (в случае кри-
сталлов) и т.д.
В отсутствие общей теории растворения химики удовлетворяют-
ся простым эмпирическим правилом: подобное растворяется в по-
добном. Хотя в случае воды похожесть и подобие между ней и неко-
торыми растворяющимися в ней веществами установить довольно
трудно.
Обыденный опыт показывает, что растворимость твердых ве-
ществ, как правило, растет с температурой.
Из рис. 2.1 следует, что растворимость представленных солей
с повышением температуры меняется одинаково (растет). В одних
случаях (ИаС1) влияние температуры невелико, в других, например,
КЪЮз - весьма существенно. Это обстоятельство часто используется
для разделения солей.
Что касается взаимной растворимости жидкостей, то повыше-
ние температуры обычно сопровождается увеличением этого пока-
зателя вплоть до неограниченной растворимости одной жидкости
в другой.
Рис. 2.1. Влияние температуры на растворимость некоторых солей
Растворимость газов также существенно меняется с температу-
рой, но здесь, как правило, зависимость обратная. Растворение газов
в жидкостях, за небольшим исключением, сопровождается выделе-
нием тепла. Следовательно, согласно принципу Ле-Шателье (см. 3.6)
при повышении температуры должно происходить уменьшение
растворимости. Еще раз обратимся к обыденному опыту. Выделе-
ние пузырьков газа при нагревании обычной газированной воды -
убедительный пример уменьшения растворимости газа при нагре-
вании.
Температурная зависимость растворимости для некоторых газов
приведена в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Зависимость растворимости газов в воде от температуры
Температура, °С Растворимость, г /100 г Н2О
о2 н2 со2
0 0,0489 0,0215 1,710
20 0,0155 0,0182 0,878
40 0,0118 0,0164 0,530
60 0,0102 0,0160 0,359
Из таблицы следует, что при охлаждении воды от 20 до 0°С рас-
творимость в ней кислорода увеличивается более чем в 3 раза. Этим
во многом объясняется богатство флоры и фауны арктических
морей.
Влияние давления на растворимость
Растворение твердых тел и жидкостей в жидкостях практически
не зависит от давления.
Что касается поведения газов, то при повышении давления их
растворимость увеличивается до определенных пределов.
Присутствие многих «третьих» веществ, особенно электролитов,
уменьшает растворимость газов.
Количественной характеристикой раствора является его кон-
центрация. Для выражения концентрации существует множество
способов. Ниже будут рассмотрены два широко используемых в хи-
мии и биохимии способа.
Если для расчета концентрации используются только массы рас-
твора (растворителя) и растворенных веществ, то такой способ на-
зывается весовым.
Широко используется выражение концентрации в весовых про-
центах (Вес %). Это - количество граммов вещества, растворен-
ное в 100 г раствора. Как следует из определения, данный способ
выражения концентрации не связан ни с какими химическими осо-
бенностями вещества и сводится к простому вычислению процентов.
Наряду с Вес % часто используется объемная концентрация, на-
зываемая молярностью раствора. Молярность - это число молей
вещества, растворенное в одном литре раствора. Моль - единица
количества вещества - в одном моле любого вещества содержится
число Авогадро (6,02-1023) частиц (молекул, атомов, ионов). Масса
1 моля вещества называется молярной массой, выражается в
г/моль и численно равна его молекулярной массе в а.е.м. Число мо-
лей вещества V равно его массе т, деленной на молярную массу М.
Таким образом, молярность С = у/К =т/МУ, где V - объем раствора.
Электролитическая диссоциация.
Теория кислот и оснований
Вещества, которые, переходя в раствор, частично (или полно-
стью) распадаются на ионы, называются электролитами. Элек-
тролиты в растворе диссоциируют на катионы и анионы, причем
этот процесс обратим:
КА К+ + А".
Наличие заряженных частиц обусловливает электропроводность
растворов электролитов. Полнота распада на ионы выражается сте-
пенью диссоциации а. Степень диссоциации есть отношение чис-
ла молекул, распавшихся на ионы, к общему числу растворен-
ных молекул. Очевидно, что а может принимать значения от О
(молекула не диссоциирует) до 1 (вещество полностью распалось на
ионы).
Степень диссоциации зависит от природы растворенного вещест-
ва, от природы растворителя и температуры. Очевидно, что с ростом
температуры степень диссоциации увеличивается.
Важно отметить, что а зависит также от концентрации: при про-
чих равных условиях степень диссоциации растет по мере разбавле-
ния раствора (а стремится к единице).
Условно, в зависимости от величины а, электролиты делят на:
слабые (а < 2%);
средние (а от 2 до 30%);
сильные (а > 30%).
Электролитами являются соли, кислоты и основания.
Кислоты и основания
Кислота - это соединение с характерным кислым вкусом,
действующее на металлы, изменяющее окраску индикаторов, и
т.д. Эти свойства определяются присутствием в водном растворе
ионов Н+, возникающих при диссоциации кислоты.
Характерные свойства оснований связывают с присутствием
в растворе ионов ОН-, что обнаруживается по изменению окра-
ски индикаторов.
При этом оказывается, что во многих случаях деление веществ на
кислоты и основания не является абсолютным. Известно много ве-
ществ, которые в зависимости от химического окружения проявляют
либо кислотные, либо основные свойства. Такие вещества называ-
ются амфотерными.
В соответствии с современными представлениями кислотой
является любой донор протонов. Соответственно, любой акцеп-
тор Н есть основание. Таким образом, выполняемая молекулой
функция (основная или кислотная) становится относительной.
Диссоциация воды
Упрощая рассмотрение, для обозначения протона в воде будем
использовать символ Н , тогда процесс диссоциации воды можно
выразить следующим уравнением:
Н2О Н+ + ОН-.
Степень диссоциации воды крайне мала. При 25°С ос = 1,8 • 10”9.
Это означает, что из 555 млн молекул Н2О диссоциирована только
одна молекула. Вода, следовательно, относится к слабым электроли-
там. Как для любого химического процесса, равновесие реакции
диссоциации характеризуется константой равновесия К (см. З.З.):
К = [Н+] [ОН ] / [Н2О].
Химический символ, помещенный в квадратные скобки, означает
объемную концентрацию соответствующего вещества. Диссоциация
воды и, следовательно, величина К зависят от температуры. Рас-
считанная различными способами константа К при 25°С равна
1,82 • 10-16. Нетрудно рассчитать знаменатель в приведенном выра-
жении. Это - молярная концентрация воды в чистой воде. Приняв
массу 1 л равной 1 кг, получаем, что число молей Н2О в 1 л воды
[Н2О] = 1000 / 18 = 55,5 моль/л.
Тогда для ионного произведения воды КЙ20 имеем:
КН2о = [Н+] [ОНП = 10~14 (г-ион/л)2.
Следовательно, в абсолютно чистой воде, где каждый единичный
акт диссоциации молекулы воды сопровождается появлением одного
протона и одного гидроксила, концентрации протонов и гидрокси-
лов равны между собой:
[Н+] = [ОН-] = 10"7 г-ион/л.
Концентрация ионов водорода,
водородный показатель рН
Из предыдущего следует, что вода является в одинаковой степени
и кислотой, и основанием. Это означает, что она - ни первое, ни
второе. Молекулы воды материализуют совмещение кислого и ос-
новного начал. Вода есть воплощение нейтральной среды.
Количественно нейтральность среды при 25°С выражается со-
ответствующей концентрацией ионов водорода (или гидроксила):
10 7 г-ион/л.
С большой степенью точности приведенное значение соответ-
ствует нейтральной среде и при температурах, на несколько десят-
ков градусов отличающихся от указанной. По крайней мере, для
всего интервала температур, имеющих практическое значение для
биохимии, эта характеристика нейтральной среды сохраняет свою
силу.
Постоянство КН20 означает сопряженность величин [Н+] и [ОН].
Иными словами, увеличение концентрации водородных ионов
сопровождается уменьшением концентрации гидроксильных ионов
и наоборот. Следовательно, в кислых растворах [Н+] > [ОН-]
и [Н+] > 10 7 г-ион/л; в щелочных растворах [Н+] < [ОН-]
и [Н+] < 10 7 г-ион/л.
Принято активную реакцию среды (то же, что и кислотность рас-
твора) характеризовать концентрацией водородных ионов. Для прак-
тического удобства было предложено для описания реакции среды
использовать десятичный логарифм концентрации ионов водорода,
взятый с обратным знаком:
рН = -1ё [Н+].
Эта величина называется водородный показатель. Простая
связь между концентрацией водородных ионов и безразмерным по-
казателем рН представлена в табл. 2.2. Таким образом, лаконичная
запись рН = 5 означает, что раствор кислый, что концентрация ионов
водорода в нем равна 10”5 г-ион/л и что их (ионов водорода) в таком
растворе в 100 раз больше, чем в чистой воде.
Таблица 2.2
Концентрация ионов водорода и величина рН
[Н+], г-ион/л -э 10'1 10'2 10'5 10'6 10'7 10'8 10'9 10'13 10'14
рН= -1ё[Н+] 1 2 5 6 7 8 9 13 14
Реакция среды —> Кислая Усиление кислотности Ней- тральная Щелочная Усиление щелочности —>
Можно ли расширить приведенную в таблице шкалу? Например,
имеет ли смысл рН = 0? Формально - безусловно, имеет. Из опреде-
ления рН следует, что в таком растворе концентрация ионов водоро-
да [Н+] была бы равной 10° г-ион/л, т.е. 1 г-ион/л.
При этом не следует забывать, что степень диссоциации электро-
литов вообще и кислот в частности уменьшается с ростом концен-
трации электролита, поэтому реальное создание такой концентрации
ионов водорода в обычных условиях невозможно.
Способы определения рН
Кислотность среды является важным и во многих случаях глав-
ным фактором, определяющим протекание различных химических,
технологических и биохимических процессов. Отсюда - значимость
контроля активной реакции среды. В зависимости от конкретной
задачи и требуемой точности для определения рН применяют раз-
личные методы.
Колориметрическое определение рН основано на использова-
нии специальных реактивов (цветных индикаторов), изменяющих
окраску в зависимости от концентрации ионов водорода. Во многих
случаях индикатор представляет собой слабодиссоциирующее со-
единение, причем диссоциация сопровождается изменением (появ-
лением) окраски. Например, фенолфталеин. Это - слабая органиче-
ская кислота. Ее недиссоциированные молекулы бесцветны (НА),
а анион (А”) окрашен в малиновый цвет:
НА Н+ + А".
Чем выше концентрация водородных ионов, тем сильнее равно-
весие в приведенном уравнении сдвинуто влево, тем меньше кон-
центрация окрашенных ионов А”, тем бледнее окраска. При добав-
лении щелочи ионы Н+ связываются, равновесие смещается вправо,
интенсивность окраски возрастает.
Для каждого индикатора существует значение рН, по достижении
которого происходит резкое изменение окраски. В табл. 2.3 пред-
ставлены эти значения, называемые точками перехода, для некото-
рых индикаторов.
Таблица 2.3
рН перехода и изменение окраски некоторых индикаторов
Индикатор Уменьшение кислотности —>
цвет индикатора рН перехода цвет индикатора рН перехода цвет индикатора
Метиловый оранжевый Красный 3,1 Оранжевый 4,4 Желтый
Лакмус Красный 5,0 Фиолетовый 8,0 Синий
Фенол- фталеин Бесцветный 8,0 Бледно- малиновый 9,8 Малиновый
Метиловый красный Красный 4,2 Оранжевый 6,3 Желтый
Цвет бумажной полоски, пропитанной раствором сразу несколь-
ких индикаторов, позволяет с невысокой, но для многих случаев
достаточной точностью определять рН среды в широких пределах.
Такие индикаторы называют универсальными.
Электрометрическое определение рН основано на зависимости
потенциала некоторых электродов от концентрации ионов Н+.
Иными словами, измеряемый вольтметром потенциал электрода
однозначно связывается с величиной рН. Измерение рН с высокой
точностью возможно при помощи водородного электрода, представ-
ляющего собой довольно сложное и дорогостоящее устройство. Го-
раздо чаще для этой цели применяют стеклянные электроды. Для их
изготовления используют специальные сорта стекол, способные
к ионообмену с раствором, или, точнее, к обмену собственных ка-
тионов на ионы Н+. Следовательно, измеряемая разница потенциа-
лов между таким электродом и раствором, в который он погружен,
зависит от рН данного раствора. Шкала такого прибора градуирова-
на непосредственно в единицах рН.
2.3. Буферные растворы.
Буферное действие
Буферным называют раствор, способный сохранять постоян-
ное значение рН при добавлении кислоты (или щелочи) или раз-
бавлении. На первый взгляд эта способность кажется удивительной:
в систему добавляют кислоту или щелочь, а раствор не становится
ни кислее, ни щелочнее. То же по поводу разбавления: в систему
добавляют воду, концентрация всех веществ (в том числе кислот или
оснований) уменьшается, а кислотность (основность) буферного
раствора остается неизменной.
Чтобы понять явление химической буферности, следует помнить,
что кислотность (основность) среды определяется концентрацией
ионов Н . Обеспечить постоянство активной реакции среды - сохра-
нить постоянство [Н+]. К этому и сводится механизм действия всех
буферных систем. При подкислении избыток Н+ связывается, под-
щелачивание сопровождается усилением процесса, поставляющего
Н+ в раствор. Очевидно, что каждая конкретная буферная система
в зависимости от состава обеспечивает поддержание определенного
значения рН.
Основные типы буферных систем,
механизм буферного действия
Буферными свойствами обладают смеси следующих типов:
Слабая одноосновная кислота и ее соль. Например, ацетатный
буфер, представляющий собой смесь уксусной кислоты СН3СООН
и ацетата натрия СН3СООНа.
Слабая двухосновная кислота и ее кислая соль. Например, би-
карбонатная буферная система, состоящая из угольной кислоты
Н2СО3 и бикарбоната натрия НаНСО3.
Слабое основание и его соль. Например, аммонийный буфер.
Он состоит из гидроксида аммония ИН4ОН и хлорида аммония
ИН4С1.
Смесь кислых солей многоосновной кислоты. Например, фос-
фатный буфер, состоящий из смеси одно- и двузамещенного фосфа-
тов натрия: ИаН2РО4 и Иа2НРО4.
Рассмотрим подробнее сущность буферного действия на примере
ацетатного буфера. Чтобы лучше понять его механизм, следует пом-
нить, что слабой кислотой или слабым основанием (в общем слу-
чае - слабым электролитом) называют электролит с малой степенью
диссоциации, т.е. равновесие процесса диссоциации смещено влево,
в сторону не диссоциированных молекул. В рассматриваемом приме-
ре, в частности, в сторону молекул уксусной кислоты:
СН3СООН СН3СОО + Н+.
Напротив, второй компонент ацетатной системы представляет
собой сильный электролит:
СНзСООИа СН3СОСГ + Иа+.
Таким образом, при подкислении такого раствора, например, до-
бавлением соляной кислоты получаем следующий набор ионов:
СН3СОСГ, На , Н , СГ. В соответствии с первым из двух приведен-
ных уравнений, ионы СН3СОСГ и Н , сближаясь, будут давать моле-
кулы СН3СООН. Такой процесс связывания ионов водорода, обеспе-
чивающий постоянство их концентрации, будет идти до тех пор,
пока не иссякнут запасы ацетат-аниона. Следовательно, до этого
момента, несмотря на подкисление, значение рН останется практи-
чески неизменным.
При подщелачивании ацетатной смеси, например, добавлением
раствора ИаОН, получаем следующий набор ионов: СН3СОСГ, №,
ОН” и небольшое количество Н , являющихся результатом слабой
диссоциации уксусной кислоты. Это небольшое количество прото-
нов будет использовано для связывания ОН”:
Н+ + ОН” Н2О,
что инициирует дальнейшую диссоциацию уксусной кислоты
и дальнейшее связывание гидроксил-ионов. Таким образом, пока
в растворе остаются цельные молекулы СН3СООН, несмотря на
добавление щелочи, концентрация ОН”, а следовательно, и рН ос-
таются практически неизменными.
Теперь кратко, на уровне ионных реакций, рассмотрим действие
буфера третьего типа, содержащего основание НН4ОН. При его под-
кислении ионы ОН”, образующиеся при диссоциации НН4ОН, свя-
зывают добавляемые протоны. При подщелачивании ионы ИН4 ,
продукт диссоциации хлорида аммония ИН4С1, соединяются с до-
бавляемыми гидроксил-ионами, давая слабое малодиссоциирующее
основание:
ТМН4+ + ОН” ИН4ОН.
Каждый конкретный буферный раствор поддерживает свое опре-
деленное значение рН. Оно зависит от качественного и количест-
венного состава смеси. Соответствующие значения рН для заданных
концентраций и определенной температуры (или интервала темпера-
тур) приводятся в справочной литературе. Тем не менее уже качест-
венный состав дает возможность определить, в какой области (ки-
слой или щелочной) лежит значение рН данного буфера. Так,
очевидно, что ацетатный буфер, содержащий кислоту, будет под-
держивать рН в кислой области, аммонийный, в состав которого
входит основание, - в щелочной.
Обобщая, следует сказать, что действие любого химического бу-
фера, независимо от его состава, основано на связывании посту-
пающих в раствор ионов Н в одних случаях и на их высвобождении
для нейтрализации добавляемых ОН”-ионов (или при разбавле-
нии) - в других.
Количественным показателем буферной системы является ее ем-
кость. Буферная емкость измеряется числом грамм-эквива-
лентов1 сильной кислоты (кислотная емкость) или сильного ос-
нования (щелочная емкость), которое нужно добавить к 1 литру
буферной смеси, чтобы изменить рН раствора на единицу.
1 В случае одноосновных кислот и оснований 1 г-эквивалент равен 1 молю.
2.4. Коллоидные системы
Коллоидная химия - это самостоятельная физико-химиче-
ская дисциплина, изучающая высокодисперсные системы.
В коллоидной системе вещество диспергировано до малых час-
тиц, невидимых в оптический микроскоп, но превышающих по раз-
мерам обычные молекулы. Размеры коллоидных частиц варьируют-
ся от 1 до 100 нм.
Как уже отмечалось выше, в дисперсных системах выделяют две
(по меньшей мере) фазы. Дисперсная фаза составлена совокупно-
стью диспергированных частиц. Вторая фаза - дисперсионная
среда - то, в чем равномерно распределены эти частицы. Раздроб-
ленное вещество в той или иной мере взаимодействует со средой.
Поэтому возможность и легкость перехода в коллоидное состояние
зависят не только от природы частиц дисперсной фазы, но и от
свойств дисперсионной среды.
Например, система Н2О-НаС1 обладает всеми свойствами истин-
ного раствора, да и является таковым. Раствор же ИаС1 в бензоле
демонстрирует полный набор свойств коллоидов. Еще один пример:
мыло с водой образует коллоидную систему, мыло в спирте дает ис-
тинный раствор.
Все специфические свойства коллоидных систем обусловлены
размерами частиц дисперсной фазы. И эти размеры таковы, что каж-
дая коллоидная частица остается отдельной фазой (жидкой, газооб-
разной или твердой). Коллоид представляет собой гетерогенную
систему, состоящую из среды, заполненной огромным количест-
вом отдельных микрофаз. Такое состояние называют микроге-
терогенным.
Каждая микрофаза представляет собой ассоциацию значительно-
го количества молекул обычных размеров. Но в случае растворов
полимеров отдельные молекулы достигают «коллоидных» размеров,
и такие системы обладают всем комплексом свойств, характерных
для коллоидов.
Коллоиды могут быть классифицированы по агрегатному состоя-
нию фаз (табл. 2.4).
Сказанное выше применимо к органическим коллоидам биоло-
гического происхождения. Растворы белков, крахмала, нуклеиновых
кислот и многих других веществ являются полноценными коллоид-
ными системами.
Классификация дисперсных систем
Таблица 2.4
Дисперсионная среда Дисперсная фаза Тип системы Пример
Жидкая Твердая Золь, суспензия Взвеси в природ- ных водах, золи металлов и солей в воде
Жидкая Жидкая Эмульсия Молоко, кондитер- ский крем
Жидкая Г азообразная Пена Мыльная пена
Твердая Твердая Твердые коллоиды Сплавы, самоцветы
Твердая Жидкая Пористые тела Опал, жемчуг
Твердая Г азообразная Пористые системы, заполненные газом Пемза, активиро- ванный уголь
Г азообразная Твердая Аэрозоль Табачный дым
Г азообразная Жидкая Туман Атмосферный туман, облака
Г азообразная Г азообразная Устойчивые коллоиды не образуются
Методы получения коллоидных систем принципиально делятся
на две группы: методы, основанные на диспергировании (измель-
чении) частиц до «коллоидных» размеров, и методы, связанные
с конденсацией (агрегацией) ионов, молекул и атомов до дости-
жения ими необходимой степени диспергирования.
Действующие в природе силы (резкие температурные перепады,
прибои, приливы и отливы) обусловливают дробление и истирание
камней, песка, гальки до частиц коллоидных размеров. В лаборато-
рии и промышленности диспергирование также часто осуществляет-
ся путем механического измельчения. Для этого используются ша-
ровые мельницы, жернова, дробильные устройства и т.д.
Часто для диспергирования вещества в жидких средах применя-
ют различные растворы (пептизация), ультразвук и распыление дис-
пергируемого металла в электрической дуге.
Конденсационные методы делят на физические и химические.
Характерным примером первых является образование естественных
или искусственных аэрозолей (туман, дым), обусловленное сниже-
нием температуры или ростом давления. При получении жидких
коллоидов (эмульсий и золей) для обеспечения пересыщения часто
прибегают к замене растворителя.
Химическая конденсация также основана на выделении новой
фазы из пересыщенного раствора. Например, легко получить золь
хлорида серебра в ходе обычной реакции между нитратом серебра
и хлоридом натрия:
А§НО3 + ИаС1 НаИОз + А§СЦ.
Обычно эта реакция сопровождается образованием новой макро-
фазы: из раствора выпадает плотный кристаллический осадок А§С1.
Но достаточно взять растворы с отличающимися на порядок концен-
трациями, чтобы большое число микрокристаллических зародышей
не превратилось в обычный осадок. Выделение твердой фазы закан-
чивается на стадии формирования микрогетерогенности, т.е. на кол-
лоидной стадии.
Частицы золя А§С1 не укрупняются, они существуют в виде за-
ряженных мицелл, имеющих сложное строение (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Схема строения мицеллы:
1 - ядро мицеллы, представляющее собой зародыш кристалла А§С1; 2 - плотный
адсорбционный слой, состав которого определяется правилом Фаянса (см. ниже).
Плотный адсорбционный слой составляет с ядром мицеллы гранулу; 3 - диффузный
адсорбционный слой ионов
Правило Фаянса: плотный адсорбционный слой мицеллы состо-
ит из ионов, взятых в избытке и входящих в состав ядра мицеллы.
Например, если для получения золя А§С1 взять в избытке А§НО3, то
плотный адсорбционный слой будет составлен из ионов А§ .
Под влиянием гравитации коллоидные частицы независимо от их
природы (речь не идет о твердых коллоидных системах, где положе-
ние частиц фиксировано) оседают, выпадая постепенно в осадок.
Например, пылинки коллоидных размеров, оседающие в воздухе.
Этот процесс называют седиментацией.
Разрушение коллоидных систем, разделение их на дисперсион-
ную среду и осадок дисперсной фазы называют коагуляцией. Дру-
гой путь разрушения коллоида - превращение в гель (переход
в желеобразное состояние).
Устойчивость и коагуляция коллоидов
Помимо седиментации в коллоидных системах происходят и дру-
гие процессы, определяющие их устойчивость и, следовательно,
время существования. Одни коллоиды разрушаются довольно быст-
ро, другие существуют многие годы.
Устойчивость коллоидных систем определяется силами притяже-
ния и отталкивания. Под действием первых частицы могли слипать-
ся, давая более крупные и тяжелые агрегаты, которые бы быстро
осаждались. Но этому препятствует электростатическое отталкива-
ние (рис. 2.2).
Результирующая этих двух сил и определяет устойчивость кол-
лоидной системы. В случае преобладания сил отталкивания система
устойчива. Если физические силы притяжения сильнее, происходит
коагуляция.
Таким образом, коагуляция есть процесс агрегации (слипания,
слияния) коллоидных частиц, приводящий к разрушению дис-
персной системы. Система разделяется на дисперсионную среду и
дисперсную фазу. В случае эмульсии это соответствует расслоению
на две жидкости, в случае жидкого золя - образованию осадка.
Превращение тумана в росу при понижении температуры, дожде-
вого облака - в дождь - легко наблюдаемые примеры природной
коагуляции.
Добавление сильных электролитов является самым мощным фак-
тором снижения устойчивости коллоидного раствора. Электролиты
нейтрализуют заряды частиц, устраняя электрические силы отталки-
вания.
Лиофобные золи, такие как золь А§С1, защищенные двойными
ионными слоями, коагулируют при сравнительно невысоких кон-
центрациях добавляемого электролита.
В процессе коагуляции выделяют две фазы: скрытую и явную.
Укрупнение частиц в первой фазе обнаруживается только в ультра-
микроскопе. Явная стадия заметна невооруженным глазом. Она со-
провождается изменением окраски, помутнением, выпадением осад-
ка или образованием геля.
В некоторых случаях агрегаты, образовавшиеся в процессе
коагуляции, разрушаются (диспергируются) при добавлении
растворителей или определенных растворов. Это явление назы-
вают пептизацией.
При пептизации происходит нарушение связей между частицами
коагулята, в результате чего осадок переходит в состояние коллоид-
ного золя, т.е. коллоидная система возрождается. Следовательно,
пептизация есть явление, обратное коагуляции.
Химическая природа веществ, способствующих пептизации, раз-
лична. Среди них есть электролиты, полярные молекулы, поверхно-
стно-активные вещества. При всем их многообразии механизм пеп-
тизирующего действия часто сводится к адсорбции добавляемых
веществ. В результате образуются ионные или молекулярные слои,
препятствующие агрегации коллоидных частиц и, следовательно,
обеспечивающие устойчивость дисперсной системы.
Специфические свойства коллоидов
Приступая к рассмотрению особых свойств коллоидных систем,
следует еще раз подчеркнуть, что эти свойства обусловлены раз-
мерами коллоидных частиц, микрогетерогенностью дисперсной
системы.
Оптические свойства
Коллоидные системы обладают специфическими оптическими
свойствами. Для пучка света чистая жидкость или истинный раствор
являются «оптически пустыми». С другой стороны, когда пучок све-
та встречается с препятствием, размеры которого больше длины
волны падающего света, имеет место отражение света по законам
геометрической оптики с частичным его поглощением.
Если линейные размеры препятствия меньше половины длины
волны падающего света (г < 2/2, где г - линейные размеры частицы,
2 - длина волны падающего света), то свет рассеивается по всем на-
правлениям. Если речь идет о пакете длин волн (о дневном свете), то
коротковолновая часть спектра рассеивается сильнее. Поэтому при
наблюдении сбоку (рис. 2.3) виден голубоватый конус. При фрон-
тальном наблюдении обнаруживается красноватое пятно.
При наблюдении явления рассеяния света на коллоидных части-
цах обнаруживается мутноватое свечение и переливы окраски. Это
явление называется опалесценцией.
Рис. 2.3. Схема опыта Тиндаля:
1 - источник света; 2 - голубоватый светящийся конус;
3 - коллоидный раствор; 4 - красно-коричневое пятно, которое видит наблюдатель,
смотрящий навстречу лучу
Диффузия
Движение свободной частицы совершается беспорядочно, хаоти-
чески. При этом более вероятным будет движение частиц в сторону
уменьшения концентрации, что, в конце концов, должно привести
к выравниванию концентрации каждого вещества во всем доступ-
ном объеме. Самопроизвольное выравнивание концентраций
веществ в системе есть диффузия.
Расчеты и эксперимент показывают, что при прочих равных ус-
ловиях скорость диффузии частиц коллоидных размеров на порядок
меньше, чем скорость диффузионного распространения обычных
молекул.
Таким образом, для коллоидных частиц характерна замедленная
диффузия, объясняемая их размерами, их «громоздкостью» по срав-
нению с обычными атомами и молекулами.
Диализ
Диализ представляет собой метод разделения, основанный на
несвободной диффузии. При помощи полупроницаемой мембраны
коллоидный раствор отделяют от чистого растворителя (от диспер-
сионной среды). В результате диффузии через мембрану проходят,
покидая коллоидный раствор, примесные ионы и молекулы. Колло-
идные же частицы из-за своих размеров не проходят через поры
мембраны. Указанный метод широко используется в лабораторной
практике, в промышленности и медицине для очистки коллоидных
систем, для отделения истинных растворов от коллоидов.
В качестве такого полупроницаемого препятствия применяют
пергамент, целлофан, коллодий, керамические фильтры и другие
мелкопористые материалы.
Диализ, проводимый в электрическом поле, называют
электродиализом.
Ультрафильтрация
Частицы «коллоидных» размеров легко проникают через обыч-
ные фильтры, но, в отличие от истинных растворов, задерживаются
мелкопористыми фильтрами. Фильтрация через мелкопористые
фильтры называется ультрафильтрацией.
Обычно для ускорения процесса создают разницу давлений по
обе стороны фильтра. Для этого увеличивают давление на фильт-
руемую жидкость или создают разряжение после фильтра. На прак-
тике чаще используют второй вариант.
Нередко для повышения эффективности процесса ультрафильт-
рация сочетается с диализом. Иными словами, диффузия через по-
лупроницаемую мембрану проводится при поддерживаемой разнице
давлений по обе стороны мембраны.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение молярной концентрации раствора.
2. Какие факторы влияют на растворимость?
3. Чему равна концентрация ионов водорода и гидроксила в кислой,
нейтральной и щелочной среде? Водородный показатель.
4. Какими методами можно определить рН?
5. Объясните механизм буферного действия на примере бикарбо-
натного буфера.
6. Чем коллоидные растворы отличаются от истинных?
7. Что такое эмульсия? Привести примеры.
8. Что такое коагуляция и седиментация коллоидных растворов?
Глава 3
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ. КАТАЛИЗ
В ходе изучения главы важно запомнить: скорость химической
реакции, факторы, влияющие на скорость; правило Вант-Гоффа,
химическое равновесие, принцип Ле-Шателье, общую характери-
стику катализаторов, гомогенный и гетерогенный катализ.
3.1. Основные понятия и определения
Изучая взаимодействие различных химических веществ, легко
заметить, что одни реакции протекают мгновенно, другие - крайне
медленно. Некоторые начинаются бурно, а затем замедляются, в то
время как другие, наоборот, начинаются медленно, постепенно ус-
коряясь. Есть реакции, которые заканчиваются в тысячные доли се-
кунды, другие совершаются в течение минут, часов и даже многих
лет. Одна и та же реакция в зависимости от внешних условий может
в тысячи и сотни тысяч раз изменять свою скорость. Законы проте-
кания химических реакций во времени и являются предметом изуче-
ния химической кинетики.
Химической кинетикой называется учение о скорости хими-
ческих реакций и ее зависимости от различных факторов. Среди
последних отметим, в первую очередь, природу реагирующих ве-
ществ, их концентрацию, температуру, давление и влияние катали-
заторов.
Изучение кинетики химических реакций имеет большое практи-
ческое значение, так как позволяет выбрать оптимальный техноло-
гический режим различных промышленных процессов.
С другой стороны, изучение кинетических закономерностей по-
зволяет понять механизм химического превращения. Отсюда - ог-
ромное теоретическое значение этой области знания.
Участие и роль катализаторов также являются объектом изучения
химической кинетики.
Все сказанное сохраняет свою значимость как для химической
науки, так и для биохимии.
3.2. Скорость химической реакции
Скорость любого процесса количественно отражает изменения,
происходящие во времени. Скорость химической реакции есть
изменение концентрации реагирующих веществ за единицу вре-
мени.
Пусть имеет место реакция:
А + В С.
За промежуток времени Аг = Г2 - /) концентрация вещества С, обо-
значенная [С], изменилась на Л[С] = [С]2 - [С]ь тогда средняя ско-
рость V в этот промежуток времени будет:
7ср = А[С]/АЛ
Пусть концентрация вещества С за 10 мин увеличилась от 0,15
до 0,25 моль/л.
Тогда А[С] = (0,25 - 0,15) моль/л; Аг = 10’.
Отсюда Гср = 0,10/10 = 0,01 моль/л мин.
При уменьшении рассматриваемого промежутка времени (уст-
ремлении его к нулю) получаем значение мгновенной скорости V'.
Г = НшКср при АГ 0.
Скорость реакции может быть выражена через изменение кон-
центрации любого из веществ, участвующих в реакции. Ведь эти
изменения связаны между собой. Частица А не может исчезнуть без
того, чтобы не исчезла частица В и не появилась частица С. Уравне-
ние реакции и есть количественное выражение связи между участ-
никами химического процесса.
Рис. 3.1. Зависимость концентрации вещества С от времени
Таким образом, на практике для определения скорости химиче-
ской реакции можно выбрать любое из веществ (в нашем случае А, В
или С) и проследить изменение его концентрации во времени. Вы-
бор часто предопределяется практической возможностью надежного
и точного определения концентрации этого вещества. Известно, что
многие аналитические методы основаны на пропорциональной связи
между концентрацией и каким-то количественно измеряемым свой-
ством (интенсивность окраски, оптическая плотность, электропро-
водность и т.д.).
Серия измерений дает зависимость концентрации (например,
продукта С) от времени (рис. 3.1). Изменение концентрации за опре-
деленный промежуток времени соответствует средней скорости.
3.3. Факторы,
влияющие на скорость химической реакции
Скорость химической реакции зависит от:
природы реагирующих веществ;
концентрации реагирующих веществ;
температуры;
наличия катализатора.
Влияние природы реагирующих веществ на скорость
химической реакции
Важнейшим фактором, определяющим не только скорость хими-
ческой реакции, но и принципиальную ее (реакции) возможность,
является природа реагирующих веществ. Очевидно, что, варьируя
параметры, влияющие на скорость взаимодействия, можно ускорить
(или замедлить) лишь процесс принципиально реализуемый. И на-
оборот: если взаимодействие конкретных А и В невозможно (энерге-
тически «запрещено»), то никакие изменения внешних условий не
снимут этот объективный запрет. В некоторых случаях изменение
внешних условий существенно меняет природу вещества, его свой-
ства, энергетические характеристики. Изменения могут быть столь
значительны, что процесс, невозможный в одних условиях, может
быть реализован в других.
В любом случае природа реагирующих веществ, рассматривае-
мых в конкретных условиях, предопределяет принципиальную воз-
можность (невозможность) взаимодействия между ними.
Влияние концентрации реагирующих веществ
на скорость химической реакции. Закон действующих масс
Впервые влияние концентрации реагирующих веществ на ско-
рость реакции было отмечено в конце XVIII в. в работах К. Бертол-
ле. Значительный вклад в раскрытие физического смысла закона был
сделан М. Бертло, К. Гульдбергом, П. Вааге, а также русским уче-
ным Н.Н. Бекетовым.
В настоящее время этот закон формулируется в следующем виде:
скорость химической реакции прямо пропорциональна произве-
дению концентраций реагирующих веществ.
Установленная зависимость очевидна. В любом химическом про-
цессе обязательным условием акта химического превращения явля-
ется сближение (столкновение) реагирующих частиц. Иными слова-
ми, взаимодействующие частицы должны оказаться в одной точке
(или в одном объеме) пространства в один и тот же момент. Вероят-
ность такого события безусловно пропорциональна концентрациям
взаимодействующих веществ.
Для простоты предположим, что А и В в приведенном уравне-
нии - газы. Чем выше их концентрация, тем чаще реагирующие час-
тицы сталкиваются и, следовательно, тем выше скорость реакции.
Сформулированную закономерность можно выразить следую-
щим образом:
У=к\Л]-\В1
где к - коэффициент пропорциональности. Коэффициент этот есть
скорость рассматриваемой реакции при концентрациях реагирую-
щих веществ, равных единице, т.е. У = к, если [А] = 1 и [5] = 1. Этот
коэффициент является объективной характеристикой процесса: чем
больше его величина, тем, при прочих равных условиях, выше ско-
рость химической реакции.
Если в процессе участвуют газы, увеличение давления соответст-
вует возрастанию их концентрации. Следовательно, если А и В - га-
зы, то в приведенном выражении их концентрации могут быть заме-
нены на парциальные давления.
Влияние температуры на скорость химической реакции.
Энергия активации
Температура является одним из самых важных факторов воздей-
ствия на скорость химической реакции. Очевидно, что при повыше-
нии температуры скорость реакции должна расти. Рассмотрим ту же
реакцию (А + В С), полагая для простоты, что А и В - газы. По-
вышение температуры газовой смеси означает увеличение скорости
хаотического движения частиц, что влечет за собой увеличение чис-
ла столкновений. Качественно этот вывод сомнений не вызывает. Но
если бы действовал только этот фактор (увеличение числа столкно-
вений), то влияние температуры оставалось бы весьма умеренным.
Расчеты показывают, что возрастание скорости химической реакции,
обусловленное лишь ростом числа столкновений, пропорционально
л/г, где Т - абсолютная температура. Если бы, например, темпера-
тура реагирующих газов увеличилась от 625 до 900 К, то скорость
реакции должна была бы возрасти всего в 1,2 раза. Но эксперимент
дает совсем другие результаты. Реакция образования воды из водо-
рода и кислорода:
2Н2 + О2 2Н2О
при 300°С идет крайне медленно, при увеличении температуры на
400°С процесс протекает со взрывом.
Другой пример:
Н2 + 12 2Н1.
Сравнение скорости этой реакции при 285°С и 295°С (при прочих
неизменных условиях) обнаруживает ускорение реакции в 3 раза.
Обобщая накопленный экспериментальный опыт, Вант-Гофф
сформулировал эмпирическое правило: увеличение температуры
реакционной смеси на 10°С вызывает возрастание скорости ре-
акции в 2-3 раза. Если скорость при исходной температуре обозна-
чить а скорость при увеличении температуры на 10°С Е^+ю, то
соотношение этих показателей:
210 = ^Ж+10,
называемое температурным коэффициентом Вант-Гоффа, и будет
количественным выражением зависимости скорости реакции от тем-
пературы. В общем виде эту закономерность можно представить так:
V — V • /ОЛ//|°
' I И10 ’
где АГ - увеличение температуры по сравнению с начальной темпе-
ратурой Г.
Столь сильное влияние температуры на скорость не может быть
объяснено лишь увеличением числа столкновений между реаги-
рующими частицами. Оказывается, что столкновение частиц являет-
ся обязательным, но недостаточным условием для того, чтобы про-
изошло химическое взаимодействие. Реагировать могут лишь наи-
более энергичные из столкнувшихся частиц. Большая же часть
столкновений неэффективна, т.е. не приводит к акту химического
превращения. Число эффективных столкновений А определяется
уравнением Аррениуса:
Ат Ат -Е*/КТ
И = И0' е
где Ао - общее число столкновений; К - универсальная газовая по-
стоянная; Т - абсолютная температура; е - основание натуральных
логарифмов; Е* - энергия активации. Она соответствует минималь-
ной избыточной энергии, которой должны обладать частицы для
того, чтобы их столкновение сопровождалось актом химической
трансформации.
Уравнение Аррениуса, в котором Т стоит в знаменателе отрица-
тельного показателя степени, адекватно отражает реальную зависи-
мость скорости химической реакции от температуры. С ростом тем-
пературы при незначительном увеличении числа столкновений
реагирующих частиц резко возрастает число эффективных (резуль-
тативных) столкновений.
Из уравнения следует также, что незначительное изменение Е*,
величины, стоящей в числителе отрицательного степенного показа-
теля, будет существенно влиять на А. Иными словами, любой способ
снижения энергии активации вызывает стремительное увеличение
скорости реакции. Этот параметр существенно меняется под влия-
нием катализаторов, механизм действия которых рассматривается
в параграфе 3.7.
3.4. Элементы формальной кинетики:
кинетический порядок и молекулярность реакции
В общем случае закон действующих масс для реакции хА + уВ —>
/С запишется так:
У=к\А\*- [5]у.
Последнее уравнение может быть использовано для определения
понятия «кинетический порядок реакции». Это сумма показате-
лей степени концентраций реагирующих веществ, т.е. х + у в по-
следнем уравнении (сумма стехиометрических коэффициентов ве-
ществ, вступивших в реакцию).
Таким образом, реакция типа Л —> С (ее скорость У = ^[Л]) будет
реакцией первого порядка. Реакции 2А В (У = ^[Л]2 ) и А + В С
(У= Лг[Л]-[2?]) будут реакциями второго порядка и т.д.
Довольно часто в ходе реакции концентрация одного или не-
скольких веществ практически не меняется. Значит, скорость про-
цесса не будет зависеть от концентрации такого (таких) веществ.
Это касается, например, реакций гидролиза в водном растворе или
реакций с участием твердого вещества, количество которого меняет-
ся, но его концентрация в твердой фазе остается неизменной. В та-
ких случаях она не фигурирует в уравнении (У = к) и реакцию ква-
лифицируют как реакцию нулевого порядка.
Кинетический порядок реакции является формальной характери-
стикой процесса. Сопоставление этой характеристики с другим по-
казателем, с молекулярностью реакции, позволяет понять механизм
химического процесса.
Молекулярность реакции есть число частиц, участвующих
одновременно в элементарном акте химического превращения.
В соответствии с определением, реакция типа А —> В, например, -
переход пировиноградной кислоты в енольную форму:
СН3 СН2
I II
с=о —► с-он
I I
соон соон
будет мономолекулярной реакцией. Реакция синтеза йодистого во-
дорода (см. выше) будет бимолекулярной. В приведенных примерах
порядок реакции и ее молекулярность совпадают: мономолекуляр-
ная - реакция первого порядка; бимолекулярная - реакция второго
порядка.
Для реакций более высоких порядков вероятность такого совпа-
дения мала. Эти реакции, как правило, состоят из нескольких стадий
(этапов), выявляемых экспериментально. Обычно каждая стадия
представляет собой моно- или бимолекулярную реакцию. Например,
кинетический порядок реакции окисления окиси азота в двуокись
равен трем:
2МО + О2 2Ш2 (V = к [МО]2 • [О2]).
Экспериментально же установлено, что она не является тримоле-
кулярной, а протекает в две бимолекулярные стадии:
2ТЮ ->• И2О2 и И2О2 + О2 ->• 2>Ю2.
3.5. Химическое равновесие
Рассмотрим обратимую реакцию, описываемую уравнением
А + В С + Л.
По мере расходования веществ А и В их концентрации снижают-
ся, следовательно, скорость прямой реакции Ух = ^1[Л]-[Я| уменьша-
ется. В то же время накопление продуктов реакции С и В обуслов-
ливает увеличение скорости обратной реакции: К2 = ^2[С]-[Р]. Таким
образом, в определенный момент, зависящий от природы реагирую-
щих веществ и от условий протекания реакции, скорости прямой
и обратной реакций сравниваются:
= У2.
Это и есть условие химического равновесия. Заменяя Ух и К2 на
соответствующие выражения, получаем:
ШИЧ[С][Я
Простые формальные преобразования позволяют получить сле-
дующее соотношение:
кР=к-^,
к2[А\[В]
где Кр - константа равновесия рассматриваемой реакции, важней-
шая характеристика химического процесса. В фиксированных усло-
виях протекания реакции (Р и Т соп$1) Кр является величиной посто-
янной. Она описывает соотношение концентраций реагирующих
веществ в системе, достигшей состояния равновесия. Таким обра-
зом, химическая система, находящаяся в равновесии, характеризует-
ся определенным равновесным составом.
Обратимся еще раз к реакции синтеза йодистого водорода:
Н2 + 12 2Н1.
При 445°С в этой реакции равновесие достигается через 2 ч. Оче-
видно, что в данном случае исходная смесь не содержала Н1. В пер-
вые минуты концентрация йодистого водорода быстро нарастает.
Концентрации Н2 и 12 снижаются. Соответственно, замедляется пря-
мая реакция, и растет скорость обратной. В какой-то момент скоро-
сти сравниваются. После этого состав реагирующей смеси не меня-
Рис. 3.2. Изменение состава газовой смеси при синтезе Н1:
кривая I описывает изменение концентрации НГ Кривая II описывает изменение
концентрации Н2 и Ь
3.6. Принцип Ле-Шателье
Любое изменение условий в равновесной химической системе
выводит эту систему из равновесия. Ле-Шателье сформулировал
принцип, определяющий направление сдвига равновесия при изме-
нении внешних условий. Если на систему, находящуюся в состоя-
нии устойчивого равновесия, воздействовать извне, изменяя ка-
кое-нибудь из условий, определяющих равновесие, то в системе
усилится процесс, который ослабляет влияние произведенного
воздействия, и положение равновесия сместится в том же на-
правлении.
Как уже отмечалось, состояние равновесия отвечает условию ра-
венства скоростей прямого и обратного процессов. Равновесие сме-
щается в том случае, если оказанное внешнее воздействие неодина-
ково влияет на скорости этих процессов.
Рассмотрим нарушение равновесия в результате изменения кон-
центрации одного из реагирующих веществ на примере реакции ме-
жду йодом и водородом. Пусть Н2, 12 и Н1 находятся в равновесии.
При неизменных Р и Т к равновесной смеси добавим водород. Это
вызовет ускорение прямой реакции и, следовательно, приведет
к быстрому расходованию Н2 и 12 и к накоплению йодистого водо-
рода. Последнее ускорит обратную реакцию. Через некоторое время
скорости прямой и обратной реакций сравняются. Наступит равно-
весие. При этом равновесная концентрация Н2 будет меньше той,
которую мы создали, добавив водород, что соответствует принципу
Ле-Шателье.
Для выявления влияния температуры на равновесие рассмотрим
синтез аммиака:
ТМ2 + ЗН2 2НН3.
Эта реакция является экзотермической. Подведение тепла усилит
и прямую, и обратную реакции, но скорость процесса, сопровож-
дающегося поглощением тепла, возрастет сильнее. Значит, в соот-
ветствии с тем же принципом уменьшения эффекта внешнего воз-
действия, равновесие сместится справа налево.
В общем, относительно влияния температуры на состав равно-
весной химической системы можно сказать, что ее (температуры)
повышение сопровождается накоплением веществ, которые образу-
ются с поглощением тепла.
Если речь идет о реакции с участием газообразных веществ, из-
менение давления вызывает аналогичный сдвиг равновесия. Обра-
тимся еще раз к синтезу аммиака. Прямой процесс протекает с «по-
глощением» объема. Как следует из уравнения, 1 л азота,
прореагировав с 3 л водорода, даст лишь 2 л аммиака, т.е. синтез
последнего идет с уменьшением давления. Следовательно, повыше-
ние давления сместит равновесие в сторону накопления аммиака.
Принцип Ле-Шателье находит широкое применение в химиче-
ской промышленности при выборе оптимального режима процесса.
Так, промышленный синтез аммиака проводится при умеренно
повышенной температуре и при давлении в сотни атмосфер, что
обеспечивает высокий выход №33 и требуемую эффективность про-
изводства.
3.7. Катализ
Катализ - изменение скорости реакции, происходящее под
действием определенных веществ, называемых катализаторами.
Катализаторы, участвуя в химическом процессе, остаются к концу
реакции химически неизменными. В некоторых случаях под влия-
нием катализатора скорость реакции возрастает в миллионы раз.
Если катализатор увеличивает скорость реакции, то катализ приня-
то называть положительным; если в присутствии катализатора реак-
ция замедляется, катализ считают отрицательным. Часто замедляю-
щее действие отрицательных катализаторов обусловлено тем, что
они нейтрализуют или «отравляют» положительный катализатор.
Наше внимание будет в основном сосредоточено на случаях поло-
жительного катализа.
Катализатор может ускорить только принципиально возможную
реакцию. Любое увеличение константы скорости прямой реакции
связано с соответствующим увеличением константы скорости об-
ратной реакции, поэтому при действии катализатора химическое
равновесие не нарушается, но достигается во много раз быстрее.
Понятие «катализ» объединяет явления, иногда сильно отличаю-
щиеся по форме, механизму и степени воздействия на химическую
реакцию. При всем разнообразии каталитических процессов их при-
нято разделять на реакции гомогенного и гетерогенного катализа.
В первом случае катализатор находится в той же фазе, в которой
находятся реагирующие вещества (как правило, в растворе, но из-
вестны примеры и газообразных катализаторов для газофазных ре-
акций). Во втором случае катализатор образует отдельную фазу,
обычно твердую, и реакция происходит на поверхности этой фазы.
Значительный интерес вызывают обратимые каталитические
колебательные (периодические) реакции. В общих чертах их ме-
ханизм можно представить следующим образом. На первой стадии
накапливается продукт, угнетающий катализатор. Каталитическое
действие прекращается, концентрация продукта снижается, катали-
затор переходит в активную форму, и процесс повторяется.
При всей сложности и всем многообразии каталитических про-
цессов можно выявить общие закономерности каталитического дей-
ствия. Как уже отмечалось, катализаторы не влияют на величину
константы равновесия химической реакции, они лишь ускоряют его
(равновесия) установление. Но эта возможность быстрого достиже-
ния равновесия при относительно невысоких температурах имеет
огромное практическое значение. Для многих промышленно значи-
мых процессов именно так обеспечивается высокий выход искомого
продукта.
С другой стороны, возможность проведения промышленного хи-
мического процесса при умеренной температуре является сущест-
венным экономическим преимуществом и выгодно сказывается на
себестоимости продукта.
Важным свойством катализаторов является селективность их
действия. Катализатор ускоряет одну реакцию или группу однотип-
ных превращений разных веществ. Например, металлы Си, №, Рс1, Р1
катализируют реакции гидрогенизации и дегидрогенизации. В неко-
торых случаях можно говорить о специфичности действия различ-
ных катализаторов на одно и то же вещество. Так, этанол под дейст-
вием оксида алюминия дегидратируется, давая этилен (1). В присут-
ствии же металлических катализаторов (Си и М) при тех же темпе-
ратурах этиловый спирт окисляется. При этом образуется
ацетальдегид (2):
С2Н5ОН С2Н4 + Н2О, (1)
С2Н5ОН СНзСНО + Н2. (2)
Обобщая накопленный опыт применения катализаторов, можно
свести эффект каталитического действия к снижению тем или иным
путем величины энергии активации. Часто это достигается за счет
образования различных промежуточных соединений с участием ка-
тализаторов, а также наиболее выгодной взаимной ориентации взаи-
модействующих частиц. Последнее также обеспечивается присутст-
вием катализатора.
Гомогенный катализ
Во многих случаях гомогенного катализа эффективность катали-
тического действия пропорциональна концентрации катализатора.
Поэтому достаточно убедительной (а иногда и экспериментально
подтвержденной) является теория промежуточных реакций.
Пусть имеет место реакция А + В С (I), характеризующаяся ве-
личиной энергии активации Е*. При этом образование продукта С
возможно и другим путем (II), с участием катализатора К:
II гА+К^АК (Я1*)
А_АК + В^С + К (Я2*),
I А+В^С, (Я*)
где Е±* и Е2* - энергии активации соответствующих этапов. Если
Е\* <Е* и Е2* <Е*, то очевидно, что участие катализатора К увели-
чит скорость процесса.
Как показано на рис. 3.3, протекание процесса с участием катали-
затора не влияет на энергетический эффект реакции: АН = ЛН1+ЛН2.
Этот эффект определяется лишь начальными и конечными вещест-
вами. Если соблюдаются указанные соотношения энергий актива-
ции, то протекание реакции по пути II с образованием промежуточ-
ного соединения АК значительно ускорит процесс. Ведь в этом
случае из-за более низких значений энергий активации каждый этап
становится доступным для большего числа частиц, участвующих
в реакции (см. уравнение Аррениуса в 3.3).
Рис. 3.3. Энергетическая схема реакции Л + В —> С:
по оси ординат отложены уровни энергии начальных и конечных продуктов,
а также энергии активации
Точной иллюстрацией приведенной
ское окисление 8О2:
схемы является каталитиче-
О2 + 28О2 28О3
О2 + 2ТЮ 2ЪЮ2
>Ю2 + 8О2 —> 8О3 + ИО
Е* (А+В^С)
Ех* (А+К^АК)
Е2* (АК + В^С + К)
Обе промежуточные реакции характеризуются более низкими
значениями энергии активации Еу* и ТГ2*, чем энергия активации
прямой реакции Е*.
Рассмотрим другой пример каталитического действия с иденти-
фицированными промежуточными соединениями катализатора. На-
пример, реакция разложения газообразного ацетальдегида:
СН3 - СНО СН4 + СО
катализируется парами йода. Энергия активации этой реакции без
катализатора составляет 45,5 ккал, в присутствии 12 она снижается
до 32,0 ккал. При этом скорость реакции возрастает примерно в 10
раз. Увеличение скорости обусловлено следующими промежуточ-
ными этапами с участием катализатора 12:
СН3 - СНО + 12 СН31 + Н1 + СО
СН31 + Н1 СН4 + 12.
Часто реакции в растворах катализируются кислотами (протон-
донорами) и основаниями (протон-акцепторами).
Кислотно-основной катализ заключается в том, что протон-донор
отдает протон (НА —> Н+ + А”), присоединяющийся к молекуле суб-
страта. Далее происходит внутримолекулярное превращение, свя-
занное с перераспределением связей, и, наконец, протон отщепляет-
ся, но уже от другой части молекулы, и возвращается к своему
аниону. Рассмотрим в качестве примера енольное превращение ке-
тонов с участием Н+ в роли катализатора, образующего промежу-
точное соединение:
К1
I
С = О + Н+ + А
сн2
К2
Кетон
К-1
I
С = ОН + А
I Ф
Н-С-Н н+
ш
Промежуточное
К1
I
С - ОН + НА
II
сн2
К2
Енол
соединение
Часто в роли катализаторов выступают ионы металлов. Свою
функцию они выполняют разными способами. Простейший случай
заключается в том, что металлический ион периодически меняет ва-
лентность и таким образом катализирует окислительно-восстано-
вительный процесс.
Пусть 8-Н - исходная (восстановленная) форма субстрата, а 8 -
окисленная форма. Процесс окисления катализируется ионами Си,
тогда имеем:
28 - Н + 2Си2+ 2Си+ + 2Н+ + 28
2Си+ + 1/2О2 2Си2+ + О2'
2Н+ + О2’ Н2О
28 - Н + 1/2О2 28 + Н2О
Другим путем каталитического действия ионов металлов являет-
ся их участие в процессе образования различных короткоживущих
и чрезвычайно активных промежуточных комплексов. Так, напри-
мер, действуют ионы железа, ускоряя разложение Н2О2.
Наряду с образованием промежуточных соединений в гомоген-
ном катализе играют роль и менее прочные сочетания ионов и моле-
кул, обусловленные ион-дипольным взаимодействием и(или) обра-
зованием водородной связи. Такие взаимодействия вызывают поля-
ризацию частиц и изменение их реакционной способности.
Гетерогенный катализ
Как уже отмечалось, гетерогенные каталитические реакции -
это процессы, в которых катализатор составляет самостоятель-
ную фазу. Во всех случаях гетерогенного катализа реакция протека-
ет на самой поверхности катализатора. Величина, свойства поверх-
ности, ее химический состав во многом определяют эффективность
катализатора.
Каталитическая активность материала связана с адсорбцией
реагирующих веществ. При всем разнообразии протекающих на
поверхности катализатора процессов можно выделить общие харак-
терные черты гетерогенного катализа.
Во-первых, на поверхности катализатора происходит концентри-
рование реагирующих веществ, что, в соответствии с законом дейст-
вующих масс, увеличивает скорость реакции.
Во-вторых, энергетическое состояние адсорбированных молекул
изменяется. В результате взаимодействия с особыми участками
каталитической поверхности (с ее активными центрами) адсорбиро-
ванные молекулы поляризуются, некоторые связи в них ослабляют-
ся. Следствием является повышенная реакционная способность.
В-третьих, важную роль играет и тот факт, что адсорбированные
частицы ориентируются по отношению друг к другу определенным
(как уже отмечалось, наиболее «выгодным») образом, что сущест-
венно увеличивает эффективность их взаимодействия.
Каталитическая активность зависит не только от химического со-
става, но и от способа обработки поверхности, так как состояние
последней предопределяет общее количество и плотность активных
центров.
Высокая чувствительность катализатора к присутствию малых
количеств некоторых посторонних веществ также свидетельствует
об особой роли активных центров. Очень малые количества опреде-
ленных веществ (их называют каталитическими ядами) резко
уменьшают активность катализатора или даже приводят к полной
потере им этой активности. Например, активность платинового ка-
тализатора, применяемого в производстве Н28О4, практически исче-
зает при самых незначительных количествах соединений мышьяка.
Концентрация их явно недостаточна, чтобы покрыть и «отравить»
всю поверхность катализатора. Остается допустить, что подобные
яды блокируют активные центры, адсорбируясь именно на них.
Большая часть катализаторов, применяемых в гетерогенном ката-
лизе, находится в кристаллическом состоянии, в то время как реаги-
рующие вещества являются газами или жидкостями. По химической
природе твердые катализаторы - это металлы, оксиды, соли (часто
галогениды и сульфиды) и их смеси.
Можно выделить типичные случаи каталитического вмешатель-
ства подобных кристаллических поверхностей. Например, ионный
кристалл 2пС12 катализирует реакции галогенирования предельных
углеводородов:
С2Н6 + С12 С2Н5С1 + НС1.
Процесс начинается с того, что молекула С12 распадается на по-
верхности ионной решетки 2пС12 на два атома, один из которых со-
единяется с катализатором. Далее молекула этана, адсорбированная
на поверхности катализатора, активируется и дает радикал С2Н5-
и атом водорода, также связанный с кристаллической поверхностью.
Затем возникают молекула хлористого этила и молекула НС1, поки-
дающие поверхность.
Автокаталитические реакции.
Катализ цепных процессов
Особым случаем катализа, встречающимся как в гомогенном, так
и в гетерогенном его вариантах, являются автокаталитические реак-
ции. Здесь в роли катализатора выступает продукт реакции.
Скорость таких процессов возрастает во времени, причем возрас-
тает лавинообразно. Например, сухой НБ реагирует крайне медлен-
но (практически не реагирует) с окислами металлов, но малейшее
количество Н2О обеспечивает начало реакции:
2НБ + МеО МеР2 + Н2О.
Начавшись медленно, реакция набирает скорость и становится
бурной.
В силу своеобразия механизма действия в некоторых случаях в
отдельную группу выделяют катализаторы цепных процессов. В них
катализаторы инициируют возникновение цепей. Например, такой
эффект оказывает действие яркого света на смесь хлора и водорода.
Суммарное уравнение процесса выглядит следующим образом:
Н2 + С12 2НС1.
По этапам эту цепную реакцию можно представить так:
С12 + йу С1 + С1
С1 + Н2 НС1 + Н
Н + С12 НС1 + С1 и т.д.
Здесь Ну - квант световой энергии, катализирующий развитие
цепного процесса. В темноте или при рассеянном освещении реак-
ция протекает крайне медленно. При ярком освещении она идет со
взрывом. Действие отрицательных катализаторов в цепных процес-
сах сводится в основном к обрыву цепей. Такую функцию, напри-
мер, выполняют металлоорганические соединения свинца и железа,
добавляемые к моторным бензинам для уменьшения возможности
взрыва в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания.
В заключение следует отметить, что, несмотря на всю специфи-
ку процессов в живом организме, общие закономерности кинетики
и катализа применимы к химическим реакциям в живой клетке.
В отличие от химической промышленности, где некаталитиче-
ские реакции еще долго будут использоваться, в организме практи-
чески все химические превращения контролируются особыми био-
логическими катализаторами - ферментами. Ими контролируются
дыхание, пищеварение, синтез белка, преобразование химической
энергии в механическую и многие другие процессы.
Таким образом, рассмотренные в этом разделе закономерности
помогут глубже понять механизм ферментативного действия, что
поможет легче и лучше усвоить курс биохимии.
Контрольные вопросы
1. Как определить скорость химической реакции?
2. Что такое энергия активации? Уравнение Аррениуса.
3. Как температура влияет на скорость химической реакции?
4. Как температура влияет на равновесие эндотермической обрати-
мой реакции?
5. Как влияет давление на равновесие обратимой газофазной реак-
ции, идущей с уменьшением объема?
6. Как катализатор влияет на равновесие обратимых реакций?
7. Опишите механизм гетерогенного катализа.
Глава 4
ОСНОВЫ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
В ходе изучения темы важно запомнить: органические соеди-
нения, номенклатуру и классификацию органических соединений,
изомерию, основные классы углеводородов, их физические и химиче-
ские свойства, функциональные группы органических соединений,
кислородсодержащие соединения (спирты, альдегиды, кетоны, кар-
боновые кислоты), бензол и его производные, гетероциклические
соединения.
4.1. Органическая химия - область химической
науки, изучающая соединения углерода
Химия соединений углерода выделилась в отдельную область
знания, прежде всего, из-за многочисленности органических ве-
ществ. В настоящее время их число превышает 10 млн. При этом
постоянно синтезируются новые молекулы, новые органические
вещества открываются в природе.
Многообразие органических молекул объясняется особенностями
строения атома углерода.
В основном состоянии углерод, шестой элемент Периодической
системы, имеет электронную конфигурацию: 182 2з2 2р2, которой со-
ответствует валентность II. Примером двухвалентного соединения
углерода может служить оксид СО. При возбуждении атома струк-
тура второго электронного уровня меняется:
1з22з22р2^ 182 2з12р3.
Этому состоянию соответствует валентность IV, «главная» ва-
лентность углерода.
Четыре непарных электрона обеспечивают возможность образо-
вания четырех ковалентных связей. Формальное рассмотрение по-
зволяет предположить, что эти связи не должны быть одинаковыми.
Ведь в образовании этих связей участвуют разные электроны: в трех
случаях речь идет о р-электронах, а в четвертом - об 8-электроне.
Но исследование молекулы метана не обнаруживает различий
в прочности связей С-Н. Это объясняется взаимным влиянием
электронных облаков. В результате в образовании связи со стороны
углерода участвуют одинаковые гибридные облака. Явление называ-
ется зр3-гибридизация.
Углерод взаимодействует практически со всеми элементами
Периодической системы. Он легко соединяется с кислородом
(СО, СО2), с галогенами, например СС14. Взаимодействует с метал-
лами, давая карбиды, например, СаС2, с азотом, образуя дициан
С2И2; с серой, давая сероуглерод С82, и, конечно, с водородом (СН4).
Главной причиной многообразия органических соединений явля-
ется склонность атомов углерода к соединению друг с другом в цепи
различного строения: открытые (неразветвленные, разветвленные)
и замкнутые.
Соединяясь между собой, атомы углерода способны образовы-
вать не только простые (одинарные), но и кратные (двойные, трой-
ные) связи, например:
Н3С-СН3 Н2С=СН2 НС=СН.
Этан Этилен Ацетилен
Это свойство, являющееся основой существования трех семейств
углеводородов, а также наличие структурных вариантов у молекул
одного и того же состава еще больше разнообразят мир органиче-
ских веществ.
Органическая химия занимает особое место среди химических
наук в силу своей промышленной и экономической значимости. Бла-
годаря достижениям органики современный мир получил новые
синтетические вещества и полимерные материалы, используемые
в самых разных отраслях человеческой деятельности. Это - нефте-
продукты, горючее для различных двигателей, каучуки, пластмассы,
волокна, пленки, лаки, клеи, поверхностно-активные вещества,
красители, лекарственные препараты и т.п. Без знания основ органи-
ческой химии современный человек не способен экологически гра-
мотно использовать все эти продукты.
Кроме того, главные энергоносители, доступ к которым опреде-
ляет место страны в современном мире (нефть и природный газ),
являются смесью углеводородов.
Наконец, специфические органические вещества и их превраще-
ния лежат в основе явлений жизни. Поэтому органическая химия
является химическим фундаментом биохимии и молекулярной био-
логии.
Принципы классификации органических соединений
В органической химии, где число изучаемых объектов выражает-
ся миллионами, проблема их классификации (как и их номенклату-
ры) чрезвычайно важна и существенна.
Часто органические вещества делят в зависимости от строения
углеродной цепи. Различают соединения с открытой цепью (ацикли-
ческие), с замкнутой цепью (циклические). Последние делят в зави-
симости от характера цикла. Циклическая часть карбоциклических
молекул составлена только из атомов углерода. В гетероцикличе-
ских циклах мы видим хотя бы один атом другого элемента.
Классификация органических соединений по типу
углеродной цепи
Органические вещества
/ \
Ациклические Циклические
/ \ / \
СхНу СхНуО2 Карбоциклические Гетероциклические
/ \
Ароматические Алициклические
Углеводороды (СхНу) делят на предельные (алканы - СпН2п+2)
и непредельные (алкены - СпН2п и алкины - СпН2п_2). Кислород-
содержащие подразделяют на классы в зависимости от наличия той
или иной функциональной группы и т.д.
4.2. Теория строения органических соединений
А.М. Бутлерова
Основы теории строения органических соединений были заложе-
ны во второй половине XIX в. В то время возможности изучения
структуры молекул были весьма ограничены. Положения, выдвину-
тые выдающимся русским ученым А.М. Бутлеровым, базируются
на глубоких и обширных знаниях свойств органических веществ,
а также на интуиции теоретика.
Теория Бутлерова позволила систематизировать большой экс-
периментальный материал, накопленный органической химией.
Больше того: обогащенная современными сведениями о строении
вещества она позволяет предсказывать основные химические и фи-
зические свойства органических соединений с учетом их химическо-
го, пространственного и электронного строения.
Основные положения теории химического строения
А.М. Бутлерова
Атомы в молекуле органического вещества связаны друг с
другом в определенном порядке, согласно их валентности. Угле-
род в органических соединениях всегда четырехвалентен, его атомы
могут соединяться простой, двойной или тройной связью (см. этан,
этилен и ацетилен в 4.1), образовывать цепи практически неограни-
ченной длины.
Свойства органического вещества зависят от порядка со-
единения атомов в молекуле. Это означает, что вещества, соответ-
ствующие одному и тому же брутто-составу, могут иметь разное
строение, следовательно, обладать разными физическими и химиче-
скими свойствами и, вообще, принадлежать к разным классам орга-
нических соединений. Например, составу СзН6Оз соответствуют
и глицериновый альдегид, и диоксиацетон, и молочная кислота.
сн он
I
сн;он
Глицериновый
альдегид
СН2ОН
I
с-о
I
сн2 он
Диоксиацетон
сн3
I
снон
I
ссон
Молочная
кислота
Первое из приведенных веществ является альдегидоспиртом,
второе - кетоноспиртом. Оба относятся к углеводам. Третье является
оксикислотой.
Именно это положение теории о зависимости свойств молекулы
не только от ее состава, но и от порядка соединения атомов в ней
позволило А.М. Бутлерову объяснить явление изомерии, предсказать
существование различных изомеров и впервые получить некоторые
из них. Соответствующие примеры изомерии, как и описание
свойств упомянутых классов и групп соединений, приводятся далее.
Внутри одной молекулы атомы и группы атомов оказы-
вают друг на друга взаимное влияние. Иными словами, химиче-
ские свойства атомов и групп атомов, яркость их проявления зависят
от химического контекста. Рассмотрим, например, влияние природы
радикала на поведение гидроксильной группы в органической моле-
куле, сравнивая этиловый спирт С2Н5ОН и фенол С6Н5ОН. Обе
молекулы отвечают общей формуле спиртов К-ОН и таковыми
являются. Этиловый спирт проявляет все свойства, характерные
для спиртов, фенол же совсем не случайно называют карболовой
кислотой. Влияние радикала СбН5- существенно сказывается на под-
вижности водорода гидроксильной группы; молекула, в целом,
демонстрирует кислые свойства. Например, фенол, как кислота,
взаимодействует со щелочами, вступая в реакцию нейтрализации:
С6Н5ОН + ИаОН С6Н5ОИа + Н2О.
Таким образом, теория Бутлерова, явившись научным фундамен-
том органической химии в XIX в., и в настоящее время способствует
ее развитию и углублению.
4.3. Ациклические насыщенные углеводороды
Углеводороды - органические соединения, состоящие только
из двух элементов: углерода и водорода. Их общая формула -
СхНу.
Общая формула семейства насыщенных углеводородов - СпН2п+2.
Простейший алкан - метан СН4.
Гомологический ряд алканов. Алканы, имея общую формулу
СпН2п+2, представляют собой ряд родственных соединений с одно-
типной структурой. Каждый последующий член семейства отлича-
ется от предыдущего на постоянную группу -СН2- (метилен). Такая
последовательность соединений называется гомологическим рядом,
отдельные члены этого ряда - гомологами.
Первые десять членов гомологического ряда алканов приводятся
ниже:
СН4 - метан; СН3-СН3 - этан; СН3-СН2-СНз - пропан; СН3-СН2-
СН2-СН3 - бутан; С5Н12 - пентан; С6Н14 - гексан; С7Н16 - гептан;
С8Н18 - октан; С9Н20 - нонан; СюН22 - декан.
Суффикс «-ан» является характерным для названия всех алканов.
Имея одинаковый качественный состав и однотипные химические
связи, гомологи обладают сходными химическими свойствами. По-
этому, зная свойства одного из членов гомологического ряда, можно
предсказать химическое поведение и других членов этого ряда.
Физические свойства
В семействе предельных углеводородов отчетливо прослеживает-
ся зависимость между длиной углеродной цепи и агрегатным со-
стоянием вещества. Четыре первых углеводорода (С1-С4) в обычных
условиях представляют собой газы. От С5 до С15 - жидкости, далее
(число атомов углерода в молекуле > 16) - твердые вещества. Алка-
ны, будучи веществами неполярными, плохо растворимы в поляр-
ных растворителях, в частности в воде. Напротив, они хорошо рас-
творяются в неполярных жидкостях, таких как бензол и бензин.
Химические свойства
Семейство алканов называют также парафинами, что в переводе
с латыни означает «имеющие малое сродство», т.е. проявляющие
малую склонность к химическому взаимодействию с другими
веществами. Действительно, по сравнению с ненасыщенными угле-
водородами парафины менее активны.
Реакции окисления алканов. Окисление органического вещест-
ва - введение в его состав кислорода и(или) отщепление водо-
рода. Восстановление - обратный процесс (введение водорода
и отщепление кислорода). Алканы предельно насыщены водоро-
дом, поэтому не способны вступать в реакции восстановления, но
могут окисляться.
При обычной температуре алканы не вступают в реакции даже
с сильными окислителями. При внесении в открытое пламя алканы
горят. При этом в избытке кислорода происходит их полное окисле-
ние до углекислого газа и воды. Горение углеводородов сопровож-
дается выделением большого количества тепла:
СпН2п+2 + (Зп + 1)/2О2 пСО2 + (п + 1)Н2О + р.
В частном случае для метана получаем:
СН4 + 2О2 ->• СО2 + 2Н2О + 848 кДж/моль.
Низшие гомологи (метан, этан, пропан, бутан) образуют с воз-
духом взрывоопасные смеси, что необходимо учитывать при их
использовании.
Процесс горения углеводородов широко используется для полу-
чения энергии (в двигателях внутреннего сгорания, в тепловых элек-
тростанциях и т.п.).
При недостатке кислорода образуются продукты частичного
окисления. В частности, в случае метана имеем:
СН4 + 3/2О2 СО + 2Н2О,
СН4 + О2 -> С + 2Н2О.
Последняя реакция используется в промышленности для получе-
ния сажи из природного газа, основным компонентом которого яв-
ляется метан (80-97%).
Частичное окисление алканов при относительно невысокой тем-
пературе и с применением катализаторов сопровождается разрывом
только части связей С-С и С-Н и используется для получения цен-
ных продуктов, таких как карбоновые кислоты, кетоны, альдегиды,
спирты. Например, при неполном окислении бутана получают ук-
сусную кислоту:
2СНз-СН2-СН2-СНз + 5О2—> 4СН3СООН + 2Н2О.
Алканы с числом углеродов в цепи больше 25 под действием
кислорода воздуха в жидкой фазе в присутствии солей марганца
превращаются в смесь карбоновых кислот, которые используют-
ся для получения моющих средств и поверхностно-активных ве-
ществ.
Крекинг алканов. Крекинг - реакция расщепления углеродного
скелета крупных молекул при нагревании без доступа кислорода
и в присутствии катализаторов.
При температурах 450-700°С алканы распадаются за счет разры-
ва связей С-С (более прочные связи С-Н при такой температуре со-
храняются) и образуются алканы и алкены (непредельные углеводо-
роды) с меньшим числом углеродных атомов. Например:
С6Н14 X С2Н6 + с4н8.
Разрыв С-С-связи возможен в любом месте углеродной цепи. По-
этому образуется смесь алканов и алкенов с меньшей, чем у исход-
ного углеводорода, молекулярной массой.
При температуре выше 1000°С происходит разрыв не только свя-
зей С-С, но и более прочных С-Н. Например, термический крекинг
метана используется для получения сажи (чистый углерод) и водо-
рода:
С
СН4 С + 2Н2.
Дегидрирование алканов. При нагревании алканов в присутст-
вии катализаторов происходит их каталитическое дегидрирование за
счет разрыва связей С-Н и отщепления атомов водорода от соседних
углеродных атомов. При этом алкан превращается в алкен с тем же
числом углеродных атомов в молекуле. Например, этан, теряя водо-
род, превращается в этилен:
Н3С-СН3 Н2С=СН2 + Н2.
Дегидрогенизация метана является промышленным способом по-
лучения ацетилена:
1°
Н - СН3 + Н3С-Н НС=СН + ЗН2.
Реакции замещения. В молекулах алканов атомы водорода до-
вольно легко замещаются на другие атомы или группы атомов,
в частности на атомы галогенов.
Галогенирование алканов - реакция замещения на галоген
одного или более атомов водорода в его молекуле. Продукты реак-
ции называют галогенопроизводными. Реакция насыщенных угле-
водородов с хлором и бромом идет на свету или при нагревании,
например:
СН4 + С12 СН3С1 + НС1.
Образовавшийся продукт (хлорметан) может быть подвержен
дальнейшему хлорированию с последовательным получением ди-
хлорметана (СН2С12), трихлорметана (СНС13) и тетрахлорметана
(СС14).
Нитрование алканов - это реакция замещения атома водорода
на остаток азотной кислоты. При нагревании алканы взаимодей-
ствуют с разбавленной азотной кислотой.
Н ЪЮ2
I 1° I
Н3С-С-СН3 + НО-ИО2 -> Н3С-С-СН3 + Н2О
н н
Водород при вторичном атоме углерода легче замещается остат-
ком азотной кислоты, поэтому при нитровании пропана образуется
2-нитропропан.
Получение водяного газа. Большое значение имеет реакция
взаимодействия метана с водяным паром, в результате которой обра-
зуется смесь оксида углерода (II) с водородом - водяной, или «син-
тез-газ»:
СН4+Н2О^ЗН2 + СО.
Эта реакция, проводимая при 800°С в присутствии катализатора
(№), используется для получения водорода. Синтез-газ служит ис-
ходным сырьем для получения различных углеводородов и является
удобным горючим для определенных технологических процессов.
Получение предельных углеводородов
Алканы выделяют из природных источников (природный газ,
нефть, каменный уголь). Используются также синтетические ме-
тоды.
Чаще всего для получения предельных углеводородов применяют
следующие методы:
• Гидрирование непредельных углеводородов (а-алкенов, Р-ал-
кинов):
а) СпН2п + Н2 СпН2п+2; Ь) СпН2п_2 + 2Н2 СпН2п+2.
• Каталитическая газификация твердого топлива:
С + 2Н2 СН4.
• Получение смеси алканов из синтез-газа:
пСО + 2(п + 1) Н2 СпН2п+2 + (п + 1)Н2О.
• Реакция Вюрца:
К!- С1 + 2№ + С1-К2 К!- К2 + 2№ С1.
• Сплавление солей карбоновых кислот со щелочами:
СНзСООИа + ШОН СН4 + Иа2СО3.
• «Гашение» карбидов металлов:
А14С3 + 12Н2О 4А1 (ОН)3 + ЗСН4.
Изомерия органических соединений на примере углеводородов
Некоторые соединения имеют одинаковый состав, но разное
строение (см. 4.2). Их называют изомерами, а сам факт их сущест-
вования - изомерией.
Различия в порядке соединения атомов в молекуле (т.е. в химиче-
ском строении) приводят к структурной изомерии (она же - изоме-
рия углеродного скелета). Строение структурных изомеров отража-
ется структурными формулами. В ряду углеводородов структурная
изомерия становится возможной, начиная с молекулы, содержащей
4 атома углерода, в семействе алканов - с бутана (С4Ню):
н н н н
1111
н-с-с-с-с-н
1111
н н н н
н-Бутан
н н н
I I I
н-с — с — с — н
I I I
н н-с-нн
I
н
Изобутан
Буквой «н» (от «нормальный») обычно обозначают изомер с не-
разветвленной цепью. Второй вариант структуры достаточно назвать
«изобутан», так как для молекулы С4Ню их всего два.
Следующий алкан С5Н12 имеет уже три структурных изомера:
Далее с увеличением числа атомов углерода число вариантов
углеродного скелета быстро растет. Во второй строке табл. 4.1 при-
водится число возможных структурных изомеров для некоторых
предельных углеводородов.
Таблица 4.1
Зависимость числа структурных изомеров от состава алкана
сн4 С2н6 С3н8 С4Н10 с5н12 С6Н14 С7Н16 С8Н18 С9Н20 ...С15Н32
1 1 1 2 3 5 9 18 35 ...4347
Структурные изомеры отличаются физическими свойствами. Ал-
каны с разветвленным строением из-за менее плотной упаковки
молекул и, соответственно, меньших межмолекулярных взаимо-
действий кипят при более низкой температуре, чем их неразветвлен-
ные изомеры.
Приведенные примеры затрагивают лишь один тип изомерии.
По мере усложнения молекул появляются другие варианты строения
молекул, отвечающих одному и тому же составу.
Например, если в молекулах одинакового состава и одинакового
химического строения возможно различное взаимное расположение
атомов в пространстве, то наблюдается стереоизомерия. Этот вид
изомерии играет важную роль в биологической химии.
При наличии в молекуле семи и более углеродных атомов возмо-
жен еще один вид изомерии, когда два изомера относятся друг
к другу как предмет и его зеркальное изображение. Такие различия
в строении молекул называют оптической изомерией.
Случаи изомерии, связанные с наличием в молекуле кратных
(двойных и тройных) связей и различных функциональных групп, по
возможности будут затронуты при рассмотрении свойств соответст-
вующих соединений.
4.4. Номенклатура органических соединений
(базовые понятия)
В силу огромного количества органических соединений и их
многообразия проблема точного названия каждого из них становится
первостепенной. Номенклатура органических соединений - сис-
тема правил, позволяющих дать однозначное название каждому
индивидуальному веществу.
В настоящее время в химии применяют несколько номенклатур-
ных систем.
Эмпирическая, или тривиальная, номенклатура использует
случайные названия, не связанные ни со структурой, ни со строени-
ем молекулы. Довольно часто они даны по первому источнику веще-
ства. Например, муравьиная, яблочная и лимонная кислоты, уксус-
ный альдегид. Иногда название связано с характерным свойством -
ароматические соединения и т.д.
Рациональная номенклатура рассматривает органическую мо-
лекулу как производное метана, в котором все или несколько водо-
родов замещены какими-то радикалами. Если название каждого из
этих радикалов не вызывает проблем, применение рациональной
номенклатуры уместно.
Прежде чем перейти к рассмотрению примеров использования
рациональной номенклатуры, введем понятия «первичный», «вто-
ричный», «третичный» и «четвертичный» атомы углерода.
Если атом углерода непосредственно связан лишь с одним ато-
мом С, это - первичный атом. Так, первый и четвертый атомы угле-
рода в цепи н-бутана будут первичными: С1-С2-С3-С4.
Если атом углерода связан с двумя другими углеродами (второй
и третий атомы в нашем примере), это - вторичный атом.
Соответственно, в следующем примере С2 будет третичным,
а С3 - четвертичным:
С С
С1-С2-С3-С4
I
С
Таким образом, чтобы дать название углеводороду нужно вы-
брать четвертичный или третичный атом углерода и назвать по мере
возрастания сложности радикалы-заместители. В случае наличия
одинаковых заместителей перед их названием ставится «ди», если их
два, - «три»; если их три, - «тетра», если одинаковых заместителей
четыре. После названия радикалов добавляется слово «метан». При-
меры: 1) тетраметилметан; 2) триметилэтилметан; 3) метилдиэтил-
пропилметан:
СН3
I
сн3 —с —сн3
I
сн3
сн3
I
сн3-сн2-с-сн3
I
сн3
сн2—снз
сн3-с-сн2 — сн3
I
сн2-сн2 —сн3
Наконец, существует строгая систематическая номенклатура,
называемая научной, или женевской. Эта номенклатура основана
на совокупности правил, которые позволяют дать единственное на-
звание соединению любой сложности, отразив при этом все нюансы
его структуры.
В данном разделе кратко изложены основные правила, исполь-
зуемые в номенклатуре углеводородов. Далее, по мере необходимо-
сти, будут добавлены правила, связанные с появлением различных
функциональных групп.
Для того чтобы построить название алкана, следует:
1. Выбрать в молекуле самую длинную углеродную цепь. При
наличии двух одинаковых по длине цепей выбирается наиболее раз-
ветвленная.
И левый, и правый углеродные «скелеты» имеют в главной цепи
7 атомов, но в левой структуре будет два заместителя (метил и про-
пил), а в правой - один (изобутил), поэтому в основу номенклатуры
кладется левый вариант.
2. Пронумеровать атомы углерода в главной цепи так, чтобы
атомы С, связанные с заместителями, получили возможно меньшие
номера. Поэтому нумерацию начинают с ближайшего к ответвле-
нию конца цепи. В приведенном выше примере правильной будет
следующая нумерация:
С7-С6-С5-С4-С-С-С
С3-С2-С!
I
с
3. Назвать все радикалы-заместители, обозначив цифрой перед
названием их местоположение в главной цепи. Если есть несколько
одинаковых заместителей, то для каждого из них через запятую за-
писывается цифра (местоположение), а их количество указывается
приставками ди-, три-, тетра-, пента- и т.д. (например, 2,2-диметил
или 2,3,3,5-тетраметил).
4. В конце назвать главную (неразветвленную) цепь углеродных
атомов.
Таким образом, рассмотренный алкан по женевской номенклату-
ре называется 2-метил-4-пропил-гептан.
Наличие кратных (двойных или тройных) связей обозначается
суффиксами «-ен» и «-ин» соответственно с указанием места (мень-
шего из номеров атомов углерода, связанных кратной связью).
Например:
С=С-С-С - бутен-1; С-С=С-С - бутен-2; С=С-С-С - бутин-1;
С-С=С-С - бутин-2.
С—С—С—С—С—С; С—С—С—С—С—С; С—С—С=С—С—С — здесь приведе-
ны «скелеты» гексена-1, гексена-2 и гексина-3.
Рассмотрим еще один пример:
С2Н5 СН3
8 7 6 |5 4 |з 2 1
СН3-СН2-СН2-С-СН2-СН-СН=СН2
I
СН3
В соответствии с изложенными выше правилами, эту молекулу
следует называть 3,5-диметил-5-этилоктен-1.
4.5. Полимеризация.
Высокомолекулярные соединения
Полимеризация - это процесс, в результате которого большое
число молекул соединяется с образованием макромолекулы (по-
лимера), имеющей высокую молекулярную массу. Продукты по-
лимеризации называют также высокомолекулярными соединениями
(ВМС).
Вещества, из которых получают полимеры, называют моно-
мерами. Если цепи полимера образуются повторением одной и той
же молекулы, то продукт будет гомополимером. Если же цепи
образуются из отличающихся молекул, то получается гетеро-
полимер.
Различают полимеры, являющиеся продуктом реакции присоеди-
нения и реакции поликонденсации. В первом случае образование
полимера собственно соединением мономеров в цепь и ограничива-
ется. В ходе же поликонденсации каждый акт удлинения цепи со-
провождается выделением низкомолекулярного вещества, часто -
воды.
Полимеризация присоединения характерна для молекул непре-
дельных соединений (см., например, 4.6 и 4.7). Химическая сущ-
ность процесса заключается в разрыве двойных или тройных связей,
что позволяет молекулам образовывать цепи. Подобные реакции
протекают при нагревании, повышенном давлении и в присутствии
катализатора:
пСН = СН2(- СН - СН2 -)п
К К
Мономер Полимер
Повторяющуюся часть молекулы полимера (то, что стоит в скоб-
ках в приведенном уравнении) называют элементарным звеном.
Коэффициент п указывает на степень полимеризации.
Если в общем уравнении К = -СН3, то получим поли-
X. пропилен, один из самых распространенных (наряду с
1| полиэтиленом) искусственных полимеров.
Фенил При полимеризации стирола (та же схема, в которой
радикал мономера представляет собой фенил) получает-
ся другой широко применяемый полимер - полистирол. Наконец, в
различных областях техники широко используются продукты поли-
меризации хлористого винила: СН2 = СН - С1.
Сополимеризация
Процесс образования ВМС при совместной полимеризации двух
или более различных мономеров называют сополимеризацией. На-
пример, для получения полимера с нужными свойствами часто при-
бегают к сополимеризации этилена с пропиленом:
пСН2 = СН2 + пСН2 = СН —> (-СН2-СН2-СН2 -СН-)П
СН3 СН3
Этилен Пропилен Сополимер этилена и пропилена
В приведенном примере для простоты число молекул этилена
и пропилена одинаково, но это лишь частный случай. Химический
состав и строение сополимеров зависит от свойств мономеров
и условий реакции. В сополимерах сочетаются свойства полимеров,
полученных из каждого в отдельности взятого мономера. Поэтому
сополимеризация - эффективный способ синтеза полимеров с задан-
ными свойствами.
Поликонденсация - процесс образования высокомолекуляр-
ных соединений, протекающий по механизму замещения и со-
провождающийся выделением побочных низкомолекулярных
продуктов. В поликонденсацию могут вступать соединения, содер-
жащие не менее двух функциональных групп, способных к химиче-
скому взаимодействию.
Например, получение капрона при соединении в цепь молекул
аминокапроновой кислоты, которая, как следует из названия, содер-
жит карбоксильную и аминогруппы:
пН2Н-(СН2)5-СООН^Н-(-НН-(СН2)5-СО-)п-ОН + (п-1)Н2О
В основе поликонденсации лежит реакция замещения. Например,
при поликонденсации двухосновной кислоты и двухатомного спирта
группа -ОН в кислоте замещается на остаток спирта -О-К-ОН:
НООС-К-СО-ОН + Н-О-К-ОН НООС-К-СО-О-К-ОН + Н2О
Образовавшийся димер (см. выше) является одновременно и кис-
лотой (-СООН) и спиртом (-ОН). Поэтому он может вступать
в новую реакцию как с мономерами, так и с другими димерами, три-
мерами и так далее.
Поликонденсация - процесс ступенчатый, так как образование
макромолекул происходит в результате ряда реакций последователь-
ного взаимодействия мономеров, димеров или /7-меров друг
с другом.
В зависимости от условий (1°, Р, катализатор) удается получать
ВМС различной молекулярной массы, которая достигает сотен тысяч
и миллионов дальтонов [1 Дальтон (углеродная единица) = 7^ мас-
сы атома 12С]. Условия протекания реакций позволяют также варьи-
ровать разветвленность макромолекулы. Все это дает возможность
получать синтетические материалы с разнообразными механически-
ми свойствами, различной устойчивостью к действию химических
агентов.
Синтетические и природные ВМС
Синтетические полимеры. Выше речь шла о синтетических по-
лимерах, появление которых буквально изменило жизнь человечест-
ва. Благодаря своим исключительным и, главное, регулируемым ме-
ханическим, физическим и химическим свойствам они находят все
более широкое применение в различных областях науки и техники
и в быту. С другой стороны, использование синтетических полиме-
ров порождает серьезные экологические проблемы глобального
масштаба. Дело в том, что природа оказалась беспомощной перед
огромным и все увеличивающимся количеством отходов синтетиче-
ских полимеров. Ее бессилие объясняется отсутствием микроорга-
низмов, способных эти отходы перерабатывать. Наука должна либо
вывести подобные микроорганизмы, либо разработать технологии
переработки и вторичной утилизации отходов синтетических поли-
меров. Существующие сегодня способы слишком дороги и энерго-
емки.
Природные ВМС. Любое проявление жизни неразрывно связано
с природными полимерами. Это прежде всего полисахариды, белки
и нуклеиновые кислоты.
Мономером полисахаридов (крахмал, гликоген, клетчатка) явля-
ется циклическая глюкоза.
Неисчерпаемое многообразие белков реализуется через поликон-
денсацию всего лишь двадцати типов аминокислот.
Цепи НК есть продукт поликонденсации четырех различных нук-
леотидов.
Важным природным полимером является также каучук, пред-
ставляющий собой высокомолекулярный непредельный углеводо-
род, отвечающий составу (С5Н8)П.
Изучая строение природных ВМС, наука стремится воспроизве-
сти процессы их синтеза и даже усовершенствовать. Синтетический
каучук, во многом превосходящий по свойствам каучук натураль-
ный, яркий тому пример.
Существенны достижения в области химического синтеза белка.
Так, некоторые важные в биологическом и медицинском отношении
белки «собраны в пробирке», среди них важнейший регулятор угле-
водного обмена - инсулин.
4.6. Алкены
Алкены - непредельные алифатические углеводороды, молекулы
которых содержат двойную связь. Они же - этиленовые углеводоро-
ды, олефины. Общая формула гомологического ряда алкенов -
спн2п.
Первые члены гомологического ряда алкенов: СН2=СН2 - эти-
лен; СН2=СН-СН3 - пропилен; СН2=СН-СН2-СН3 - бутилен-1;
СН3-СН=СН-СН3 - бутилен-2.
В отличие от предельных углеводородов алкены содержат двой-
ную связь С=С, которая осуществляется четырьмя общими электро-
нами.
Двойная (как и тройная) связь имеет характерную особенность:
она складывается из существенно отличающихся (о и я) связей.
В главе 1 отмечалось, что ковалентная связь есть результат пере-
крывания электронных облаков. Величина области перекрывания,
определяющая прочность образующейся связи, зависит от простран-
ственной ориентации облаков.
Когда область перекрывания симметрична относительно оси, со-
единяющей центры взаимодействующих атомов, образуется о-связь.
В образовании этой связи могут участвовать как §-, так и р-
электроны.
Менее прочная 71-связь обусловлена перекрыванием облаков,
симметричным относительно плоскости, проходящей через ось, со-
единяющую центры атомов.
Физические свойства
Физические свойства алкенов закономерно изменяются в гомоло-
гическом ряду: в обычных условиях от С2Н4 до С4Н8 - это газы, на-
чиная с С5Ню - жидкости, с С18Н36 - твердые вещества. Алкены
практически нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в орга-
нических растворителях.
Химические свойства
Наличие двойной связи ОС в молекулах алкенов делает их го-
раздо более активными и значительно расширяет круг химических
реакций, в которые алкены способны вступать. Для алкенов наибо-
лее характерны превращения, протекающие за счет раскрытия менее
прочной 71-связи. При этом 71-связь (в исходном алкене) преобразует-
ся в о-связь в продукте реакции. Исходное ненасыщенное соедине-
ние превращается в насыщенное без образования других продуктов,
т.е. происходит реакция присоединения.
Реакции присоединения к алкенам. Алкены способны присое-
динять по месту двойной связи различные вещества.
Гидрирование алкенов. При нагревании в присутствии метал-
лических катализаторов (Р1, Рс1, №) алкены присоединяют водород,
превращаясь в соответствующие алканы:
НН НН
...-ОС-... +Н2 ...-С-С-...
н н
Например, при гидрировании пропилена получается пропан:
СН2=СН-СН3 + Н2 СН3-СН2-СН3
Гидратация алкенов происходит в кислой среде (в присутствии
минеральных кислот). Например, гидратация этилена дает этиловый
спирт:
СН2=СН2 + Н2О СН2-СН2
Н ОН
Присоединение галогенов по месту двойной связи С=С проис-
ходит легко в обычных условиях (при комнатной температуре, без
катализатора). Например, быстрое обесцвечивание красно-бурой
окраски раствора брома в воде (бромной воды) служит качественной
реакцией на наличие двойной связи:
СН2=СН-СН3 + Вг2 СН2-СН-СН3
Вг Вг
Присоединение галогеноводородов. За счет разрыва двойной
связи молекула алкена присоединяет водород и атом галогена, давая
галогенопроизводное соответствующего алкана.
Так, этилен, реагируя с хлористым водородом, дает хлорэтан:
СН2=СН2 + НС1 СН3-СН2С1
Полимеризация алкенов. Полимеризация - реакция образова-
ния высокомолекулярного соединения путем последовательного
присоединения молекул мономера. Полимеры, получаемые из пер-
вых двух членов семейства этилена, имеют огромное значение
в жизни современного человечества (см. 4.5).
При повышенных давлении и температуре в присутствии катали-
затора молекулы этилена образуют полимерные молекулы полиэти-
лена:
пСН2=СН2 (-СН2 - СН2-)П или пСН2=СН2 (-СН2-)2п
Аналогично, за счет разрыва двойных связей пропилен превра-
щается в полипропилен:
пСН2=СН—> (-СН2-СН-)П
I I
СН3 СН3
Окисление алкенов. В зависимости от природы окислителя и ус-
ловий окисления алкенов получают широкий спектр продуктов.
Рассмотрим несколько примеров.
При мягком окислении этилена водным раствором КМПО4 обра-
зуется этиленгликоль:
НО-СН2-СН2-ОН
При жестком окислении бутена-2 кипящим раствором КМпО4
в кислой среде происходит полный разрыв двойной связи и образу-
ется уксусная кислота СН3СООН.
В органическом синтезе широко используется каталитическое
окисление алкенов с образованием циклических оксидов, являю-
щихся важным исходным продуктом в различных химических
производствах, например, окисление этилена при температуре 150—
300°С дает эпоксид:
2СН2=СН2 + О2 2СН^СН2
катализатор
Наконец, полное окисление (горение) дает, как и во всех других
случаях горения углеводородов, СО2 и Н2О, например:
С2Н4 + ЗО2 2СО2 + 2Н2О
Получение и применение алкенов
Из-за своей высокой химической активности алкены в природе
встречаются в значительно меньшей степени, чем предельные угле-
водороды. Чаще всего для их получения используют крекинг алка-
нов (см. 4.3), термическое дегидрирование предельных углеводоро-
дов, дегидратацию спиртов и некоторые другие реакции.
Алкены применяются в качестве исходных продуктов в произ-
водстве различных полимеров (пластмасс, каучуков, пленок) и дру-
гих органических веществ.
Этилен и пропилен используются для получения полиэтилена
и полипропилена соответственно. Этилен служит исходным продук-
том для получения тефлона, этилового спирта, уксусного альдегида,
галогенопроизводных и многих других органических соединений.
Изобутилен (2-метилпропен) Н2С=С(СН3)2 применяется в произ-
водстве синтетического каучука.
4.7. Алкины
Алкины (ацетиленовые углеводороды) - непредельные алифа-
тические углеводороды, молекулы которых содержат одну тройную
связь. Их общая формула СпН2п_2.
Первые три члена семейства ацетиленовых углеводородов:
НОСН - ацетилен; НОС-СН3 - пропин; НС=С-СН2-СН3 - бу-
тин-1; Н3С-С=С-СНз - бутин-2.
Тройная связь реализуется за счет трех пар общих электронов
С;;С. Эта связь является комбинацией из одной о- и двух я-связей,
образуемых двумя зр-гибридными электронными облаками атомов
углерода.
В силу высокой степени непредельности алкины по своим свой-
ствам гораздо ближе к алкенам, чем к насыщенным углеводородам.
Физические свойства
Температуры кипения и плавления ацетиленовых углеводородов
увеличиваются с ростом их молекулярной массы. При обычных ус-
ловиях первые три члена семейства - газы, далее (до С16) - жидко-
сти, наконец, начиная с С17Н32 - твердые вещества. Температуры
кипения и плавления алкинов выше, чем у алкенов с той же длиной
цепи.
Алкины плохо растворимы в воде, лучше - в органических рас-
творителях.
Химические свойства
Реакции присоединения к алкинам. Как уже отмечалось, для
алкинов характерны все реакции непредельных углеводородов,
включая различные варианты присоединения по месту тройной
связи.
Гидрирование. В присутствии металлических катализаторов
(Р1, №) алкины присоединяют водород с последовательным образо-
ванием алкенов и далее - алканов:
Н2 Н2
К1-С=С-К2 К1-СН=НС-К2 К1-СН2-Н2С-К2
Галогенирование. Аналогично протекает реакция галогениро-
вания:
Вг2 Вг2
К-С=С-К К-СВг=ВгС-К К-СВг2-Вг2С-К
Алкины, как и алкены, обесцвечивают бромную воду (качествен-
ная реакция на непредельные углеводороды).
Гидрогалогенирование. Реакция присоединения галогеноводо-
родов протекает так же, как и в случае алкенов:
НС1 НС1
СН3-С=СН СН3-СС1=СН2 СН3-СС12-СН3
Гидрохлорирование ацетилена используется для получения ви-
нилхлорида, исходного продукта в производстве полихлорвинила:
НС=СН + НС1 СН2=СНС1
Гидратация. Рассмотрим частный случай гидратации ацетилена.
Здесь присоединение воды происходит в присутствии катализатора.
Конечным продуктом реакции является уксусный альдегид:
О
II
НС=СН + Н2О -> СНз-СН
В случае других алкинов конечным продуктом гидратации будет
кетон:
К1-С-К2
II
о
Полимеризация. В зависимости от условий молекулы алкинов
могут давать димеры (продукты соединения двух молекул), напри-
мер, димеризация ацетилена дает используемый в органическом
синтезе винилацетилен:
НС=СН + НС=СН Н2С=СН-С=СН
Тримеризация ацетилена над активированным углем приводит к
образованию бензола:
ЗНС=СН С6Н6
Варьируя температуру и давление, можно получить цепи, содер-
жащие большее число звеньев ацетилена.
... -СН=СН-СН=СН-СН=СН- ...
Окисление алкинов. В мягких условиях (например, при дейст-
вии КМПО4) ацетилен и его гомологи окисляются с расщеплением
тройной связи и образованием карбоновых кислот:
3[О]
К1-С=С-К2 + Н2О К1-СООН + к2-соон
При сгорании (полном окислении) алкинов, в частности ацетиле-
на, выделяется большое количество тепла:
2НС=СН + 5О2 4СО2 + 2Н2О + р
Температура ацетиленокислородного пламени достигает 2800-
3000°С. На этом основано применение ацетилена для сварки и резки
металла.
Получение и применение алкинов
Ацетилен получают в промышленности двумя способами - тер-
мическим крекингом метана:
1500°С
2СН4----НС=СН + ЗН2
и гидролизом карбида кальция:
СаС2 + 2Н2О С2Н2 + Са(ОН)2
Ацетилен используется для получения уксусного альдегида, ук-
сусной кислоты, винилхлорида СН2=СНС1, исходного продукта для
получения полихлорвинила. Из ацетилена изготавливают винилаце-
тилен, который является важным промежуточным продуктом в про-
изводстве каучука.
4.8. Кислородсодержащие соединения.
Общие сведения о кислородсодержащих
соединениях
Существует огромное число органических соединений, в состав
которых наряду с углеродом и водородом входит кислород. Атом
кислорода содержится в различных функциональных группах, опре-
деляющих принадлежность соединения к определенному классу.
Часто встречаются молекулы, содержащие несколько одинаковых
функциональных групп. Приведем примеры, выбирая в качестве та-
ковых важные в биологическом отношении вещества.
Если молекула содержит несколько гидроксильных групп, это -
многоатомный спирт, например, этиленгликоль НОСН2-СН2ОН или
глицерин СН2ОН-СНОН-СН2ОН.
Среди органических кислот, играющих важную роль в обмене
веществ, встречаются двухосновные (содержащие две карбоксиль-
ные группы), например, янтарная кислота:
НООС-(СН2)2-СООН
Возможно сочетание нескольких функциональных групп различ-
ной природы в рамках одной молекулы.
Спирты
Спирты - это органические гидроксисоединения, молекулы
которых содержат одну или несколько гидроксильных групп
-ОН, связанных с углеводородным радикалом. В зависимости от
характера углеводородного радикала эти соединения подразделяют
на спирты и фенолы (табл. 4.2).
Таблица 4.2
Основные классы органических соединений,
содержащих кислород
Общая формула Название функциональной группы Название
К-ОН Г идроксильная а) спирт; б) фенол, если К включает в себя бензольное кольцо, с которым группа -ОН связа- на непосредственно
О II к-с-н Карбонильная Альдегид
о II К!-С-К2 Кетон
О II К-С-ОН Карбоксильная Карбоновая кислота
К ।—О— Простой эфир
О II К!-С-О-К2 Сложный эфир
Номенклатура спиртов
В соответствии с систематической номенклатурой, спирты назы-
вают по соответствующему углеводороду с добавлением суффикса
«-ол» и цифры, указывающей (если это необходимо) положение
гидроксигруппы. Например: СН3ОН - метанол; С2Н5ОН - этанол;
СН3-СН2-СН2ОН - пропанол-1. Нумерация ведется от ближайшего
к ОН-группе конца цепи. Цифра, отражающая местоположение ОН-
группы, ставится после суффикса «-ол».
Можно также производить название спирта от радикала с добав-
лением слова «спирт». В соответствии с этим способом, приведен-
ные выше соединения называют: метиловый спирт, этиловый спирт,
//-пропиловый спирт.
Классификация спиртов
Спирты классифицируют по различным структурным признакам:
• по количеству гидроксильных групп спирты подразделяются
на одноатомные (одна группа -ОН) и многоатомные (две и более
групп -ОН);
• в зависимости от того, с каким атомом углерода (первичным,
вторичным или третичным; см. 4.4) связана гидроксигруппа, разли-
чают спирты первичные, вторичные и третичные.
В качестве примера рассмотрим спирты, производные бутана:
СН3-СН2-СН2ОН - первичный бутиловый спирт (н-бутанол);
СН3-СН-СН2-СН3 - вторичный бутиловый спирт (бутанол-2);
I
он
СН3
СН3—С-ОН - третичный бутиловый спирт (2-метилпропанол-2)
I
СН3
Водородные связи и физические свойства спиртов
Следствием полярности связи О-Н является склонность спиртов
(как и воды, см. 1.3 и 2.1) к образованию водородных связей. Имен-
но поэтому даже низшие спирты имеют относительно высокую тем-
пературу кипения (1°Кип метанола = 64,5°С). При переходе от одно-
атомных к многоатомным спиртам или фенолам температуры
кипения и плавления резко возрастают.
Связь между молекулами спирта К-ОН можно представить сле-
дующей схемой:
К К К
/ / /
Н — О: ••• Н — О: ••• Н — О:
Причем благодаря гидроксильным группам водородные связи об-
разуются как между молекулами спирта, так и между молекулами
воды и молекулами спирта, что способствует увеличению раствори-
мости спиртов в воде.
н К н
/ / /
н —О: ••• н —О: ••• н —О:
Способность растворяться в воде уменьшается с увеличением
углеводородного радикала и при переходе от многоатомных спир-
тов к одноатомным. Метанол, этанол, пропанол, изопропанол,
этиленгликоль и глицерин смешиваются с водой в любых соотно-
шениях.
В обычных условиях первичные одноатомные //-спирты до
СцН2зОН - жидкости, далее - твердые вещества.
Все спирты в жидком состоянии легче воды.
Химические свойства спиртов
Полярный характер связей С-О и О-Н делает возможным их раз-
рыв. Отсюда - способность спиртов вступать в многочисленные ре-
акции с образованием различных классов соединений.
Замещение атома водорода на металл. Одноатомные спирты
реагируют с активными металлами, образуя алкоголяты:
К-ОН + На -> К-ОИа + */2 Н2,
С2Н5ОН + К С2Н5-ОК + ’/2 н2.
Алкоголяты под действием воды полностью гидролизуются с вы-
делением спирта и гидроксида металла:
С2Н5ОК + Н2О С2Н5ОН + КОН.
Образование сложных эфиров. Спирты вступают в реакции
с органическими (а) и минеральными (б) кислотами, образуя слож-
ные эфиры. Реакция обратима (обратный процесс - гидролиз слож-
ных эфиров):
о о
II II
а) К1-ОН + НО-С-К2 К1-О-С-К2 + Н2О
Спирт Карбоновая Сложный эфир
кислота
б) С2Н5ОН + НОИО2 С2Н5СЖО2 + н2о
Окисление спиртов. Легкость окисления спиртов уменьшается
в ряду: первичные —> вторичные —> третичные. Для их окисления
используют такие энергичные реагенты, как КМпО4; К2Сг2О7 +
Н28О4; О2 + катализатор.
Первичные спирты при окислении образуют альдегиды, которые
затем легко окисляются до карбоновых кислот:
О О
[О] II [О] II
СН3-СН2ОН -> СНз-С-Н -> СНз-С-ОН
Этиловый Уксусный Уксусная
спирт альдегид кислота
При окислении вторичных спиртов образуются кетоны:
ОН О
I [О] ||
К1-СН-К2 К1-С-К2 + Н2О
Вторичный спирт Кетон
Полное окисление (горение) дает углекислый газ и воду, на-
пример:
2СН3ОН + ЗО2 2СО2 + 4Н2О
Дегидратация спиртов. Отщепление воды от молекул спирта в
зависимости от условий происходит как внутримолекулярная (а), так
и межмолекулярная (б) реакция.
Внутримолекулярная дегидратация спиртов с образованием алке-
нов идет в присутствии концентрированной серной кислоты при на-
гревании, например:
Н28О4, К > 140°С
а) СН3-СН2-СН2ОН -------СН3-СН=СН2 + Н2О
Пропиловый спирт Пропен
Межмолекулярная дегидратация спиртов происходит при темпе-
ратуре ниже 140°С с образованием простых эфиров:
Н28О4, К < 140°С
б) С2Н5-ОН + НО-С2Н5 ------С2Н5-О-С2Н5 + Н2О
Этиловый Этиловый Диэтиловый эфир
спирт спирт
Получение спиртов
Старейший способ получения этилового спирта заключается
в превращении глюкозы в процессе брожения в этиловый спирт.
Чаще всего исходным сырьем для этого биохимического процесса
являются крахмалистые вещества. Под действием соответствующих
катализаторов (ферментов) крахмал расщепляется до глюкозы, кото-
рая превращается в этиловый спирт:
С6Н12О6 2С2Н5ОН + 2СО2
Глюкоза
Спирты получают также путем каталитической гидратации ал-
кенов:
СН2=СН2 + Н2О С2Н5ОН
В лаборатории для получения спиртов используют щелочной
гидролиз соответствующих галогенопроизводных, например:
СНз-Вг + ИаОН СНз-ОН + ИаВг
Метанол
С1СН2-СН2С1 + 2ИаОН НОСН2-СН2ОН + 2ИаС1
Этиленгликоль
Применение спиртов
Метиловый и этиловый спирты используются для производства
соответствующих альдегидов (формальдегида и ацетальдегида) и
кислот (муравьиной и уксусной). Этанол является также сырьем для
получения бутадиена, простых и сложных эфиров. Все чаще этило-
вый спирт применяется как горючее для двигателей и добавка к мо-
торным топливам.
Спирты используются в фармацевтической и парфюмерной про-
мышленности, производстве пластмасс и во многих других химиче-
ских процессах.
Альдегиды, кетоны
Альдегиды и кетоны являются карбонильными органическими
соединениями. К таковым относятся вещества, в молекулах которых
имеется группа >С=О (карбонил, или оксогруппа). Общая форму-
ла карбонильных соединений:
О
II
К-С-Х
В зависимости от типа заместителя X эти соединения подразде-
ляют на альдегиды (X = Н) и кетоны (X = К’).
Таким образом, альдегиды - органические соединения, в моле-
кулах которых атом углерода карбонильной группы связан с атомом
водорода. Их общая формула:
О
К-СН=О или II
К-С-Н
Функциональная группа -СН=О называется альдегидной. Про-
стейшие альдегиды:
Н-СН=О - формальдегид (муравьиный альдегид), метаналь;
СН3-СН=О - ацетальдегид (уксусный альдегид), этаналь.
Кетоны - органические вещества, молекулы которых содержат
карбонильную группу, соединенную с двумя углеводородными ра-
дикалами. Их общая формула:
К1-СО-К2, или В|— С—К-2
II
о
Простейший кетон: СН3-С-СН3 - диметилкетон (ацетон).
II
о
Систематические названия альдегидов строят по названию соот-
ветствующего углеводорода и с добавлением суффикса «-аль». Ну-
мерацию цепи начинают с карбонильного атома углерода (см. при-
меры).
Тривиальные (эмпирические) названия производят от тривиаль-
ных названий тех кислот, в которые альдегиды превращаются при
окислении. Например, СН3-СН2-СООН - пропионовая кислота, со-
ответствующий альдегид СН3-СН2-СН=О - пропионовый альдегид,
или пропаналь.
Систематические названия кетонов несложного строения произ-
водят от названий радикалов (в порядке увеличения) с добавлением
слова кетон, например: СНзСН2СН2-СО-СНз - метилпропилкетон.
В более общем случае название кетона строится по названию со-
ответствующего углеводорода и суффикса «-он»; нумерацию цепи
начинают от конца цепи, ближайшего к карбонильной группе. При-
меры:
СН3-СО-СН3 - пропанон (ацетон);
СН3СН2-СО-СН3 - бутанон-2;
СН3СН2СН2-СО-СН3 - пентанон-2.
Химические свойства альдегидов и кетонов
Реакции присоединения по карбонильной группе. Альдегиды
в кислой среде взаимодействуют со спиртами, образуя
а) полуацетали:
ОН<н- Полуацетальный
Н | гидроксил
К1-С=О + К2-ОН -> К1-С-О-К2
Н Н
Альдегид Спирт Полуацеталь
Полуацетали - соединения, в которых атом углерода связан с
гидроксильной и -ОК группами. Образование циклической формы
углеводов происходит именно по такой схеме. Взаимодействие по-
луацеталя с еще одной молекулой спирта приводит к замещению
полуацетального гидроксила на группу -ОК3 и образованию ацеталя.
б) ацетали:
О-К2 О—К2
К1-С-ОН + К3-ОН -> К1-С-О-К3 + н-он
н н
Полуацеталь Спирт Ацеталь
Ацетали - соединения, в которых атом углерода связан с двумя
-ОК группами.
Активность в реакциях присоединения по карбонильной группе
уменьшается от альдегидов к кетонам: Н-СНО (формальдегид) >
К-СНО (альдегид) > К1-СО-К2 (кетон).
Восстановление альдегидов и кетонов. Альдегиды при взаимо-
действии с водородом в присутствии катализатора образуют первич-
ные (а). кетоны - вторичные спирты (б):
а) К—С=О + Н2 —> КСН2ОН Первичный спирт
Н
б) К1—С—О + Н2 —> К1-СН-ОН <— Вторичный спирт
К2 К2
Окисление альдегидов и кетонов. Альдегиды легко окисляются
в соответствующие карбоновые кислоты под действием таких мяг-
ких окислителей, как оксид серебра (а) и гидроксид двухвалентной
меди (б):
а) реакция «серебряного зеркала» - окисление аммиачным рас-
твором оксида серебра:
К-СН=О + 2[А§(ИН3)2]ОН -> КСООН + 2А§; + 4ТМН3 + Н2О;
б) окисление гидроксидом меди (II) с образованием красно-
кирпичного осадка Си2О:
К-СН=О + 2Си(ОН)2 -> КСООН + Си2О; + 2Н2О.
Данные реакции применяются для обнаружения альдегидной
группы.
Кетоны не вступают в реакцию «серебряного зеркала». Они
окисляются с трудом лишь при действии более сильных окислителей
и повышенной температуре. При этом происходит разрыв С-С свя-
зей (соседних с карбонилом) и образование смеси карбоновых ки-
слот меньшей молекулярной массы:
[30]
К1-С=О К1-СООН + К2’-СООН
К2
Например:
[30]
сн3-с=о сн3-соон + нсоон
сн3
Ацетон Уксусная Муравьиная
кислота кислота
Получение альдегидов и кетонов
• Первичные спирты при окислении образуют альдегиды, окис-
ление вторичных спиртов дает кетоны.
• Гидратация алкинов: в присутствии солей ртути ацетилен при-
соединяет воду и дает ацетальдегид:
Н§804
Н-С=С-Н + Н2О ------> СН3-СНО
Кетоны получают при гидратации других алкинов, например:
Н§804
СН3-С=С-Н + Н2О -----> СН3-СО-СН3
Пропин Ацетон
Альдегиды получают также путем каталитического окисления
алкенов, например:
СН2=СН2 +/2 О2 -> СНз-СНО
При подобном окислении других гомологов этилена образуются
кетоны. Этот способ более перспективен, чем гидратация алкинов
(см. выше), так как отпадает необходимость использования токсич-
ных ртутных катализаторов.
Применение альдегидов и кетонов
Наиболее используемые карбонильные соединения - это ацетон,
муравьиный и уксусный альдегиды (диметилкетон, метаналь и эта-
наль соответственно).
Метаналь применяется для получения фенолформальдегидных и
карбамидных смол, для синтеза лекарственных и дезинфицирующих
средств, в качестве консерванта биологических препаратов.
Этаналь используется при производстве уксусной кислоты как
сырье для синтеза различных органических веществ.
Ацетон - это широко применяемый растворитель лаков, красок,
сырье для синтеза различных органических веществ.
Карбоновые кислоты
Карбоновые кислоты - органические соединения, содержа-
щие одну или несколько карбоксильных групп -СООН, связан-
ных с углеводородным радикалом.
Кислотная группа органической кислоты (карбоксильная группа)
содержит две функциональные группы - карбонил >С=О и гидро-
ксил -ОН, непосредственно связанные друг с другом:
О
II
КСООН или К-С-ОН
Кислотные свойства карбоновых кислот обусловлены смещением
электронной плотности к карбонильному кислороду и вызванной
этим дополнительной (по сравнению со спиртами) поляризацией
связи между кислородом и водородом гидроксильной группы. Эта
связь ослабевает, водород становится более подвижным. Отсюда -
возможность его отщепления в водном растворе:
КСООН КСОО“ + Н+
Но, как было отмечено ранее (см. 2.2), диссоциация с высвобож-
дением ионов Н+ и является определяющим признаком кислоты.
Классификация и номенклатура карбоновых кислот
Карбоновые кислоты классифицируют по двум структурным
признакам. Во-первых, по числу карбоксильных групп:
одноосновные (монокарбоновые) - одна -СООН-группа (а);
двухосновные (дикарбоновые) - две карбоксильные группы (б);
трехосновные (трикарбоновые) - три карбоксильные группы (в).
Примеры: а) С3Н7СООН б) ноос-сн2-соон в) СООН
Масляная кислота Малоновая кислота сн2
но-с-соон
Лимонная кислота —> сн2
СООН
Во-вторых, по характеру углеводородного радикала различают:
предельные КСООН, где состав К соответствует СпН2п+1, на-
пример, пропионовая (пропановая) кислота СН3СН2СООН;
непредельные, например, бутановая кислота
СН2=СНСН2СООН.
Таблица 4.3
Важнейшие одноосновные насыщенные карбоновые кислоты
Формула Название
систематическое тривиальное
О II к-с-он (с добавлением слова «кислота»)
1 2 3
нсоон Метановая Муравьиная
СНзСООН Этановая Уксусная
СН3СН2СООН Пропановая Пропионовая
Окончание табл. 4.3
1 2 3
СН3СН2СН2СООН Бутановая Масляная
С4Н9СООН Пентановая Валерьяновая
С5НПСООН Гексановая Капроновая
С7НПСООН Октановая Каприловая
С^цСООН Декановая Каприновая
С15Н31СООН Гексадекановая Пальмитиновая
С17Н35СООН Октадекановая Стеариновая
Систематические названия кислот даются по названию соответ-
ствующего углеводорода с добавлением суффикса «-овая» и слова
кислота. Параллельно используются тривиальные названия.
Физические свойства карбоновых кислот
Первые три члена гомологического ряда предельных однооснов-
ных кислот представляют собой в обычных условиях жидкости, сме-
шивающиеся с водой в любых пропорциях. Далее, начиная с масля-
ной кислоты, растворимость в воде уменьшается. Высшие кислоты -
твердые вещества, нерастворимые в воде.
Как и в случае воды, между молекулами карбоновых кислот об-
разуются водородные связи, что обусловливает их высокие темпера-
туры кипения, например, при образовании димеров.
Химические свойства карбоновых кислот
По сравнению с большей частью неорганических кислот пре-
дельные карбоновые кислоты являются слабыми. Тем не менее они
вступают во все характерные для кислот реакции.
Взаимодействие с металлами, например:
2СН3СООН + М§ -> М§(СН3СОО)2 + Н2$.
Уксусная кислота Ацетат магния
Карбоновые кислоты нейтрализуются щелочами, например:
С2Н5СООН + ШОН -> С2Н5СООКа + Н2О.
Пропионовая кислота Пропионат натрия
Реагируя со спиртами, карбоновые кислоты дают сложные
эфиры:
О О
II II
В-1-С-ОН + НО-К2 К4-С-О-К2 + Н2о
Карбоновая Спирт Сложный эфир
кислота
В присутствии катализатора две молекулы кислоты соединяются,
выделяя молекулу воды. В результате образуется ангидрид, который
легко гидролизуется (обратная реакция).
О О ОО
II II II II
К-С-ОН + НО-С-К «-► К-С-О-С-К + Н2О
Получение и применение карбоновых кислот
Многие карбоновые кислоты в свободном виде являются
компонентами различных природных продуктов, поэтому часто
проблема получения сводится к их выделению и очистке.
Окисление спиртов, альдегидов и кетонов дает соответствую-
щие карбоновые кислоты.
Гидролиз сложных эфиров также является источником кар-
боновых кислот. В частности, таким путем получают высшие
одноосновные кислоты.
Большой практический интерес представляет получение кар-
боновых кислот путем окисления непредельных углеводородов.
Предельные углеводороды также могут быть сырьем для промыш-
ленного получения смеси карбоновых кислот.
Уксусная кислота СН3СООН применяется в пищевой и хими-
ческой промышленности, в производстве лекарственных веществ, как
сырье для получения уксусного ангидрида. Последний, в свою оче-
редь, используется в производстве пластмасс, ацетатного шелка и т.д.
Из смеси высших жирных кислот (пальмитиновой и стеариновой)
изготавливают свечи.
Многие жирные кислоты используются в виде солей щелочных
металлов (мыло), а также как составная часть глицериновых эфиров
(жиры).
4.9. Амины
Амины - органические производные аммиака 1ЧН3, в молеку-
ле которого один, два или все три атома водорода замещены на
углеводородные радикалы.
Амины классифицируют по количеству радикалов, связанных
с атомом азота, при этом различают первичные ККН2, вторичные
К2ИН и третичные амины К3И.
Простейший представитель первичных аминов - метиламин
СН3ИН2; вторичных - диметиламин (СН3)2ИН; третичных - триме-
тиламин (СН3)3И.
Номенклатура аминов
Названия большинства аминов образуются из названий углеводо-
родного радикала (радикалов, если это - вторичный или третичный
амин) в порядке увеличения и суффикса «-амин», например:
СН3-СН2-СН2-НН2
СН3-СН2-НН-СН3
С2Н5-Н-С3Н7
СН3
Пропиламин
Метилэтиламин
Метилэтилпропиламин
Первичные амины часто называют как производные углеводоро-
дов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода за-
мещены на аминогруппы ИН2. Аминогруппа при этом рассматрива-
ется как заместитель, а ее местоположение указывается цифрой
в начале названия, например:
Н2?4—СН2—СН2—СН2—СН2—ЫН2 1,4-диаминобутан
Физические свойства аминов
Связь М-Н является полярной, поэтому первичные и вторичные
амины образуют межмолекулярные водородные связи (несколько
более слабые, чем водородные связи с участием группы О-Н).
5+ 5+ 5- К
Г4-Н — Н :14-н
к/
Ассоциация аминов
Это объясняет относительно высокую температуру кипения ами-
нов по сравнению с неполярными соединениями со сходной молеку-
лярной массой, например, температура кипения пропиламина
СН3-СН2-СН2-№42 равна 49°С, а температура «исходного» пропана
-0,5°С.
При обычной температуре только низшие амины СН3НН2,
(СН3)2?<Н, (СН3)3И - газы (с запахом аммиака), средние амины -
жидкости с резким неприятным запахом рыбы, высшие - твердые
вещества.
Амины способны также к образованию водородных связей с во-
дой. Отсюда - их хорошая растворимость в воде. С увеличением
числа и размеров углеводородных радикалов растворимость аминов
в воде уменьшается, так как увеличиваются пространственные пре-
пятствия образованию водородных связей.
Химические свойства аминов
Амины, являясь производными аммиака, имеют сходное с ним
строение и проявляют подобные ему свойства.
Водные растворы аминов как основания
В аммиаке, как и в аминах, атом азота имеет неподеленную пару
электронов, поэтому амины проявляют свойства оснований. Так,
водные растворы аминов дают щелочную реакцию. При их взаимо-
действии с водой образуются продукты, аналогичные гидроксиду
аммония НН4ОН:
Н
Н-Ы: + НОН
Н
г н V
Н-Ы-Н + ОН”
< н >
Гидроксид аммония
Н
СНз-М: + НОН
Н
" Н
СНз-Ы-Н
Н ,
+ ОН
Гидроксид метиламмония
Связь протона с амином, как и с аммиаком, образуется по донор-
но-акцепторному механизму за счет неподеленной электронной па-
ры атома азота.
Взаимодействие аминов с кислотами
Амины нейтрализуют кислоты, давая соли:
Н
СНз-И: + НС1
Н
г Н >+
СНз-И-Н +СГ
< Н ,
Хлорид метиламмония
Окисление аминов
Амины легко окисляются на воздухе, горят в открытом пламени,
например:
4СН3ИН2 + 9О2 -> 4СО2 + 10Н2О + 2ТМ2
Получение и применение аминов
Первичные амины получают каталитическим восстановлением
нитросоединений:
[Н]
К->Ю2 -> К-ИН2
Амины образуются при взаимодействии галоген-алканов с ам-
миаком:
К-С1 + 2ТМН3 -> К-НН2 + НН4С1
Амины применяют в синтезе лекарственных препаратов, для по-
лучения инсектицидов, некоторых полимеров. Ароматические ами-
ны используются в производстве красителей, взрывчатых веществ
и лекарственных средств (сульфаниламидные препараты).
4.10. Гетерофункциональные соединения
Гетерофункциональные соединения - это соединения, моле-
кулы которых содержат несколько различных функциональных
групп.
Безусловно, каждая функциональная группа, будь то гидроксиль-
ная, карбонильная, карбоксильная или аминогруппа, сохраняет ха-
рактерные для данного класса соединений свойства. При этом во
многих случаях, в полном соответствии с теорией А.М. Бутлерова,
яркость проявления характерных свойств меняется под влиянием
входящих в эту же молекулу атомов и групп атомов.
С такими соединениями мы будем часто встречаться при изуче-
нии биохимии. Например, все моносахариды - это либо альдегидо-
либо кетоноспирты.
Важную роль в обмене веществ играет молочная кислота:
СН3-СНОН-СООН.
Как следует из формулы, это - оксикислота.
Последняя в организме окисляется в пировиноградную кислоту:
СН3-СО-СООН,
которая является кетокислотой.
В небольшой молекуле серина, компонента многих белков, при-
сутствуют три группы - карбоксильная, спиртовая и аминогруппы:
СН2-СН-СООН
ОН ИН2
Если геометрия молекулы позволяет, в ней могут происходить
внутримолекулярные реакции. Так, циклическая форма глюкозы об-
разуется в результате полуацетальной реакции между альдегидной
и спиртовой группами внутри одной молекулы:
,0
н
Н — с-он
I
он—с-н
I
н- с-он
I
н-с-он
I
СН2ОН
Альдегидная (линейная)
форма глюкозы
ОН
I
?—I
Н-С-ОН I
I О
ОН—с—н
I
Н-С-ОН
I
н —с-------
I
СН2ОН
Циклическая
форма глюкозы
4.11. Ароматические соединения.
Бензол и его производные
Ароматические соединения - это органические вещества, моле-
кулы которых содержат бензольное кольцо С6Н6, обозначаемое сле-
дующим образом:
I
III
Часто вещества, содержащие бензольное кольцо, имеют харак-
терный запах, поэтому они и названы ароматическими.
Все связи С-С в бензоле равноценны. Их длина соответствует
промежуточному значению между длиной простой и двойной связи.
Это означает, что в молекуле бензола между углеродными атомами
нет чисто простых и чисто двойных связей, как полагал немецкий
химик Кекуле, предложивший формулы I и II. Связи между атомами
углерода в молекуле «выровнены». Поэтому структурную формулу
бензола изображают в виде шестиугольника (о-скелет) и кольца
внутри него, обозначающего делокализованные я-связи (форму-
ла III). Варианты написания II и III используются одинаково широко.
Замещение одного или нескольких атомов водорода в бензольном
кольце на углеводородный радикал дает огромное количество
производных бензола или его гомологов. В общем виде продукт
замещения одного атома водорода С6Н5-К - алкилбензол.
В простейшем случае получаем С6Н5-СНз метилбензол или
фенилметан (радикал С6Н5 называется фенил). Его тривиальное
название толуол. Если заместителей несколько, название должно
отражать их (заместителей) взаимное расположение.
Рассмотрим, например, диметилбензол, тривиальное название -
ксилол. Для указания взаимного положения заместителей атомы
углерода в бензольном кольце нумеруются. Например, если замести-
тели являются ближайшими соседями, имеем 1,2-диметилбензол.
Физические свойства бензола
В обычных условиях бензол и его ближайшие гомологи -
бесцветные жидкости, нерастворимые в воде, но хорошо раство-
ряющиеся во многих органических растворителях. Легче воды.
Температура кипения бензола 80°С. Температура кипения его
алкилпроизводных тем выше, чем тяжелее замещающий радикал.
Бензол огнеопасен и токсичен.
Химические свойства бензола
Реакции замещения в бензольном кольце. Бензольное кольцо
характеризуется высокой устойчивостью, поэтому реакции присое-
динения и окисления, затрагивающие собственно кольцо, идут с тру-
дом. Для ароматических углеводородов характерны реакции заме-
щения атомов водорода в бензольном кольце.
Галогенирование. Замещение водорода в бензольном кольце
на галоген происходит в присутствии катализатора:
С6Н6 + С12 С6Н5С1 + НС1
Хлорбензол
Нитрование. Бензол реагирует с концентрированной азотной
кислотой:
а^\^МО2
+ НЫОз -----> [ |Г+ н2о
Нитробензол
Каталитическое получение гомологов бензола путем замеще-
ния водорода на радикал, например:
С6Н6 + С2Н5-С1 С6Н5-С2Н5 + НС1
Этилбензол
В этилбензоле и других молекулах типа С6Н5-К нитрование и га-
логенирование происходят легче, чем в бензоле. Это различие явля-
ется еще одной иллюстрацией теории Бутлерова.
Реакции присоединения к бензолу. Как уже отмечалось, реак-
ции присоединения, приводящие к разрушению бензольного кольца,
реализуются с трудом, тем не менее, в соответствующих условиях
они вполне возможны. Например, гидрирование бензола. Присое-
динение водорода происходит при повышенных температуре и дав-
лении в присутствии металлических катализаторов. В результате
бензол превращается в циклогексан:
сн2
сн2 ^сн2
сн2 ^сн2
^сн2
Бензол
Циклогексан
Окисление (горение) бензола и его гомологов. Бензол и его го-
мологи на воздухе горят коптящим пламенем, что обусловлено вы-
соким содержанием углерода в их молекулах:
С6Н6 + 15/2О2 6СО2 + ЗН2О
Производные бензола окисляются гораздо легче, чем сам бен-
зол. При этом процесс затрагивает только боковые цепи. Например,
при нагревании в кислой среде толуол окисляется в бензойную ки-
слоту:
С6Н5СН3 + 3 [О] С6Н5СООН + Н2О
Толуол Бензойная
кислота
Получение и применение бензола и его гомологов
Основными источниками ароматических углеводородов являются
каменный уголь и нефть.
Бензол и его гомологи могут быть получены путем дегидрирова-
ния циклоалканов (например, реакция, обратная гидрированию бен-
зола; см. выше).
Бензол можно также получить тримеризацией ацетилена:
3 НС=СН
Бензол и толуол используются как исходные продукты для полу-
чения различных ароматических соединений - нитробензола, хлор-
бензола, анилина, фенола, стирола и т.д. Последние, в свою оче-
редь, применяются в производстве лекарств, пластмасс, красителей
и многих других органических веществ. Толуол используется также
в производстве тола и тротила.
Винилбензол (стирол) С6Н5СН=СН2 используется для получения
полимера полистирола.
Фенолы и ароматические спирты
Фенолы - производные ароматических углеводородов, в молеку-
лах которых ОН-группы связаны непосредственно с бензольным
ядром. Ниже приводятся примеры (формулы 1-Ш) одноатомных фе-
нолов.
Фенол
(оксибензол)
орт о-Крезол
(1-гидрокси-
2-метилбензол)
тшря-Крезол Гидрохинон
(1-гидрокси- {пара- диоксибензол)
4-метилбензол)
III IV
I
Если ОН-групп несколько, фенол будет многоатомным. Среди
последних чаще всего встречаются двухатомные, например, гидро-
хинон (формула IV), молекула, играющая важную роль в окисли-
тельно-восстановительных процессах в живой клетке.
Ароматическими спиртами называют производные ароматиче-
ских углеводородов, имеющих гидроксильные группы в боковых
цепях, например, бензиловый (V) и фенилэтиловый (VI) спирты.
Физические свойства фенолов и ароматических спиртов
В обычных условиях фенолы представляют собой кристалличе-
ские вещества с характерным запахом. Фенолы плохо растворимы
в воде, но хорошо растворяются в бензоле, эфире и спирте.
Ароматические спирты в обычных условиях представляют собой
жидкости или кристаллические вещества.
Химические свойства фенолов
Фенолы реагируют с гидроксидами щелочных металлов. Яв-
ляясь более сильными кислотами, чем обычные спирты, фенолы
вступают в реакцию со щелочами в полной аналогии с реакцией
нейтрализации. В результате образуются соли - феноляты:
С6Н5ОН + НаОН С6Н5ОНа + Н2О
Фенолят натрия
Нитрование фенолов. Фенол легко реагирует с азотной кисло-
той. При использовании концентрированной азотной кислоты обра-
зуется 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота):
Галогенирование фенолов. Фенол при комнатной температуре
взаимодействует с бромной водой с образованием белого осадка
2,4,6-трибромфенола:
+ ЗВг2
Конденсация с альдегидами. Фенол вступает в реакцию с фор-
мальдегидом. Образовавшийся продукт (фенолоароматический
спирт) подвергается поликонденсации (см. 4.5). Данная реакция име-
ет большое практическое значение и является основой процесса по-
лучения фенолформальдегидных смол.
Химические свойства ароматических спиртов
Ароматические спирты отличаются от фенолов тем, что не имеют
столь резко выраженных кислотных свойств. Они близки к обычным
спиртам. Ароматические спирты дают алкоголяты, взаимодействуя
со щелочными металлами. Окисляясь, ароматические спирты пре-
вращаются в соответствующие альдегиды или кетоны. Легко обра-
зуют простые и сложные эфиры.
Получение фенолов
и ароматических спиртов
Фенол можно получить окислением изопропилбензола в присут-
ствии серной кислоты. Процесс выгоден тем, что второе образую-
щееся вещество также представляет практическую ценность:
СН3 СН3
С6Н5СН С6Н5ОН + С=О
| Фенол |
СН3 СН3
Изопропилбензол Ацетон
Фенол получают также, действуя щелочью на галогенопроизвод-
ные ароматических углеводородов. Процесс проходит под давлени-
ем и при температуре выше 300°С:
С6Н5С1 + ШОН С6Н5ОН + ИаС1
Ароматические спирты получают, используя обычные методы
получения спиртов жирного ряда, например, окислением соответст-
вующих ароматических углеводородов. Окислением толуола
С6Н5СНз получают фенилметиловый (бензиловый) спирт
С6Н5СН2ОН, окислением этилбензола С6Н5С2Н5 - фенилэтиловый
спирт С6Н5С2Н4ОН.
Применение фенолов
и ароматических спиртов
Фенол применяется главным образом для производства фенол-
формальдегидных смол и пластмасс. Он используется также в про-
цессах синтеза красителей, для приготовления лекарственных пре-
паратов.
Ароматические спирты применяются в парфюмерии.
4.12. Гетероциклические соединения
Гетероциклические соединения - это органические вещества,
содержащие в своих молекулах циклы, в образовании которых,
кроме атомов углерода, участвуют атомы других элементов
(гетероатомы).
С учетом основной задачи данного пособия (подготовить читате-
ля к восприятию курса биохимии) ограничимся лишь представле-
нием некоторых гетероциклических соединений, встречающихся
в биохимии.
Таблица 4.4
Пятичленные циклы с одним гетероатомом
(5 ы н Пиррол Пиррольные структуры содержатся в гемоглобине, хлорофилле, витамине В12 и некоторых других природных соединениях. Пиррол применяют для синтеза различных органических веществ
о Фуран Продукты нитрования фурана служат основой для синтеза различных бактерицидных соединений
о Тиофен Тиофен используется для синтеза красителей
Пятичленный цикл с двумя гетероатомами
/ И о Тиазол Тиазол входит в состав некоторых лекарственных веществ, антибиотиков и алкалоидов
Шестичленный цикл с одним гетероатомом
О лг Пиридин Основным источником пиридина является каменно- угольная смола. Его производные используются в органическом синтезе, а также для производства антибактериальных препаратов
Шестичленный цикл с двумя гетероатомами
|| Пиримидин Производные пиримидина - цитозин, урацил и тимин - входят в состав нуклеиновых кислот
Гетероциклическое соединение с двумя циклами
Со Пурин Производные пурина - аденин и гуанин - входят в состав нуклеиновых кислот
Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятию изомерия. Перечислите виды изоме-
рии.
2. Назовите основные классы органических соединений.
3. Назовите по женевской номенклатуре соединения:
а) СН3-СН2-СН-СН2-СН2ОН
I
СН2-СН3
б) СН3-СН-СООН
I
ин2
4. Перечислите химические свойства предельных углеводородов.
5. Напишите структурную формулу 2,4-диметилгексановой кисло-
ты.
6. Какие соединения образуются при окислении первичных и вто-
ричных спиртов?
7. С помощью какой реакции можно определить наличие альдегида?
8. Какие органические соединения могут вступать в реакцию поли-
меризации?
Глоссарий
Авогадро число - см. МОЛЬ.
Авогадро закон - см. ЗАКОН АВОГАДРО.
Аллотропия - явление существования химического элемента в виде
двух или нескольких простых веществ, различных по строению и свойст-
вам. Эти простые вещества, различные по строению и свойствам, называ-
ются аллотропными формами или модификациями. Например, графит
и алмаз - две аллотропные формы (модификации) углерода, молекулярный
кислород и озон - две аллотропные модификации кислорода. При опре-
деленных условиях аллотропные модификации могут переходить друг
в друга.
Аморфное вещество - не кристаллическое вещество, т.е. вещество, не
имеющее кристаллической решетки.
Амфотерность - способность некоторых химических соединений про-
являть кислотные или основные свойства в зависимости от условий.
Анионы - отрицательно заряженные ионы.
Атом - мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его
химические свойства. Атом построен из субатомных частиц - протонов,
нейтронов, электронов.
Атомная единица массы (а.е.м.) - х/п массы атома 12С. См. ОТНО-
СИТЕЛЬНАЯ А ТОМНАЯ МА ССА.
Атомный вес - традиционное название относительной атомной массы
в химической литературе. См. ОТНОСИТЕЛЬНАЯ АТОМНАЯ МАССА.
Атомный номер - порядковый номер элемента в Периодической систе-
ме Д.И. Менделеева. Атомный номер численно равен положительному за-
ряду ядра этого элемента, т.е. числу протонов в ядре данного элемента.
Валентность - число электронных пар, с помощью которых атом дан-
ного элемента связан с другими атомами.
Вещество - то, из чего состоят окружающие нас предметы. В химии
чаще используется понятие конкретного вещества - хлорид натрия, сульфат
кальция, сахар, бензин и т.д.
Водородная связь - один из видов химической связи. Обусловлена
в основном электростатическими силами. Для возникновения водородной
связи нужно, чтобы в молекуле был один или несколько атомов водорода,
связанных с небольшими, но электроотрицательными атомами, например:
О, 14, Г. Водородные связи характерны для таких веществ, как вода - Н2О,
аммиак - ПН3, фтороводород - НГ. Водородные связи возникают также
внутри таких макромолекул, как белки и нуклеиновые кислоты. Водородная
связь приблизительно в 20 раз менее прочная, чем ковалентная.
Восстановление (вещества) - химическая реакция, при которой элек-
троны передаются данному веществу.
Восстановитель - вещество, способное отдавать электроны другому
веществу (окислителю).
Гибридизация - теоретическое представление, с помощью которого
удается связать между собой физическую картину строения атома и опреде-
ляемую опытным путем геометрию молекул. Например, атом углерода
имеет §- и р-орбитали, но в молекуле СН4 не удалось опытным путем обна-
ружить отдельных связей, образованных 8-электронами, и отдельных свя-
зей - образованных р-электронами (все связи в СН4 одинаковы). Поэтому
принято, что одна 8- и три р-орбитали «смешиваются» (гибридизуются),
образуя 4 новые, совершенно одинаковые орбитали (четыре 8р3-гибридные
орбитали).
Гидратация - связывание молекул (атомов, ионов вещества) с водой,
не сопровождающееся разрушением молекул воды.
Гидраты - соединения вещества с водой, имеющие постоянный или
переменный состав и образующиеся в результате гидратации.
Гидроксигруппа - группа ОН.
Главное квантовое число (п) - показывает, на каком электронном
уровне, начиная от ближайшего к ядру (1, 2, 3, ... ), находится данный элек-
трон. См. КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА.
Грамм-моль - количество вещества в граммах, численно равное его мо-
лекулярному весу в а.е.м. См. МОЛЯРНАЯ МАССА.
Горение - процесс окисления вещества, сопровождающийся выделени-
ем большого количества теплоты и, как правило, света.
Дефект массы - уменьшение массы атома по сравнению с суммарной
массой всех отдельно взятых составляющих его элементарных частиц, обу-
словленное энергией их связи в ядре атома.
Дистилляция - то же, что ПЕРЕГОНКА.
Диффузия - перенос частиц вещества, приводящий к выравниванию его
концентрации в первоначально неоднородной системе. Происходит в ре-
зультате теплового движения молекул.
Донорные (электронодонорные) свойства - способность атомов эле-
мента отдавать свои электроны другим атомам. Количественной мерой
донорных свойств атомов, образующих химическую связь, является их по-
тенциал ионизации.
Закон Авогадро - равные объемы любых газов (при одинаковых темпе-
ратуре и давлении) содержат равное число молекул. 1 МОЛЬ любого газа
при нормальных условиях занимает объем 22,4 л.
Закон сохранения массы - масса веществ, вступающих в химическую
реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.
Заряд ядра - заряд атомного ядра, равный числу протонов в ядре дан-
ного элемента. Порядковый номер химического элемента в Периодической
системе Д.И. Менделеева равняется заряду ядра атома.
Изотопы - атомные разновидности одного и того же элемента с одина-
ковым зарядом ядра (т.е. с одинаковым числом протонов), но с разными
относительными атомными массами (т.е. с разным числом нейтронов в яд-
ре). Очень многие элементы в природе находятся в виде смеси из несколь-
ких изотопов.
Ингибиторы - вещества, угнетающие катализаторы, следовательно, за-
медляющие химические реакции.
Индикаторы (кислотно-основные) - вещества различного строения,
меняющие окраску в зависимости от кислотности среды.
Ионная связь - предельный случай полярной ковалентной связи.
Электрон (электроны) переходит от одного участника химической связи
к другому.
Ионы - отрицательно или положительно заряженные частицы, обра-
зующиеся при присоединении или отдаче электронов атомами элементов
(или группами атомов). См. КАТИОНЫ к АНИОНЫ.
Катализаторы - вещества, способные ускорять химические реакции.
Катионы - положительно заряженные ионы.
Квант - определенное количество («порция») энергии, которое способ-
на отдать или поглотить физическая система (например, атом) в одном акте
изменения состояния. Квант света - порция световой энергии - называется
фотоном.
Квантовые числа - набор из четырех квантовых чисел исчерпывающе
описывает состояние электрона в электронном облаке атома.
Кислота - вещество, распадающееся в растворе с образованием ионов
водорода Н+ и кислотного остатка.
Клапейрона-Менделеева уравнение - уравнение состояния идеально-
го газа: РУ = пЕТ, где п - число молей газа; Р - давление газа (атм.);
V - объем газа (в л); Т - температура газа (в К); Р - универсальная газовая
постоянная (8,31 Дж/моль • К).
Ковалентная связь - химическая связь между атомами, основой кото-
рой является (являются) «общие» (поделенные между ними) электронные
пары. Неполярная ковалентная связь образуется между атомами одного
вида. Полярная ковалентная связь существует между двумя атомами в том
случае, если их электроотрицательности не одинаковы.
Концентрация - относительное количество какого-либо вещества
в растворе. Например, процентная концентрация - то же, что и массовая
доля - отношение массы растворенного вещества к массе раствора, выра-
женное в процентах; молярная концентрация - отношение числа молей
растворенного вещества к объему раствора (моль/л).
Координационное число - каждая частица в кристалле окружена
определенным числом ближайших соседей. Это различное для разных кри-
сталлов число называют координационным.
Кристалл - вещество, в котором атомы, ионы или молекулы располо-
жены в пространстве регулярно, повторяя «мотив». См. КРИСТАЛЛИ-
ЧЕСКАЯ РЕШЕТКА.
Кристаллизация - способ очистки (и разделения) веществ путем осаж-
дения одного из них из насыщенного раствора. Обычно раствор, насыщен-
ный при одной температуре, становится пересыщенным при охлаждении,
и чистые кристаллы выпадают в осадок. Примеси, относительно которых
раствор остается ненасыщенным, остаются в растворе.
Кристаллическая решетка - характеризуется правильным (регуляр-
ным) расположением частиц в строго определенных точках пространства
кристалла. При мысленном соединении этих точек линиями получается
пространственный каркас, который называют кристаллической решеткой.
Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической
решетки. В узлах могут находиться ионы, атомы или молекулы. Кристалли-
ческая решетка состоит из совершенно одинаковых элементарных ячеек.
См. ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЯЧЕЙКА.
Кристаллогидраты - соединения вещества с водой, имеющие постоян-
ный состав. Выделяются из растворов многих веществ, особенно солей.
Магнитное квантовое число (т) - указывает конкретную орбиталь
(з-орбиталь, рх-орбиталь, ру-орбиталь и т.д.). См. КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА.
Массовая доля растворенного вещества - см. КОНЦЕНТРАЦИЯ.
Массовое число (А) - сумма числа протонов (7) и нейтронов (Л) в ядре
атома какого-либо элемента (А = 7 +14).
Металлическая связь - химическая связь в металлическом кристалле.
Молекула - наименьшая частица какого-либо вещества, состоящая из
атомов, определяющая его химические свойства и способная к самостоя-
тельному существованию.
Молекулярная орбиталь - электронное облако, образующееся при
слиянии внешних электронных оболочек атомов (атомных орбиталей) при
образовании между ними химической связи. Молекулярные орбитали обра-
зуются при слиянии двух или нескольких атомных орбиталей. Все валент-
ные электроны связывающихся атомов располагаются на вновь образован-
ных молекулярных орбиталях.
Молекулярность реакции - определяется числом исходных частиц
(например молекул, ионов), одновременно взаимодействующих друг с дру-
гом в элементарном акте реакции. Молекулярность реакции может состав-
лять 1, 2 или 3. Соответственно различают мономолекулярные, би-
молекулярные и тримолекулярные реакции. Иногда (но не всегда) моле-
кулярность реакции совпадает с порядком реакции.
Моль - количество вещества, содержащее 6,022 • 1023 структурных еди-
ниц данного вещества: молекул (если вещество состоит из молекул), атомов
(если это атомарное вещество), ионов (если вещество является ионным
соединением).
Молярная концентрация - число молей растворенного вещества в 1 л
раствора. См. КОНЦЕНТРАЦИЯ.
Молярная масса - масса одного моля вещества в граммах называется
молярной массой вещества, или грамм-молем (размерность г/моль). Чис-
ленное выражение молярной массы (г/м) в граммах совпадает с молекуляр-
ным весом (или атомным, если вещество состоит из атомов) в единицах
а.е.м.
Молярность (раствора) - концентрация раствора, выраженная в молях
растворенного вещества на 1 л раствора. Обозначается буквой М. Напри-
мер, 1 М НаОН - это раствор НаОН с концентрацией 1 моль/л.
Нейтрализация - взаимодействие кислоты и основания с образованием
воды. См. ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.
Нейтрон - электрически нейтральная элементарная частица с массой
1,0088 а.е.м. Нейтроны вместе с протонами входят в состав атомных ядер.
Неподеленная пара электронов - внешняя электронная пара атома, не
участвующая в образовании химической связи. Такой парой, например,
обладает атом 14 в аммиаке.
Нормальные условия (н.у.) - температура 0°С (273°К) и давление
1 атм.
Нуклон - элементарная частица (протон, нейтрон), входящая в состав
ядра атома.
Окисление (вещества) - химическая реакция, при которой электроны
отбираются у данного вещества окислителем.
Окислитель - вещество, способное отнимать электроны у другого ве-
щества (восстановителя).
Оксид - сложное вещество, состоящее из атомов двух элементов, один
из которых - кислород.
Оксид кислотный - оксид, взаимодействующий с основаниям с обра-
зованием соли и воды.
Оксид основной - оксид, взаимодействующий с кислотой с образовани-
ем соли и воды.
Орбиталь - пространство около ядра, в котором можно обнаружить
электрон. За пределами этого пространства вероятность встретить электрон
достаточно мала (менее 5%).
Орбитальная диаграмма - то же, что электронная формула элемента,
но представленная с помощью электронных ячеек, внутри которых элек-
троны изображаются вертикальными стрелками.
Основание - сложное вещество, в котором атом (или атомы) металла
связаны с ОН-группами. Растворимые основания могут распадаться в рас-
творе с образованием гидроксид-ионов ОН'.
Основание амфотерное - сложное вещество, способное проявлять как
кислотные, так и основные свойства в зависимости от партнера по реакции.
Амфотерное основание способно отдавать как ионы водорода Н+ в реакциях
с обычными основаниями, так и гидрокси-группы ОН' в реакциях с обыч-
ными кислотами.
Относительная атомная масса (атомный вес) - безразмерная величина,
выраженная в а.е.м. См. АТОМНАЯ ЕДИНИЦА МАССЫ.
Перегонка - способ очистки (разделения) веществ (как правило, жидко-
стей) путем их испарения в одном сосуде и конденсации паров в другом
сосуде.
Переходное состояние - короткоживущая молекула, возникающая
в химической реакции при переходе от исходных веществ в продукты.
Периодический закон Д.И. Менделеева - свойства элементов перио-
дически изменяются в зависимости от заряда ядер их атомов.
Побочное (орбитальное) квантовое число (/) - показывает вид
подуровня (з-подуровень, р-подуровень, д-подуровень, Г-подуровень).
См. КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА.
Подуровень - часть электронной оболочки, состоящая из орбиталей
одного вида. Например, 5с1-орбиталей составляют б-подоболочку (б-под-
уровень), Зр-орбитали - р-подоболочку (р-подуровень).
Поляризация - перераспределение зарядов в пространстве под дейст-
вием электрического поля.
Порядок реакции - сумма показателей степени в кинетическом урав-
нении.
Постоянная (число) Авогадро - 6,022’1023.
Правило Гунда - при заселении орбиталей с одинаковой энергией (на-
пример, пяти б-орбиталей) электроны в первую очередь расселяются по-
одиночке на вакантных («пустых») орбиталях, после чего начинается засе-
ление орбиталей вторыми электронами.
Правило октета - атомы элементов стремятся к наиболее устойчивой
электронной конфигурации. Самая распространенная устойчивая электрон-
ная конфигурация - с завершенной внешней электронной оболочкой из
8 электронов (с октетом электронов).
Правило фаз - число степеней свободы гетерогенной равновесной сис-
темы: /= п - г + 2, где п - число компонентов, г - число фаз.
Принцип (запрет) Паули - никакие 2 электрона в одном атоме не могут
характеризоваться одинаковым набором всех четырех квантовых чисел:
п, I, ти 8.
Проскок электрона - отступления от общей для большинства элемен-
тов последовательности заполнения электронных оболочек, связанные
с тем, что эти «нарушения» обеспечивают атомам некоторых элементов
большую устойчивость.
Простое вещество - вещество, которое состоит из атомов только одно-
го элемента или молекул, построенных из атомов одного элемента.
Протон - элементарная положительно заряженная частица с массой
1,0073 а.е.м. Протоны вместе с нейтронами входят в состав атомных
ядер. Порядковый номер химического элемента в Периодической системе
Д.И. Менделеева равняется числу протонов в ядре атома этого элемента.
Процентная концентрация - см. КОНЦЕНТРАЦИЯ.
Растворимость - способность вещества растворяться в том или ином
растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях являет-
ся его содержание в насыщенном растворе.
Растворитель - из двух или нескольких компонентов раствора раство-
рителем называется тот, который взят в большем количестве и имеет то же
агрегатное состояние, что и раствор.
Раствор насыщенный - раствор, в котором в рассматриваемых услови-
ях достигнуто предельное содержание данного вещества.
Растворы - дисперсные системы, однородные смеси двух (или более)
веществ.
Реагенты - исходные вещества в химической реакции.
Скорость химической реакции - изменение концентрации одного из
участников реакции в единицу времени.
Сложное вещество - вещество, которое состоит из молекул, построен-
ных из атомов разных элементов. Примеры: соль, сахар, диоксид углерода,
бензин, вода и т.д.
Смесь - вещество, состоящее из молекул, атомов или ионов двух и бо-
лее веществ. Вещества, из которых состоит смесь, могут быть разделены.
Примеры: воздух, морская вода, сплав двух металлов, раствор сахара и т.д.
Соли - сложные вещества, в которых атомы (ионы) металла (или, на-
пример, ион аммония) связаны с кислотными остатками.
Соли кислые - соли, в которых не все ионы водорода многоосновной
кислоты замещены на ионы металла.
Соли основные - соли, в которых не все гидроксильные группы заме-
щены на анионы кислотного остатка.
Спиновое квантовое число (§) электрона - характеристика вращения
электрона вокруг собственной оси. Принимает значения +!/2 и -1/2.
Стационарные орбиты - электронные орбиты вокруг атомного ядра,
находясь на которых электрон может существовать, не излучая и не погло-
щая энергию.
Степень окисления - количество отданных атомом электронов.
Структурные формулы - изображение молекулы, в котором показан
порядок связывания атомов между собой. Химические связи в таких фор-
мулах обозначаются черточками.
Субатомные частицы - частицы составляющие атом (например, про-
тон, нейтрон, электрон).
Физические явления - явления, не сопровождающиеся превращением
одних веществ в другие.
Химическая реакция - явление, в ходе которого одни вещества опре-
деленного состава превращаются в другие.
Щелочь - растворимое в воде сильное основание. Все щелочи [НаОН,
КОН, Ва(ОН)2] в растворах распадаются на катионы металлов и гидроксид-
ионы ОН .
Экзотермическая реакция - химическая реакция, протекающая с вы-
делением тепла.
Электрон - элементарная частица, обладающая наименьшим отрица-
тельным электрическим зарядом (1,6-10'19 К).
Электронная формула - запись распределения имеющихся в атоме
электронов по энергетическим уровням и орбиталям. Например, для атома
кислорода имеем 1§2 2§2 2р4.
Электроотрицательность - способность атомных ядер притягивать
к себе электроны, образующие химическую связь. Выражается в относи-
тельных единицах.
Элемент - совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Многие
элементы существуют в виде двух или нескольких модификаций, называе-
мых ИЗОТОПАМИ.
Элементарная ячейка - повторяющееся в кристалле сочетание атомов,
молекул или ионов.
Эндотермическая реакция - химическая реакция, протекающая с по-
глощением тепла.
Энергия активации химической реакции - минимальный избыток
энергии (по отношению к средней энергии), достаточный для свершения
акта химического превращения.
Ядерные реакции - превращение одних элементов в другие, связанные
с изменением состава ядер, новых ядер или частиц при столкновениях ядер
или частиц.
Рекомендуемая литература
Основная
1. Волков И.И., Мелихова М.А. Химия. М.: Академия, 2007.
2. Фактор Э.А. Основы химии. СПб.: НГУ им. П.Ф. Лесгафта, 2007.
3. Зубина И.М., Фактор Э.А. Основы химии. СПб.: НГУ им. П.Ф. Лес-
гафта, 2009.
Дополнительная
1. Бердоносов С.С., Менделеева Е.А.. Химия. Новейший справочник. М.:
Махаон, 2006.
2. Глинка Н.Л. Общая химия. М.: Интеграл-пресс, 2002.
3. Кузьменко Н.Е. Еремин В.В., Попков В.А. Краткий курс химии. М.:
Высшая школа, 2002.
4. Пресс И.А. Основы общей химии. СПб.: Лань, 2012.
Раздел IV
БИОЛОГИЯ
С ОСНОВАМИ
ЭКОЛОГИИ
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АДФ - аденозиндифосфат
АМФ - аденозинмонофосфат
АТФ - аденозинтрифосфат
АЭС - атомная электростанция
Греч. - греческий
ДДТ - дихлордифенилтрихлорметилметан, опасный
ядовитый инсектицид
ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота
ДНП - дезоксирибонуклеопротеид
Ккал - килокалории
Лат. - латинский
ЛЭН - линия электропередачи
Мкм - микрометр
МПа - мегапаскаль
РНК - рибонуклеиновая кислота
иРНК - информационная рибонуклеиновая кислота
рРНК - рибосомная рибонуклеиновая кислота
тРНК - транспортная рибонуклеиновая кислота
НАДФ - окисленная форма никотинамиддинуклеотид-
фосфата
НАДФН2 - восстановленная форма никотинамиддинуклео-
тидфосфата
НК - нуклеиновые кислоты
ОГ - отработанный газ
ООПТ - особо охраняемые природные территории
СПАВ - УФЛ - ЭПР(ЭПС) - синтетическое поверхностно-активное вещество ультрафиолетовые лучи эндоплазматический ретикулум (эндоплазмати- ческая сеть)
гЭПР(гЭПС) -
гладкий эндоплазматический ретикулум (гладкая
эндоплазматическая сеть)
шероховатый эндоплазматический ретикулум
(шероховатая эндоплазматическая сеть)
шЭПР (шЭПС)-
Подраздел I
БИОЛОГИЯ
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ В ДИСЦИПЛИНУ.
ЭВОЛЮЦИЯ - ИСТОРИЯ ЖИЗНИ
В ходе изучения темы важно запомнить: определение и мето-
ды биологии, основные свойства живой материи и уровни ее органи-
зации, важнейшие теории о происхождении и эволюции жизни на
Земле, факторы и пути эволюционного процесса, положение Чело-
века разумного в системе живых организмов.
1.1. Биология как наука
Биология - это совокупность наук о живой природе, изучающих
все проявления жизни как особой формы движения материи: строе-
ние и функции живых существ и их природных сообществ, их рас-
пространение, происхождение и развитие, связи друг с другом
и с неживой природой.
Термин «биология» (греч. Ыоз - жизнь и 1ороз - знание, учение,
наука) был введен независимо несколькими авторами: Ф. Бурдахом
в 1800 г., в 1802 г. Г.Р. Тревиранусом и Ж.-Б. Ламарком. Как особая
наука биология выделилась из естественных наук в XIX в., когда
ученые обнаружили, что живые организмы обладают некоторыми
общими для всех характеристиками.
Роль биологических наук в современном мире неуклонно растет,
повышается их теоретическая и практическая значимость в жизни
общества. Биологические знания лежат в основе медицинских
и сельскохозяйственных наук, они закладывают научную базу для
решения глобальных экологических проблем и поддержания рацио-
нальных отношений между Человеком и Природой.
Основные методы, используемые в биологических дисципли-
нах*. описательный, сравнительный, исторический, эксперимен-
тальный, моделирования. В основе изучения биологических дис-
циплин лежит собирание и описание фактов. Сравнительный метод
позволяет изучать биологические объекты путем сопоставления, вы-
являя сходство и различие между ними. Исторический метод выяс-
няет закономерности появления и развития организмов, становления
их структуры и функций. Экспериментальный метод исследования
связан с активным воздействием на них путем постановки опытов
(экспериментов) в точно учитываемых условиях и путем изменения
течения процессов в нужном исследователю направлении. Высшей
формой эксперимента является моделирование изучаемых процес-
сов. Комплексное использование различных методов позволяет наи-
более полно познать явления и объекты природы.
1.2. Определение жизни
и основные свойства живой материи
Вопрос о сущности жизни является одним из основополагающих
вопросов биологии. Известно несколько десятков определений жиз-
ни, но ни одно из них не является исчерпывающим. В соответствии с
первым подходом, жизнь рассматривается как совокупность специ-
фических физико-химических процессов; согласно второму подходу,
определяется носителем ее свойств (например, полипептидом);
в качестве третьего подхода выступает определение минимально
возможного набора обязательных свойств, без которых никакая
жизнь невозможна. Так, академик М.В. Волькенштейн предложил
следующее: «Живые тела, существующие на Земле, представля-
ют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводя-
щиеся системы, построенные из биополимеров - белков и нук-
леиновых кислот». В этом определении перечислены только
важнейшие свойства живых систем. Приведенное определение не
исключает возможности, что на других планетах во Вселенной мо-
жет существовать жизнь, отличающаяся от земной. Она может быть
устроена иначе, но обладать тремя перечисленными основными
свойствами.
К основным свойствам живой материи относятся: определен-
ный химический состав, обмен веществ и энергозависимость, само-
воспроизведение (репродукция), наследственность и изменчивость,
саморегуляция, рост, индивидуальное развитие (онтогенез), эволю-
ционное развитие (филогенез), клеточное строение, целостность
и дискретность, раздражимость, ритмичность, иерархичность и др.
1. Единство химического состава. В состав живых организмов
входят те же химические элементы, что и в объекты неживой приро-
ды. Однако соотношение различных элементов в живом и неживом
неодинаково. Элементарный состав неживой природы наряду с кис-
лородом представлен в основном кремнием, алюминием и натрием.
В живых организмах 98% химического состава приходится на четы-
ре элемента - углерод, кислород, азот и водород.
В неживой природе вещества молекулярного строения составля-
ют лишь 5% от всех веществ. Живые организмы состоят главным
образом из нескольких типов макромолекул:
1) белков (катализаторы химических реакций, структурные ком-
поненты клеток и т.д.);
2) нуклеиновых кислот (ДНК - хранение информации о структу-
ре белков, РНК - перенос информации от ДНК к белкам);
3) моносахаридов и полисахаридов (источники энергии и струк-
турные компоненты);
4) липидов (источники энергии и структурные компоненты).
Еще важнее то, что у всех изученных клеток сходны последова-
тельности биохимических превращений. Такая универсальность ука-
зывает на единство происхождения.
2. Обмен веществ. Все живые организмы способны к обмену
веществ с окружающей средой, поглощая из нее элементы, необхо-
димые для питания, и выделяя продукты жизнедеятельности.
В неживой природе также существует обмен веществами. Однако
при небиологическом круговороте вещества обычно просто меняют
агрегатное состояние или переносятся с места на место: например,
вода превращается в пар или лед, почвы смываются водой. У живых
организмов обменные процессы имеют качественно иной уровень.
В биологическом круговороте веществ самыми существенными ста-
ли процессы синтеза и распада.
Живые организмы поглощают из окружающей среды различные
вещества. Вследствие целого ряда сложных химических превраще-
ний (биосинтеза) вещества из окружающей среды превращаются
в макромолекулы, из которых строятся тела клеток. Эти процессы
называются ассимилицией, или пластическим обменом, или анна-
болизмом.
Другая сторона обмена веществ - процессы диссимиляции, в ре-
зультате которых сложные органические соединения распадаются на
простые, при этом выделяется энергия, необходимая для реакций
биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют еще энергетическим
обменом, или катаболизмом.
Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава
и строения организмов и, следовательно, постоянство их функцио-
нирования в непрерывно изменяющихся условиях окружающей
среды.
3. Энергозависимость. Организм представляет собой открытую
систему. Так называют динамическую, т.е. не находящуюся в покое
систему, устойчивую лишь при условии непрерывного поступления
в нее энергии и материи извне. Живые организмы обладают способ-
ностью извлекать, преобразовывать и использовать энергию окру-
жающей среды.
4. Самовоспроизведение (размножение). Это способность сис-
темы воспроизводить характерные особенности строения и функций
из поколения в поколение благодаря передаче потомству наследст-
венной информации. В основе самовоспроизведения лежат реакции
матричного синтеза, т.е. образования новых молекул и структур на
основе информации, заложенной в последовательности нуклеотидов
ДНК и РНК.
5. Наследственность. Это способность передавать свои призна-
ки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Она
обусловлена относительной стабильностью, т.е. постоянством строе-
ния молекул ДНК и РНК.
6. Изменчивость. Это способность приобретать новые признаки
и свойства, в основе которой могут лежать изменения биологиче-
ских матриц. Это свойство как бы противоположно наследственно-
сти, но вместе с тем тесно связано с ней, так как благодаря наследст-
венной изменчивости преобразуются гены, определяющие развитие
тех или иных признаков. Если бы удвоение матриц - молекул
ДНК - всегда происходило с абсолютной точностью, то при раз-
множении воспроизводились бы только существовавшие ранее при-
знаки, и приспособление к меняющимся условиям среды оказалось
бы невозможным. Таким образом, наследственная изменчивость
создает разнообразный материал для естественного отбора.
7. Саморегуляция (авторегуляция). Это способность организма
поддерживать постоянство своего химического состава и интенсив-
ность течения физиологических процессов на фоне непрерывно ме-
няющихся условий окружающей среды. Отдельные группы клеток,
органы и системы органов взаимно влияют друг на друга и обеспе-
чивают саморегуляцию всех физиологических процессов.
8. Рост и развитие. Способность к развитию - всеобщее свойст-
во материи. Под развитием понимают необратимое направленное
изменение объектов живой и неживой природы. В результате разви-
тия возникает новое качественное состояние объекта, вследствие
которого изменяется его состав или структура.
Развитие живой формы существования материи представлено ин-
дивидуальным развитием, или онтогенезом, и историческим разви-
тием, или филогенезом. На протяжении онтогенеза постепенно
и последовательно проявляются индивидуальные свойства организ-
ма. Развитие сопровождается увеличением размеров, или ростом.
Филогенез, или эволюция, - это необратимое и направленное разви-
тие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов
и прогрессивным усложнением жизни.
9. Клеточное строение. Клетка является структурной, функцио-
нальной и генетической (наследственной) единицей, а также едини-
цей развития всех живых организмов на Земле.
10. Целостность и дискретность. Это всеобщее свойство мате-
рии. Жизнь на Земле также проявляется в виде дискретных форм.
Это означает, что клетка, как и всякая биологическая система, со-
стоит из отдельных изолированных, т.е. обособленных, но, тем не
менее, тесно связанных и взаимодействующих между собой частей,
образующих структурно-функциональное единство.
И. Раздражимость. Это способность избирательно реагировать
на внешние воздействия. Всякое изменение условий окружающей
среды, способное вызывать ответную реакцию организма, является
для него раздражителем. Реакция организма и его клеток служит
показателем его чувствительности и проявлением раздражимости.
12. Ритмичность. Это повторение одного и того же состояния
через определенные промежутки времени. Данное свойство присуще
как живой, так и неживой природе. Оно направлено на согласование
функций организма с периодически меняющимися условиями внеш-
ней среды.
13. Иерархичность. Для живой материи характерны сложность
и высокая степень упорядоченности. В организации живой природы
различают несколько иерархически соподчиненных уровней: моле-
кула —> субклеточные структуры —> клетка —> ткань —> орган —> сис-
тема органов —> организм —> популяция —> вид —> биоценоз —> био-
сфера.
1.3. Уровни организации живой материи
Уровни организации живой материи - иерархически соподчи-
ненные уровни, отражающие усложнение организации биосистем:
1. Молекулярный уровень. Это наиболее элементарный уровень
организации живой материи. Как ни различается строение живых
организмов, они все состоят из одинаковых типов молекул, приме-
рами которых являются НК, белки, углеводы и многие другие. На
молекулярном уровне происходят различные процессы жизнедея-
тельности живых организмов: обмен веществ, превращение энергии,
передача наследственной информации, образование отдельных ор-
ганоидов.
2. Субклеточный и клеточный уровень. Клетка является эле-
ментарной живой системой. Отдельные органоиды в составе клетки
имеют характерное строение и выполняют определенную функцию.
Функции всех органоидов в клетке взаимосвязаны и осуществляют
единые процессы жизнедеятельности.
3. Тканевый уровень. Совокупность клеток и межклеточного ве-
щества, структурно связанных между собой, имеющих характерное
строение и специализирующихся на выполнении определенных
функций, образует ткань. Отдельные ткани не являются самостоя-
тельными целостными организмами. Тканевый уровень характерен
только для многоклеточных живых существ.
4. Органный уровень. Органы - обособленные совокупности раз-
личных типов клеток и тканей, выполняющие определенные функ-
ции в пределах многоклеточного живого организма. Объединение
нескольких тканей, сходных по строению и функциям, образует ор-
ган. В составе каждого органа встречается несколько тканей, но сре-
ди них одна является наиболее значительной. Отдельный орган не
может существовать как целостный организм. Несколько органов,
сходных по строению и функциям, объединяясь, составляют систему
органов, например пищеварения, дыхания, кровообращения и т.д.
5. Организменный уровень. Целостная совокупность систем ор-
ганов, специализирующихся на выполнении определенных функций,
образует отдельный самостоятельный организм. В нем происходят
все процессы, характерные для живых систем, - питание, дыхание,
обмен веществ, раздражимость, размножение и т.д. Каждый орга-
низм существует в тесной взаимосвязи с окружающей средой.
6. Популяционно-видовой уровень. Вид (биологический вид) - со-
вокупность особей, сходных по морфологическому, физиологиче-
скому, генетическому и другим критериям, населяющих определен-
ный ареал, способных скрещиваться между собой и давать
плодовитое потомство. Вид, как правило, распадается на относи-
тельно изолированные группы особей - популяции. Популяция - со-
вокупность свободно скрещивающихся особей одного вида, которая
длительно существует в определенной части ареала относительно
обособленно от других совокупностей того же вида. На популяци-
онном уровне осуществляются простейшие эволюционные преобра-
зования, что способствует постепенному появлению нового вида.
7. Биоценотический уровень. Биоценоз (от греч. /Зия; - жизнь и
ко1уо<; - общий, вместе) - это совокупность всех особей различных
видов, обитающих на определенной территории, называемой биото-
пом, приспособленных к одинаковым условиям природной среды,
связанных различными внутривидовыми и межвидовыми взаимоот-
ношениями. В природных биоценозах накапливается энергия и пе-
редается по цепи питания от одного организма к другому.
8. Биосферный уровень. Совокупность всех живых организмов
на нашей планете и общей природной среды их обитания составляет
биосферу (от греч. слов (кос - жизнь и асраТра - сфера, шар). Она
включает в себя верхние слои литосферы, гидросферу и нижние
слои атмосферы. Следовательно, биосфера - это крупнейшая экоси-
стема Земли, оболочка нашей планеты, заселенная различными жи-
выми существами и находящаяся под их воздействием.
Для упорядочения многообразия организмов служат систематика
и таксономия. Систематика (в переводе с греч. - «располагать
вместе») - раздел биологии, занимающийся описанием, обозначени-
ем и классификацией существующих и вымерших организмов по
таксонам. Классификация - распределение всего множества живых
существ по определенной системе иерархически соподчиненных
групп. При этом естественная классификация основана на единстве
происхождения (родстве) организмов, а искусственные классифика-
ции группируют их по произвольно выбранным признакам.
Таксономия (в переводе с греч. - «приводить в порядок») - раз-
дел систематики, разрабатывающий теоретические основы класси-
фикации. Таксон - искусственно выделенная человеком группа ор-
ганизмов, связанных той или иной степенью родства.
В современной систематике сложилась следующая иерархия так-
сонов: империи (домены, надцарства) подразделяются на царства;
царства делятся на типы (у животных) или отделы (у растений); да-
лее на классы; классы делятся на отряды (у животных) или порядки
(у растений); семейства; роды; виды.
Каждый организм имеет бинарное (двойное) название на латин-
ском языке. Первое слово означает род, а второе - вид. Например,
в названии вида Ното заргепз (Человек разумный) Ното (от лат. че-
ловек) - родовое название, заргепз (от лат. разумный) - видовое на-
звание.
1.4. Теории происхождения жизни
Возраст Земли составляет около 4,5-5 млрд. лет. Жизнь возникла
примерно 3,5-4 млрд, лет назад. Вопрос о происхождении жизни -
это величайшая проблема естествознания, решение которой до сих
пор не получило удовлетворительного теоретического обоснования.
Основными представлениями о возникновении жизни являются:
1. Креационизм (от лат. сгеаНо - творение)
В основе монотеистических религий (иудаизма, христианства,
ислама) лежит теизм, т.е. вера в наличие внемирового высшего су-
щества - бога, создавшего мир и управляющего им. Это мировоззре-
ние имеет метафизический характер, так как оно учит, что природа
создана богом в законченном, совершенном виде и поэтому все
в ней постоянно, неизменно. В соответствии с ним, все виды жи-
вых существ появились в результате отдельных и независимых друг
от друга актов творения, так что современных видов существует
столько, сколько различных форм было создано в самом начале.
Раннее христианство в вопросе о происхождении жизни основы-
валось на Библии, которая в свою очередь заимствовала данные из
мистических сказаний Египта и Вавилона. Согласно религиозным
представлениям, все разнообразные живые существа были первона-
чально созданы Богом. В Библии говорится, что Бог сотворил весь
мир за 6 дней: на первый день Бог создал свет и отделил его от
тьмы, на второй день сотворил твердь и воду, на третий - сушу
и растения, на четвертый - небесные светила, на пятый - птиц, рыб
и пресмыкающихся, наконец, на шестой - зверей и людей: сперва
мужчину, а потом женщину. Первого человека, Адама, Бог слепил из
глины и затем вдунул в него душу, благодаря чему он и стал живым.
Богословские авторитеты конца V - начала VI в. н.э., так назы-
ваемые отцы христианской церкви, сочетали эти сказания с учением
неоплатоников и разработали на этой основе свою мистическую
концепцию происхождения жизни, которая полностью сохранена
и до настоящего времени всеми христианскими вероучениями.
2. Теория самозарождения жизни
Теория спонтанного зарождения жизни возникла в Вавилоне,
Египте и Китае в качестве альтернативы креационизму. В ее основе
лежит понятие о том, что под влиянием естественных факторов жи-
вое может возникнуть из неживого, органическое - из неорганиче-
ского. Она восходит к Эмпедоклу и Аристотелю: определенные
«частицы» вещества содержат некое «альтернативное начало», кото-
рое при определенных условиях может создать живой организм.
У Демокрита начало жизни было в иле, у Фалеса - в воде, у Анакса-
гора - в воздухе. Платон говорил о самозарождении живых существ
из земли в процессе гниения.
Аристотель сформировал идею постепенного и непрерывного
развития живого из неживого и создал представление о «лестнице
природы» применительно к животному миру. Он не сомневался
в самозарождении лягушек, мышей и других мелких животных, по-
лагая, что активное начало есть в оплодотворенном яйце, солнечном
свете, гниющем мясе.
Идея самозарождения получила широкое распространение
в Средневековье и в эпоху Возрождения, когда допускалась возмож-
ность самозарождения не только простых, но и довольно высокоор-
ганизованных существ, даже млекопитающих (например, мышей из
тряпок, крокодилов из ила). Идеи самозарождения жизни поддержи-
вали Я.Б. ван Гельмонт, Ф. Бэкон, Г. Галилей, Р. Декарт, У. Гарвей,
Г.В.Ф. Гегель и др. В эпоху Просвещения теорию самозарожде-
ния жизни продолжал защищать немецкий математик и философ
Г.В. Лейбниц. Он и его сторонники являлись виталистами (от лат.
\Иа - жизнь) и утверждали, что в живых организмах существует
особая «жизненная сила». По их мнению, «жизненная сила» присут-
ствует всюду и превращает неживую материю в живые организмы.
Однако в 1862 г. знаменитый французский ученый Л. Пастер
провел остроумный эксперимент. Он прокипятил в колбе питатель-
ную среду, в которой могли развиваться микроорганизмы. В резуль-
тате длительного кипячения в колбе погибли не только микроорга-
низмы, но и их споры. Чтобы предупредить возражения виталистов,
что он препятствует проникновению мифической «жизненной силы»
в колбу, Л. Пастер оставил ее открытой и присоединил к ней тонкую
8-образную трубку со свободным концом. Споры микроорганизмов
оседали на поверхности трубки и не могли проникнуть в питатель-
ную среду. Она оставалась стерильной вплоть до полного высыха-
ния, в ней не наблюдалось появления микроорганизмов, хотя доступ
воздуха (а с ним и пресловутой «жизненной силы») был обеспечен.
Так Л. Пастер доказал, что в современных условиях самозарождение
жизни невозможно.
3. Теория панспермии
Различные варианты гипотезы панспермии основаны на предпо-
ложении о внеземном, космическом происхождении примитивных
носителей жизни. Научная формулировка этой гипотезы была вы-
двинута во второй половине XIX в. известными натуралистами
Г. Рихтером, Г. Гельмгольцем и С. Аррениусом. В XX столетии
близкие взгляды развивали русский геохимик В.И. Вернадский
и один из авторов двуспиральной модели ДНК - Ф. Крик. Сторон-
ники данной точки зрения исходят из предположения, что биологи-
ческая форма существования материи не имеет принципиальных
отличий от всех прочих, и поэтому попытки придумать способ зем-
ного происхождения, к примеру, нуклеиновых кислот (НК), пред-
ставляют собой своеобразный научный предрассудок, восходящий к
религиозной философии. По их представлениям, жизнь существует
так же давно, как и сама материя, она возникает там, где есть подхо-
дящие для этого условия. Предполагается, что подлинная научная
задача заключается в поисках механизма проникновения на Землю
рассеянных в межпланетном пространстве носителей жизни. В каче-
стве таких механизмов предполагается перемещение частиц косми-
ческой пыли под световым давлением, а также занесение в атмо-
сферу и на поверхность Земли объектов, находившихся в составе
комет, метеоритов и других небесных тел.
Гипотеза панспермии представляется достаточно правдоподоб-
ной с теоретической точки зрения. Споры некоторых бактерий
и кристаллические формы вирусов в принципе могли бы выдержи-
вать условия, наблюдаемые на поверхности ряда планет Солнечной
системы. Этим объясняются достаточно строгие меры, которые
применяются по отношению к побывавшим на Луне космическим
аппаратам и образцам лунного грунта.
Однако пока изучение метеоритов, планет Солнечной системы,
включая Луну, а также других астрономических объектов не дало
достоверных данных, подтверждающих эту гипотезу. Исследования
параметров космического излучения указывают на невозможность
сохранения каких-либо микроскопических объектов в составе кос-
мической пыли. В то же время существующие методы изучения
слишком грубы и приблизительны, чтобы проводить систематиче-
ские изыскания в этом направлении.
Несмотря на формальную логическую завершенность, гипотеза
панспермии не дает ответа на вопрос о возникновении жизни, она
лишь переносит его с нашей планеты в глубины Вселенной.
4. Теория абиогенеза
В 1922 г. русским биохимиком А.И. Опариным и несколько
позднее, но независимо от него, англичанином Дж. Холдейном, бы-
ло высказано предположение, что в условиях Земли мог происхо-
дить самопроизвольный синтез органических веществ из неоргани-
ческих (абиогенез). В 1953 г. в США С. Миллер воспроизвел
в экспериментальной установке предполагаемый состав атмосферы
Земли в эпоху зарождения жизни. Пропуская через газовую смесь
мощные импульсные разряды, имитирующие электрические явления
в атмосфере, всего за неделю оказалось возможным получить мно-
гие органические вещества, простейшие «кирпичики», из которых
строится все живое.
Согласно теории биохимической эволюции, главным источником
энергии для образования органических соединений служило ультра-
фиолетовое излучение Солнца. Аминокислоты, простые сахара
и другие соединения накапливались в первичных океанах до тех пор,
пока не приобрели консистенцию «теплого разжиженного бульона».
Именно в таком «первичном бульоне», вероятно, и возникла жизнь.
Молекулы органических веществ вступали в физико-химическое
взаимодействие, образуя полимерные цепочки. Чем большую длину
они имели, тем оказывались устойчивее. Длинные цепочки закручи-
вались в клубки, которые разрушались уже не так легко. Таким
образом, из аминокислот могли возникнуть белки, из простых саха-
ров - полисахариды, из спирта глицерола и карбоновых кислот -
жиры, из нуклеотидов - (НК).
А.И. Опарин считал, что главная роль в превращении неживого
в живое принадлежала белкам. В «первичном бульоне» образовыва-
лись «сгустки» белка - коацерваты. На их поверхности путем само-
организации липидов и белков могла возникнуть мембранная струк-
тура. Они могли вбирать в себя новые питательные вещества,
разбиваться на более мелкие капельки. Последующая химическая
эволюция должна была привести к появлению первичной прокарио-
тической клетки, способной к гетеротрофному питанию.
Гипотеза А.И. Опарина пользуется признанием как в нашей стра-
не, так и за рубежом. Она не противоречит данным астрономии
и исторической геологии. На основе этой гипотезы была создана
теория биопоэза.
5. Теория биопоэза
Эта теория была сформулирована в 1947 г. английским ученым
Дж. Берналом и дополнила труды А.И. Опарина новыми данными.
Она включает три стадии биопоэза:
1) абиогенное возникновение биологических мономеров;
2) образование биологических полимеров;
3) формирование мембранных структур и первичных организмов
(пробионтов).
Теория Дж. Бернала предложила возможные механизмы перехода
коацерватов к самовоспроизведению и формирования мембранных
структур.
НК способны к репликации, т.е. созданию новых копий, не от-
личающихся от материнских молекул. По всей вероятности, рибо-
нуклеиновые кислоты (РНК) возникли раньше, чем дезоксирибонук-
леиновые (ДНК). В экспериментах показана их способность спон-
танно синтезироваться из отдельных рибонуклеотидов и собственная
каталитическая активность. Также спонтанно, путем спаривания
комплементарных оснований, могут образовываться РНК-копии.
Обе эти реакции протекают без участия ферментов или других
белков.
Наличие молекул ДНК и РНК, кодирующих белки, и белков-
ферментов, катализирующих процессы репликации ДНК, могло
обеспечить образование самовоспроизводящихся систем.
1.5. Элементарные факторы,
пути и результаты эволюции
Эволюция (от лат. ехо1иНо - развертывание), в широком смысле
синоним развития, в более узком смысле - один из основных типов
развития: медленные, постепенные количественные, и качественные
изменения.
Эволюция биологическая - историческое развитие организмов.
Эволюционное учение, или теория эволюции, - наука, изучающая
историческое развитие жизни: причины, закономерности и механиз-
мы. Различают макро- и микроэволюцию.
Микроэволюция - это эволюционные процессы на уровне попу-
ляций, приводящие к образованию новых видов. Элементарной еди-
ницей эволюции является популяция. Эволюционируют не особи,
а группы особей, составляющие популяцию, они являются объектом
действия естественного отбора. Видообразование, т.е. появление
нового вида, - это завершающий этап микроэволюции. Различают
аллопатрическое (географическое) и симпатрическое видообразова-
ние. Первое происходит при появлении географической преграды
между популяциями, второе - в результате биологической изоля-
ции: генетических изменений и полиплоидии.
Эволюционный процесс носит приспособительный характер.
В результате действия естественного отбора сохраняются особи
с полезными для их процветания признаками. Они обусловливают
хорошую, но не абсолютную, приспособленность организмов к тем
условиям, в которых живут. Так, покровительственная окраска раз-
вита у видов, которые живут открыто и могут оказаться доступными
для врагов. Маскировка - приспособление, при котором форма тела
и окраска животных сливаются с окружающими предметами. Ми-
микрия - подражание менее защищенного организма одного вида
более защищенному организму другого вида (или предметам среды).
Предупреждающая (угрожающая) окраска характерна для ядовитых
и других опасных видов.
Макроэволюция - это эволюция надвидовых таксонов, в резуль-
тате которой формируются более крупные систематические груп-
пы. Основными процессами макроэволюции являются дивергенция
и конвергенция.
Дивергенция - расхождение признаков в ходе эволюции у родст-
венных групп, развивающихся в разнородных условиях. Она приво-
дит к разделению вида на популяции, род - на виды, семейство - на
роды и т.д. В результате дивергенции формируются гомологичные
органы, имеющие единое происхождение независимо от выполняе-
мых функций, например конечности позвоночных.
Конвергенция - схождение признаков в ходе эволюции у нерод-
ственных групп, развивающихся в схожих условиях. Например, аку-
лы, ихтиозавры и дельфины имеют внешнее сходство, но принадле-
жат к разным систематическим группам: рыбам, пресмыкающимся
и млекопитающим соответственно. В результате конвергенции обра-
зуются аналогичные органы. Аналогичными называются органы, вы-
полняющие одинаковые функции и имеющие внешнее сходство, но
различные по происхождению, например: жабры рака и рыбы, крыло
птицы и бабочки, роющие конечности крота и медведки.
На макроэволюционном уровне можно проследить главные на-
правления органической эволюции: биологический и морфофизио-
логический прогрессы. Поскольку направление эволюции определя-
ется естественным отбором, то пути эволюции совпадают с путями
формирования приспособлений, определяющих те или иные пре-
имущества одних групп перед другими. Появление таких признаков
обусловливает прогрессивность данной группы.
Первым автором наиболее известной теории эволюции является
английский естествоиспытатель Ч.Р. Дарвин (1809-1882). Его глав-
ным трудом является книга «Происхождение видов путем естест-
венного отбора или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе
за жизнь» (1859). Впоследствии его соавтором стал молодой иссле-
дователь А.Р. Уоллес.
Основные положения эволюционного учения Ч. Дарвина -
А.Р. Уоллеса:
1. Совокупность доводов в пользу исторического развития орга-
низмов.
2. Каждый вид способен к неограниченному размножению.
3. Ограниченность жизненных ресурсов препятствует реализа-
ции потенциальной возможности беспредельного размножения.
Большая часть особей гибнет в борьбе за существование и не остав-
ляет потомства.
4. Движущими силами эволюции являются борьба за существо-
вание, наследственная изменчивость и естественный отбор.
5. Формы борьбы за существование - межвидовая, внутривидо-
вая и борьба с неблагоприятными условиями среды.
6. Основной путь эволюционных преобразований - диверген-
ция - явление расхождения признаков, ведущее к возникновению
новых биологических видов.
7. Эволюция носит приспособительный характер. В результате
действия естественного отбора сохраняются особи с полезными для
их процветания признаками.
Элементарные факторы эволюции - это факторы, изменяющие
частоту аллелей и генотипов в популяции (генетическую структуру
популяции).
К ним относятся:
1. Популяционные волны, волны жизни - периодические и не-
периодические колебания численности популяции как в сторону
увеличения, так и в сторону уменьшения.
2. Дрейф генов - случайное ненаправленное изменение частот
аллелей и генотипов в популяциях.
3. Изоляция - возникновение разных факторов, препятствую-
щих свободному скрещиванию.
Виды изоляции:
Географическая (или пространственная) изоляция связана с раз-
рывом единого ареала обитания вида на не сообщающиеся между
собой части.
Экологическая изоляция - с предпочтением конкретного место-
обитания.
Этологическая изоляция - осложнения спаривания, обусловлен-
ные особенностями поведения.
4. Мутационный процесс заключается в постоянном возникно-
вении мутаций, т.е. изменений наследственного материала. Этот
процесс увеличивает генетическую гетерогенность популяции. По-
скольку мутация служит элементарным эволюционным событием,
можно сказать, что мутационный процесс является поставщиком
элементарного материала для эволюции.
5. Поток генов - это изменение частот генов в генофонде попу-
ляции под влиянием миграции (эмиграции и иммиграции).
6. Естественный отбор - процесс, в результате которого выжи-
вают и оставляют после себя потомство преимущественно особи с
полезными для популяции свойствами.
Различают три основные формы естественного отбора
(рис. 1.1):
Рис. 1.1. Формы естественного отбора
Движущий отбор способствует сдвигу среднего значения при-
знаков в направлении увеличения (или уменьшения) и появлению
новых форм.
Стабилизирующий отбор направлен на сохранение установивше-
гося в популяции среднего значения признака.
Разрывающий, или дизруптивный, отбор благоприятствует более
чем одному фенотипическому оптимуму и действует против проме-
жуточных форм.
Следует отметить, что большинство элементарных факторов эво-
люции являются ненаправленными, только естественный отбор
оказывает направленное действие в сторону увеличения приспособ-
ленности организмов к условиям среды их обитания.
Биологический прогресс, т.е. расширение ареала, увеличение
количества особей данного вида и количества новых систематиче-
ских единиц внутри вида или более крупной систематической еди-
ницы, достигается различными способами.
Можно выделить несколько путей эволюции (рис. 1.2):
Рис. 1.2. Пути эволюции
Арогенез (ароморфоз, или морфофизиологический, прогресс) -
такой путь эволюции, который характеризуется повышением орга-
низации, развитием приспособлений широкого значения, расшире-
нием среды обитания данной группы организмов. На арогенный
путь развития группа организмов вступает, вырабатывая определен-
ные приспособления, называемые в таком случае ароморфозами.
Аллогенез (идиоадаптация) - путь эволюции без повышения об-
щего уровня организации. Организмы эволюционируют путем част-
ных приспособлений к конкретным условиям среды. Такой тип эво-
люции ведет к быстрому повышению численности и многообразию
видового состава.
Катагенез (катоморфоз, или общая дегенерация) - явление рез-
кого упрощения организации, связанного с исчезновением целых
систем органов и функций, наблюдаемое в ряде эволюционных си-
туаций, когда окружающая среда стабильна.
Гипергенез - путь эволюции, связанный с увеличением размеров
тела и непропорциональным переразвитием органов. Например, ги-
гантские формы появлялись в различных классах организмов в раз-
личные периоды эволюционного развития.
Результаты эволюции:
1. Постепенное усложнение и повышение организации живых
существ.
2. Относительная приспособленность организмов к условиям
внешней среды.
3. Биологическое разнообразие, многообразие форм жизни и ви-
дов, которыми они представлены.
1.6. Геохронологическая шкала.
Происхождение человека
Геохронологическая шкала - это шкала геологического времени,
показывающая последовательность этапов развития земной коры
и органического мира Земли.
Существует несколько вариантов этой шкалы, для биологии ха-
рактерно следующее иерархическое подразделение.
Самыми крупными являются эоны: Криптозой и Фанерозой, ко-
торые разделены на эры:
- Архейская - эра зарождения жизни (единственная эра, отно-
сящаяся к Криптозою).
- Протерозойская.
- Палеозойская - эра древней жизни, состоит из 6 периодов:
Кембрий, Ордовик, Силур, Девон, Карбон, Пермь.
- Мезозойская, делится на периоды: Триас, Юра, Мел.
- Кайнозойская, включает периоды: Палеоген, Неоген, Антро-
поген.
Название последнего периода, который продолжается и по сей
день, обусловлено появлением на Земле людей (греч. ап1горо$ -
человек, §епо8 - род, происхождение). Филогенетическая линия,
с которой связано формирование современного человека (Ното
8аргеп8\ отделилась от других гоминид 6-7 млн лет назад (в Миоце-
не). Другие представители этой линии до настоящего времени не
сохранились.
Появление человека было связано с рядом существенных анато-
мических и физиологических преобразований, в том числе формиро-
ванием хватательной кисти, развитием двуногого передвижения
(бипедализма), редукцией большей части волосяного покрова, появ-
лением менструального цикла, структурными преобразованиями
мозга, увеличением мозговой полости и головного мозга, уменьше-
нием размера клыков, опущением гортани и подъязычной кости.
Систематическое положение вида Человек разумный*.
надцарство (империя): эукариоты
царство: животные
подцарство: многоклеточные животные
тип: хордовые
подтип: позвоночные (черепные)
класс: млекопитающие
отряд: приматы
семейство: человекообразные обезьяны (гоминиды)
род:человек
Доказательства происхождения человека от животных*.
сравнительно-анатомические (атавизмы, рудименты и др.), эмбрио-
логические, палеонтологические, результаты анализа ДНК.
Атавизм (от лат. а1ауш - отдаленный предок) - появление у от-
дельных особей признаков, свойственных их отдаленным предкам,
но отсутствующим у ближайших. Примерами атавизмов у человека
являются хвостовидный придаток, добавочные пары молочных же-
лез, сплошной волосяной покров на теле и т.д.
Рудимент (от лат. гисйтепШт - зачаток, первооснова) - недораз-
витый орган, бывший полноценным у предковых форм организма,
но утративший свое основное значение в процессе эволюционного
развития. Примерами рудиментов у человека являются дарвинов
бугорок на ушной раковине, остатки третьего века, аппендикс и др.
Сравнение геномов показывает, что самыми близкими родствен-
никами человека из ныне живущих видов являются два вида шим-
панзе (обыкновенный и бонобо). В среднем сходство между нуклео-
тидными последовательностями ДНК этих видов и человека
составляет 98,7%.
Человек и шимпанзе различаются по числу хромосом в диплоид-
ном наборе (23 пары у человека и 24 пары у шимпанзе). Не-
видимому, хромосома 2 человека произошла в результате слияния
двух хромосом обезьяны. Больше всего отличаются друг от друга
У-хромосомы человека и шимпанзе, а меньше всего - их Х-хро-
мосомы.
По различиям между нуклеотидными последовательностями
митохондриальной ДНК людей и шимпанзе было вычислено время
первого разделения групп предков ныне живущих людей, которое
произошло 180-200 тыс. лет назад. Это дата наиболее древней мута-
ции в митохондриальной ДНК, которую генетики смогли рас-
познать.
Вопросы о том, как эволюционировали специфически человече-
ские черты, такие как развитое сознание, интеллектуальные способ-
ности и развитая речь, которые легли в основу коллективной трудо-
вой деятельности, религии и искусства, и в чем состояла их роль
в появлении сложной социальной организации и культуры Человека
разумного, - остаются по сей день предметом научных дискуссий.
Поскольку изменения этих способностей невозможно прямо отсле-
дить по останкам гоминид и следам их жизнедеятельности, для изу-
чения их эволюции ученые интегрируют данные различных наук,
в том числе физической и культурной антропологии, зоопсихологии,
этологии, нейрофизиологии, генетики.
Контрольные вопросы
1. Что изучает биология?
2. Каковы основные методы, используемые в биологических дисци-
плинах?
3. Перечислите основные свойства живой материи. Охарактеризуй-
те уровни ее организации.
4. Опишите важнейшие теории происхождения жизни.
5. Каковы движущие силы эволюционного процесса?
6. В чем состоит различие между микро- и макроэволюцией?
7. Приведите примеры различных способов видообразования.
8. Назовите признаки биологического прогресса.
9. Перечислите различные пути эволюции и проиллюстрируйте их
примерами.
10. Каковы результаты эволюции?
11. Опишите систематическое положение Человека разумного.
Глава 2
КЛЕТКА - СТРУКТУРНАЯ
1/1 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЕДИНИЦА ЖИВОГО
В ходе изучения темы важно запомнить: основные положения
клеточной теории, естественную классификацию живых организ-
мов, строение и функции органоидов эукариотической клетки, по-
нятие о метаболизме как совокупности реакций катаболизма и
анаболизма, определение и фазы клеточного цикла, способы деления
клеток и виды размножения организмов.
2.1. Основы цитологии.
Клеточная теория
Цитология - наука о клетках, изучающая их строение и функ-
ции. Клеточная теория - основополагающая биологическая тео-
рия, которую сформулировали в 1838 г. М. Шлейден и Т. Шванн.
В 1858 г. Р. Вирхов дополнил ее важнейшим положением - всякая
клетка происходит от другой клетки.
Основные положения современной клеточной теории
1. Клетка - элементарная живая система. Она является структур-
ной, функциональной и генетической единицей организации живых
организмов.
2. Клетки всех организмов сходны по строению, химическому
составу и обмену веществ.
3. Рост и развитие организма - результат роста и размножения
одной или нескольких исходных клеток.
4. Ядро клетки является основным регулятором ее жизнедея-
тельности.
5. Все живые клетки возникают только путем деления ранее су-
ществовавших клеток.
6. Клеточное строение живых организмов свидетельствует
о единстве их происхождения.
2.2. Классификация форм жизни на основе
их клеточного строения
Согласно одной из современных классификаций, все формы
жизни делятся на две большие группы - неклеточные (вирусы, ви-
роиды, плазмиды и прионы) и организмы, имеющие клеточное
строение: прокариоты (эубактерии и архебактерии) и эукариоты
(протесты, грибы, растения, животные). Неклеточные формы жизни
принято рассматривать как переходные формы между неживой и
живой материей. Другой подход заключается в том, чтобы относить
вирусы, вироиды, плазмиды и прионы к молекулярным инфекцион-
ным агентам, считая, что феномен жизни возникает на клеточном
уровне. Иногда вирусы причисляют к живым системам, а вироиды,
плазмиды и прионы - к молекулярным инфекционным агентам.
Вирусы (от лат. \чгш - яд) - субклеточные инфекционные аген-
ты, которые могут воспроизводиться только внутри живых клеток.
По природе вирусы являются автономными генетическими элемен-
тами, имеющими внеклеточную стадию в цикле развития. Вирусы
представляют собой микроскопические частицы, способные инфи-
цировать живые организмы. Они состоят из молекул НК (ДНК и/или
РНК), заключенных в капсид - белковую оболочку. Строение вирус-
ной частицы показано на примере вируса герпеса (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Схема строения вируса герпеса
Наличие капсида отличает вирусы от вирусоподобных инфекци-
онных НК - вироидов. Вирусы, за редким исключением, содержат
только один тип геномной НК. Их принято подразделять на ДНК-
и РНК-содержащие, на чем основана классификация вирусов по Бал-
тимору. Ранее к вирусам также ошибочно относили прионы, однако
впоследствии оказалось, что эти возбудители представляют собой
особые инфекционные белки и не содержат НК. Плазмиды - до-
полнительные факторы наследственности, которые располагаются
в клетках вне хромосом и представляют собой кольцевые (замкну-
тые) или линейные молекулы ДНК, способные автономно удваи-
ваться (реплицироваться), эксплуатируя репликационную систему
клетки-хозяина.
В настоящее время многие исследователи считают, что вскоре
после возникновения жизни сформировалось три надцарства (импе-
рии) клеточных организмов: эубактерии (включая сине-зеленые
водоросли, или цианобактерии), архебактерии и эукариоты (цар-
ства протесты, грибы, растения, животные).
Эубактерии и архебактерии (археи) являются прокариотами
(лат. Ргосагуо1сц от др.-греч. яро - перед и карьох - ядро), - до-
ядерными организмами, не имеющими оформленного ядра и слож-
но устроенных мембранных органоидов, а клетки эукариот
(лат. Еикагуо1а от др.-греч. - хорошо и карьох - ядро) содержат
ядра и обладают одно- и двумембранными органоидами.
Архебактерий сближает с эукариотами как экзон-интронная
структура генов, так и некоторые другие признаки. Оболочки клеток
у них состоят из эфиров углеводородов (типа изопрена) - соедине-
ний, не встречающихся у других организмов. Архебактерии обитают
в бескислородных слоях литосферы, концентрированных солевых
растворах, горячих вулканических источниках.
Эубактерии чрезвычайно широко представлены в биосфере. Это
безъядерные одноклеточные организмы, геномы которых лишены
экзон-интронной организации. Часть из них (сапрофиты и паразиты)
имеет гетеротрофный тип питания и нуждается в готовых органиче-
ских соединениях, другие относятся к автотрофному типу и могут
синтезировать все необходимые им органические молекулы из неор-
ганических соединений (хемотрофы и фототрофы). Строение бакте-
риальной клетки показано на примере фототрофной бактерии
(рис. 2.2).
Эукариоты обладают оформленным клеточным ядром и сложно
устроенными мембранными органоидами. Именно эта группа живых
организмов дала колоссальное разнообразие одноклеточных и мно-
гоклеточных форм. Все эукариоты подразделяются на четыре царст-
ва: растения, грибы, животные и протесты. В основе этого деления
лежат их строение и образ жизни, важной особенностью которого
является способ питания. Большинство растений - автотрофы. Гри-
бы, несмотря на внешнее сходство с растениями, являются гетеро-
трофами. Животные тоже гетеротрофы, но отличаются, как правило,
высокой подвижностью и более сложной организацией. Для протист
характерны различные способы питания.
Рис. 2.2. Обобщенная схема клетки фототрофной бактерии
Имеются важные различия между этими царствами и на клеточ-
ном уровне. Так, клетки животных покрыты тонким полисахарид-
ным слоем (гликокаликсом) и не имеют клеточной стенки (рис. 2.3).
Запасным углеводом является гликоген.
Микрофиламенты
(рассеяны по всей
клетке)
Цитоплазма
Ядрышко
Хроматин
Две ценриоли,
расположенные
под прямым углом
друг к другу
Секреторный
пузырек
Пузырьки
Гольджи
Аппарат
Гольджи
Ядерная
пора
Ядерная оболочка
Ядро 7 (Две мембраны)
Митохондрии
Лизосомы
Свободные рибосомы,
рассянные
в цитоплазме
Гладкий
эндоплазматический
ретикулум
Шероховатый
эндоплазматический
ретикулум
Рибосомы,
связанные с ЭПР
Микротрубочки
(часто у периферии клетки)
Плазматическая
мембрана
Рис. 2.3. Обобщенная схема животной клетки
Клетки растений имеют толстую клеточную стенку, состоящую
из полисахарида целлюлозы. Они содержат крупные вакуоли, а так-
же особые двумембранные органоиды - пластиды (хлоропласты,
лейкопласты, хромопласты), отсутствующие у грибов и животных.
Запасные питательные вещества откладываются в виде крахмала.
Стенки прилегающих друг к другу растительных клеток сцементи-
рованы пектинами и образуют срединную пластинку. Между со-
седними клетками образуются особые контакты - плазмодесмы
(рис. 2.4).
Цитоплазма
Лизосома
Митохондрии
Хлоропласт
Плазматическая
мембрана
Микротрубочки
(часто у периферии клетки)
Шероховатый
эндоплазматический
ретикулум
Плазмодесма
Микрофиламенты
(рассеяны по всей
клетке)
Гладкий
эндоплазматический
ретикулум
Рибосомы, связанные
с эндоплазматическим
ретикулумом
{Тонопласт
Клеточный
сок
Хроматин
Ядрышко
Ядро/ Ядерная пора
) Ядерная оболочка
(две мембраны)
Аппарат Гольджи
Свободные рибосомы,
рассеянные
в цитоплазме
Рис. 2.4. Обобщенная схема растительной клетки
Клетки грибов имеют клеточную стенку, состоящую из азотсо-
держащего полисахарида хитина. В цитоплазме имеется центральная
вакуоль и отсутствуют пластиды. Главным резервным углеводом
является гликоген.
2.3. Строение эукариотической клетки
Основные структурные элементы клеток эукариот:
1) плазматическая мембрана (плазмалемма) образована били-
пидным слоем с погруженными в него белками и выполняет погра-
ничную, транспортную, сигнальную, рецепторную, защитную и дру-
гие функции. Важнейшим свойством плазматической мембраны
является избирательная проницаемость;
2) цитоплазма (с органоидами) - полужидкая внутренняя среда
клетки - состоит из геля - цитозоля, поддерживаемого цитоскелетом
и содержащего органоиды (специализированные участки цитоплаз-
мы, которые осуществляют жизненно важные функции) и включе-
ния.
3) ядро состоит из кариоплазмы (полужидкой внутренней среды)
и хроматина, организованного в виде хромосом. Оно предназначено
для хранения, удвоения и передачи потомкам наследственной ин-
формации, а также является регулятором процессов обмена веществ.
Плазматическая мембрана - оболочка животной клетки, огра-
ничивающая ее внутреннюю среду и обеспечивающая взаимодейст-
вие клетки с внеклеточной средой. Среди многочисленных моделей
мембран наиболее универсальной оказалась жидкостно-мозаичная
модель, которая постулирует наличие гидрофобно-гидрофильных
взаимодействий не только между липидными молекулами, но и ме-
жду липидами и белками (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Жидкостно-мозаичная модель клеточной мембраны
Основу плазматической мембраны составляют липиды трех
классов: фосфолипиды (липиды, соединенные с фосфатными груп-
пами), гликолипиды (липиды, соединенные с углеводами) и трех-
атомный спирт холестерол. В двойном (билипидном) слое фосфоли-
пидные и гликолипидные молекулы обращены друг к другу
гидрофобными участками, а его внешняя и внутренняя поверхности
образованы гидрофильными участками молекул.
Холестерол придает мембране жесткость, занимая свободное
пространство между гидрофобными хвостами липидных молекул и
не позволяя им изгибаться. Поэтому мембраны с малым содержани-
ем холестерола являются более гибкими и текучими, а с большим -
более жесткими и хрупкими. Также холестерол затрудняет переме-
щение полярных молекул из клетки и в клетку.
Мембранные белки представлены тремя разновидностями:
1) периферические белки располагаются на поверхности били-
пидного слоя и связаны с полярными головками липидных молекул
электростатическими взаимодействиями;
2) интегральные белки пронизывают всю толщу мембраны, при-
чем их гидрофобная часть погружена в гидрофобную зону билипид-
ного слоя;
3) полуинтегралъные белки погружены в мембрану лишь наполо-
вину, выступая наружу с какой-то одной (внешней или внутренней)
поверхности мембраны.
Мембранные белки обладают разнообразными специфическими
функциями. Они выполняют роль рецепторов, являются активными
и пассивными переносчиками различных соединений, входят в со-
став многочисленных ферментных систем и т.д. Белки, соединенные
с углеводами, образуют гликопротеины плазматической мембраны.
Гликозильные (углеводные) группы гликолипидов и гликопротеинов
образуют слой гликокаликса, выполняющий сигнальную, рецептор-
ную и адгезивную функции в клетках человека и животных.
Жидкостно-мозаичная модель организации мембраны постулиру-
ет возможность латерального и отчасти вертикального смещения
интегральных и полуинтегральных белковых глобул, т.е. динамич-
ность и лабильность такой системы.
Основные функции плазма леммы:
1) барьерная - отграничение внутреннего содержимого клетки от
окружающей среды;
2) структурная - придание определенной формы клеткам в соот-
ветствии с выполняемыми функциями;
3) защитная - за счет избирательной проницаемости, рецепции
и антигенности мембраны;
4) механическая - обеспечивает автономность клетки и ее внут-
риклеточных структур, а также соединение с другими клетками
в составе тканей;
5) рецепторная - некоторые периферические белки мембраны
являются рецепторами (молекулами, при помощи которых клетка
воспринимает те или иные сигналы). Существуют неспецифические
рецепторы, которые воспринимают несколько раздражителей (на-
пример, холодовые и тепловые терморецепторы), и специфические,
которые воспринимают только один раздражитель (рецепторы све-
товоспринимающей системы глаза);
6) электрогенная - изменение электрического потенциала по-
верхности клетки за счет перераспределения ионов между наружной
и внутренней сторонами плазмалеммы; благодаря этой функции соз-
дается мембранный потенциал - разность электрических потенциа-
лов, существующая у живых клеток между их цитоплазмой и вне-
клеточной жидкостью.
7) антигенная - на поверхности каждой клетки имеются молеку-
лы (антигены), которые специфичны только для данного вида кле-
ток. С их помощью иммунная система способна различать свои
и чужие клетки;
8) матричная - организует оптимальное взаимное расположение
и ориентацию мембранных белков для их эффективного взаимо-
действия;
9) компартментация - подразделение содержимого клетки на
отдельные ячейки, отличающиеся деталями химического или фер-
ментного состава. Этим достигается высокая упорядоченность внут-
реннего содержимого любой эукариотической клетки. Компарт-
ментация способствует пространственному разделению процессов,
протекающих в клетке. Отдельный компартмент (ячейка) представ-
лен какой-либо мембранной органеллой (например, лизосомой) или
ее частью (кристами, отграниченными внутренней мембраной мито-
хондрий);
10) транспортная - регуляция избирательной проницаемости для
различных веществ.
Способы транспорта веществ через плазматическую мем-
брану:
• пассивный транспорт - способ диффузии веществ через
плазмалемму (ионов, некоторых низкомолекулярных веществ) без
затраты энергии;
• активный транспорт веществ с помощью белков-перенос-
чиков с затратой энергии (аминокислот, нуклеотидов и других);
• везикулярный транспорт через посредство везикул (пузырь-
ков), который подразделяется на эндоцитоз - транспорт веществ
в клетку и экзоцитоз - транспорт веществ из клетки.
Эндоцитоз подразделяется на:
• фагоцитоз - захват и перемещение в клетку крупных частиц
(клеток или фрагментов, бактерий, макромолекул и так далее);
• пиноцитоз - перенос воды и небольших молекул.
Органоиды - постоянные, обязательно присутствующие, компо-
ненты клетки, выполняющие специфические функции (табл. 2.1).
По строению делятся на двумембранные (ядро, митохондрии, пла-
стиды), одномембранные (ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы, ва-
куоли и др.) и немембранные (рибосомы, цитоскелет, клеточный
центр и др.). По функции делятся на органоиды общего назначения
и специальные. К первой группе относятся митохондрии, рибосомы,
ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы и др., они имеются в подавляю-
щем большинстве клеток. Специальные органоиды, такие как рес-
нички и жгутики, содержатся лишь в специализированных клетках.
Таблица 2.1
Строение и функции органоидов эукариотической клетки
Схема строения Особенности строения и функции
Одномембранные органоиды
Эндоплазматический ретикулум (ЭПР), или эндоплазматическая сеть (ЭПС): • гладкий ЭПР • разновидность гладкого ЭПР - саркоплазматический ретикулум мышечных клеток Система мембран, формирующих цистерны и каналы, соединенные друг с другом и ограничивающие единое внутреннее пространство - полости ЭПР. Мембраны связаны с цитоплазматической и наружной ядерной мембранами. Функции гЭПР: 1) транспорт веществ из одной части клетки в другую, 2) разделение цито- плазмы клетки на компартменты («отсеки»), 3) синтез, модифика- ция, накопление и транспорт угле- водов и липидов (гладкая ЭПС), 4) образование аппарата Гольджи и других одномембранных органоидов. Специализированный ЭПР поперечно-полосатой и сердечной мышечных тканей. Вместе с кана- лами Т-системы (впячиваниями мышечной клеточной мембраны - сарколеммы) образует саркотубу- лярную систему.
• шероховатый ЭПР
Рибосомы
Цистерна
Комплекс Гольджи,
или аппарат Гольджи
Цис-отдел
Саркоплазматический ретикулум
окутывает каждый сократительный
элемент саркомера, выполняет
функцию резервирования ионов
кальция и, по мере необходимости,
выведения их в саркоплазму
для обеспечения мышечного
сокращения.
На мембранах полостей и каналов
шЭПР находятся рибосомы.
Помимо функций гЭПР, шЭПР
осуществляет синтез, модифика-
цию и транспорт белков.
ЭПР сильно развит в клетках желез
и нервных клетках.
Система уплощенных мембранных
цистерн диаметром около 1 мкм
и мелких одномембранных
пузырьков (пузырьки Гольджи).
Диктиосома (тельце Гольджи) -
стопка из 4-6 цистерн. На одном
конце диктиосомы (ближний
к ЭПР - цис-отдел) происходит
образование пузырьков, на другом
(трансотдел) отпочковываются
пузырьки, содержащие зрелые
продукты. Число диктиосом
в клетке колеблется от одной
до нескольких сотен.
Комплекс Гольджи сильно развит
в секреторных клетках.
Функции: 1) накопление белков,
липидов, углеводов, 2) модифика-
ция и упаковка органических ве-
ществ в мембранные пузырьки,
3) формирование компонентов
плазматической мембраны, кле-
точной стенки и др., 4) образование
лизосом, 5) секреция.
Особенности строения и функции
Сферический мембранный пузы-
рек, содержащий гидролитические
ферменты. Виды лизосом: 1) пер-
вичные лизосомы, 2) вторичные
лизосомы. Первичными называют-
ся лизосомы, отшнуровавшиеся от
аппарата Гольджи. Вторичными -
лизосомы, образовавшиеся в ре-
зультате слияния первичных лизо-
сом с эндоцитозными вакуолями.
Функции лизосом: 1) внутрикле-
точное переваривание органиче-
ских веществ, 2) уничтожение
ненужных клеточных и неклеточ-
ных структур, 3) участие в процес-
сах реорганизации клеток.
Двумембранные органоиды
Ядро
Митохондрии
Внутренняя
мембрана
Наружная
мембрана
Кольцевая
молекула
ДНК
Рибосомы
Матрикс
Криста
Фосфатная
гранула
Самый крупный органоид клетки
(диаметром до 10 мкм) имеет
двойную ядерную мембрану, про-
низанную порами. Внутреннее со-
держимое ядра - ядерный сок или
кариоплазма (нуклеоплазма), в пе-
риод интерфазы в ней находятся
хроматин (ДНК и белки) и ядрыш-
ко (ДНК, рРНК и белки). Функции
ядра: 1) хранение, удвоение и пе-
редача наследственной информа-
ции дочерним клеткам в процессе
деления, 2) регуляция жизнедея-
тельности клетки, 3) место образо-
вания субъединиц рибосом.
Двумембранные органоиды.
Наружная мембрана содержит фер-
менты, может взаимодействовать
с мембраной ЭПР. Внутренняя
мембрана митохондрии образует
складки - кристы, на них происхо-
дит окислительное фосфорилиро-
вание и перенос электронов.
Схема строения Особенности строения и функции
В матриксе митохондрий работают ферменты, участвующие в цикле Кребса и окислении жирных кислот. Митохондрии имеют соб- ственную ДНК и содержат рибосо- мы. Функции: окисление органиче- ских соединений и синтез АТФ. Митохондрии - энергетические станции клетки, их количество в ней может достигать нескольких тысяч.
Пластиды Хлоропласты Рибосомы Крахмальное \ зерно Наружная мембрана — Грана Внутренняя мембрана Ламелла Капелька масла / \ Кольцевая Строма молекулаДНК Двумембранные органоиды. Пла- стиды характерны только для рас- тительных клеток. Различают три основных типа пластид: хлоропла- сты - зеленые пластиды, лейкопла- сты - бесцветные пластиды в клет- ках неокрашенных частей растений, хромопласты - окрашен- ные пластиды обычно желтого, красного и оранжевого цветов. Хлоропласт окружен двойной мембраной и заполнен стромой. Строма содержит крахмал, рибо- сомы, кольцевую молекулу ДНК, РНК, капли масла, ферменты цикла Кальвина. Внутренняя мембрана окружает строму. В строме распо- ложены тилакоиды - уплощенные дисковидные мешочки, которые собраны в стопки - граны. Тилакоиды гран соединены ламел- лами. Функция хлоропластов: фото- синтез. Функция лейкопластов: синтез, накопление и хранение запасных питательных веществ. Функция хромопластов: окрашива- ние цветов, плодов и других частей растений.
Схема строения Особенности строения и функции
Немембранные органоиды
Рибосомы Большая субъединица Малая субъединица С.— Мелкие немембранные органоиды, состоящие из белков и РНК. Обра- зуются в ядрышке. Расположены на поверхности шЭПР или свобод- но плавают в цитоплазме. Рибосо- мы могут образовать полисому (полирибосому). Функция: синтез белка.
Клеточный центр Центриоли Центриоль Микротрубочка Клеточный центр включает в себя две центриоли и центросферу. Центриоль представляет собой цилиндр, стенка которого образо- вана девятью группами из трех слившихся микротрубочек (9 триплетов), соединенных между собой через определенные интер- валы поперечными сшивками. Центриоли объединены в пары, где они расположены под прямым углом друг к другу. В течение кле- точного цикла центриоль удваива- ется. В профазе митоза или мейоза центриоли расходятся к полюсам клетки и формируют центры орга- низации микротрубочек веретена деления. В клетках высших растений и большинства грибов центриолей нет. Функция центриолей: принимают участие в образовании веретена деления.
Компоненты цитоскелета Микротрубочки состоят из белка тубулина. Внешний диаметр 25 нм, внутренний 15 нм. Способны к самосборке. В клетках выпол- няют функции: 1) участие в митозе, цитокинезе, везикулярном транс- порте, 2) структурная основа цито- скелета.
Микрофиламенты - тонкие белко-
вые нити диаметром 5-8 нм.
Располагаются пучками, сетями.
Основным белком микрофиламен-
тов является актин. Сократимые
элементы цитоскелета.
Функции: 1) участие в изменении
формы клетки, 2) участие в движе-
нии клетки.
Включения - непостоянные структуры цитоплазмы, которые мо-
гут появляться или исчезать в зависимости от функционального со-
стояния клетки.
Классификация включений
• Трофические включения - отложенные в запас гранулы пита-
тельных веществ (белки, жиры, углеводы). Пример: гликоген в мы-
шечных волокнах.
• Пигментные включения - гранулы эндогенных или экзогенных
пигментов. Примеры: меланин в меланоцитах кожи (для защиты от
У ФЛ), гемаглобин в эритроцитах (для транпортировки кислорода
и углекислого газа).
• Секреторные включения - капельки (гранулы) секрета веществ,
подготовленные для выделения из любых секреторных клеток
(в клетках всех экзокринных и эндокринных желез). Пример: ка-
пельки молока в лактоцитах.
• Экскреторные включения - конечные (вредные) продукты об-
мена веществ, подлежащие удалению из организма. Пример: вклю-
чения мочевины, мочевой кислоты, креатинина в клетках эпителия
почечных канальцев.
2.4. Клеточный метаболизм
Метаболизм (обмен веществ) - совокупность всех химических
реакций, протекающих в живом организме. Значение метаболизма
состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении
его энергией. В нем выделяют две взаимосвязанные части - анабо-
лизм и катаболизм (рис. 2.6):
Рис. 2.6. Совокупность процессов обмена веществ в организме
Анаболизм (или пластический обмен, или ассимиляция) - сово-
купность химических реакций синтеза сложных веществ из более
простых (образование углеводов из углекислого газа и воды в про-
цессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза). Для протекания
анаболических реакций требуются затраты энергии. У автотрофов
основные анаболические реакции протекают в процессах фотосинте-
за и хемосинтеза, а у гетеротрофов представлены матричным синте-
зом белка и других органических молекул.
Фотосинтезом называют процесс образования органических
(и неорганических) молекул из неорганических за счет использова-
ния энергии солнечного света. Этот процесс состоит из двух фаз -
световой и темновой. Совокупность реакций, которая требует света,
относится к «световой фазе», а та, которая не нуждается в свете, -
к «темновой фазе».
Первый этап фотосинтеза - его световая фаза - это поглощение
энергии света молекулами пигментов. Пигменты, участвующие
в фотосинтезе эукариот, включают хлорофиллы и каротиноиды, ко-
торые упакованы в тилакоиды хлоропластов в виде фотосинтетиче-
ских единиц, называемых фотосистемами. Свет, поглощенный моле-
кулами пигментов, поднимает их электроны на более высокий
энергетический уровень. Молекулы пигментов упакованы в фото-
системах таким бразом, что способны передавать эту энергию на
специальную молекулу пигмента, называемую реакционным цент-
ром. У высших растений имеются две фотосистемы: фотосистема I
и фотосистема II.
Энергия солнечного света улавливается реакционным центром
Р680 фотосистемы II. Электроны от Р680 поднимаются на более высо-
кий уровень к электронному акцептору. Когда электроны Р680 уда-
ляются, они замещаются электронами молекулы воды, и образуется
кислород. Пары электронов затем «спускаются» по электронно-
транспортной цепи к фотосистеме I; при переносе электронов возни-
кает протонный градиент, который способствует синтезу АТФ из
АДФ и фосфата (фосфорилирование).
Тем временем световая энергия, поглощенная фотосистемой I,
поступает в ее реакционный центр Р7Оо. Энергизованные электроны
обязательно взаимодействуют с коферментом НАДФ, а в Р7Оо ушед-
шие электроны замещаются электронами из фотосистемы II. Энер-
гия, выделяемая в световых реакциях, запасается в виде молекул
НАДФН2 и АТФ, образуемого при фотофосфорилировании. Фото-
фосфорилирование происходит и при циклическом переносе элек-
тронов в обход фотосистемы II.
Подобно окислительному фосфорилированию, происходящему
в митохондриях, фотофосфорилирование в хлоропластах представ-
ляет собой хемиосмотический процесс. Когда электроны переносят-
ся по электронно-транспортной цепи от фотосистемы II к фото-
системе I, протоны выкачиваются из стромы в тилакоидное
пространство, создавая градиент потенциальной энергии. Когда про-
тоны преодолевают этот градиент, переходя из тилакоидного про-
странства обратно в строму, они идут через АТФ-синтетазу, в ре-
зультате образуется АТФ.
В темновых реакциях, которые происходят в строме хлоропласта,
используется НАДФН2 и АТФ, образуемые в световых реакциях,
чтобы восстановить двуокись углерода до органического углерода.
Таким образом, фотосинтез является окислительно-восстанови-
тельным процессом, в ходе которого световая энергия превращается
в химическую и углерод «фиксируется» в виде органических соеди-
нений.
Суммарное уравнение фотосинтеза следующее:
СО2 + 2Н2А + световая энергия —> (СН2О) + Н2О + 2А,
где Н2А представляет воду или другое соединение, которое может
быть окислено, т.е. может отдать электроны.
Биосинтез белка - это сложный, не до конца изученный процесс
экспрессии генов. Экспрессия - это реализация информации, запи-
санной в генах, по схеме: ДНК-РНК-белок. Она состоит из двух
частей: транскрипции (происходит в ядре клетки) и трансляции
(осуществляется в цитоплазме).
Транскрипция (букв. - переписывание, от лат. 1г ат - через, пе-
ре- и 8спЫо - пишу) происходит путем синтеза на одной из цепей
молекулы ДНК одноцепочечной молекулы иРНК, последователь-
ность нуклеотидов которой точно соответствует (комплементарна)
последовательности нуклеотидов матрицы - полинуклеотидной цепи
ДНК.
Трансляция (от лат. 1гап$1аИо - передача, перевод) - следующий
этап биосинтеза - перевод информации, заключенной в последова-
тельности нуклеотидов (последовательности кодонов) молекулы
иРНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи.
Катаболизм (или энергетический обмен, или диссимиляция) -
совокупность химических реакций, приводящих к образованию про-
стых веществ из более сложных (гидролиз полимеров до мономеров
и расщепление последних до низкомолекулярных соединений угле-
кислого газа, воды, аммиака и др. веществ). Катаболические реакции
идут обычно с высвобождением энергии.
Катаболизм у всех аэробных организмов подразделяется на не-
сколько этапов:
1. Подготовительный (расщепление). На этом этапе высоко-
молекулярные органические вещества (биополимеры) под действием
соответствующих ферментов расщепляются на мономеры: белки -
на аминокислоты, полисахариды - на моносахариды, жиры - на гли-
церин и жирные кислоты, НК - на нуклеотиды и т.д. На этом этапе
кислород не используется; выделяется небольшое количество энер-
гии, которая рассеивается в виде тепла.
2. Бескислородный (неполное окисление). Образовавшиеся на
подготовительном этапе мономеры подвергаются дальнейшему
ферментативному распаду без доступа кислорода. Примером может
служить ферментативное окисление глюкозы (гликолиз), которая
является одним из основных источников энергии для живых орга-
низмов.
Гликолиз - многоступенчатый процесс расщепления глюкозы
в бескислородных условиях до пировиноградной кислоты (с обра-
зованием НАДН и АТФ), которая затем может расщепиться
в цитоплазме клеток до молочной, уксусной, масляной кислот или
этилового спирта.
В клетках животных и многочисленных бактерий пировиноград-
ная кислота восстанавливается до молочной кислоты.
При спиртовом брожении могут образовываться различные спир-
ты и углекислый газ, при маслянокислом брожении - масляная
кислота.
В ходе бескислородного расщепления часть энергии рассеивается
в виде тепла, другая часть накапливается в форме химических
связей.
3. Кислородный (полное окисление). Этот этап происходит
в митохондриях клеток с участием кислорода. На этой стадии в про-
цессе окисления важную роль играют ферменты, способные перено-
сить электроны. В цепь переноса электронов поступают молекулы -
носители энергии, которые получили энергетический заряд на вто-
ром этапе окисления глюкозы.
Электроны от молекул-носителей энергии, как по ступеням, пе-
ремещаются по звеньям цепи с более высокого энергетического
уровня на менее высокий. Освобождающаяся энергия расходуется на
зарядку молекул АТФ. Электроны молекулярных носителей энер-
гии, отдавшие энергию на «зарядку» АТФ, соединяются в конечном
итоге с кислородом. В результате этого образуется вода. В цепи пе-
реноса электронов, расположенной во внутренней мембране мито-
хондрий, конечным приемником электронов является кислород.
Кислород обеспечивает разность потенциалов в цепи переноса
электронов и как бы притягивает электроны с высоких энергетиче-
ских уровней молекул-носителей энергии на свой низкоэнергетиче-
ский уровень. По пути происходит синтез богатых энергией молекул
АТФ.
Таким образом, третий этап энергетического обмена происходит
только у аэробных организмов и является наиболее энергетически
выгодным.
Итогом совокупности реакций катаболизма является полное рас-
щепление веществ до неорганических составляющих, в частности -
глюкозы до воды и углекислого газа с созданием энергетических
молекул АТФ.
Суммарное уравнение расщепления глюкозы:
С6Н12О6 + 6О2 + З8Н3РО4 + 38АДФ 44Н2О+ 6СО2 + 38АТФ.
2.5. Клеточный цикл. Способы деления клеток.
Половое и бесполое размножение
Клеточный цикл (жизненный цикл клетки) - это период су-
ществования клетки: от момента ее возникновения в результате де-
ления материнской клетки до ее собственного деления или смерти.
В нем выделяют фазу клеточного деления и интерфазу (период от
одного клеточного деления до другого). Интерфаза состоит их трех
периодов: пресинтетического, синтетического и постсинтетического
(рис. 2.7).
Рис. 2.7. Схема клеточного цикла
Основой размножения и индивидуального развития организмов
является деление клетки. Известно три способа деления эукариоти-
ческих клеток: амитоз, митоз и мейоз.
Амитоз - способ деления клетки, при котором наследственный
материал случайным образом распределяется между дочерними
клетками. Он характерен для клеток прокариот, а также для повреж-
денных, стареющих, опухолевых и для некоторых высокоспециали-
зированных, с ослабленной физиологической активностью клеток
эукариот.
Митоз - тип клеточного деления, в ходе которого две дочерние
клетки получают генетический материал, идентичный тому, который
содержался в материнской клетке (рис. 2.8, \а). Если исходная клет-
ка была диплоидной, то каждая новая также будет содержать двой-
ной набор хромосом. Этим способом делится большинство клеток
эукариот, не участвующих в половом размножении.
Фазы митоза:
Профаза - происходит конденсация хромосом, клеточный центр
делится, центриоли расходятся к полюсам клетки, разрушается
ядерная оболочка, образуется веретено деления.
Метафаза - унивалентные хромосомы (состоящие из двух хро-
матид каждая) располагаются в экваториальной плоскости клетки
(на равном расстоянии от полюсов), образуя так называемую мета-
фазную пластинку. К ним прикрепляются нити веретена деления.
Анафаза - униваленты делятся, хроматиды становятся самостоя-
тельными хромосомами и расходятся к полюсам клетки.
Телофаза - хромосомы деспирализуются, появляются ядерные
оболочки, дочерние клетки обособляются друг от друга.
Мейоз - тип клеточного деления, состоящий из двух последова-
тельных делений (редукционного и эквационного) с коротким
промежутком (интеркинезом) между ними, во время которого не
осуществляется синтез ДНК (рис. 2.8, 2). Редукционное деление со-
провождается уменьшением числа хромосом в 2 раза и регулярным
обменом идентичными участками между гомологичными хромосо-
мами (кроссинговером). В ходе эквационного деления число хромо-
сом не изменяется. В результате у диплоидных организмов из одной
диплоидной клетки образуются 4 гаплоидные, каждая из которых
генетически уникальна. Мейотическое деление характерно для
созревающих половых клеток.
Фазы редукционного деления мейоза (рис. 2.8, 26):
Профаза I - профаза первого деления очень сложная и состоит из
5 стадий:
Лептотена - упаковка хромосом, конденсация ДНК с образова-
нием хромосом в виде тонких нитей (хромосомы укорачиваются).
Зиготена - осуществление конъюгации - соединения гомологич-
ных хромосом с образованием структур, состоящих из двух соеди-
ненных хромосом, называемых тетрадами, или бивалентами, и их
дальнейшая компактизация.
Пахитена - (самая длительная стадия) кроссинговер (перекрест),
обмен участками между гомологичными хромосомами; гомологич-
ные хромосомы остаются соединенными между собой.
Диплотена - частичная деконденсация хромосом, при этом часть
генома может работать, происходят процессы транскрипции (обра-
зование РНК), трансляции (синтез белка); гомологичные хромосомы
остаются соединенными между собой. У некоторых животных в
ооцитах хромосомы на этой стадии профазы мейоза приобретают
характерную форму хромосом типа ламповых щеток.
Диакинез - ДНК снова максимально конденсируется, синтетиче-
ские процессы прекращаются, растворяется ядерная оболочка; цен-
триоли расходятся к полюсам; гомологичные хромосомы остаются
соединенными между собой.
2
Рис. 2.8. Жизненный цикл митотически (1) и мейотически (2) делящейся клетки:
а - митоз, б - первое мейотическое деление (редукционное),
в - второе мейотическое деление (эквационное)
К концу профазы I центриоли мигрируют к полюсам клетки,
формируются нити веретена деления, разрушается ядерная мембрана
и ядрышки.
Метафаза I - бивалентные хромосомы выстраиваются вдоль эк-
ватора клетки.
Анафаза I - микротрубочки сокращаются, биваленты делятся,
а затем хромосомы расходятся к полюсам. Важно отметить, что из-за
конъюгации хромосом в зиготене к полюсам расходятся целые хро-
мосомы, состоящие из двух хроматид каждая, а не отдельные хрома-
тиды, как в митозе.
Телофаза I - хромосомы деспирализуются, появляются ядерные
оболочки, дочерние клетки обособляются друг от друга.
Второе деление мейоза следует непосредственно за первым без
выраженной интерфазы: 8-период отсутствует, поскольку перед вто-
рым делением не происходит репликации ДНК.
Фазы эквационного деления мейоза (рис. 2.8, 2 в):
Профаза II - происходит конденсация хромосом, клеточный
центр делится, и продукты его деления расходятся к полюсам ядра,
разрушается ядерная оболочка, образуется веретено деления.
Метафаза II - унивалентные хромосомы (состоящие из двух
хроматид каждая) располагаются на «экваторе» (на равном расстоя-
нии от «полюсов» ядра) в одной плоскости, образуя так называемую
метафазную пластинку.
Анафаза II - униваленты делятся, хроматиды расходятся к по-
люсам.
Телофаза II - хромосомы деспирализуются, появляются ядерные
оболочки, дочерние клетки обособляются друг от друга.
Таким образом, в ходе мейоза из одной диплоидной клетки обра-
зуются четыре гаплоидные клетки. В тех случаях, когда мейоз со-
пряжен с гаметогенезом (например, у многоклеточных животных),
при развитии яйцеклеток первое и второе деления мейоза резко не-
равномерны. В результате формируется гаплоидная яйцеклетка и так
называемые редукционные тельца (абортивные дериваты первого
и второго делений).
Размножение - это способность живых существ воспроизводить
себе подобных. При этом обеспечивается непрерывность и преемст-
венность жизни. Размножение бывает бесполым и половым.
В процессе бесполого размножения участвует только одна
особь. Образование гамет не происходит. Организм либо просто де-
лится на две или более частей, либо формирует специальные струк-
туры, из которых восстанавливаются новые индивиды, в большинст-
ве случаев генетически идентичные материнской особи. Для
бесполого размножения характерно прямое или непрямое деление
клеток.
В процессе полового размножения участвуют две особи, у кото-
рых образуются половые клетки - гаметы. При слиянии гамет появ-
ляются новые комбинации генов, что способствует увеличению из-
менчивости среди потомков.
Контрольные вопросы
1. Каковы основные положения клеточной теории?
2. Дайте классификацию органоидов эукариотической клетки.
3. На какие группы делятся хромосомы?
4. Опишите строение и функции плазматической мембраны клетки.
5. Дайте определение и классификацию включений.
6. Приведите определение метаболизма.
7. Опишите основные анаболические процессы.
8. Перечислите этапы катаболизма.
9. Что такое клеточный цикл?
10. Опишите черты сходства и различия между митозом и мейозом.
11. Чем половое размножение отличается от бесполого?
Глава 3
ГЕНЕТИКА: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
И ЗАКОНЫ
В ходе изучения темы важно запомнить: задачи и методы ге-
нетики, определения и виды наследственности и изменчивости, за-
коны Менделя, основные положения хромосомной теории, особенно-
сти строения и функции ДНК и РНК, этапы и биологическое
значение матричных процессов, определение и свойства генетиче-
ского кода, методы генетики человека, классификации мутагенных
факторов.
3.1. Генетика как наука
Генетика (от греч. уепемх - происхождение) - наука о законо-
мерностях наследственности и изменчивости живых организмов.
Наследственность - способность организмов передавать из по-
коления в поколение свои признаки (особенности строения, функ-
ции, развития).
Виды наследственности:
1. Ядерная (хромосомная). Определяется генами хромосом
и распространяется на большую часть признаков и свойств организ-
ма. При половом размножении эти гены передаются потомкам от
обоих родителей.
2. Внеядерная (нехромосомная, цитоплазматическая). Обу-
словлена генами митохондрий, хлоропластов, кинетосом, плазмид,
эписом. Эти гены передаются потомкам преимущественно по мате-
ринской линии.
Изменчивость - способность организмов приобретать новые
признаки (особенности строения, функции, развития).
Виды изменчивости:
1. Ненаследственная (модификационная) изменчивость - это
способность организмов изменять свой фенотип под влиянием раз-
личных факторов. Возникшие изменения, как правило, не наследу-
ются. Причиной модификационной изменчивости являются измене-
ния внешней среды обитания организма или его внутренней среды.
2. Наследственная (генотипическая) изменчивость. Наследст-
венная (генотипическая) изменчивость связана с изменением самого
генетического материала и, следовательно, передается по наследству
потомкам.
Она подразделяется на комбинативную, возникающую в резуль-
тате образования у потомков новых комбинаций уже существующих
генов в процессе полового размножения, и мутационную, возникаю-
щую в результате мутаций. Мутации - случайные ненаправленные
изменения ДНК организмов, приводящие к изменениям их генотипа.
Методы генетики. Исследование наследственных свойств жи-
вой системы называется ее генетическим анализом. Его проводят
на популяционном, организменном, клеточном и молекулярном
уровнях.
Основным методом генетики с момента возникновения науки яв-
лялся гибридологический. Он был разработан в середине XIX столе-
тия Г. Менделем, который впервые начал изучать не всю совокуп-
ность признаков потомства, а отдельные признаки.
К основным особенностям гибридологического метода относятся:
1. Использование в качестве исходных форм особей, отличаю-
щихся друг от друга сравнительно небольшим количеством кон-
трольных признаков, и тщательный учет характера наследования их.
2. Точный количественный учет потомков (гибридов) в ряду по-
следовательных поколений.
3. Индивидуальный анализ потомства от каждой родительской
формы в ряду последовательных поколений.
Для выяснения характера наследования признака в ряду поко-
лений издавна применяли также генеалогический метод (составле-
ние родословных). Для изучения роли наследственности и среды
в формировании признаков организма появился близнецовый метод.
В дальнейшем, с изобретением и совершенствованием увеличитель-
ной техники и способов приготовления препаратов, исследования
перешли на уровни клеток и хромосом. Так появился цитогенетиче-
ский метод, изучающий видимые носители генетической информа-
ции: митотические, мейотические и политенные хромосомы, интер-
фазные ядра, в меньшей степени - митохондрии и пластиды.
Молекулярно-генетические - биохимические и физико-химиче-
ские - методы включают разнообразные подходы, направленные на
изучение структуры и функции генетического материала, и направ-
лены на выяснение этапов пути «ген-признак» и механизмов
взаимодействия различных молекул на этом пути.
Мутационные методы предусматривают всесторонний анализ
мутаций и установление на его основе особенностей, закономерно-
стей и механизмов мутагенеза, углубленное изучение структуры
и функции генов.
В генетическом анализе используют и многие другие методы:
иммуногенетический, онтогенетический, феногенетический, срав-
нительно-морфологические и сравнительно-биохимические подхо-
ды, разнообразные математические методы и т.д.
Методы биотехнологии включают методы клеточной и генной
инженерии, клонирования и другие, позволяющие придавать биоло-
гическим объектам наследственные особенности, полезные для
человека.
3.2. Основные понятия и законы генетики
Ген - это элементарная единица наследственности, представлен-
ная биополимером - отрезком (или совокупностью отрезков) моле-
кулы ДНК (у некоторых вирусов РНК).
Согласно современным представлениям, ген - это совокуп-
ность геномных последовательностей, кодирующих сцепленный
набор потенциально перекрывающихся функциональных продук-
тов. В генах содержится информация о первичной структуре белков
и других макромолекул, например рРНК и тРНК. Гены находятся
в хромосомах, где их сосредоточено десятки тысяч.
Гены обладают целым рядом признаков и свойств. Они устойчи-
вы, но могут изменяться (мутировать), а также взаимодействовать
между собой различными способами. Гену свойственна способ-
ность к самоудвоению (путем редупликации ДНК), мутациям и ре-
комбинации.
Гены, кодирующие белки, называются структурными. Помимо
структурных, имеются регуляторные гены, которые контролируют
активность других генов. Имеются также участки ДНК, которые
ничего не кодируют, но, по-видимому, необходимы для работы ге-
нома в целом.
Гены прокариот (доядерных организмов), к которым относятся
в основном бактерии, организованы в виде оперонов - последова-
тельностей генов, которые регулируются (включаются и выключа-
ются) совместно. У эукариот (ядерных организмов), к которым от-
носятся растения, животные, грибы и протесты, работа каждого
гена регулируется индивидуально, что обеспечивает более точный
контроль реализации наследственной информации.
Хромосома - структурное образование ядра клеток, содержащее
гены.
Аллели - различные формы одного и того же гена, располагаю-
щиеся в определенном локусе (участке) гомологичных хромосом
и определяющие развитие одного какого-то признака. Их состояние
может быть доминантным или рецессивным.
Генотип - совокупность всех генов организма.
Фенотип - совокупность всех признаков и свойств организма.
Законы наследования признаков, установленные Г. Менде-
лем (1865 г.):
1. Первый закон - закон единообразия гибридов по генотипу
и фенотипу в первом поколении моногибридного скрещивания.
2. Второй закон - закон расщепления по генотипу и фенотипу во
втором поколении моногибридного скрещивания.
3. Третий закон - закон независимого комбинирования при не-
сцепленном наследовании - расщепление по каждому признаку идет
независимо от других признаков.
Условия выполнения этих законов:
1. Скрещиваемые организмы должны принадлежать к одному ВИ-
ДУ-
2. Изучаемые признаки должны быть дискретными и иметь аль-
тернативное проявление.
3. Скрещиваемые организмы должны четко различаться по изу-
чаемым признакам.
4. Изучаемые признаки должны быть константны, т.е. воспроиз-
водиться из поколения в поколение при скрещивании в пределах
линии.
5. Необходимы характеристика и количественный учет всех клас-
сов расщепления в ряду поколений.
6. Родительские формы должны быть гомозиготами по изучаемо-
му признаку, на проявление признака не должны по-разному влиять
условия окружающей и внутренней среды; равновероятное оплодо-
творение, одинаковая жизнеспособность потомков на всех стадиях
развития.
Правило чистоты гамет - аллели гена не сливаются друг с дру-
гом, а остаются раздельными на протяжении всей жизни особи и при
формировании половых клеток расходятся в разные гаметы, так что
одна половина гамет получает один аллель, а вторая - другой.
Положения хромосомной теории наследственности, созданной
Т.Х. Морганом и его учениками (начиная с 1910-1930 гг.):
• Каждый ген имеет свое строго определенное положение
в хромосоме.
• Гены расположены в хромосоме линейно в строго определен-
ном порядке.
• Причиной появления особей с перекомбинированными при-
знаками является кроссинговер.
• Чем дальше гены друг от друга расположены в хромосоме, тем
больше вероятность кроссинговера между ними.
3.3. Материальные основы наследственности
К нуклеиновым кислотам (НК) относятся высокомолекулярные
органические соединения, характеризующиеся определенным эле-
ментарным составом и распадающиеся при гидролизе на пуриновые
и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Осо-
бенно характерно для НК содержание фосфора (8-10%) и азота
(15-16%). НК содержат также углерод, водород и кислород. Цепи
НК содержат от нескольких десятков до многих тысяч нуклеотид-
ных остатков, расположенных линейно в определенной последова-
тельности, уникальной для данной кислоты.
Среди структурных элементов НК найдены пиримидиновые ос-
нования, пуриновые основания, углеводы и фосфорная кислота.
Пиримидиновые основания являются производными гетероцик-
лического соединения - пиримидина. В составе НК найдены сле-
дующие производные пиримидина (пиримидиновые основания):
цитозин, урацил, тимин, 5-метилцитозин и 5-оксиметилцитозин
(рис. 3.1).
Цитозин, урацил и тимин содержатся в НК в значительных коли-
чествах, а 5-метилцитозин и 5-оксиметилцитозин - в ничтожных
и далеко не всегда. Поэтому их называют минорными основаниями.
Цитозин
(2-окси-4-амино-
пиримидин)
Урацил
(2,4-диоксипи-
римидин)
Тимин
(5-метилурацил)
5-метилцитозин
Рис. 3.1. Строение пиримидиновых азотистых оснований
5-оксиметилцитозин
Пуриновые основания НК являются производными бицикличе-
ского гетероцикла пурина. В составе НК всегда имеются два произ-
водных пурина - аденин и гуанин (рис. 3.2).
Аденин
(6-аминопурин)
ОН
Гуанин
(2-амино-6-оксипурин)
Рис. 3.2. Строение пуриновых азотистых оснований
Углеводные составляющие НК представлены двумя моносаха-
ридами: рибозой в составе РНК и дезоксирибозой в составе ДНК
(рис. 3.3).
р - О - рибоза
Рис. 3.3. Строение углеводных составляющих НК
Р - О - 2 -дезоксирибоза
Химическое строение нуклеотидов весьма сходно (рис. 3.4).
Дезоксицитидин-
монофосфат
(ДЦМФ)
Дезокситимидин-
монофосфат
(ДТМФ)
Дезоксиаденозин-
монофосфат
(дАМФ)
Рис. 3.4. Химическое строение дезоксирибонуклеотидов,
их полные и сокращенные названия
Дезоксигуанозин-
монофосфат
(ДГМФ)
Таким образом, по своему строению НК являются полирибонук-
леотидами (РНК) и полидезоксирибонуклеотидами (ДНК). Черты
сходства и различия по составу между РНК и ДНК представлены в
табл. 3.1.
Таблица 3.1
Состав нуклеиновых кислот
Химические соединения ДНК РНК
Пуриновые основания Аденин, гуанин Аденин, гуанин
Пиримидиновые основания Цитозин, тимин Цитозин, урацил
Углеводы Дезоксирибоза, глюкоза (иногда) Рибоза
Неорганическое вещество Фосфорная кислота Фосфорная кислота
Характерные для каждого вида НК мононуклеотиды, объединен-
ные фосфодиэфирными связями, в количестве нескольких сотен,
а иногда тысяч образуют громадные полинуклеотидные цепи
(рис. 3.5).
В цепь В цепь
Рис. 3.5. Строение фрагментов полинуклеотидных цепей ДНК и РНК
Мономеры, которые носят название нуклеотидов, составляют
каждую из цепей НК. Они представляют собой сложные органиче-
ские соединения, включающие азотистые основания: аденин (А)
и тимин (Т) или урацил (У), цитозин (Ц) и гуанин (Г), пятиатомный
сахар - пентозу - дезоксирибозу или рибозу, по имени которой по-
лучила название и сама ДНК или РНК, а также остаток фосфорной
кислоты.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - биологический по-
лимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, соединенных
друг с другом.
Цепи нуклеотидов ДНК образуют правозакрученные объемные
спирали по 10 пар оснований в каждом витке. Последовательность
соединения нуклеотидов одной цепи противоположна таковой в дру-
гой, т.е. цепи, составляющие одну молекулу ДНК, разнонаправлены,
или антипараллельны. Сахарофосфатные группировки нуклеотидов
находятся снаружи, а комплементарно связанные нуклеотиды -
внутри. Цепи закручиваются друг вокруг друга, а также вокруг об-
щей оси и образуют двойную спираль.
Первичная структура ДНК
Под первичной структурой подразумевают порядок следования
мононуклеотидов в антипараллельных полинуклеотидных цепях.
Структура молекул ДНК подчиняется правилу Чаргаффа: число ос-
татков аденина равно числу остатков тимина. В таком же отношении
находятся гуанин и цитозин. Это связано с тем, что первичная
структура большинства ДНК представлена двухцепочечными дезок-
сиполирибонуклеотидами. Решающая роль в стабилизации двухце-
почечной молекулы принадлежит водородным связям, возникаю-
щим между комплементарными парами оснований.
Вторичная структура ДНК
Два вида сил удерживают две полидезоксирибонуклеотидные це-
пи в биспиральной молекуле ДНК. Во-первых, водородные связи
между комплементарными азотистыми основаниями, обращенными
внутрь двойной спирали ДНК. Во-вторых, это силы гидрофоб-
ных взаимодействий между азотистыми основаниями, собранными
в «стопку» вдоль молекулы ДНК. При такой упаковке оснований
в водной среде возникают силы, препятствующие контактам непо-
лярных (гидрофобных) оснований с молекулами воды. Их называют
стэкинг-взаимодействиями. Вторичная структура ДНК динамична
и в ней возможны конформационные и иные переходы под воздей-
ствием агентов окружающей среды.
Третичная структура ДНК
ДНК может существовать в виде линейных и кольцевых форм.
В линейной форме находится большинство природных ДНК. ДНК
вирусов, хлоропластов, митохондрий, центриолей и бактериальных
плазмид обладает кольцевой структурой. Третичная структура и ли-
нейных, и кольцевых форм ДНК характеризуется спирализацией
и суперспирализацией.
Дезоксирибонуклеопротеидные комплексы
В результате дальнейшей многоступенчатой укладки молекул
ДНК с участием специальных белков образуются внутренние нук-
леопротеидные структуры ядра, формирующие хроматин. Он имеет
вид глыбок, гранул и нитей. Химический состав хроматина: 1) ДНК
(30-45%), 2) гистоновые белки (30-50%), 3) негистоновые белки
(4-33%), следовательно, хроматин является дезоксирибонуклеопро-
теидным комплексом (ДНП). В зависимости от функционального
состояния хроматина различают: гетерохроматин и эухроматин.
Эухроматин - генетически активные, гетерохроматин - преимуще-
ственно генетически неактивные участки хроматина. Эухроматин
при световой микроскопии не различим, слабо окрашивается и пред-
ставляет собой деконденсированные (деспирализованные, раскру-
ченные) участки хроматина. Гетерохроматин под световым микро-
скопом имеет вид глыбок или гранул, интенсивно окрашивается
и представляет собой конденсированные (спирализованные, уплот-
ненные) участки хроматина. Хроматин - форма существования гене-
тического материала в интерфазных клетках. Во время деления
клетки (митоз, мейоз) хроматин преобразуется в хромосомы.
Хромосомы - это цитологические палочковидные структуры,
представляющие собой конденсированный хроматин и появляющие-
ся в клетке во время митоза или мейоза. Хромосомы и хроматин -
различные формы пространственной организации ДНК, соответст-
вующие разным фазам жизненного цикла клетки. Химический со-
став хромосом такой же, как и хроматина: 1) ДНК (30-45%), 2) гис-
тоновые белки (30-50%), 3) негистоновые белки (4-33%).
Основу хромосомы составляет одна непрерывная двухцепочечная
молекула ДНК; длина ДНК одной хромосомы может достигать
нескольких сантиметров. Понятно, что молекула такой длины не
может располагаться в клетке в вытянутом виде, а подвергается
укладке, приобретая определенную трехмерную структуру, или кон-
формацию. Можно выделить следующие уровни пространственной
укладки ДНК и ДНП: 1) нуклеосомный (накручивание ДНК на бел-
ковые глобулы), 2) нуклеомерный, 3) хромомерный, 4) хромонем-
ный, 5) хромосомный.
Метафазная хромосома (хромосомы изучаются в метафазу мито-
за) состоит из двух хроматид. Любая хромосома имеет первичную
перетяжку (центромеру), которая делит хромосому на плечи. Концы
хромосом называются теломерами. В зависимости от положения
центромеры выделяют: а) метацентрические (равноплечие), б) суб-
метацентрические (умеренно неравноплечие), в) акроцентрические
(резко неравноплечие) хромосомы.
Соматические клетки содержат диплоидный (двойной - 2п) набор
хромосом, половые клетки - гаплоидный (одинарный - п). Диплоид-
ный набор аскариды равен 2, дрозофилы - 8, шимпанзе - 48, речного
рака - 196. Хромосомы диплоидного набора разбиваются на пары;
хромосомы одной пары имеют одинаковое строение, размеры, набор
генов и называются гомологичными.
Кариотип - совокупность сведений о числе, размерах и строении
метафазных хромосом. Идиограмма - графическое изображение ка-
риотипа. У представителей разных видов кариотипы разные, одного
вида - одинаковые.
Аутосомы - хромосомы, одинаковые для мужского и женского
кариотипов. Половые хромосомы - хромосомы, определяющие пол.
Половые хромосомы женщины - XX, мужчины - ХУ. Х-хромосо-
ма - средняя субметацентрическая, У-хромосома - мелкая акроцент-
рическая.
Функции хромосом'. 1) хранение и реализация наследственной
информации, 2) передача генетического материала от материнской
клетки к дочерним.
РНК (рибонуклеиновая кислота) вместо дезоксирибозы содер-
жит рибозу, а вместо тимина - урацил. РНК, как правило, имеют
лишь одну цепь, более короткую, чем цепи ДНК. Двуцепочечные
РНК встречаются только у некоторых вирусов. Молекулярная масса
от (10-20)х 103 до (5-6)х 106.
Основные виды РНК:
1. Информационная (матричная) РНК - иРНК (или мРНК).
Имеет незамкнутую цепь. Служит в качестве матриц для синтеза
белков, перенося информацию об их структуре с молекулы ДНК
к рибосомам в цитоплазму.
2. Транспортная РНК - тРНК. Доставляет аминокислоты к син-
тезируемой молекуле белка. Молекула тРНК состоит из 70-90
нуклеотидов и благодаря внутрицепочечным комплементарным
взаимодействиям приобретает характерную вторичную структуру
в виде «клеверного листа».
3. Рибосомная РНК - рРНК В комплексе с рибосомными белка-
ми образует рибосомы - органеллы, имеющие форму матрешек,
т.е. состоящие из двух субъединиц, на которых происходит синтез
белка.
Первичная структура РНК
Макромолекулы большинства природных РНК построены из по-
лирибонуклеотидной цепи.
тРНК богаты минорными нуклеотидными остатками по сравне-
нию с другими видами РНК. Сумма С-С-пар преобладает над тако-
вой А-И.
Нуклеотидный состав рРНК варьирует в широких пределах и по
мере усложнения организма все более смещается в сторону преобла-
дания С-С-пар.
Нуклеотидный состав мРНК крайне разнообразен.
Вторичная структура РНК
Основной элемент вторичной структуры РНК - сравнительно ко-
роткие двойные спирали, образованные комплементарными участ-
ками одной и той же цепи и перемежающиеся ее однотяжевыми
сегментами. Стабильность двутяжевых районов поддерживается
комплементарными и межплоскостными взаимодействиями основа-
ний. В однотяжевых участках наблюдаются сильные стэкинг-
взаимодействия оснований, вследствие чего они стремятся принять
конформацию однотяжевой спирали.
Для всех тРНК характерна вторичная структура в виде клеверно-
го листа. Ее характерной особенностью является спирализация по-
линуклеотидной цепи самой на себя в строго фиксированных ком-
плементарных зонах.
Третичная структура РНК
Элементы вторичной структуры РНК располагаются относитель-
но друг друга так, чтобы обеспечить максимальный стэкинг основа-
ний в макромолекуле в целом. Третичная структура РНК стабилизи-
рована ионами двухвалентных металлов, которые связываются не
только с фосфатными группами, но и с основаниями. Построение
конкретных пространственных моделей крайне затруднительно из-за
множества возможных вариантов укладки в них элементов вторич-
ной структуры.
Функции нуклеиновых кислот
ДНК необходима для хранения, удвоения и передачи следующим
поколениям наследственной информации о биосинтезе белков, за-
шифрованной в последовательности ее нуклеотидов в виде генети-
ческого кода.
РНК служат промежуточным звеном при переносе информации
от ДНК к белкам. В клетке существует три основных вида РНК.
тРНК осуществляет перенос аминокислот в рибосомальный аппарат
клетки в процессе биосинтеза белков. рРНК являются структурной
основой рибосом и выполняют в них разнообразные функции.
мРНК (иРНК) выполняют матричную функцию в процессе сборки
полипептидных цепей.
Матричные процессы (репликация, транскрипция, трансляция)
имеют общие характеристики: происходят в три основных этапа -
инициации, элонгации и терминации и сопровождаются коррекцией,
или репарацией. Все они обладают свойством поливариантности,
т.е. осуществляются ферментативными системами, состоящими из
взаимозаменяемых компонентов, которые работают с разной точно-
стью. В осуществлении разных матричных процессов могут участ-
вовать одни и те же или близкие по структуре компоненты фермен-
тативных систем. Наряду с линейными матрицами (ДНК, РНК) или
матрицами I рода в клетке работают пространственные или конфир-
мационные матрицы, представленные некоторыми белками, которые
могут изменять свою конформацию, запоминать ее и передавать
вновь синтезируемым гомологичным полипептидам (матрицы II ро-
да). Матрицы II рода могут взаимодействовать между собой и с мат-
рицами I рода.
Синтез ДНК называется репликацией или редупликацией (удвое-
нием), синтез РНК - транскрипцией (переписывание с ДНК), синтез
белка, проводимый рибосомой на матричной РНК, называется транс-
ляцией, т.е. переводим с языка нуклеотидов на язык аминокислот.
Удвоение ДНК основано на том, что при расплетении нитей
к каждой нити можно достроить комплементарную копию, таким
образом получая две нити молекулы ДНК, копирующие исходную.
Репликацию ДНК осуществляет фермент ДНК-полимераза. Этот
фермент способен наращивать ДНК только на 3'-конце. Молеку-
ла ДНК антипараллельна, разные ее концы называются 3'-конец
и 5'-конец. При синтезе новых копий на каждой нити одна новая
нить удлиняется в направлении от 5' к 3', а другая - в направлении
от 3' к 5-концу. Однако 5'-конец ДНК-полимераза наращивать не
может. Поэтому синтез одной нити ДНК, той, которая растет
в «удобном» для фермента направлении, идет непрерывно (она на-
зывается лидирующая, или ведущая, нить), а синтез другой нити
осуществляется короткими фрагментами (они называются фрагмен-
тами Оказаки в честь ученого, который их описал). Потом эти фраг-
менты сшиваются, и такая нить называется запаздывающей, в целом
репликация этой нити идет медленней. Структура, которая образует-
ся во время репликации, называется репликативной вилкой. Особен-
ностью репликации ДНК является то, что ДНК-полимераза не может
начать процесс синтеза сама, ей нужна «затравка». Обычно в качест-
ве такой затравки используется фрагмент РНК. Если речь идет о ге-
номе бактерии, то там есть специальная точка, называемая оп§т
(исток, начало) репликации, в этой точке находится последователь-
ность, которая распознается ферментом, синтезирующим РНК. Он
относится к классу РНК-полимераз и в данном случае называется
праймазой. РНК-полимеразы не нуждаются в затравках, и этот фер-
мент синтезирует короткий фрагмент РНК - ту самую «затравку»,
с которой начинается синтез ДНК.
Процесс репликации происходит с большой точностью, но не
абсолютной. Бактериальная ДНК-полимераза делает ошибки,
т.е. вставляет не тот нуклеотид, который был в матричной молекуле
ДНК, примерно с частотой 10-6. У эукариот ферменты работают точ-
нее, так как они более сложно устроены, уровень ошибок при репли-
кации ДНК у человека оценивается как 10-7—10-8. Точность реплика-
ции может быть разной на разных участках геном, есть участки
с повышенной частотой мутаций и есть участки более консерватив-
ные, где мутации происходят редко.
Процесс транскрипции также протекает в ядре клетки, состоит из
трех этапов и осуществляется РНК-полимеразами по принципу ком-
плементарности. Процесс трансляции идет в цитоплазме клетки и
выполняется рибонуклеопротеиновыми частицами, которые назы-
ваются рибосомами. Диаметр рибосомы бактерии Е. соИ составляет
18 нм, а их общее количество - десятки тысяч в клетке. Рибосомы
эукариот несколько крупнее (21 нм). Сам процесс протекает в пять
этапов (три основных - 2, 3 и 4 и два вспомогательных - 1 и 5):
1. Активация аминокислот. Каждая из 20 аминокислот белка со-
единяется ковалентными связями к определенной т-РНК, используя
энергию АТФ. Реакция катализуется специализированными фермен-
тами, требующими присутствия ионов магния.
2. Инициация белковой цепи. и-РНК, содержащая информацию
о данном белке, связывается с малой частицей рибосомы и с ини-
циирующей аминокислотой, прикрепленной к соответствующей
т-РНК. т-РНК комплементарна с находящимся в составе и-РНК три-
плетом, сигнализирующим о начале белковой цепи.
3. Элонгация. Полипептидная цепь удлиняется за счет последо-
вательного присоединения аминокислот, каждая из которых достав-
ляется к рибосоме и встраивается в определенное положение при
помощи соответствующей т-РНК. В настоящее время генетический
код полностью расшифрован, т.е. всем аминокислотам поставлены
в соответствие триплеты нуклеотидов. Элонгация осуществляется
при помощи белков цитозоля (так называемые факторы элонгации).
4. Терминация. После завершения синтеза цепи, о чем сигнали-
зирует еще один специальный кодон и-РНК, полипептид высвобож-
дается из рибосомы.
5. Сворачивание и процессинг. Чтобы принять обычную форму,
белок должен свернуться, образуя при этом определенную про-
странственную конфигурацию. До или после сворачивания поли-
пептид может претерпевать процессинг, осуществляющийся фер-
ментами и заключающийся в удалении лишних аминокислот,
присоединении фосфатных, метильных и других групп и т.п.
3.4. Генетический код
Генетический код - единая система записи наследственной
формации в молекулах НК в виде последовательности нуклеоти-
дов. Генетический код основан на использовании алфавита,
состоящего всего из четырех букв - нуклеотидов, отличающихся
азотистыми основаниями. К азотистым основаниям относят аде-
нин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), которые входят в состав как
ДНК, так и РНК. Тимин (Т) входит в состав только ДНК, а урацил
(У) встречается только в РНК.
Азотистые основания нуклеотидов способны формировать
парные комплексы аденин-тимин (или урацил в РНК) и гуанин-
цитозин вследствие образования водородных связей при взаимо-
действии цепей НК. Такое взаимодействие играет ключевую роль
в ряде фундаментальных процессов хранения и передачи генети-
ческой информации: репликации ДНК, обеспечивающей передачу
генетической информации при делении клетки, транскрипции
ДНК в РНК при синтезе белков, кодируемых ДНК гена, хранении
генетической информации в двухцепочечной ДНК и процессах
репарации ДНК при ее повреждении.
Основные свойства генетического кода:
1. Генетический код триплетен. Триплет (кодон) - последова-
тельность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту.
Поскольку в состав белков входит 20 аминокислот, то очевидно,
что каждая из них не может кодироваться одним нуклеотидом
(поскольку в ДНК всего четыре типа нуклеотидов, то в этом слу-
чае 16 аминокислот останутся ^закодированными). Двух нуклео-
тидов для кодирования аминокислот также не хватает, поскольку
в этом случае могут быть закодированы только 16 аминокислот.
Значит, наименьшее число нуклеотидов, кодирующих одну ами-
нокислоту, оказывается равным трем. (В этом случае число воз-
можных триплетов нуклеотидов составляет 43 = 64.)
2. Избыточность (вырожденность) кода является следствием
его триплетности и означает то, что одна аминокислота может
кодироваться несколькими триплетами (поскольку аминокислот
20, а триплетов - 64). Исключение составляют метионин и трип-
тофан, которые кодируются только одним триплетом. Кроме того,
некоторые триплеты выполняют специфические функции. Так,
в молекуле иРНК три из них - УАА, УАГ, УГА - являются тер-
минирующими кодонами, т.е. стоп-сигналами, прекращающими
синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метио-
нину (АУГ), стоящий в начале цепи ДНК, не кодирует аминокис-
лоту, а выполняет функцию инициирования (возбуждения) счи-
тывания.
3. Одновременно с избыточностью коду присуще свойство
однозначности, которое означает, что каждому кодону соответ-
ствует только одна определенная аминокислота.
4. Код коллинеарен, т.е. последовательность нуклеотидов
в гене точно соответствует последовательности аминокислот
в белке.
5. Генетический код неперекрываем. Это значит, что процесс
считывания не допускает возможности перекрывания кодонов
(триплетов) и, начавшись на определенном кодоне, считывание
идет непрерывно триплет за триплетом вплоть до стоп-сигналов
(терминирующих кодонов). Например, в иРНК следующая после-
довательность азотистых оснований АУГГУГЦУУААУГУГ будет
считываться только такими триплетами: АУ Г, ГУ Г, ЦУ У, А АУ,
ГУГ, а не АУГ, УГГ, ГГУ, ГУГ и т.д. или АУГ, ГГУ, УЩ, ЦУУ
и т.д. или еще каким-либо образом.
6. Генетический код универсален, т.е. ядерные гены всех ор-
ганизмов одинаковым образом кодируют информацию о первич-
ной структуре белковой молекулы вне зависимости от уровня ор-
ганизации и систематического положения этих организмов.
Таблица 3.2
Таблица генетического кода
Аминокислота Кодирующие триплеты (кодоны)
Аланин ГЦУ гцц ГЦА ГЦГ
Аргинин ЦГУ цгц ЦГА ЦГГ АГА АГГ
Аспарагин ААУ ААЦ
Аспарагиновая кислота ГАУ ГАЦ
Валин ГУУ ГУЦ ГУА ГУГ
Г истидин ЦАУ ЦАЦ
Глицин ГГУ ГГЦ ГГА ГГГ
Глутамин ЦАА ЦАГ
Глутаминовая кислота ГАА ГАГ
Изолейцин АУУ АУЦ АУА
Лейцин ЦУУ ЦУЦ ЦУА ЦУГ УУА УУГ
Лизин ААА ААГ
Метионин АУГ
Пролин ЦЦУ ЦЦЦ ЦЦА ЦЦГ
Серин УЦУ УЦЦ УЦА УЦГ АГУ АГЦ
Тирозин УАУ УАЦ
Треонин АЦУ АЦЦ АЦА АЦГ
Триптофан УГГ
Фенилаланин УУУ УУЦ
Цистеин УГУ УГЦ
Знаки препинания УГА УАГ УАА
3.5. Применение генетических знаний
Благодаря успехам современной молекулярной генетики, в на-
стоящее время расшифрованы геномы многих организмов, что по-
зволило внести коррективы в научные представления об эволюци-
онном процессе.
Геном - это наследственный аппарат клетки, содержащий весь
объем информации, необходимой для развития организма, его суще-
ствования в определенных условиях среды, эволюции и передачи
всех наследственных свойств в ряду поколений.
Синтетическая теория эволюции - современная эволюционная
теория, созданная на основе синтеза достижений генетики, дарви-
низма, систематики, молекулярной биологии, палеонтологии и дру-
гих дисциплин. В качестве элементарной единицы эволюции рас-
сматривается локальная популяция. Вид представляет собой систему
популяций, репродуктивно изолированных от популяций других ви-
дов, и каждый вид экологически обособлен. Органическая эволюция
преимущественно происходит путем естественного отбора генетиче-
ски детерминированных признаков. Согласно синтетической теории,
эволюционный процесс может быть как постепенным, так и скачко-
образным.
В последние десятилетия бурно развивается также генетика
человека, для изучения которой применяется ряд методов.
Генеалогический метод состоит в изучении родословных и по-
могает установить характер наследования признака.
Близнецовый метод - в изучении сходства и различий между
монозиготными и дизиготными близнецами. Этот метод предостав-
лен самой природой. Он помогает выявить влияние условий среды
на фенотип при одинаковых генотипах или влияние генотипов на
фенотип при одинаковых условиях среды.
Популяционный метод позволяет изучать генетические различия
между отдельными группами людей (популяциями), исследовать
закономерности географического распространения генов.
Цитогенетический метод основан на изучении изменчивости
и наследственности на уровне клетки и субклеточных структур.
Биохимический метод позволяет выявить многие наследственные
болезни человека, связанные с нарушением углеводного, аминокис-
лотного, липидного и других типов обмена веществ.
Молекулярный метод дает возможность исследовать определен-
ные участки ДНК, гена или хромосомы, применяя новейшие высоко-
эффективные технологии анализа двух типов НК, создания и хране-
ния ценных баз данных, переработки объемных сосредоточений ин-
формации и т.п.
Интерес к изучению генетики человека обусловлен несколькими
причинами. Во-первых, это естественное стремление человека по-
знать самого себя. Во-вторых, это увеличение числа людей, стра-
дающих наследственными заболеваниями. В-третьих, это установ-
ление факта, что мутации могут вызываться факторами внешней
среды, в том числе антропогенными, на которые ранее не обращали
должного внимания.
Мутагенные факторы (мутагены) вызывают изменения в нук-
леотидной последовательности генов, структуре и количестве хро-
мосом.
По происхождению мутагены классифицируют на эндогенные,
образующиеся в процессе жизнедеятельности организма, и экзоген-
ные - все прочие факторы, в том числе и условия окружающей
среды.
По природе возникновения мутагены классифицируют на физи-
ческие (ультрафиолетовое излучение, радиоактивный распад, чрез-
мерно высокая или низкая температура и др.), химические (аналоги
азотистых оснований, входящих в состав НК, некоторые алкалоиды,
пестициды, нитропроизводные мочевины и др.) и биологические
(специфические последовательности ДНК - транспозоны, некоторые
вирусы - вирус кори, краснухи, гриппа и др.).
Человек в своей повседневной деятельности сталкивается с мно-
жеством факторов, которые могут оказывать мутагенное действие.
Экспериментальные исследования, проведенные в течение послед-
них десятилетий, показали, что немалое число веществ, используе-
мых в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и в быту,
обладает мутагенной активностью.
Повышение частоты возникновения мутаций вредно для орга-
низма. Установлено, что многие мутагены являются одновременно
и канцерогенами, т.е. веществами, вызывающими развитие злокаче-
ственных опухолей. Для обеспечения генетической безопасности
человека необходимо проводить мониторинг окружающей среды,
выявлять и сводить к минимуму воздействие загрязнителей, обла-
дающих мутагенной и канцерогенной активностью. С этой целью
издаются справочники и каталоги мутагенов, которые постоянно
пополняются. Новые химические вещества, с которыми может со-
прикасаться человек (лекарства, косметические средства, пищевые
консерванты, средства бытовой химии, пестициды и др.), проходят
проверку на мутагенную активность. Для этого разработаны стан-
дартные методы и тест-объекты (микроорганизмы, культуры клеток
животных и человека, некоторые растения и животные), позволяю-
щие быстро определять чувствительность генетического аппарата к
тем или иным агентам. Однако многие защитники природы высту-
пают против использования живых организмов в качестве тест-
систем.
Контрольные вопросы
1. Описать задачи и методы генетики.
2. Дать определения наследственности и изменчивости.
3. Описать виды изменчивости.
4. Чем занимается селекция?
5. Привести формулировку законов Менделя.
6. Перечислить основные положения хромосомной теории.
7. Каковы различия в строении ДНК и РНК?
8. Каковы функции ДНК и РНК?
9. Какие процессы в клетке называются матричными? В чем со-
стоит их биологическое значение?
10. Дать определение генетического кода и охарактеризовать его
свойства.
11. Пользуясь таблицей генетического кода, напишите последова-
тельность аминокислот в полипептидной цепи, которая закодиро-
вана следующей последовательностью нуклеотидов в кодирую-
щей цепи молекулы ДНК: ААЦГТТЦТАГГЦЦААТЦГ.
12. Расскажите о методах генетики человека.
13. На какие группы делятся мутагенные факторы? В чем состоит их
влияние на живой организм?
Глава 4
ОРГАНИЗМ КАК ЕДИНОЕ ЦЕЛОЕ
В ходе изучения темы важно запомнить: определение, типы
и периоды онтогенеза, особенности строения и функции различных
типов тканей у животных, механизмы поддержания гомеостаза
в организме, роль отрицательной и положительной обратной связи,
определение и механизмы адаптации, этапы адаптивных реакций,
различие между специфической и неспецифической резистентно-
стью организма.
4.1. Онтогенез
Формирование целостного организма осуществляется в ходе
онтогенеза - его индивидуального развития от оплодотворения (при
половом размножении) или от момента отделения от материнской
особи (при бесполом размножении) до смерти.
Онтогенез организма, возникшего в результате полового размно-
жения, подразделяется на эмбриональный и постэмбриональный пе-
риоды.
Периоды онтогенеза
1. Эмбриональный период
Эмбриональный, или эмбриогенез, начинается с момента оплодо-
творения, представляет собой процесс преобразования зиготы в мно-
гоклеточный организм и завершается выходом из яйцевых (зароды-
шевых) оболочек (при личиночном и неличиночном типах развития)
либо рождением (при внутриутробном).
Эмбриональный период у большинства многоклеточных живот-
ных един и состоит из трех стадий: дробление, гаструляция, первич-
ный органогенез.
Из оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) после прохождения не-
скольких последовательных стадий в зародыше формируются три
слоя (зародышевых листка): наружный - эктодерма, внутренний -
энтодерма и промежуточный - мезодерма.
Из эктодермы развивается эпидермис кожи с его производными
(сальные, потовые и молочные железы, волосы, ногти и др.) и нерв-
ная ткань.
Энтодерма является родоначальником всех внутренних органов,
развившихся из первичной кишечной трубки; а это весь желудочно-
кишечный тракт, кроме полости рта и нижней трети прямой кишки.
Легкие, печень и поджелудочная железа возникают как полые труб-
чатые выросты передней кишки и поэтому тоже происходят из энто-
дермы, в том числе щитовидная и паращитовидные железы, минда-
лины.
Мезодерма - источник развития собственно соединительной тка-
ни и ее производных (костной, хрящевой, мышечной, жировой, си-
новиальной ткани, крови и лимфоидной ткани), почек, мочеточников
и половой системы обоих полов, коркового слоя надпочечников, се-
розных оболочек, сердца и сосудов.
2. Постэмбриональный период
Постэмбриональное (послезародышевое) развитие начинается
с момента рождения (при внутриутробном развитии зародыша
у млекопитающих) или с момента выхода организма из яйцевых
оболочек и продолжается вплоть до смерти живого организма.
Постэмбриональное развитие сопровождается ростом. При этом
он может быть ограничен определенным сроком или длиться в тече-
ние всей жизни.
Типы онтогенеза:
Различают два основных типа онтогенеза: прямой и непрямой.
Непрямой (личиночный) тип развития проходят многие виды бес-
позвоночных и некоторые позвоночные животные (рыбы, земновод-
ные). У них в процессе развития формируются одна или несколько
личиночных стадий.
Прямой яйцекладный тип развития встречается у ряда беспозво-
ночных, а также у рыб, пресмыкающихся, птиц и некоторых млеко-
питающих, яйца которых богаты желтком. При этом зародыш дли-
тельное время развивается внутри яйца.
Прямой внутриутробный тип развития характерен для высших
млекопитающих и человека, яйцеклетки которых почти лишены
желтка. Все жизненные функции зародыша осуществляются через
материнский организм. Для этого из тканей матери и зародыша раз-
вивается плацента. Завершается этот тип развития процессом дето-
рождения.
4.2. Гистогенез и органогенез
Для клеток многоклеточных организмов характерна специализа-
ция и объединение, в результате которых они образуют структуры,
получившие название тканей, из которых формируются органы.
Гистология - наука, изучающая ткани многоклеточных орга-
низмов.
У человека и животных выделяют эпителиальные, соединитель-
ные, мышечные и нервную ткани.
Эпителиальные ткани представляют собой пласты клеток, под
которыми есть базальная мембрана, межклеточное вещество почти
отсутствует. Эпителиальные клетки по форме могут быть плоскими,
цилиндрическими и кубическими. Они покрывают поверхность тела,
выстилают стенки полых внутренних органов, образуют большую
часть желез внешней и внутренней секреции (экзокринные - выде-
ляют свой секрет во внешнюю среду или просвет органа, эндокрин-
ные - свой секрет непосредственно в кровоток).
Главные особенности эпителиальных тканей:
• Клетки располагаются пластами.
• Имеется базальная мембрана.
• Клетки тесно связаны друг с другом.
• Клетки обладают полярностью (апикальная и базальная части
клеток имеют различное строение).
• Отсутствуют кровеносные сосуды.
• Почти полностью отсутствует межклеточное вещество.
• Характерна высокая способность к регенерации.
Эпителий по характеру строения подразделяется на покровный
и железистый. Покровный эпителий подразделяется на однослой-
ный и многослойный. Однослойный покровный эпителий может
быть однорядным и многорядным. Клетки однорядного покровного
эпителия имеют одинаковую форму (кубическую, цилиндрическую
или плоскую). Клетки многорядного покровного эпителия имеют
различную форму.
Эпителиальный (наружный) слой кожи и ее придатков развивает-
ся из эктодермы. Непрерывный слой клеток, выстилающих пищева-
рительный и дыхательный тракт, происходит из энтодермы. Эпите-
лием, но не непрерывным, является ткань печени, поджелудочной
и щитовидной железы и т.д. Ему также дает начало энтодерма. В то
же время мезотелий (слой особых эпителиальных клеток, высти-
лающих полости тела) и эндотелий (эпителий, выстилающий крове-
носные сосуды и сердце) развиваются из мезодермы. Таким образом,
эпителиальные ткани происходят из всех трех слоев зародыша
(зародышевых листков).
Эпителий отделяет организм от внешней среды, выполняет по-
кровную, защитную и выделительную функции.
Соединительные ткани состоят из клеток различных типов,
располагающихся обычно далеко друг от друга, в них сильно разви-
то межклеточное вещество (внеклеточный матрикс). К соединитель-
ным тканям относят костную, хрящевую, жировую и др., а также
кровь, лимфу, межклеточную, спинно-мозговую и прочие жидко-
сти организма. Внеклеточный матрикс соединительных тканей
содержит разнообразные органические и неорганические соедине-
ния, от количественного и качественного состава которых зависит
консистенция ткани. Кровь и лимфа, относимые к жидким соедини-
тельным тканям, содержат жидкое межклеточное вещество - плазму.
Матрикс хрящевой ткани гелеобразный, а матрикс кости, как и во-
локна сухожилий, является нерастворимым твердым веществом.
Особенностью соединительной ткани является ее присутствие в ор-
ганизме в четырех видах - волокнистом (связки), гелеобразном
(хрящи), твердом (кости) и жидком (кровь, лимфа, межклеточная,
спинно-мозговая, синовиальная и прочие жидкости). Большая часть
твердой соединительной ткани является фиброзной (от лат. /гЪга -
волокно): состоит из волокон коллагена и эластина.
Соединительные ткани происходят из мезодермы (промежуточ-
ного зародышевого листка). Они выполняют опорную, защитную,
кроветворную, запасающую, дыхательную, транспортную и другие
функции.
Мышечные ткани - ткани, различные по строению, но сходные
по способности к выраженным сокращениям. Они обеспечивают
перемещения в пространстве организма в целом, его частей и дви-
жение органов внутри организма (сердце, язык, кишечник и др.)
и состоят из мышечных волокон. Свойством изменения формы об-
ладают клетки многих тканей, но в мышечных тканях эта способ-
ность определяет их главную функцию - сократительную. В орга-
низмах высших животных они составляет до 40% массы тела.
Мышечные ткани имеют мезодермальное происхождение.
Основные морфологические признаки элементов мышечных тка-
ней: удлиненная форма, расположение митохондрий рядом с сокра-
тительными элементами, наличие включений гликогена, липидов
и миоглобина, наличие продольно расположенных миофибрилл -
специальных органоидов, обеспечивающих сократимость. Миофиб-
риллы содержат сократительные элементы - толстые миозиновые
и тонкие актиновые миофиламенты. В результате взаимодействия
в них двух основных фибриллярных белков, актина и миозина, при
обязательном участии ионов кальция возникает мышечное сокраще-
ние. Митохондрии обеспечивают этот процесс энергией, запасными
источниками которой служат гликоген и липиды. Белок миоглобин
обеспечивает связывание кислорода и создание его запаса на момент
сокращения мышцы, когда сдавливаются кровеносные сосуды и рез-
ко падает поступление кислорода в ее клетки.
Гладкая мышечная тканъ состоит из одноядерных клеток - мио-
цитов веретеновидной формы длиной 20-500 мкм. Их цитоплазма
в световом микроскопе выглядит однородно, без поперечной исчер-
ченности. Эта ткань обладает особыми свойствами: она медленно
сокращается и расслабляется, обладает автоматией, является непро-
извольной (т.е. ее деятельность не управляется по воле человека);
входит в состав стенок внутренних органов: кровеносных и лимфа-
тических сосудов, мочевыводящих путей, пищеварительного тракта
(сокращение стенок желудка и кишечника).
Поперечно-полосатая сердечная мышечная тканъ состоит из
многоядерных кардиомиоцитов, имеющих поперечную исчерчен-
ность цитоплазмы. Кардиомиоциты разветвлены и образуют между
собой соединения - вставочные диски, в которых объединяется их
цитоплазма. Этот вид мышечной ткани образует миокард сердца.
Особым свойством этой ткани является автоматия - способ-
ность ритмично сокращаться и расслабляться под действием воз-
буждения, возникающего в самих клетках. Эта ткань является
непроизвольной.
Нервная ткань - совокупность клеточных элементов, состав-
ляющих основу нервной системы. Это система взаимосвязанных
нервных клеток и нейроглии, обеспечивающих специфические
функции восприятия раздражений, возбуждения, выработки импуль-
са и его передачи. Она является основой строения органов нервной
системы, обеспечивающих регуляцию всех тканей и органов, их ин-
теграцию в организме и связь с окружающей средой. Нервная ткань
происходит из эктодермы (наружного зародышевого листка).
Нервная ткань образует нервную систему, входит в состав нерв-
ных узлов, спинного и головного мозга. Эта ткань практически не
имеет межклеточного вещества. Она состоит из нейронов (нейроци-
тов), выполняющих основную функцию, и нейроглии, обеспечи-
вающей нормальную жизнедеятельность нейронов. Нейроны имеют
звездчатую форму благодаря наличию длинных и коротких отрост-
ков. Эти клетки воспринимают раздражение и передают возбужде-
ние к мышцам, коже, другим тканям, органам.
Нервная ткань осуществляет связь организма с окружающей сре-
дой, восприятие и преобразование раздражителей в нервный им-
пульс и передачу его к эффектору. Она обеспечивает взаимодейст-
вие тканей, органов и систем организма и их регуляцию, играет
важную роль в обеспечении гомеостаза.
Различные ткани соединяются между собой и образуют органы -
части тела, имеющие определенную форму, строение, место в орга-
низме и специализирующиеся на выполнении одной или нескольких
функций. Органы, совместно выполняющие общие функции, состав-
ляют системы органов. В организме человека выделяют опорно-
двигательную, кровеносную, дыхательную, пищеварительную, вы-
делительную, эндокринную, половую и нервную системы. Они ра-
ботают не изолированно, а объединяются для достижения полезного
организму результата. Временное объединение органов и систем
органов называют функциональной системой (по П.К. Анохину).
Например, быстрый бег может быть обеспечен функциональной сис-
темой, включающей в работу нервную систему, органы движения,
дыхания, потоотделения, кровообращения и др.
Таким образом, организм человека устроен очень сложно: он со-
стоит из систем органов, каждая система органов - из различных
органов, каждый орган - из нескольких тканей, ткань - из множества
сходных клеток и межклеточного вещества. В основу конструкции
всего организма заложена его надежность, под которой понимается
такой уровень регулирования и такое соотношение элементов само-
го процесса, когда обеспечивается его оптимальный ход с резервны-
ми возможностями, взаимозаменяемостью звеньев, быстрым возвра-
том к исходному состоянию, достаточной лабильностью или
пластичностью, гарантирующей быстрое приспособление к изме-
няющимся условиям внешней и внутренней среды (по А.А. Марко-
сяну).
Резервные возможности во многом обусловлены тем, что в орга-
низме на всех уровнях существует избыточность структурных эле-
ментов, выполняющих ту или иную функцию. Например, в организ-
ме имеется 25 тыс. нейронов глазного нерва, управляющего
движением глаза, а в обычных условиях используются лишь 4 тыся-
чи. В сетчатке каждого глаза человека содержится около 100 млн
воспринимающих клеток, а передача информации в головной мозг
происходит лишь через 1 млн нервных волокон. Следовательно, од-
но волокно в среднем получает сигналы со 100 датчиков, что значи-
тельно повышает надежность зрительного восприятия.
Надежность и устойчивость организменного уровня организации
обусловливают его оптимальную деятельность как биологической
системы. Это достигается с помощью различных механизмов (избы-
точности элементов управления и протекающего процесса, дублиро-
вания элементов регулирования и процесса, принципа быстрого воз-
врата к состоянию относительного постоянства, исходному уровню,
пластичности и динамичности взаимодействия звеньев системы
и др.). Всем клеткам, тканям, органам и системам органов живых
существ присуща гомеостатическая функция, которая будет рас-
смотрена ниже.
4.3. Механизмы поддержания гомеостаза
в организме
Гомеостаз - относительное постоянство внутренней среды орга-
низма. В теле человека имеются тысячи регуляторных систем для
его поддержания.
Наиболее сложными являются системы генетической регуляции,
которые существуют во всех клетках и обеспечивают контроль не
только над внутриклеточными, но и внеклеточными функциями.
Множество других регуляторных систем действует как на уровне
органов, координируя работу их отдельных частей, так и на уровне
всего организма, управляя взаимодействием органов. Например, пе-
чень и поджелудочная железа регулируют содержание глюкозы,
почки - концентрацию протонов, фосфатов, ионов натрия, калия
и других ионов, дыхательная и нервная системы определяют кон-
центрацию кислорода и углекислого газа в организме. Опорно-
двигательный аппарат позволяет как добывать пищу, так и избегать
нежелательного действия факторов окружающей среды, способных
быстро разрушить организм со всеми его гомеостатическими меха-
низмами.
Диапазон нормальных значений каждого физиологического пока-
зателя довольно узок. Так, повышение температуры тела человека
лишь на 7°С по сравнению с нормальным значением влечет за собой
усиление клеточного метаболизма и последующее разрушение кле-
ток. Нормальное значение рН человеческого организма составляет
7,4, и его отклонение в большую или меньшую сторону всего на 0,5
несовместимо с жизнью. Из этих примеров ясно, насколько важны
многочисленные регуляторные системы организма для поддержания
его гомеостаза и к каким тяжелым последствиям приводит наруше-
ние их функционирования.
Работа большинства регуляторных систем основана на принципе
отрицательной обратной связи. Когда значение того или иного
параметра становится слишком высоким или низким, регуляторные
системы включают отрицательные обратные связи, которые путем
некоторых изменений возвращают параметр к некоему усредненно-
му значению и поддерживают гомеостаз. Так, высокая концентрация
углекислого газа во внеклеточной жидкости усиливает вентиляцию
легких. В свою очередь, это снижает уровень углекислого газа во
внеклеточной жидкости, поскольку легкие выводят из организма
большое его количество. Следовательно, повышение концентрации
углекислого газа запускает цепь реакций по снижению его содержа-
ния до нормы, что является отрицательным по отношению к запус-
кающему фактору. Напротив, при слишком сильном снижении
уровня углекислого газа обратная связь приведет к его увеличению.
По отношению к запускающему фактору это действие также будет
отрицательным. Примерно так же регулируется и артериальное дав-
ление: повышение показателя запускает серию реакций, способст-
вующих его снижению, а снижение - реакций, обеспечивающих его
повышение. В этом случае результат воздействия также является
отрицательным по отношению к запускающему сигналу.
Гораздо реже регуляторные системы организма используют по-
ложительную обратную связь, когда запускающий стимул вызы-
вает реакцию того же направления, которая увеличивает отклонение
параметра от усредненного значения в сторону увеличения или
уменьшения. Эта связь является дестабилизирующей и может при-
водить даже к гибели организма. Однако в некоторых случаях орга-
низм использует преимущества положительной обратной связи.
В качестве примеров можно привести процессы свертывания крови,
выработки белков теплового шока, генерации возбуждения в нерв-
ном волокне и ряд других. В приведенных примерах положительная
связь является частью всеобъемлющей отрицательной обратной свя-
зи. Например, положительная связь, регулирующая формирование
нервного импульса, позволяет нервным волокнам участвовать
в многочисленных формах нервной регуляции на основе отрица-
тельной обратной связи.
Нормальное функционирование всех систем гомеостаза обеспе-
чивает адекватную реакцию организма на изменение условий среды
и позволяет ему адаптироваться к условиям внутренней и внешней
среды.
4.4. Адаптационные возможности организма
Под адаптацией понимают все виды врожденной и приобретен-
ной приспособительной деятельности, которые обеспечиваются на
клеточном, органном, системном и организменном уровнях. В про-
цессе адаптации формируются признаки и свойства, которые оказы-
ваются наиболее выгодными для живого существа. Благодаря им
организм приобретает способность к существованию в конкретных
условиях среды обитания. Адаптация организма человека к услови-
ям среды может иметь различные проявления и затрагивать все сто-
роны его жизнедеятельности.
Существует три механизма адаптаций:
1) пассивный путь адаптации - по типу толерантности, выносли-
вости;
2) адаптивный путь действует на клеточно-тканевом уровне;
3) резистентный путь сохраняет относительное постоянство
внутренней среды.
В основном большинство адаптационных реакций человеческого
организма осуществляется в два этапа: начальный этап срочной, но
не всегда совершенной адаптации, и последующий этап долговре-
менной, совершенной адаптации.
Состояние резистентности, или устойчивости, способствует
поддержанию нормального существования организма в новых усло-
виях. Под резистентностью понимается устойчивость организма,
его сопротивляемость воздействию внешних факторов. Специфиче-
ская резистентность - устойчивость по отношению к определен-
ному фактору, неспецифическая - по отношению к различным фак-
торам.
Итак, надежность биосистемы обеспечивается ее способностью
к адаптации и компенсации на этой основе нарушенных функций,
совершенства и быстроты использования обратных связей, динамич-
ности взаимодействия входящих в нее звеньев саморегулирующихся
подсистем. Биологическая надежность формируется в процессе
онтогенетического и филогенетического развития организма чело-
века.
В процессе длительной эволюции у человека закрепились при-
способления к определенным условиям существования. Однако раз-
витие современной цивилизации поставило перед человеком ряд
новых задач, привело к появлению принципиально новых климато-
метеорологических условий, психофизиологических нагрузок, со-
циально-психологических отношений и других факторов внешней
среды. В первую очередь, они связаны с научно-технической рево-
люцией, глобальным экологическим кризисом, изменением стиля
жизни, характера питания и двигательной активности людей, а также
с их проживанием в районах с неблагоприятными климатометеоро-
логическими условиями, дальними поездками со сменой климатиче-
ских зон и часовых поясов, частым возникновением ситуаций, для
разрешения которых необходимо применение нестандартных подхо-
дов, и др. При этом могут создаваться условия, когда человеку
приходится максимально использовать адаптивные ресурсы своего
организма, жить в условиях, приближающих его к пределу адапта-
ционных возможностей.
Экстремальные факторы окружающей среды - это крайние,
весьма жесткие условия среды, неадекватные врожденным и приоб-
ретенным свойствам организма. Такие экстремальные воздействия
могут различаться по интенсивности (силе), новизне или специфич-
ности своего воздействия на организм, социальной и биологической
значимости. Различия определяются не только спецификой раздра-
жителей, но и свойствами организма, поскольку одни и те же факто-
ры в одно и то же время для одних людей могут являться обычными,
для других - экстремальными.
Кроме природных экстремальных условий (низкие и высокие
температуры, условия высокогорья и др.), действующих на ор-
ганизм, существуют экстремальные антропогенные воздействия.
К ним относятся вызывающие перегрузки ускорение и невесомость,
сильные электрические и магнитные поля, ионизирующая радиация.
Организм человек не в состоянии полностью адаптироваться к дей-
ствию таких факторов, поэтому дальнейшее увеличение нагрузки на
адаптивные механизмы и/или присоединение добавочных, условно-
патогенных, факторов, которые в обычных условиях не способны
снизить резистентность организма, могут привести к нарушению его
жизнедеятельности и развитию патологии.
Контрольные вопросы
1. Что такое онтогенез? На какие периоды он подразделяется?
2. Кратко опишите каждый из периодов онтогенеза.
3. Охарактеризовать непрямой (личиночный), прямой яйцекладный
и прямой внутриутробный типы развития. Привести примеры ор-
ганизмов с различными типами онтогенеза.
4. Какие типы тканей выделяют у животных?
5. Каковы особенности строения и функций эпителиальной ткани?
6. Каковы особенности строения и функций соединительной ткани?
7. Каковы особенности строения и функций мышечной ткани?
8. Каковы особенности строения и функций нервной ткани?
9. Какие механизмы обеспечивают надежность и устойчивость ор-
ганизменного уровня организации?
10. Что такое гомеостаз?
11. Какие системы органов человека участвуют в регуляции гомео-
стаза?
12. В чем состоит роль отрицательной обратной связи? Приведите
примеры.
13. В чем состоит роль положительной обратной связи? Приведите
примеры.
14. Дать определение и перечислить механизмы адаптации.
15. Каковы этапы адаптивных реакций?
16. Каково различие между специфической и неспецифической рези-
стентностью организма?
17. Приведите примеры экстремальных факторов окружающей среды.
Подраздел II
ЭКОЛОГИЯ
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ В ЭКОЛОГИЮ.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭКОЛОГИИ
В ходе изучения темы важно запомнить: определение, задачи,
методы и разделы экологии, основные законы экологии, определение
биосферы и ее границы; функции живого вещества биосферы,
большой и малый круговороты веществ, определение экологической
ниши; основные группы факторов окружающей среды, имеющих
важное значение при занятиях физической культурой и спортом.
1.1. Экология как наука
Экология - наука об отношениях живых организмов и их сооб-
ществ между собой и с окружающей средой. Термин «экология»
впервые предложил немецкий биолог Эрнст Геккель в 1866 г.
Классическая экология разделяется на три раздела:
• Аутэкология - раздел науки, изучающий взаимодействие ор-
ганизма с окружающей средой (жизненные циклы и поведение как
способ приспособления к окружающей среде).
• Демэкология (экология популяций) - раздел науки, изучаю-
щий взаимодействие популяций особей одного вида внутри популя-
ции и с окружающей средой.
• Синэкология (экология биоценозов) - раздел науки, изучаю-
щий функционирование сообществ и их взаимодействия с биотиче-
скими и абиотическими факторами. Часто синэкологию рассматри-
вают как науку о жизни биоценозов, т.е. многовидовых сообществ
животных, растений и микроорганизмов.
Объекты исследования экологии - в основном, системы выше
уровня отдельных организмов: популяции, биоценозы, экосистемы,
а также вся биосфера. Предмет изучения - организация и функцио-
нирование таких систем.
Общие задачи современной экологии в ее широком понимании
можно сформулировать следующим образом:
1. Диагностика состояния природы планеты и ее ресурсов; опре-
деление порога выносливости биосферы по отношению к антропо-
генной нагрузке.
2. Разработка прогнозов изменений устойчивости, продукцион-
ного потенциала наиболее важных природных комплексов и био-
сферы в целом, а также регионального и глобального состояния
окружающей среды при разных сценариях экономического и со-
циального развития разных стран, регионов и человечества в целом.
3. Выработка критериев оптимизации - выбор наиболее согласо-
ванного с экологическим императивом и экологически ориентиро-
ванного социально-экономического развития общества.
4. Формирование экологического мировоззрения и такой страте-
гии поведения человеческого общества, такой экономики и таких
технологий, которые приведут масштабы и характер хозяйственной
деятельности в соответствии с экологической выносливостью при-
роды и предотвратят глобальный экологический кризис.
Главная задача прикладной экологии - разработка принципов
рационального использования природных ресурсов на основе сфор-
мулированных общих закономерностей организации жизни.
Методы исследований в экологии подразделяются на полевые,
экспериментальные и методы моделирования.
Полевые методы представляют собой наблюдения за функциони-
рованием организмов в их естественной среде обитания.
Экспериментальные методы включают в себя варьирование раз-
личных факторов, влияющих на организмы, по выработанной про-
грамме в стационарных лабораторных условиях.
Методы моделирования позволяют прогнозировать развитие раз-
личных процессов взаимодействия живых систем между собой
и с окружающей их средой.
Основные законы экологии были сформулированы американ-
ским ученым Б. Коммонером (1974): 1. Все связано со всем. 2. Все
должно куда-то деваться. 3. Природа «знает» лучше. 4. Ничто не да-
ется даром.
Второй и четвертый законы являются перефразировкой основно-
го закона физики - сохранения вещества и энергии. Третий закон
имеет двойной смысл - он одновременно призывает к сближению
с природой и крайне осторожному обращению с естественными сис-
темами. Первый и третий законы - основополагающие законы эко-
логии, на которых должна строиться парадигма данной науки. Они
предостерегают человека от необдуманного воздействия на отдель-
ные части экосистем, что может привести к непредвиденным по-
следствиям.
Четвертый закон объединяет предшествующие три закона, пото-
му что биосфера как глобальная экосистема представляет собой
единое целое, в рамках которой ничего не может быть выиграно или
потеряно и которая не может являться объектом всеобщего улучше-
ния; все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно
быть возмещено.
1.2. Биосфера и ее границы
Современная биосфера возникла 3,5^ млрд, лет назад. Она
включает живые организмы (около 4 млн видов), их остатки, зоны
атмосферы, гидросферы и литосферы, населенные и видоизменен-
ные этими организмами. Целостное учение о биосфере было создано
академиком В.И. Вернадским. Всю совокупность организмов на
планете он назвал живым веществом, рассматривая в качестве его
основных характеристик суммарную массу, химический состав и
энергию. Следовательно, биосфера - это та область Земли, которая
охвачена влиянием живого вещества. С современных позиций био-
сферу рассматривают как наиболее крупную, глобальную экосисте-
му, поддерживающую планетарный круговорот веществ.
В биосферу входят часть атмосферы до высоты 23-25 км (до озо-
нового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть лито-
сферы примерно до глубины 3 км. Взаимодействие абиотической
части биосферы - воздуха, воды и горных пород - и органического
вещества - биоты - обусловило формирование почв и осадочных
пород. Последние, по В.И. Вернадскому, несут на себе следы дея-
тельности древних биосфер, существовавших в прошлые геологиче-
ские эпохи.
Функции живого вещества биосферы:
Энергетическая состоит в осуществлении связи биосферно-
планетарных явлений с излучением космоса и, прежде всего, с сол-
нечной радиацией. Основой указанной функции является фотосин-
тез, в процессе которого происходит аккумуляция энергии Солнца
и ее последующее перераспределение между компонентами биосфе-
ры. Накопленная солнечная энергия обеспечивает протекание всех
жизненных процессов. За время существования жизни на Земле жи-
вое вещество превратило в химическую энергию огромное количе-
ство солнечной энергии. При этом существенная часть ее в ходе гео-
логической истории накопилась в связанном виде - залежи угля,
нефти и т.д.
Благодаря газовой функции происходит миграция газов и их пре-
вращение, формируется газовый состав биосферы. Отметим, что
преобладающая масса газов на планете имеет биогенное происхож-
дение. Так, кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза. Уг-
лекислый газ (диоксид углерода) поступает в атмосферу за счет ды-
хания всех организмов. Другой его источник - выделение по
трещинам земной коры из осадочных пород за счет химических про-
цессов под действием высоких температур.
Концентрационная функция проявляется в извлечении живыми
организмами биогенных элементов из окружающей среды, которые
используют для построения тела. Концентрация этих элементов
в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внеш-
ней среде.
Окислительно-восстановительная функция заключается в хи-
мическом превращении веществ, при котором преобладают процес-
сы окисления и восстановления.
Благодаря деструкционной функции протекают процессы, свя-
занные с разложением остатков мертвых организмов. При этом про-
исходит минерализация органического вещества, т.е. превращение
живого вещества в неживое.
Таким образом, живое вещество трансформирует солнечную
энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный кру-
говорот. Оно определило современный состав атмосферы, гидро-
сферы, почв и осадочных пород Земли.
Биосфера - глобальная экосистема Земли, состав, структура
и энергия которой определяются и контролируются планетарной
совокупностью живых организмов - биотой. Взаимодействие между
биотой и абиотическими компонентами биосферы осуществляется
в результате двух основных круговоротов веществ в природе: боль-
шого (геологического) и малого (биогеохимического).
На стадии зарождения жизни на Земле бурно шли разнообразные
химические реакции. Синтезировались и вступали в последующие
реакции одни вещества, другие разлагались, преобразовывались
в иные соединения, причем считают, что весь процесс был мало упо-
рядочен и хаотичен. С возникновением жизни химические процессы
постепенно стали подчиняться определенным закономерностям
и упорядочились.
Академик В.И. Вернадский установил закономерность, сформу-
лированную как закон биогенной миграции атомов: «миграция хи-
мических элементов во всех экосистемах, включая биосферу в це-
лом, либо осуществляется при непосредственном участии живого
вещества (биогенная миграция), либо протекает в среде, геохимиче-
ские особенности которой (О2, СО2, Н2 и т.д.) обусловлены живым
веществом, как населяющим планету в настоящее время, так и дей-
ствовавшим на Земле в течение всей геологической истории».
Малые миграционные потоки химических элементов как между
взаимосвязанными организмами, так и между организмами и окру-
жающей их средой складываются в более крупные циклы - круго-
вороты. Продолжительность и постоянство существования жизни
поддерживают именно круговороты, потому что без них даже
в масштабах всей Земли запасы необходимых элементов были бы
очень скоро исчерпаны.
Большой круговорот веществ в природе (геологический) обу-
словлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией
Земли и перераспределяет вещества между биосферой и более глу-
бокими горизонтами Земли. Этот круговорот происходит за счет
глубинных (эндогенных) и внешних (экзогенных) процессов.
Большой круговорот - это круговорот воды между сушей и океа-
ном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности океана,
частично переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, кото-
рые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного или подзем-
ного стока, а часть осадков выпадает на эту водную поверхность.
Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании
природных условий на нашей планете.
Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический)
совершается в пределах биосферы. Его сущность заключается в об-
разовании живого вещества из неорганического в процессе фотосин-
теза и в превращении органического вещества при разложении вновь
в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни био-
сферы - главный. Изменяясь, рождаясь, умирая, живое вещество
поддерживает жизнь на Земле, обеспечивая биогеохимический
круговорот веществ.
1.3. Биогеохимические циклы
Круговороты отдельных веществ в биосфере называются их био-
геохимическими циклами.
В них выделяют две части:
1. Резервный фонд - это огромная масса движущихся веществ,
не связанных с организмами.
2. Обменный фонд - значительно меньший, но активный, обу-
словленный прямым обменом биогенных веществ между организ-
мами и их непосредственным окружением.
В целом в биосфере можно выделить:
1. Круговорот газообразных веществ с резервным фондом в ат-
мосфере и гидросфере.
2. Осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологи-
ческом круговороте).
Все эти циклические процессы расходуют солнечную энергию,
и лишь один биологический процесс на Земле не тратит, а связывает
солнечную энергию и накапливает ее - это создание органического
вещества в результате фотосинтеза.
Углерод, азот, кислород, водород, фосфор и сера являются важ-
нейшими биогенными элементами, из которых в основном состоят
белковые молекулы. Биогеохимические циклы углерода, азота и ки-
слорода наиболее совершенны и способны к быстрой саморегуляции
благодаря большим запасам этих газов в атмосфере.
В круговороте углерода (скорость оборота порядка 300 лет) четко
прослеживается трофическая цепь: продуценты, улавливающие уг-
лерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы, редуценты.
Вмешательство человека в круговорот этого элемента приводит
к возрастанию содержания СО2 в атмосфере.
Скорость круговорота кислорода - две тысячи лет, за это время
весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. С круго-
воротом кислорода тесно связано образование в высоких слоях ат-
мосферы озона. Главный потребитель кислорода - животные и рас-
тения, расходующие его на дыхание. На промышленные и бытовые
нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, образовавшегося
в процессе фотосинтеза.
Биогеохимический круговорот азота (рис. 1.1) не менее сложен.
Растения усваивают азот только в форме соединения его с водоро-
дом или кислородом. Редуценты постепенно разлагают белковые
вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные со-
единения, нитраты и нитриты. Азот в виде нитратов и нитритов ус-
ваивается растениями и может передаваться по трофическим цепям,
отравляя консументов. Часть нитратов в процессе круговорота за-
грязняет подземные воды. Азот возвращается в атмосферу вновь
с выделенными при гниении газами. Роль бактерий в цикле азота
настолько велика, что, если будет уничтожено только 12 их видов,
участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится.
Рис. 1.1. Биогеохимический цикл азота
Биогеохимические циклы фосфора и серы значительно менее
совершенны, чем вышеуказанных веществ, так как представляют
собой типичные осадочные биогеохимические циклы.
Фосфор содержится в горных породах и может попасть в биогео-
химический круговорот в случае их выветривания. В его круговоро-
те выделяют водную и наземную части. В водных экосистемах он
усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи до
консументов третьего порядка - морских птиц. С их экскрементами
(гуано) фосфор снова попадает в море и вступает в круговорот, туда
же он возвращается и из отмирающих морских животных. В назем-
ных экосистемах растения извлекают фосфор из почвы, куда он воз-
вращается после отмирания организмов и с их экскрементами, а те-
ряется из нее в результате водной эрозии.
Сера не является лимитирующим биогеном, так как ее природные
ресурсы достаточно велики. Она имеет основной резерв в породах,
почве и атмосфере. В горных породах сера встречается в виде суль-
фидов, в растворах - в форме иона, в газообразной фазе - в виде
сероводорода или сернистого газа. В морской среде сульфат-ион
является основной доступной формой серы для автотрофов. В на-
земных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании рас-
тений, окисляется, и возникшие сульфаты поглощаются растениями
из почвенных растворов. Круговорот серы является ключевым при
продуцировании и разложении. Но он может быть нарушен вмеша-
тельством человека: сернистый газ, являющийся продуктом сжига-
ния топлива, нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели
растительности.
Круговороты веществ от продуцентов к консументам различных
уровней, затем к редуцентам, а от них вновь к продуцентам замкну-
ты не полностью. Если бы в экосистемах существовала их полная
замкнутость, то не возникало бы никаких изменений среды жизни,
не было бы почвы, известняков и прочих горных пород биогенного
происхождения. Таким образом, биотический круговорот можно
условно изобразить в виде незамкнутого кольца.
Таким образом, каждая экосистема поддерживает свое суще-
ствование за счет круговорота биогенов и постоянного притока
солнечной энергии. Круговорот энергии в экосистемах практически
отсутствует, поскольку от редуцентов энергия возвращается к кон-
сументам в мизерных количествах. Считается, что коэффициент
круговорота энергии не превышает 0,24%. Энергия может накапли-
ваться, сберегаться (т.е. преобразовываться в более эффективные
формы) и передаваться из одной части системы в другую, но она не
может быть снова пущена в дело, как вода и минеральные вещества.
Единожды пройдя от растений-продуцентов через консументы к ре-
дуцентам, энергия выносится в околоземное и космическое про-
странство. При движении через экосистему поток энергии затраги-
вает в основном ее биоценоз.
Для каждого вида организмов существует специфическое сочета-
ние экологических факторов, которое определяет особое простран-
ственное и функциональное положение представителей этого вида
в составе биоценоза, «рабочее место» в экосистеме. Оно носит на-
звание видовой экологической ниши (фр. тске - гнездо). Понятие
экологической ниши отражает весь комплекс связей организмов
данного вида не только с абиотическими компонентами среды, но
и между собой и с другими видами в сообществе.
Иными словами, экологическая ниша - это совокупность терри-
ториальных и функциональных характеристик среды обитания, со-
ответствующих требованиям каждого биологического вида. Их объ-
ективная оценка составляет необходимую основу для рационального
осуществления всех видов деятельности человека, в том числе физ-
культурно-оздоровительной работы и спортивного совершенство-
вания.
1.4. Экология спорта
При изучении взаимодействий окружающей среды и спортивной
деятельности обычно рассматривается два основных процесса:
влияние окружающей среды на спортивную деятельность и влияние
спортивной деятельности на окружающую среду. Занятия физиче-
скими упражнениями и спортом немыслимы без взаимодействия
человека с окружающей средой, а факторы, определяющие ее фор-
мирование, как прямым, так и косвенным образом оказывают влия-
ние на организм спортсмена и его спортивные результаты.
Важную роль играют временные, климатические и высотные
факторы. Участие в соревнованиях и спортивно-тренировочных сбо-
рах зачастую связано с пересечением до 7-11-часовых поясов, пере-
ездом из северных областей в южные и наоборот, а также с подъе-
мом над уровнем моря на высоту 3000 м и более. Период адаптации
спортсмена занимает обычно не менее двух недель, причем самое
трудное время для пребывания в непривычных климатических усло-
виях приходится на 5-7 дни. При перемещении в различные часовые
пояса авиарейсами следует учитывать то, что для адаптации требу-
ется не менее суток на каждый час разницы в поясном времени.
На организм спортсмена оказывают влияние и экологические осо-
бенности региона - состав и свойства воды, воздуха, почвы, погод-
ный режим и т.д. Таким образом, следует планировать учебно-
тренировочный и спортивно-соревновательный процессы с учетом
перечисленных обстоятельств.
Существует классификация факторов окружающей среды в за-
висимости от их влияния на здоровье спортсменов при занятиях
физическими упражнениями и спортом.
К факторам, оказывающим однозначно неблагоприятное влия-
ние. относятся болезнетворные (патогенные) микроорганизмы, ви-
русы, грибки и животные-паразиты; пыль, вредные химические
вещества в окружающей среде. Нужно стараться свести к миниму-
му их воздействие в местах занятий физическими упражнениями
и спортом.
Факторами, имеющими неоднозначное влияние, являются факто-
ры физической и химической природы, определяющие процессы
жизнедеятельности человека. К ним относятся температура, влаж-
ность, скорость движения воздуха, давление, радиационный фон,
погода, климат, химический состав воздушной среды и др.
В отличие от первой группы факторов внешней среды, оказы-
вающих однозначно неблагоприятное влияние на состояние здоро-
вья, вторая группа факторов, имеющих неоднозначное влияние на
организм спортсмена в определенных границах своего воздействия,
может иметь не только жизненно необходимое значение, но и ока-
зывать закаливающее и тонизирующее влияние на организм, способ-
ствуя достижению спортивных результатов. В то же время данная
группа факторов в ряде случаев может способствовать и сниже-
нию спортивной формы и спортивных результатов. Поэтому в мес-
тах занятий спортом должны соблюдаться нормативы качества
воздушной среды, температуры, давления, ионизирующего излуче-
ния и т.д.
Для качественной оценки влияния спортивной деятельности на
окружающую среду предложена гигиено-экологическая классифи-
кация видов спорта (Н.Н. Алфимов, В.В. Белоусов, 1980). Измене-
ния окружающей среды в результате занятий отдельными видами
спорта могут проявляться в виде: 1) изменений ландшафта, 2) изме-
нений фауны, 3) изменений флоры, 4) эрозии почвы, 5) шумового
загрязнения, 6) загрязнения почвы, 7) загрязнения воды, 8) загрязне-
ния воздуха. В целом это составляет 8 типов основных негативных
изменений.
По степени воздействия на окружающую среду все виды спор-
та разделены на 3 основные группы: с выраженным антропогенным
эффектом, с умеренно выраженным антропогенным эффектом, с не-
значительно выраженным антропогенным эффектом.
Виды спорта с выраженным антропогенным эффектом - те ви-
ды, которые вызывают от 5 до 8 типов отрицательных изменений
во внешней среде. К ним относят: автомотоспорт, альпинизм, водо-
моторный спорт, многоборье, биатлон, туризм и автотуризм и неко-
торые другие.
Виды спорта с умеренно выраженным антропогенным эффек-
том вызывают от 3 до 4 типов отрицательных изменений во внеш-
ней среде. К ним относят спортивные игры на необорудованных
площадках, легкоатлетические кроссы, лыжные гонки, горнолыж-
ный спорт и некоторые другие.
Виды спорта с незначительно выраженным антропогенным эф-
фектом вызывают 1-2 типа отрицательных изменений во внешней
среде. К ним можно отнести основную массу видов спорта, которы-
ми занимаются на стадионах (негативное воздействие - шумовое
загрязнение окружающей среды), плавание (загрязнение воздуха).
Эти виды спорта практически не оказывают отрицательного влияния
на окружающую среду.
Одним из актуальных направлений эколого-гигиенических ис-
следований является разработка целенаправленных мероприятий по
оценке и предотвращению негативного воздействия спортивной дея-
тельности на окружающую среду, важная роль при этом уделяется
дифференцированному подходу с учетом эколого-гигиенической
классификации видов спорта.
Следует остановиться и на той среде, в которой непосредственно
происходят занятия спортом. Согласно гигиенической классифика-
ции видов спорта Н.Н. Алфимова (1984), все виды спорта можно
разделить на 3 основные группы:
1) виды спорта в организованной внешней среде;
2) виды спорта в неорганизованной внешней среде;
3) виды спорта в техногенно измененной среде.
К видам спорта в организованной внешней среде следует отнести
все виды спорта, для занятия которыми внешняя среда создается
специально (стадионы, легкоатлетические манежи, универсальные
спортивные залы, бассейны и другие спортивные сооружения).
К видам спорта в неорганизованной внешней среде следует отне-
сти те виды спорта, где перед спортсменами ставится задача преодо-
ления трудностей необжитой природы (туризм, альпинизм и др.).
Виды спорта в техногенно измененной среде - это такие виды
спорта, занятия которыми связаны с техникой, эксплуатация которой
обусловливает техногенное изменение внешней среды.
Для сохранения здоровья спортсмена при занятиях спортом в ор-
ганизованной внешней среде необходимо создание оптимальных
условий для его деятельности (нормирование параметров микрокли-
мата, шума, загрязнения воздуха и воды, а также других вредных
факторов), при занятиях видами спорта в неорганизованной внешней
среде необходимо обучение спортсменов приемам и способам со-
хранения здоровья в период нахождения в условиях необжитой при-
роды и при преодолении тех трудностей, которые с этим связаны.
При занятиях видами спорта в техногенно измененной среде требо-
вания к сохранению здоровья сводятся к снижению, устранению или
ограничению воздействия вредных для здоровья факторов, возни-
кающих при эксплуатации спортивной техники и могущих оказать
неблагоприятное воздействие на организм человека.
Контрольные вопросы
1. Современная экология - это....
2. Перечислите задачи экологии.
3. Каковы основные разделы экологии?
4. Назовите методы экологии.
5. Дайте определение биосферы.
6. Каковы функции живого вещества биосферы?
7. Приведите примеры биогеохимических циклов.
8. Объясните связь между экологией и спортом.
9. Назовите основные группы факторов окружающей среды,
имеющих важное значение при занятиях физической культурой
и спортом.
Глава 2
ЭКОЛОГИЯ ЭКОСИСТЕМ
В ходе изучения темы важно запомнить: определение эко-
системы и ее компоненты; структуру, свойства и функции эко-
систем; особенности пирамид численности, биомассы и энергии;
определение продуктивности экосистемы, классификацию и роль
экологических факторов, понятие лимитирующего фактора, типы
взаимодействия экологических факторов.
2.1. Структура экосистемы
Экологическая система (экосистема) - совокупность популя-
ций различных видов растений, животных и микробов, взаимодейст-
вующих между собой и образующих экологическую единицу. При-
меры экологических систем - луг, лес, озеро, океан, капля озерной
воды, планета Земля в целом и т.д. Термин «экосистема» был пред-
ложен английским экологом А. Тэнсли (1935).
Состав экосистемы представлен абиотическими компонентами
неживой природы и биотическими компонентами живой природы.
Абиотические компоненты:
- неорганические вещества и химические элементы, участвую-
щие в обмене между живой и мертвой материей (вода, кислород,
кальций, магний, железо, азот, фосфор и т.д.);
- органические вещества, связывающие абиотическую и био-
тическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты, белки).
Биотические компоненты - это все живые организмы.
Функционирование экосистем обеспечивается взаимодействием
трех основных составляющих', сообщества, потока энергии, кру-
говорота веществ.
Энергия - одно из основных базовых свойств материи - способ-
ность производить работу. Фундаментальные законы термодинами-
ки имеют универсальное значение в природе. Понимание этих зако-
нов чрезвычайно важно для обеспечения эффективного подхода
к проблемам природопользования.
Согласно первому закону термодинамики (закону сохранения
энергии), энергия не создается и не исчезает, а превращается из
одной формы в другую. Энергия Солнца превращается в энергию
пищи путем фотосинтеза. Экология рассматривает связь между сол-
нечным светом и экологическими системами, в которых происходит
превращение энергии света.
В соответствии со вторым законом термодинамики, любой вид
энергии в конечном счете переходит в форму, наименее пригод-
ную для использования живыми организмами и наиболее легко
рассеивающуюся. Для всех энергетических процессов характерен
процесс перехода от более высокого уровня организации (порядка)
к более низкому (беспорядку). Тенденция энергии к деградации вы-
ражается термином «возрастание энтропии». Энтропия является ме-
рой беспорядка. Энергия пищи, поглощенной животными, перево-
дится в теплоту.
Живая материя отличается от неживой способностью аккумули-
ровать из окружающего пространства свободную энергию и пре-
образовывать ее так, чтобы противостоять возрастанию энтропии.
В природе показателем качества энергии может служить количество
энергии солнечного света, необходимое для образования единицы
(например, калории) более высококачественной формы энергии.
По способу питания все организмы планеты делятся на две
группы: автотрофные и гетеротрофные.
Автотрофы (от греч. аи1оз - сам, {горке - питаться) - орга-
низмы, использующие для своего существования неорганические
вещества воды, земли, воздуха и солнечный свет. В соответствии
с источниками энергии, используемыми для синтеза органического
вещества, автотрофы подразделяются на фототрофов (использую-
щих энергию солнца) и хемотрофов (использующих энергию хи-
мических связей). К автотрофам относятся все зеленые растения
и многие группы бактерий. Автотрофные организмы создают орга-
нические вещества, которые затем используются гетеротрофными
организмами.
Организмы, у которых источниками (донорами) электронов
в энергетическом процессе являются неорганические вещества, на-
зывают литотрофными, а те, у которых донорами электронов служат
органические соединения, - органотрофными. Тогда в зависимости
от источника энергии и природы донора электронов возможны 4 ос-
новных типа энергетического метаболизма: фотолитотрофия, фото-
органотрофия, хемолитотрофия и хемоорганотрофия.
Гетеротрофы (от греч. ке^егоз - другой) - организмы, потреб-
ляющие только готовые органические вещества. К ним относятся все
животные и грибы. Использование органических веществ в качестве
пищи у гетеротрофных организмов различное: одни используют
в качестве пищи живые растения или их плоды, другие - мертвые
остатки животных и т.д.
По функциям, которые организмы выполняют в сообществах,
все организмы подразделяются на продуцентов, консументов и ре-
дуцентов.
Продуценты [от лат. ргос1исеп8 (ргос^исепНз) - производящий,
создающий] - организмы, использующие для своего существования
неорганику воды, земли, воздуха и солнечный свет, способные син-
тезировать органические вещества из неорганических, производите-
ли продукции, которой потом питаются все организмы, - автотрофы
(от греч агвоз - сам, {горке - питаться). Это - фотосинтезирующие
растения суши, водоросли, хемосинтезирующие бактерии.
Консументы (от лат. сопзите - потребляю) - потребители орга-
нических веществ: травоядные животные, питающиеся продуцента-
ми, - это консументы первого порядка; плотоядные (хищники), пи-
тающиеся мясом других животных, - это консументы второго
порядка и всеядные, т.е. употребляющие и мясную и растительную
пищу (человек, медведь). Существуют консументы среди растений -
паразиты, и со смешанным типом питания - росянка.
Редуценты (от лат. ге(1исеге - возвращать) - организмы, исполь-
зующие в качестве пищи органическое вещество и подвергаю-
щие его минерализации; восстановители, возвращающие вещества
из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая орга-
нику до простых неорганических соединений (микроорганизмы
и грибы).
Таким образом, продуценты являются автотрофными, а консу-
менты и редуценты - гетеротрофными организмами.
Пищевые цепи и сети. Важнейший вид взаимоотношений между
организмами - это пищевые связи. Пищевая (трофическая) цепь -
это последовательность организмов, в которой все участники связа-
ны между собой пищевыми (трофическими) связями', каждый после-
дующий съедает или разлагает предыдущий. Она представляет со-
бой путь движущегося через живые организмы однонаправленного
потока поглощенной при фотосинтезе малой части высокоэффек-
тивной солнечной энергии, поступившей на Землю. В конечном ито-
ге, эта цепь возвращается в окружающую природную среду в виде
низкоэффективной тепловой энергии. По ней также движутся пита-
тельные вещества от продуцентов к консументам и далее к редуцен-
там, а затем обратно к продуцентам.
Каждое звено пищевой цепи называют трофическим уровнем.
Обычно бывают четыре или пять трофических уровней и редко
более шести. Существуют два главных типа пищевых цепей -
пастбищные (или «выедания») и детритные (или «разложения»).
В природе пищевые цепи переплетаются, образуют пищевые (тро-
фические) сети.
2.2. Экологические пирамиды
Для наглядности представления взаимоотношений между орга-
низмами различных видов в биоценозе принято использовать эко-
логические пирамиды, различая пирамиды численности, биомасс
и энергии.
Пирамида численности. Для построения пирамиды численности
подсчитывают число организмов на некоторой территории, группи-
руя их по трофическим уровням:
• продуценты - зеленые растения;
• первичные консументы - травоядные животные;
• вторичные консументы - плотоядные животные;
• третичные консументы - плотоядные животные;
• /7-консументы («конечные хищники») - плотоядные животные;
• редуценты - деструкторы.
Каждый уровень изображается условно в виде прямоугольника,
длина или площадь которого соответствуют численному значению
количества особей. Расположив эти прямоугольники в соподчинен-
ной последовательности, получают экологическую пирамиду чис-
ленности (рис. 2.1, а), основной принцип построения которой впер-
вые сформулировал американский эколог Ч. Элтон.
а) б)
Рис. 2.1. Ненарушенная (а) и перевернутая (б) пирамиды численности
Данные для пирамид численности получают достаточно легко
путем прямого сбора образцов, однако существуют и некоторые
трудности: продуценты сильно различаются по размерам, хотя один
экземпляр злака или водоросли имеет одинаковый статус с одним
деревом. Это порой нарушает правильную пирамидальную форму,
иногда давая даже перевернутые пирамиды (рис. 2.1, б); диапазон
численности различных видов настолько широк, что при графиче-
ском изображении затрудняет соблюдение масштаба, однако в таких
случаях можно использовать логарифмическую шкалу.
Пирамида биомасс. Экологическую пирамиду биомасс строят
аналогично пирамиде численности. Ее основное значение состоит
в том, чтобы показывать количество живого вещества (биомассу -
суммарную массу организмов) на каждом трофическом уровне. Это
позволяет избежать неудобств, характерных для пирамид численно-
сти. В этом случае размер прямоугольников пропорционален массе
живого вещества соответствующего уровня, отнесенной к единице
площади или объема.
Термин «пирамида биомасс» возник в связи с тем, что в абсолют-
ном большинстве случаев масса первичных консументов, живущих
за счет продуцентов, значительно больше массы вторичных консу-
ментов. Биомассу деструкторов принято показывать отдельно. При
отборе образцов определяют биомассу на корню, которая не содер-
жит никакой информации о скорости образования или потребления
биомассы.
Скорость создания органического вещества не определяет его
суммарные запасы, т.е. общую биомассу всех организмов каждого
трофического уровня. Поэтому при дальнейшем анализе могут воз-
никнуть ошибки, если не учитывать следующее:
- во-первых, при равенстве скорости потребления биомассы
(потеря из-за поедания) и скорости ее образования урожай на корню
не свидетельствует о продуктивности, т.е. о количестве энергии и
вещества, переходящих с одного трофического уровня на другой,
более высокий, за некоторый период времени (например, за год).
Так, на плодородном, интенсивно используемом пастбище урожай
трав на корню может быть ниже, а продуктивность выше, чем на
менее плодородном, но мало используемом для выпаса;
- во-вторых, продуцентам небольших размеров, например водо-
рослям, свойственна высокая скорость роста и размножения, урав-
новешиваемая интенсивным потреблением их в пищу другими орга-
низмами и естественной гибелью. Поэтому продуктивность их
может быть не меньше чем у крупных продуцентов (например, де-
ревьев), хотя на корню биомасса может быть мала. Иными словами,
фитопланктон с такой же продуктивностью, как у дерева, будет
иметь намного меньшую биомассу, хотя мог бы поддерживать жизнь
животных такой же массы.
Пирамида энергий. Самым фундаментальным способом отра-
жения связей между организмами разных трофических уровней
и функциональной организацией биоценозов является пирамида
энергий, в которой размер прямоугольников пропорционален энер-
гетическому эквиваленту в единицу времени, т.е. количеству энер-
гии (на единицу площади или объема), прошедшей через определен-
ный трофический уровень за принятый период. К основанию
пирамиды энергии можно обоснованно добавить снизу еще один
прямоугольник, отражающий поступление энергии Солнца.
Пирамида энергий отражает динамику прохождения массы пищи
через пищевую (трофическую) цепь, что принципиально отличает ее
от пирамид численности и биомасс, отражающих статику системы
(количество организмов в данный момент). На форму этой пирами-
ды не влияют изменения размеров и интенсивности метаболизма
особей. Если учтены все источники энергии, то пирамида всегда бу-
дет иметь типичный вид (в виде пирамиды вершиной вверх), соглас-
но второму закону термодинамики.
Пирамиды энергий позволяют не только сравнивать различные
биоценозы, но и выявлять относительную значимость популяций
в пределах одного сообщества. Они являются наиболее полезными
из трех типов экологических пирамид, однако получить данные для
их построения труднее всего.
2.3. Продуктивность экосистем
В процессе жизнедеятельности биоценоза создается и расходует-
ся органическое вещество, т.е. соответствующая экосистема облада-
ет определенной продуктивностью биомассы. Биомассу измеряют
в единицах массы или выражают количеством энергии, заключенной
в тканях.
Продуктивность - это скорость производства биомассы в еди-
ницу времени, которую нельзя взвесить, а можно только рассчитать
в единицах энергии или накопления органических веществ. В каче-
стве синонима термина «продуктивность» Ю. Одум предложил ис-
пользовать термин «скорость продуцирования».
Выделяют четыре последовательные ступени (или стадии) про-
цесса производства органического вещества:
• валовая первичная продуктивность - общая скорость накоп-
ления органических веществ продуцентами (скорость фотосинтеза),
включая те, что были израсходованы на дыхание и секреторные
функции. Растения на процессы жизнедеятельности тратят примерно
20% производимой химической энергии;
• чистая первичная продуктивность - скорость накопления ор-
ганических веществ за вычетом тех, что были израсходованы при
дыхании и секреции за изучаемый период. Эта энергия может быть
использована организмами следующих трофических уровней;
• чистая продуктивность сообщества - скорость общего нако-
пления органических веществ, оставшихся после потребления гете-
ротрофами - консументами (чистая первичная продукция минус по-
требление гетеротрофами). Она обычно измеряется за какой-то
период, например вегетационный период роста и развития растений
или за год в целом;
• вторичная продуктивность - скорость накопления энергии
консументами. Ее не делят на «валовую» и «чистую», так как кон-
сументы потребляют лишь ранее созданные (готовые) питательные
вещества, расходуя их на дыхание и секреторные нужды, а осталь-
ное превращая в собственные ткани. Ежегодно на суше растения
образуют в пересчете на сухое вещество 1,7 • 1011 т биомассы, экви-
валентной 3,2-1018 кДж энергии - такова чистая первичная продук-
тивность. Однако с учетом затраченного на дыхание, валовая пер-
вичная продуктивность (работоспособность) наземной раститель-
ности составляет около 4,2 • 1018 кДж.
Первичная продукция, доступная гетеротрофам, в том числе
и человеку, составляет максимум 4% от общей энергии Солнца, по-
ступающей к поверхности Земли. Поскольку на каждом трофиче-
ском уровне энергия теряется, для всеядных организмов (в том числе
и для человека) наиболее эффективный способ извлечения энергии -
потребление растительной пищи (вегетарианство).
2.4. Закономерности трофического оборота
Живые организмы для своего существования должны постоянно
пополнять и расходовать энергию. В пищевой (трофической) цепи
сети и экологических пирамидах каждый последующий уровень,
условно говоря, поедает предыдущее звено, используя его для по-
строения своего тела.
Первичными поставщиками энергии для всех других организмов
в цепях питания являются растения. При дальнейших переходах
энергии и вещества с одного трофического уровня на другой суще-
ствуют определенные закономерности.
Правило десяти процентов'. Р. Линдеман (1942) сформулировал
закон пирамиды энергий, или правило 10%: с одного трофического
уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высо-
кий ее уровень (по цепи продуцент - консумент - редуцент) в сред-
нем около 10% энергии, поступившей на предыдущий уровень эко-
логической пирамиды.
На самом деле потеря бывает либо несколько меньшей, либо не-
сколько большей, но порядок чисел сохраняется.
Обратный поток, связанный с потреблением веществ и продуци-
руемым верхним уровнем экологической пирамиды энергии более
низкими ее уровнями, например от животных к растениям, намного
слабее - не более 0,5% (и даже 0,25%) от общего ее потока, поэтому
говорить о круговороте энергии в биоценозе не приходится.
Правило биологического усиления. Вместе с полезными вещест-
вами с одного трофического уровня на другой поступают и «вред-
ные» вещества. Однако если полезное вещество при его излишке
легко выводится из организма, то вредное не только плохо выводит-
ся, но и накапливается в пищевой цепи. Таков закон природы, назы-
ваемый правилом накопления токсических веществ (биотического
усиления) в пищевой цепи и справедливый для всех биоценозов.
Иначе говоря, если энергия при переходе на более высокий уро-
вень экологической пирамиды десятикратно теряется, то накопление
ряда веществ, в том числе мутагенных, канцерогенных, токсичных
и радиоактивных, примерно в такой же пропорции увеличивается.
Принцип биотического усиления (накопления) должен быть при-
нят во внимание при любых решениях, связанных с поступлением
соответствующих загрязнений в природную среду.
2.5. Экологические факторы
Экологическими факторами называют любые компоненты ок-
ружающей среды, способные прямо или косвенно воздействовать на
живой организм хотя бы на одной из стадий его развития. Экологи-
ческие факторы могут быть необходимы или вредны для живых су-
ществ, способствовать или препятствовать выживанию и размноже-
нию. Экологические факторы являются движущей силой каких-либо
процессов или условием, влияющим на какой-нибудь организм.
В течение своей жизни каждый организм находится под воздействи-
ем множества экологических факторов, которые различаются между
собой режимом воздействия (происхождением, качеством, количе-
ством, временем воздействия и т.п.).
Каждый экологический фактор, в отличие от окружающей среды,
можно измерить как во времени, так и в пространстве:
- сравнить с определенным эталоном;
- смоделировать;
- спрогнозировать и т.п.
По своим особенностям экологические факторы весьма разнооб-
разны, имеют различную природу и специфику действия (рис. 2.2):
Рис. 2.2. Классификация экологических факторов
Приведенное выше разделение экологических факторов на три
группы, конечно, условно. Оно не может охватить всю сложность
взаимоотношений организмов между собой и с окружающей средой.
1. Абиотические факторы - это совокупность важных для орга-
низмов свойств неживой природы, каким-либо образом воздейст-
вующих на организм и их сообщества. В экологии они рассматрива-
ются как непременные и важные факторы, обеспечивающие жизнь
и развитие растений, животных и микроорганизмов, они могут вли-
ять на организмы каждый в отдельности, одновременно или взаимо-
действуя друг с другом. Разнообразие рельефа, геологических
и климатических условий порождает и огромное разнообразие абио-
тических факторов.
Эти факторы можно разделить на:
- химические (состав атмосферы, воды, почвы и др.);
- физические (температура, давление, влажность, течения и т.п.).
Первостепенное значение из них имеют:
- климатические - солнечный свет, температура, влажность;
- географические - продолжительность дня и ночи, рельеф мест-
ности;
- гидрологические - течение, волнение, состав и свойства вод;
- эдафические - состав, структура и свойства почв и др.;
- топографические - географическая широта и особенности
местообитания.
Все факторы могут влиять на организмы непосредственно или
косвенно. Например, рельеф местности влияет на освещенность,
влажность, ветер и микроклимат.
Из климатических факторов основное экологическое значение
имеют температура, влажность и свет, при этом наиболее важным
является температурный фактор. От его значения зависит интенсив-
ность обмена веществ организмов и их географическое распростра-
нение. Любой организм способен жить в пределах определенного
интервала температур. При этом интервал оптимальных температур,
при которых жизненные функции протекают наиболее активно,
сравнительно невелик. Температурные пределы, в которых жизнен-
ные процессы протекают нормально, носят название биокинети-
ческих температур. Уровень их обусловлен многими факторами
и, прежде всего, зависит от таксономического положения данного
вида растения или животного, которое, в свою очередь, связано
с географическим местом происхождения вида, определенными ус-
ловиями его эволюционного развития.
Из климатических факторов также большое значение имеет лучи-
стая энергия Солнца - основной источник жизни на планете. Эколо-
гическая эффективность лучистой энергии зависит от длины волны.
В зависимости от длины волны, в пределах всего светового спектра
различают видимый свет, ультрафиолетовую и инфракрасную его
части.
Значение света - видимой части (0,4-0,7 мкм) спектра лучистой
энергии - как экологического фактора связано с возможностью фо-
тосинтеза зеленых растений и, в конечном счете, с созданием орга-
нического вещества, растительной биомассы, с суточным ритмом
организмов и др. Ультрафиолетовые лучи оказывают фотохимиче-
ское действие на живые организмы, инфракрасные - тепловое.
Основную экологическую значимость имеют:
- фотопериодизм - закономерная смена светлого и темного вре-
мени суток;
- освещенность (в люксах);
- интенсивность прямой и рассеянной радиации (в джоулях на
единицу поверхности и в единицу времени);
- химическое действие световой энергии.
Такие экологические факторы, как ветер, атмосферное давление,
смог и др., оказывают также большое влияние на биосферу в сово-
купности и при совместном воздействии температуры и лучистой
энергии.
К эдафическим факторам относится вся совокупность физиче-
ских и химических свойств почв (структура, химический состав,
циркулирующие в почве вещества - газ, воды, органические и мине-
ральные элементы и др.). Эдафическими факторами определяется
жизнедеятельность организмов, обитающих в почве постоянно или
частично.
К гидрохимическим и гидрофизическим факторам относятся все
факторы, связанные с водой. Роль воды как экологического фактора
определяется ее физическими и химическими свойствами и подвиж-
ностью.
Все живые организмы в зависимости от их потребности в воде,
а следовательно, и по местообитаниям подразделяются на ряд эколо-
гических групп:
- водные, или гидрофильные (живут постоянно в воде), гигро-
фильные (живут в очень влажных местообитаниях),
- мезофильные (отличаются умеренными потребностями
в воде),
- ксерофильные (живут в сухих местообитаниях).
Каждая из перечисленных групп - хороший индикатор господ-
ствующих в данной местности экологических условий.
Орографические (геоморфологические) факторы. Геоморфоло-
гия - наука о рельефе местности. От высоты, от степени крутизны
склона горы или холма, ориентации склона относительно стран све-
та, общей структуры рельефа зависит весь комплекс микроклимати-
ческих и почвенных факторов. Кроме того, крутизна склона и осо-
бенности его поверхности могут сказываться на развитии корневых
систем растений, их внешнем строении. Рельеф оказывает влияние
на процессы почвообразования: уничтожение растительности (вы-
рубка лесов), усиленная пастьба скота вызывают разрушение почв
(эрозию).
Рельеф местности является одним из важнейших факторов, от ко-
торых зависит перенос, рассеивание и накопление вредных приме-
сей в атмосферном воздухе. Расположенные в низинах населенные
пункты в зонах рассеивания промышленных выбросов подвергаются
сильному застойному загрязнению, а растительность - угнетению,
вплоть до гибели.
2. Биотические факторы - это вся совокупность воздействий
жизнедеятельности одних организмов на другие. Биотическими фак-
торами являются не измененные организмами абиотические условия
среды (влажность, температура и др.) и не сами организмы, а взаи-
моотношения между организмами, прямые воздействия одних из
них на другие, т.е. характер биотических факторов определяется
формой взаимосвязей и взаимоотношений живых организмов. Они
могут складываться на основе совместного питания, обитания и раз-
множения и бывают прямыми и опосредованными.
Все многообразие взаимоотношений между живыми существами
можно разделить на два основных типа: антагонистические (греч.
ап1а§отшпа - борьба) и неантагонистические.
Антагонистические - это такие отношения, при которых орга-
низмы двух видов подавляют друг друга или один из них подавляет
другой без ущерба для себя. Основные формы этого вида биотиче-
ских отношений - хищничество, паразитизм и конкуренция.
Антагонистические отношения проявляются сильнее на началь-
ных стадиях развития сообщества. В зрелых экосистемах наблюда-
ется тенденция к замене отрицательных взаимодействий положи-
тельными, повышающая выживание видов. Тип взаимодействия
видов может меняться в зависимости от условий или стадий жиз-
ненного цикла.
Неантагонистические взаимоотношения теоретически можно
выразить многими комбинациями: нейтральные, взаимовыгодные,
односторонние и др.
При классификации биотических факторов также выделяют:
- зоогенные (воздействия животных),
- фитогенные (воздействия растений),
- микробогенные (воздействия микроорганизмов).
3. Антропогенные факторы - совокупность различных воздей-
ствий человека на неживую и живую природу. Влияние человека
может быть прямым и косвенным. Например, вырубка и раскорчевка
леса оказывают не только прямое действие, но и опосредованное -
изменяются условия существования птиц и зверей. Только самим
своим физическим существованием люди оказывают заметное влия-
ние на среду обитания: в процессе дыхания они ежегодно выделяют
в атмосферу 1*1012 кг углекислого газа, а с пищей потребляют свы-
ше 5-1015 ккал.
В значительно большей степени на биосферу влияет производст-
венная деятельность людей. В результате этой деятельности изме-
няются рельеф, химический состав земной коры и атмосферы, кли-
мат, происходит перераспределение пресной воды, вымирают виды
живых организмов, исчезают естественные экосистемы и создаются
искусственные агро- и техноэкосистемы, возделываются культурные
растения, одомашниваются животные и т.д.
Антропогенная деятельность существенно влияет на климатиче-
ские факторы, изменяя их режимы. Например, массовые выбросы
в атмосферу твердых и жидких частиц от промышленных предпри-
ятий могут резко изменить режим рассеивания солнечного излуче-
ния в атмосфере и уменьшить приход теплоты к поверхности Земли.
Уничтожение лесов и иной растительности, создание крупных ис-
кусственных водохранилищ на бывших территориях суши увели-
чивают отражение энергии, а загрязнение пылью, например, снега
и льда, - наоборот, увеличивает поглощение, что приводит к их ин-
тенсивному таянию.
Наиболее очевидное проявление антропогенного влияния на био-
сферу - загрязнение окружающей среды. Значение антропогенных
факторов постоянно растет. Человеческая деятельность представляет
собой совокупность преобразования человеком в своих целях при-
родных экологических факторов и создания новых, ранее в природе
не существовавших. Выплавка металлов из руд и производство обо-
рудования невозможны без создания высоких температур, давлений,
мощных электромагнитных полей. Получение и сохранение высоких
урожаев сельскохозяйственных культур требуют производства
удобрений и средств химической защиты растений от вредителей
и возбудителей заболеваний. Современное здравоохранение невоз-
можно представить себе без средств хемо- и физиотерапии.
Достижения научно-технического прогресса стали использовать-
ся в политических и экономических целях, что крайним образом
проявилось в создании специальных поражающих человека и его
имущества экологических факторов: от огнестрельного оружия до
средств массового физического, химического и биологического воз-
действия. В этом случае говорят о совокупности антропотропных
(направленных на человеческий организм) и антропоцидных факто-
ров, вызывающих загрязнение окружающей среды.
С другой стороны, кроме таких факторов целенаправленного на-
значения, в процессе эксплуатации и переработки природных ресур-
сов неизбежно образуются побочные химические соединения и зоны
высоких уровней физических факторов. В условиях аварий и катаст-
роф эти процессы могут носить скачкообразный характер с тяжелы-
ми экологическими и материальными последствиями. Отсюда
и потребовалось создавать способы и средства защиты человека
от опасных и вредных факторов, что реализовалось в настоящее
время в упомянутую выше систему - безопасность жизнедеятель-
ности.
2.6. Закономерности действия экологических
факторов
Несмотря на большое разнообразие экологических факторов,
в характере их воздействия и в ответных реакциях живых организ-
мов можно выявить ряд общих закономерностей.
Эффект влияния факторов зависит не только от характера их дей-
ствия (качества), но и от количественного значения, воспринимаемо-
го организмами (высокая или низкая температура, степень освещен-
ности, влажности, количество пищи и т.д.). В процессе эволюции
выработалась способность организмов адаптироваться к экологиче-
ским факторам в определенных количественных пределах. Умень-
шение или увеличение значения фактора за этими пределами
угнетают жизнедеятельность, а при достижении некоторого мини-
мального или максимального уровня наступает гибель организмов.
Зоны действия экологического фактора и теоретическая зависимость
жизнедеятельности организма, популяции или сообщества зависят
от количественного значения фактора.
Количественный диапазон любого экологического фактора, наи-
более благоприятный для жизнедеятельности, называется экологи-
ческим оптимумом (лат. орИтш - наилучший). Значения фактора,
лежащие в зоне угнетения, называются экологическим пессимумом
(наихудший). Минимальное и максимальное значения фактора, при
которых наступает гибель, называются соответственно экологиче-
ским минимумом и экологическим максимумом.
Свойство организмов адаптироваться к существованию в том или
ином диапазоне значений экологического фактора называется эколо-
гической пластичностью. Чем шире диапазон экологического фак-
тора, в пределах которого данный организм может жить, тем больше
его экологическая пластичность.
По степени пластичности выделяют два типа организмов:
стенобионтные и эерибионтные.
Стенобионтные (греч. $1епо8 - узкий, тесный) организмы спо-
собны существовать лишь при небольших отклонениях от опти-
мального значения фактора.
Эерибионтными (греч. еигуз - широкий) называются организмы,
выдерживающие большую амплитуду колебаний экологического
фактора.
Условия существования - совокупность экологических факто-
ров, обеспечивающих рост, развитие и воспроизводство организмов.
Представление о лимитирующих факторах основывается на
двух законах экологии: законе минимума и законе толерантности.
В середине прошлого века немецкий химик Ю. Либих (1840),
изучая влияние питательных веществ на рост растений, обнаружил,
что урожай зависит не от тех элементов питания, которые требуются
в больших количествах и присутствуют в изобилии (например, угле-
кислый газ и вода), а от тех, которые хотя и нужны растению в
меньших количествах, но практически отсутствуют в почве или не-
доступны (например, фосфор, цинк, бор).
Эту закономерность Либих сформулировал так: «Рост растения
зависит от того элемента питания, который присутствует в мини-
мальном количестве». Позднее этот вывод стал известен как закон
минимума Либиха и был распространен на многие другие экологи-
ческие факторы. Ограничивать, или лимитировать, развитие орга-
низмов могут и тепло, и свет, и вода, и кислород, и другие факторы,
если их значение соответствует экологическому минимуму. Напри-
мер, тропическая рыба морской ангел погибает, если температура
воды опустится ниже 16°С. А развитие водорослей в глубоководных
экосистемах лимитируется глубиной проникновения солнечного
света: в придонных слоях водорослей нет.
Исследования показали, что закон минимума имеет два ограни-
чения, которые следует учитывать при практическом применении.
Первое ограничение состоит в том, что закон Либиха строго при-
меним лишь в условиях стационарного состояния системы. Напри-
мер, в некотором водоеме рост водорослей ограничивается в естест-
венных условиях недостатком фосфатов. Соединения азота при этом
содержатся в воде в избытке. Если в этот водоем начнут сбрасывать
сточные воды с высоким содержанием минерального фосфора, то
водоем может «зацвести». Этот процесс будет прогрессировать до
тех пор, пока один из элементов не израсходуется до ограничитель-
ного минимума. Теперь это может быть азот, если фосфор продол-
жает поступать. В переходный же момент (когда азота еще доста-
точно, а фосфора уже достаточно) эффекта минимума не наблюдает-
ся, т.е. ни один из этих элементов не влияет на рост водорослей.
Второе ограничение связано с взаимодействием нескольких фак-
торов. Иногда организм способен заменить дефицитный элемент
другим, химически близким. Так, в местах, где много стронция,
в раковинах моллюсков он может заменять кальций при недостатке
последнего. Или, например, потребность в цинке у некоторых расте-
ний снижается, если они растут в тени. Следовательно, низкая кон-
центрация цинка меньше будет лимитировать рост растений в тени,
чем на ярком свету. В этих случаях лимитирующее действие даже
недостаточного количества того или иного элемента может не про-
являться.
Закон толерантности (лат. 1()1егапИа - терпение) был открыт
английским биологом В. Шелфордом (1913), который обратил вни-
мание на то, что ограничивать развитие живых организмов могут не
только те экологические факторы, значения которых минимальны,
но и те, которые характеризуются экологическим максимумом.
Избыток тепла, света, воды и даже питательных веществ может
оказаться столь же губительным, как и их недостаток. Диапазон эко-
логического фактора между минимумом и максимумом В. Шелфорд
назвал пределом толерантности.
Предел толерантности описывает амплитуду колебаний факто-
ров, которая обеспечивает наиболее полноценное существование
популяции. Отдельные особи могут иметь несколько иные диапазо-
ны толерантности.
Было установлено следующее:
- организмы с широким диапазоном толерантности ко всем
факторам широко распространены в природе и часто бывают космо-
политами, например, многие патогенные бактерии;
- организмы могут иметь широкий диапазон толерантности
в отношении одного фактора и узкий диапазон относительно друго-
го. Например, люди более выносливы к отсутствию пищи, чем к от-
сутствию воды, т.е. предел толерантности относительно воды более
узкий, чем относительно пищи;
- если условия по одному из экологических факторов становят-
ся неоптимальными, то может измениться и предел толерантности
по другим факторам. Например, при недостатке азота в почве злакам
требуется гораздо больше воды;
- наблюдаемые в природе реальные пределы толерантности
меньше потенциальных возможностей организма адаптироваться
к данному фактору. Это объясняется тем, что в природе пределы
толерантности по отношению к физическим условиям среды могут
сужаться биотическими отношениями: конкуренцией, отсутствием
опылителей, хищниками и др. Потенциальная экологическая пла-
стичность организма, определенная в лабораторных условиях, боль-
ше реализованных возможностей в естественных условиях. Соответ-
ственно, различают потенциальную и реализованную экологические
ниши;
- пределы толерантности у размножающихся особей и потомства
меньше, чем у взрослых особей, т.е. самки в период размножения
и их потомство менее выносливы, чем взрослые организмы;
- экстремальные (стрессовые) значения одного из факторов ве-
дут к снижению предела толерантности по другим факторам. Если
в реку сбрасывается нагретая вода, то рыбы и другие организмы тра-
тят почти всю свою энергию на преодоление стресса. Им не хватает
энергии на добывание пищи, защиту от хищников, размножение, что
приводит к постепенному вымиранию. Психологический стресс
также может вызывать многие соматические (греч. $ота - тело)
заболевания не только у человека, но и у некоторых животных
(например, у собак).
Многие организмы способны менять толерантность к отдельным
факторам, если условия меняются постепенно. Такая адаптация
к медленному изменению фактора - полезное защитное свойство.
Но оно может оказаться и опасным. Неожиданное, без предупреж-
дающих сигналов, даже небольшое изменение может оказаться кри-
тическим. Наступает пороговый эффект.
Если значение хотя бы одного из экологических факторов при-
ближается к минимуму или максимуму, существование и процвета-
ние организма, популяции или сообщества становятся зависимыми
именно от этого, лимитирующего жизнедеятельность фактора.
Ценность концепции лимитирующих факторов состоит в том, что
она позволяет разобраться в сложных взаимосвязях в экосистемах.
Лимитирующие факторы определяют и географический ареал ви-
да. Так, продвижение организмов на юг лимитируется, как правило,
недостатком тепла. Биотические факторы также часто ограничивают
распространение тех или иных организмов. Например, завезенный
из Средиземноморья в Калифорнию инжир не плодоносил там до
тех пор, пока не догадались завезти туда и определенный вид осы -
единственного опылителя этого растения. Выявление лимитирую-
щих факторов очень важно для многих видов деятельности, особен-
но сельского хозяйства. При целенаправленном воздействии на
лимитирующие условия можно быстро и эффективно повышать
урожайность растений и производительность животных.
В качестве примеров антропогенных лимитирующих фак-
торов. позволяющих управлять природными и созданными чело-
веком экосистемами, можно рассмотреть пожары и антропогенный
стресс.
Пожары как антропогенный фактор чаще оцениваются только
негативно. Исследования в последние 50 лет показали, что естест-
венные пожары могут являться как бы частью климата во многих
наземных местообитаниях. Они влияют на эволюцию флоры и фау-
ны. Биотические сообщества «научились» компенсировать этот фак-
тор и адаптируются к нему, как к температуре или влажности. По-
жар можно рассматривать и изучать как экологический фактор,
наряду с температурой, осадками и почвой. При правильном исполь-
зовании огонь может быть ценным экологическим инструментом.
Пожары бывают различных типов и приводят к разным последст-
виям. Верховые, или «дикие», пожары обычно очень интенсивны
и не поддаются сдерживанию. Они уничтожают крону деревьев и
разрушают всю органику почвы. Пожары такого типа оказывают
лимитирующее действие почти на все организмы сообщества.
Должно пройти много лет, пока участок вновь восстановится.
Низовые пожары совершенно иные. Они обладают избиратель-
ным действием: для одних организмов оказываются более лимити-
рующими, чем для других. Таким образом, низовые пожары способ-
ствуют развитию организмов с высокой толерантностью к их
последствиям. Они могут быть естественными или специально орга-
низованными человеком. Например, плановое выжигание в лесу
предпринимается с целью устранить конкуренцию для ценной поро-
ды болотной сосны со стороны лиственных деревьев. Болотная со-
сна, в отличие от лиственных пород, устойчива к огню, так как вер-
хушечная почка ее сеянцев защищена пучком длинных плохо
горящих иголок. При отсутствии пожаров поросль лиственных де-
ревьев заглушает сосну, а также злаки и бобовые. Это приводит
к угнетению куропаток и мелких травоядных животных. Поэтому
девственные сосновые леса с обильной дичью являются экосистема-
ми «пожарного» типа, т.е. нуждающимися в периодических низовых
пожарах. В данном случае пожар не ведет к потере питательных
элементов почвой, не вредит муравьям, насекомым и мелким млеко-
питающим.
Антропогенный стресс также может рассматриваться как свое-
образный лимитирующий фактор. Экосистемы в значительной сте-
пени способны компенсировать антропогенный стресс. Возможно,
что они от природы адаптированы к острым периодическим стрес-
сам. Многие организмы нуждаются в случайных нарушающих воз-
действиях, которые способствуют их долговременной устойчивости.
Большие водоемы часто обладают хорошей способностью к само-
очищению и восстанавливают свои качества после загрязнения, так
же как и многие наземные экосистемы. Однако долговременные
нарушения могут привести к выраженным и устойчивым негатив-
ным последствиям. В таких случаях эволюционная история адапта-
ции не может помочь организмам - компенсационные механизмы не
беспредельны. Особенно это касается тех случаев, когда сбрасыва-
ются сильно токсичные отходы, которые постоянно производятся
индустриализацией и которые ранее отсутствовали в окружающей
среде.
Таким образом, лимитирующие факторы контролируют условия
существования экологических систем. Смысл анализа условий среды
состоит в том, чтобы обнаружить функционально важные, лимити-
рующие факторы и оценить, в какой степени состав, структура
и функции экосистем зависят от взаимодействия этих факторов.
Только в этом случае удается достоверно прогнозировать результаты
изменений и нарушений и управлять экосистемами.
При изучении экосистем также необходимо учитывать законо-
мерности оптимальности, изменчивости и разнообразия ответных
реакций, независимости приспособления, несовпадение оптимально-
сти экологических спектров разных видов и др. Согласно принципу
оптимальности, результатом естественного отбора является увели-
чение относительного количества тех особей, поведение которых
увеличивает их доступ к ресурсам, т.е. тех, чье поведение относи-
тельно ресурсов может быть названо оптимальным. Несовпадение
оптимальности экологических спектров разных видов обусловлено
различиями в их физиологии, морфологии, поведении и других ха-
рактеристиках. Поэтому различные организмы по-разному реагиру-
ют на действие одних и тех же экологических факторов. Адаптация
к существованию в различных условиях выработалась у организмов
исторически.
Компенсация экологических факторов - это стремление орга-
низмов ослабить лимитирующее действие физических, биотических
и антропогенных влияний (например, самоочищение водоема, при-
способление растений и животных к температурным воздействиям
и пр.). Компенсация факторов возможна на уровне организма и вида,
но наиболее эффективна на уровне сообщества.
При разных температурах один и тот же вид, имеющий широкое
географическое распространение, может приобретать физиологиче-
ские и морфологические (греч. тогрке - форма, очертание) особен-
ности, адаптированные к местным условиям. Например, у животных
уши, хвосты, лапы тем короче, а тело тем массивнее, чем холоднее
климат. Эта закономерность называется правилом Аллена (1877), со-
гласно которому выступающие части тела теплокровных животных
увеличиваются по мере продвижения с севера на юг, что связано
с адаптацией к поддержанию постоянной температуры тела в раз-
личных климатических условиях. Так, у лисиц, живущих в Сахаре,
длинные конечности и огромные уши; европейская лисица более
приземиста, уши у нее намного короче; а у арктической лисицы -
песца - очень маленькие ушки и короткая морда.
Практически каждая экологическая система приспособлена к рит-
мическим изменениям абиотических факторов. Реакция выражается
в изменении активности биоценозов и преимущественно связана
с суточными и сезонными изменениями условий среды обитания.
Характерно, что при такой динамике сохраняются принципиальные
свойства экосистемы, в том числе целостность и функциональная
устойчивость. Даже сезонные изменения видового состава не нару-
шают общую характеристику каждой данной экосистемы, ибо зако-
номерно повторяются каждый год.
В природе все живое подвергается постоянному влиянию не от-
дельных экологических факторов, а их совокупности. В этой связи
выделяют три типа взаимодействия экологических факторов',
синергический, аддитивный и антагонистический. Это связано
с тем, что эффекты различных экологических факторов при их со-
вместном воздействии могут усиливаться (синергизм), ослабляться
(антагонизм) либо суммироваться (аддитивное, или независимое,
действие).
Антагонизм - взаимное гашение действия нескольких факторов,
обусловленное обратной отрицательной связью: увеличение популя-
ции вредителей способствует уменьшению пищевых ресурсов, что
впоследствии приводит к сокращению их популяции.
Синергизм - взаимное усиление действия нескольких факторов,
обусловленное положительной обратной связью. Так, при комбини-
рованном воздействии факторов (например, ультрафиолетового из-
лучения и ультразвука) на организм синергизм может быть обуслов-
лен образованием дополнительных эффективных повреждений за
счет взаимодействия субповреждений, формируемых каждым из
агентов, не являющихся эффективными при их раздельном дей-
ствии.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение экосистемы и назовите ее компоненты.
2. Расскажите об образовании и развитии экосистем.
3. Какова структура экосистем?
4. Перечислите свойства и функции экосистем.
5. Что такое пирамиды численности, биомассы и энергии?
6. Что называют продуктивностью экосистемы?
7. Классификация абиотических факторов. Их свойства и значение
в жизни живых организмов.
8. Классификация биотических факторов. Группы биотических фак-
торов.
9. Антропогенные факторы и их роль в биологических системах.
10. Перечислите типы взаимодействия экологических факторов.
Глава 3
ПОПУЛЯЦИОННАЯ ЭКОЛОГИЯ.
ПОНЯТИЕ О СООБЩЕСТВАХ
В ходе изучения темы важно запомнить: предмет изучения
популяционной экологии, определение и основные характеристики
популяции, популяционные законы, кривые роста популяции, факто-
ры динамики численности популяции; определение сообщества; ос-
новные направления биогеоценологии, типы взаимоотношений ме-
жду организмами в биоценозах, закономерности саморегуляции
биоценозов, принцип экологического дублирования; а также сфор-
мировать представление об экологической сукцессии и ее видах.
3.1. Экология популяций
Важное значение для общей экологии имеет популяционная эко-
логия, или демэкология. Объектом ее изучения служит популяция
(происходит от лат. слова рори1и$ - народ) - совокупность особей
одного вида, обитающих на определенной территории, свободно
скрещивающихся между собой и частично или полностью изолиро-
ванных от других популяций. Таким образом, она представляет со-
бой группу организмов одного вида (внутри которой особи могут
обмениваться генетической информацией), занимающую конкретное
пространство и функционирующую как часть биотического сообще-
ства. Популяция характеризуется рядом признаков, носителем кото-
рых является вся группа, но не отдельные особи в этой группе.
Популяционная экология имеет огромное практическое значение.
Не зная закономерностей жизнедеятельности популяции, нельзя раз-
рабатывать научно обоснованные мероприятия по рациональному
использованию природных богатств. Популяционный подход к ана-
лизу природных явлений основан на способности любого вида живых
организмов регулировать свою численность при воздействии разно-
образных абиотических и биотических факторов внешней среды.
Популяция обладает только ей присущими особенностями: чис-
ленностью, плотностью, пространственным распределением особей.
Различают возрастную, половую, размерную структуру популяции.
Соотношение разных по возрасту и полу групп в популяции опреде-
ляет ее основные функции. Соотношение разных возрастных групп
зависит от двух причин: от особенностей жизненного цикла вида
и от внешних условий.
Состав популяции. Условно в популяции можно выделить три
экологические возрастные группы: пререпродуктивную - группу
особей, возраст которых не достиг способности воспроизведения;
репродуктивную - группу, воспроизводящую новые особи; постре-
продуктивную - группу особей, утративших способность участво-
вать в воспроизведении новых поколений.
Выделяют виды с простой возрастной структурой, когда популя-
ция представлена организмами одного возраста, и виды со сложной
возрастной структурой, когда в популяции представлены все воз-
растные группы или одновременно живут несколько поколений.
Численность популяции выражается числом особей данного
вида, обитающих на единице занимаемой ею площади. Динамика
численности популяций во времени определяется соотношением
показателей рождаемости, смертности, выживаемости, которые,
в свою очередь, определяются условиями жизни.
Плотность популяции - это величина популяции, отнесенная
к единице пространства: число особей или биомасса, популяции на
единицу площади или объема. Плотность зависит от трофического
уровня, на котором находится популяция. Чем ниже трофический
уровень, тем выше плотность.
Биомасса - это общее количество органического вещества всей
совокупности тех или иных организмов с заключенной в нем энер-
гией, выражаемое в единицах массы или энергии в пересчете на жи-
вое или сухое вещество, а также отнесенное к единице площади или
объема.
Структуры популяций. Средняя продолжительность жизни
организмов и соотношение численности (или биомассы) особей
различного возраста характеризуются возрастной, а соотношение
особей разного пола - половой структурами популяции. Формиро-
вание возрастной структуры происходит в результате совместного
действия процессов размножения и смертности.
Для роста численности популяций большое значение имеет соот-
ношение особей по полу. Генетический механизм обеспечивает
примерно равное соотношение особей разного пола при рождении.
Однако исходное соотношение вскоре нарушается в результате раз-
линий физиологических, поведенческих и экологических реакций
самцов и самок, вызывающих неравномерную смертность.
Анализ возрастной и половой структуры популяции позволяет
прогнозировать ее численность на ближайшие годы. Этим обстоя-
тельством пользуются на практике, например в промысле рыбы или
охотоведении.
Каждая популяция занимает пространство, обеспечивающее ус-
ловия жизни для ограниченного числа особей. При изучении про-
странственной структуры различают случайное, равномерное
и неравномерное (групповое) распределения особей на территории
(в пространстве).
Случайное распределение (рис. 3.1, а) в природе встречается ред-
ко; оно наблюдается в случаях, когда среда очень однородна, а орга-
низмы не стремятся объединиться в группы.
Рис. 3.1. Основные типы распределения особей популяции по территории
(по Ю. Одуму)
Равномерное распределение (рис. 3.1, б) бывает там, где между
особями очень сильна конкуренция или существует антагонизм.
Наиболее часто наблюдается неравномерное (групповое) распреде-
ление (рис. 3.1, в) - образование различных скоплений.
Активность особей, пар и семейных групп у позвоночных и выс-
ших беспозвоночных обычно ограничена определенной зоной, назы-
ваемой индивидуальным (или семейным) участком территории.
У высших животных внутрипопуляционное распределение регули-
руется системой инстинктов. Им свойственно особое территориаль-
ное поведение - реакция на местонахождение других членов по-
пуляции.
В зависимости от характера использования пространства под-
вижных животных подразделяют на оседлых и кочевых. Оседлые
животные в течение всей или большей части жизни используют до-
вольно ограниченный участок среды. Им присущи инстинкты привя-
занности к своему участку, регулярное возвращение к месту раз-
множения после длительных и дальних миграций.
Кочевые животные совершают постоянные передвижения в про-
странстве, так как они зависят от запаса корма на данной террито-
рии. Кочевой образ жизни характерен преимущественно для стад
и стай (кочующие группы многих рыб во время нагульных мигра-
ций, стада слонов, зебр, антилоп, северных оленей и т.п.). Переме-
щение кочующих видов по площади обычно происходит за сроки,
достаточные для восстановления кормовых ресурсов на пастбищных
участках. Масштабы и длительность таких миграций определяют
обилие пищи и численность стада.
Этологическая (поведенческая) структура отражает разнообраз-
ные формы совместного существования особей в популяциях. Оди-
ночный образ жизни следует выделить в первую очередь, хотя пол-
ностью одиночного существования организмов в природе нет, так
как в этом случае было бы невозможно размножение. При семейном
образе жизни усиливаются связи между родителями и потомством,
начинает заметно проявляться территориальное поведение живот-
ных. Путем различных сигналов, маркировки, угроз и тому подобно-
го обеспечивается владение участком, достаточным для выкармли-
вания потомства.
Стая - временное объединение животных, проявляющих биоло-
гически полезную организованность действий (для защиты от вра-
гов, добычи пищи, миграции и т.п.). Наиболее широко стайность
распространена среди рыб и птиц, хотя встречается и у млекопи-
тающих (например, у собак).
Стадо - длительное или постоянное объединение животных,
в котором осуществляются все основные функции жизни вида: до-
бывание корма, защита от хищников, миграция, размножение, вос-
питание молодняка.
Основу группового поведения в стадах составляют взаимоотно-
шения доминирования. Характерно наличие временного или относи-
тельно постоянного лидера, которому подражают особи стада.
Колония - это групповое поселение оседлых животных на дли-
тельное время или на период размножения. По сложности взаимоот-
ношений между особями колонии очень разнообразны, наиболее
сложные отношения складываются в поселениях для общественных
насекомых (термитов, муравьев, пчел, ос и др.), возникающие на
основе сильно разросшейся семьи. Члены колоний постоянно обме-
ниваются информацией друг с другом.
Динамика популяции - это процессы изменения ее основных
биологических показателей (численности, биомассы, структуры) во
времени в зависимости от экологических факторов. Жизнь популя-
ции проявляется в ее динамике - одном из наиболее значимых био-
логических и экологических явлений.
Современная концепция автоматического регулирования числен-
ности популяций базируется на сочетании двух принципиально раз-
личных явлений: модификаций, или случайных колебаний числен-
ности, и регуляций, действующих по принципу кибернетической
обратной связи и нивелирующих колебаний. В соответствии с этим
выделяют модифицирующие (не зависящие от плотности популяции)
и регулирующие (зависящие от плотности популяции) экологические
факторы, причем первые из них воздействуют на организмы либо
непосредственно, либо через изменения других компонентов био-
ценоза.
Модифицирующие факторы представляют собой различные
абиотические факторы. Регулирующие факторы связаны с сущест-
вованием и активностью живых организмов (биотические факторы),
но лишь живые существа способны реагировать на плотность своей
популяции и популяций других видов по принципу отрицательной
обратной связи.
Если воздействия модифицирующих факторов приводят лишь
к преобразованиям (модификациям) колебаний численности, не ус-
траняя их, то регулирующие факторы, выравнивая случайные от-
клонения, стабилизируют (регулируют) численность на определен-
ном уровне.
У животных, ведущих одиночный образ жизни или создающих
семьи, регулирующим фактором является территориальность, кото-
рая влияет на обладание определенными пищевыми ресурсами и
имеет большое значение для размножения. Особь защищает про-
странство от вторжения и открывает ее для другой особи только при
размножении. Самое рациональное использование пространства
достигается в том случае, если образуется настоящая территория -
участок, из которого другие особи изгоняются. У данных животных
огромное значение имеют индивидуальные различия между особя-
ми - наиболее приспособленные обладают большим индивидуаль-
ным пищевым ареалом.
У животных, ведущих групповой образ жизни и образующих
стаи, стада, колонии, групповая защита от врагов и совместная забо-
та о потомстве повышают выживаемость особей, что влияет на чис-
ленность популяции и ее выживаемость. Данные животные органи-
зованы иерархически.
3.2. Понятие о сообществах
Сообщество - это совокупность взаимодействующих популяций,
занимающих определенную территорию, живой компонент эко-
системы. Сообщество функционирует как динамическая единица
с различными трофическими уровнями, через него проходит поток
энергии и совершается круговорот питательных веществ.
Экосистема - система, состоящая из взаимодействующих орга-
низмов разных видов и среды их обитания, образующих экологиче-
скую единицу.
Биогеоценоз представляет собой однородный участок земной
поверхности с определенным составом живых организмов (биоце-
ноз) и определенными условиями среды обитания (биотоп), которые
объединены обменом веществ и энергии в единый природный ком-
плекс (рис. 3.2). Учение о биогеоценозе разработал выдающийся
российский ученый В.Н. Сукачев.
Рис. 3.2. Структура биогеоценоза
Биоценоз - исторически сложившееся сообщество растительных
и животных организмов, характеризующееся некоторой общностью
их биологических особенностей и условий существования, обеспе-
чивающее круговорот веществ и способное к саморегуляции.
Биотоп - участок земной поверхности (суши, водоема) с одно-
типными абиотическими условиями среды (климатом, рельефом
и т.п.), занимаемый тем или иным биоценозом.
Термины «биогеоценоз» и «экосистема» являются сходными, но
не тождественными. Понятие «экосистема» не имеет ранга и раз-
мерности, следовательно, оно применимо как к простым (капля пру-
довой воды с содержащимися в ней микроорганизмами, муравейник,
гниющая коряга) и искусственным (аквариум, сад, парк), так
и к сложным природным комплексам организмов с их естествен-
ной средой обитания. Биогеоценоз же, согласно российскому уче-
ному В.Н. Сукачеву, характеризуется определенностью размеров:
это экосистема, которая занимает определенный участок суши
и включает основные компоненты среды - приземный слой атмо-
сферы, подпочву, почву и растительный покров. Ее границы обу-
словлены характером растительного покрова, т.е. определенным
фитоценозом. Таким образом, любой биогеоценоз является эко-
системой, но не всякая экосистема есть биогеоценоз.
Биогеоценология - наука, изучающая взаимоотношения между
организмами внутри биоценоза, а также между биоценозом и биото-
пом. В ее задачи входит установление границ биогеоценоза, анализ
существующих в нем пищевых цепей, изучение видового состава,
его плотности и других параметров.
Основными направлениями биогеоценологии являются следую-
щие:
- исследование свойств и функций компонентов, составляющих
биогеоценозы, и расшифровка механизма их связей;
- изучение потоков вещества и энергии в них, а также доля
и формы участия их компонентов в материально-энергетическом
метаболизме всего комплекса и особенно в его биологической про-
дуктивности;
- изучение преобразования одними компонентами состояний,
свойств и работы других; определение их роли в изменении и дина-
мике биогеоценоза;
- установление реакций компонентов и биогеоценоза в целом
на стихийные воздействия и хозяйственную деятельность человека;
- изучение устойчивости биогеоценозов и ее регуляторных ме-
ханизмов;
- исследование взаимосвязей и взаимодействий как между со-
седними, так и между отдаленными биогеоценозами, обеспечиваю-
щими единство биосферы и ее крупных частей.
Все организмы в пределах биогеоценоза находятся в тесной пи-
щевой, пространственной, видовой и размерной взаимозависимости.
Особенно важную роль в биогеоценозе играют зеленые растения
(высшие и низшие), дающие основную массу живого вещества. Че-
рез процессы фотосинтеза, дыхания они поддерживают баланс
кислорода и углекислого газа в воздухе, а также участвуют в круго-
вороте воды.
В каждом биогеоценозе количество обитателей - животных, рас-
тений и других организмов, - или биомассы, - неодинаково. Соот-
ношение между структурными подразделениями данного биоценоза
в среднем за год более или менее постоянно. Виды, которые имеют
наибольшее количество особей или биомассы, являются доминант-
ными.
Положение и роль вида в биогеоценозе, его специализацию на-
зывают экологической нишей вида. Соотношение между видами,
популяциями, числом особей в биогеоценозе по временам года
может меняться в зависимости от наличия пищи, от погодных усло-
вий и т.д.
Важнейшими свойствами любой живой системы является ее ус-
тойчивость, сбалансированность обмена и происходящих в ней про-
цессов. В экологии гомеостаз трактуется как способность популяций
или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие
в изменяющихся условиях среды. В основе гомеостаза лежит прин-
цип обратной связи. Для поддержания равновесия в природе не
требуется внешнего управления. Пример гомеостаза - система хищ-
ник-жертва, в которой регулируются плотность популяций хищника
и жертвы.
Устойчивость и сбалансированность процессов, протекающих
в экосистемах, позволяют констатировать, что им, в целом, свойст-
венно состояние гомеостаза, подобно входящим в их состав популя-
циям и каждому живому организму. Нестабильность среды обитания
в экосистемах компенсируется биоценотическими адаптивными ме-
ханизмами.
При незначительных нарушениях условий в экосистеме на фоне
неизменных средних характеристик среды принципиальная структу-
ра биоценоза сохраняется за счет функциональной адаптации.
При более существенном нарушении состава биоценоза возникают
неустойчивые, сменяющие друг друга сообщества. Этот процесс
в идеальном случае ведет к восстановлению исходного типа эко-
системы.
В естественной экосистеме постоянно поддерживается равнове-
сие, исключающее необратимое уничтожение тех или иных звеньев
трофической сети. Это является следствием длительного эволюци-
онного процесса, названного Ч. Дарвиным естественным отбором.
Любая экосистема всегда сбалансирована и устойчива (гомеостатич-
на), причем системы тем стабильнее во времени и пространстве, чем
они сложнее. Одним из наиболее ярких выражений механизма под-
держания гомеостаза на уровне экосистемы являются экологические
сукцессии.
3.3. Экологические сукцессии
Экологическая сукцессия - развитие биогеоценоза, при котором
в пределах одной и той же территории (биотопа) происходит после-
довательная смена одного биоценоза другим в направлении повы-
шения устойчивости экосистемы. Процессы сукцессии занимают
определенные промежутки времени. Чаще всего это - годы и десят-
ки лет, но встречаются и очень быстрые смены сообществ, например
во временных водоемах, и очень медленные - вековые изменения
экосистем, связанные с эволюцией на Земле.
Сообщества животных и растений биогеоценоза в зависимости
от естественных или антропогенных факторов могут сменяться
после лесных пожаров, высыхания болота, вырубки леса, распашки
земли, а также в силу естественных закономерностей в природе.
Примером может служить периодическая смена породного состава
леса:
- под пологом лиственного леса в средней полосе нашей страны
появляется подрост ели и других хвойных пород;
- по мере отмирания недолговечных осины, березы, ольхи
в первый ярус выходят хвойные деревья, образуя качественно новый
биогеоценоз;
- после старения и выпадения деревьев хвойных пород преоб-
ладающими вновь становятся лиственные породы со свойственным
им животным миром.
Сукцессионный ряд - цепь сменяющих друг друга биоценозов.
Примеры: луг - кустарник - лес; степь - полупустыня - пустыня
и др.
Причиной начала процесса сукцессии в ряде случаев являются
изменения фундаментальных свойств среды обитания, возникающие
под влиянием комплекса факторов. Такие факторы бывают естест-
венными - отступление ледников, наводнения, землетрясения, из-
вержения вулканов, пожары, а также антропогенными - расчистка
лесных угодий, распашка участков степи, открытая добыча по-
лезных ископаемых, создание прудов и водохранилищ, пожары,
загрязнение экологических систем.
В зависимости от обстоятельств, предшествовавших началу про-
цесса, сукцессии подразделяют на следующие:
• антропогенные, вызванные хозяйственной деятельностью
человека, в том числе лаборогенные, связанные с трудовой деятель-
ностью;
• катастрофические, связанные с какими-либо катастрофиче-
скими для экосистемы природными или антропогенными факто-
рами;
• пирогенные, вызванные пожаром независимо от его причин;
• зоогенные (фитогенные), вызванные необычно сильным воз-
действием животных (растительности), как правило, в результате их
массового размножения (завоза чуждых видов человеком).
По общему характеру сукцессии делят на первичные и вто-
ричные.
Первичные сукцессии начинаются на субстрате - опорном эко-
логическом компоненте, например почве, грунте водоема, толще
воды (для планктона), не измененном (или почти не измененном)
деятельностью живых организмов. Так, начиная с пионерного и че-
рез серию промежуточных, формируются устойчивые сообщества на
скалах, песках, обрывах, остывшей вулканической лаве, глинах по-
сле отступления ледника или прохождения селя и т.п. Одна из ос-
новных функций сукцессии такого рода - постепенное накопление
органических остатков и, как результат, создание (или изменение)
почвы первичными колонистами.
Далее меняется гидрологический режим и происходят прочие
изменения местообитания. Первичная сукцессия от голой скаль-
ной породы к зрелому лесу может занять от нескольких сотен до
тысяч лет.
Вторичные сукцессии развиваются на субстрате, первоначально
измененном деятельностью комплекса живых организмов, сущест-
вовавших на данном месте ранее - до пожара, наводнения, вырубки
и т.п. В таких местах обычно почва или донные отложения не унич-
тожены, т.е. сохраняются богатые жизненные ресурсы и сукцессии
чаще всего бывают восстановительными. Здесь в почве могут сохра-
няться семена, споры и органы вегетативного размножения, напри-
мер корневища, которые будут влиять на сукцессию.
Смена фаз сукцессии идет в соответствии с определенными пра-
вилами. Каждая предыдущая фаза готовит среду для возникновения
последующей, постепенно нарастают видовое многообразие и ярус-
ность. Вслед за растениями в сукцессию вовлекаются представители
животного мира и становятся более богатыми видами, цепи питания
усложняются, развиваются и превращаются в сети питания. Активи-
зируется деятельность редуцентов, возвращающих органическое
вещество из почвы в состав биомассы, ее объем неуклонно растет.
Процесс практически прекращается, когда добавление или исключе-
ние видов не приводят к изменению среды развивающейся эко-
системы.
Деградационные сукцессии. Это специфическая форма смены
сообществ, заключающаяся в последовательном использовании раз-
личными видами разлагающейся органики. Особенностями таких
сукцессий является то, что сообщества состоят только из гетеро-
трофных организмов, а ход сукцессии направлен в сторону все
большего структурного и химического упрощения скоплений орга-
нического вещества.
Вековые смены экосистем. Сукцессии такого масштаба отража-
ют историю развития жизни на Земле. Наглядным примером исто-
рической смены экосистем служат изменения сообществ растений
и животных по мере отступления ледников после крупных оледе-
нений.
В случаях, когда в процессе эволюции под действием естествен-
ного отбора вымирают целые виды, а выжившие особи других раз-
множаются, адаптируются и изменяются, говорят об эволюционной
сукцессии.
Сукцессия завершается формированием сообщества, наиболее
адаптированного по отношению к комплексу сложившихся клима-
тических условий. Такое сообщество было названо клнмаксным
(от греч. кНтах - лестница). Концепция «климакса» подразумевает,
что в пределах региона с более или менее однородным климатом
фитоценозы, завершившие сукцессионный процесс, образуют кли-
максные сообщества независимо от того, с какого типа начиналась
сукцессия.
Когда экосистема приближается к состоянию климакса, в ней, как
и в любых равновесных системах, происходит замедление всех про-
цессов развития. Биогеохимические круговороты любых экосистем
замкнуты не полностью, однако степень незамкнутости варьируется
в очень больших пределах. Ф. Борманн и Г. Патэн в 1979 г. устано-
вили, что примерно за 10 лет с момента начала восстановления рас-
тительного покрова разомкнутость круговоротов уменьшается со
100 до 10%, а далее снижается еще более, достигая минимума в кли-
максе. В этом заключается правило увеличения замкнутости био-
геохимического круговорота веществ в ходе сукцессии.
Антропогенная трансформация растительности и экосистем в це-
лом нарушает сформулированное правило, что ведет к многочислен-
ной череде аномалий в природной среде. Там, где разнообразие
видов недостаточно для нормального естественного хода сукцес-
сионного процесса, а среда обитания сильно нарушена, - сукцессия
не достигает фазы климакса. Поэтому важное практическое значение
имеет правило сукцессионного мониторинга (индикации состояния
среды): чем глубже нарушенность среды какого-нибудь пространст-
ва, тем на более ранних фазах оканчивается сукцессия.
Правило (принцип) экологического дублирования Н.Ф. Реймер-
са: исчезающий или уничтожаемый вид живого в рамках одного
уровня экологической пирамиды заменяет другой функционально -
биоценотически аналогичный. Замена происходит по схеме: мелкий
сменяет крупного, эволюционно нижеорганизованный - более высо-
коорганизованного, более генетически лабильный и мутабельный -
менее генетически изменчивого.
Лабильность - функциональная подвижность, неустойчивость,
изменчивость (от лат. 1аЫ1л8 - скользящий, неустойчивый) - высо-
кая приспосабливаемость организма к условиям среды. Мутабелъ-
ностъ - склонность к мутации, спонтанным изменениям генетиче-
ского материала, приводящим к трансформации тех или иных при-
знаков организма.
Поскольку экологическая ниша в биоценозе не может пустовать,
экологическое дублирование происходит обязательно. Действитель-
но, копытных в степи сменяют грызуны, а в ряде случаев раститель-
ноядные насекомые. Дублирование - один из природных механиз-
мов поддержания надежности биоценозов. Это наиболее мобильный
способ их адаптации. При этом возможны и генетические измене-
ния в популяциях типа усиления хищнических наклонностей у кры-
сы. Также возможно межвидовое и внутривидовое дублирование,
а в сельском хозяйстве даже межсортовое.
Общий «смысл» дублирования остается тем же: максимально
полно провести и использовать поток энергии, стабилизировать
биоценоз в меняющихся условиях существования.
Закономерности саморегуляции биоценозов обобщены Н.Ф. Рей-
мерсом в виде принципа стабильности: любая относительно замк-
нутая биосистема с проходящим через нее потоком энергии в ходе
саморегуляции развивается в сторону устойчивого состояния.
Им же сформулировано и обобщающее правило биоценотиче-
ской надежности: надежность (устойчивость) биоценоза зависит
от его энергетической эффективности в данных условиях среды
и возможностей структурно-функциональной перестройки в ответ
на изменение внешних воздействий (материала для дублирования,
межвидового и внутривидового, поддержания продукционной «рен-
табельности» и т.п.).
Контрольные вопросы
1. Что изучает популяционная экология? Определение популяции:
ее состав, численность, плотность. Основные экологические
характеристики популяции.
2. Дайте определения пространственной и этологической структур
популяции.
3. Каковы основные типы распределения особей популяции по тер-
ритории?
4. Объясните, что представляют собой стая, стадо и колония живот-
ных.
5. Чем обусловлены колебания численности популяции?
6. Дайте определение сообщества в экологии.
7. Каковы основные направления биогеоценологии?
8. Перечислите типы взаимоотношений между организмами в био-
ценозах.
9. Назовите закономерности саморегуляции биоценозов.
10. Дайте определение экологической сукцессии.
11. Чем первичная экологическая сукцессия отличается от вто-
ричной?
12. Какое сообщество называется климаксным?
Глава 4
ГЛОБАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОБЛЕМЫ, РАЦИОНАЛЬНОЕ
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ
И ОХРАНА ПРИРОДЫ
В ходе изучения темы важно запомнить: классификацию ан-
тропогенных воздействий на биосферу; значение термина «загряз-
нение окружающей среды»; виды загрязнений, черты их сходства и
различия, понятие охраны окружающей среды, виды природопользо-
вания; меры, используемые для защиты атмосферы, гидросферы,
литосферы и биосферы; что такое комплексное использование ми-
нерального сырья, категории природно-заповедного фонда, основ-
ные принципы экологического мониторинга, международные объ-
екты природных ресурсов.
4.1. Глобальные экологические проблемы.
Антропогенный стресс
В связи с экспоненциальным ростом численности человечества,
развитием техники и все большим стремлением к повышению уров-
ня потребления у среднего жителя Земли уже к концу XX в. возник-
ли предпосылки экологического кризиса, т.е. перехода биосферы
к неустойчивому состоянию. Многочисленные исследования дока-
зали, что качество природной среды «автоматически» может под-
держивать только биота, т.е. совокупность всех живых организмов
Земли. Поэтому главным критерием устойчивости экосистемы явля-
ется ее биологическое разнообразие (количество и разнообразие ви-
дов, составляющих экосистему). Результаты экспериментов, прово-
димых в разных странах мира, убедительно показывают, что
искусственно создать среду обитания для человека не удается.
К числу глобальных экологических проблем XXI в. относятся
снижение естественного биоразнообразия, нарушение климата, пар-
никовый эффект, нарушение озонового слоя, радиационная опас-
ность, загрязнение атмосферы, почвы, водных систем, исчерпание
энергетических и других ресурсов недр планеты, деградация почв,
эвтрофизация водоемов и многие другие.
Современная кризисная ситуация усугубляется очень быстрым
вымиранием биологических видов. К началу XXI в. 63% естествен-
ных экосистем суши разрушено, гибнут многие водные экосистемы,
прежде всего морские. Это происходит по разным причинам, свя-
занным как с техногенным загрязнением окружающей среды, так
и с распахиванием земель, нерациональным использованием при-
родных ресурсов, однако прежде всего из-за роста народонаселения
(особенно в развивающихся странах) и роста уровня потребления
в развитых странах. В результате природные экосистемы постоянно
подвергаются антропогенным воздействиям, вызывающим наруше-
ния нормальной жизнедеятельности природы, и испытывают антро-
погенный стресс.
Его условно подразделяют на острый и хронический. Для перво-
го характерны внезапное начало, быстрый подъем интенсивности
и небольшая продолжительность. Природные системы часто обла-
дают достаточной способностью справляться с острым стрессом.
Например, стратегия покоящихся семян позволяет лесу восстано-
виться после вырубки.
При втором - нарушения невысокой интенсивности продолжают-
ся долго или повторяются. Последствия хронического стресса могут
быть более тяжелыми, так как реакции на него не столь очевидны.
Могут пройти годы, пока изменения в организмах будут замечены.
Пороговый эффект частично объясняет, почему некоторые пробле-
мы окружающей среды возникают как бы неожиданно. На самом
деле они накапливались долгие годы. Например, в лесах начинается
массовая гибель деревьев после длительного воздействия загрязни-
телей воздуха. В период адаптации к хроническим антропогенным
воздействиям снижается толерантность организмов и к другим фак-
торам, например к болезням. Хронические стрессы часто связаны
с токсичными веществами, которые хотя и в небольших концентра-
циях, но постоянно поступают в окружающую среду.
4.2. Классификация антропогенных воздействий
на биосферу
Под антропогенными воздействиями на биосферу понимают
деятельность, связанную с реализацией экономических, военных,
рекреационных, культурных и других интересов человека, внося-
щую физические, химические, биологические и другие изменения
в природную среду. По своей природе, глубине и площади распро-
странения, времени действия и характеру приложения они могут
быть различными: целенаправленными и стихийными, прямыми
и косвенными, длительными и кратковременными, точечными
и площадными.
Подавляющая часть антропогенных воздействий носит целе-
направленный характер, т.е. осуществляется человеком сознательно
во имя достижений конкретных целей. Существуют и антропоген-
ные воздействия - стихийные, непроизвольные, имеющие характер
последствия. Например, к этой категории воздействий относятся
процессы подтопления территории, возникающие после ее застрой-
ки, и др.
Антропогенные воздействия на биосферу по их экологическим
последствиям разделяют на положительные и отрицательные (нега-
тивные). К положительным воздействиям относят воспроизводство
природных ресурсов, восстановление запасов подземных вод, поле-
защитное лесоразведение, рекультивацию земель на месте разрабо-
ток полезных ископаемых и др.
К отрицательным (негативным) воздействиям на биосферу от-
носят все виды воздействий, создаваемых человеком и угнетающих
природу. Главнейшим и наиболее распространенным видом отрица-
тельного воздействия человека на биосферу является ее загрязнение.
Загрязнением окружающей природной среды называют поступ-
ление в нее любых твердых, жидких и газообразных веществ, мик-
роорганизмов или энергий (в виде звуков, шумов, излучений) в ко-
личествах, вредных для здоровья человека, животных, состояния
растений и экосистем. По объектам загрязнения различают загрязне-
ние поверхностных и подземных вод, загрязнение атмосферного
воздуха, загрязнение почв и т.д. В последние годы актуальными ста-
ли и проблемы, связанные с загрязнением околоземного космическо-
го пространства. Источники загрязнения могут быть природные
(пыльные бури, вулканическая деятельность, сели и др.) и антро-
погенные.
Источниками антропогенного загрязнения, наиболее опасного
для популяций любых организмов, являются промышленные пред-
приятия (химические, металлургические, целлюлозно-бумажные,
строительных материалов и др.), теплоэнергетика, транспорт, сель-
скохозяйственное производство и другие технологии. Выделяют
следующие виды загрязнения: физические (тепловые, шумовые, виб-
рационные, радиоактивные, электромагнитные), химические (тяже-
лыми металлами, отдельными химическими веществами, пестици-
дами, синтетическими поверхностно-активными веществами, пласт-
массами) и биологические (биогенные элементы, микробиологиче-
ские, генная инженерия).
Антропогенные воздействия на атмосферу
Атмосферный воздух - жизненно важный компонент окружаю-
щей среды, представляющий собой естественную смесь газов атмо-
сферы и находящийся за пределами жилых, производственных
и иных помещений (Закон РФ «Об охране атмосферного воздуха» от
02.04.99 г.). Под загрязнением атмосферного воздуха следует пони-
мать любое изменение его состава и свойств, которое оказывает не-
гативное воздействие на здоровье человека и животных, состояние
растений и экосистем. Оно может быть естественным (природным)
и антропогенным (техногенным).
Естественное загрязнение воздуха вызвано природными про-
цессами. К ним относятся: вулканическая деятельность, ветровая
эрозия, массовое цветение растений, дым от лесных и степных
пожаров и др.
Антропогенное загрязнение связано с выбросом загрязняющих
веществ в результате деятельности человека. По масштабам оно зна-
чительно превосходит природное загрязнение воздуха и может быть
местным, характеризующимся повышенным содержанием загряз-
няющих веществ на небольших территориях (город, район и др.),
региональным - когда под воздействие попадают большие простран-
ства планеты, и глобальным - это изменения во всей атмосфере.
По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосфе-
ру классифицируются на: 1) газообразные (диоксид серы, оксиды
азота, оксид углерода, углеводороды и др.); 2) жидкие (кислоты, ще-
лочи, растворы солей и др.); 3) твердые (канцерогенные вещества,
свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа,
смолистые вещества и др.).
Главные антропогенные загрязнители (поллютанты) атмосферно-
го воздуха, на долю которых приходится около 98% в общем объеме
выбросов вредных веществ, - диоксид серы (802), диоксид азота
(М02), оксид углерода (СО) и твердые частицы. Именно концентра-
ции главных загрязнителей наиболее часто превышают допустимые
уровни во многих городах России. Но помимо них, в атмосфере го-
родов и поселков наблюдается еще более 70 наименований вредных
веществ: свинец, ртуть, кадмий и другие тяжелые металлы (источ-
ники выброса: автомобили, плавильные заводы и др.); углеводоро-
ды, среди них наиболее опасен бензпирен, обладающий канцеро-
генным действием (выхлопные газы, топка котлов и др.), альдегиды
и в первую очередь формальдегид, сероводород, токсичные летучие
растворители (бензины, спирты, эфиры) и др. В настоящее время
воздействие канцерогенных факторов атмосферного воздуха испы-
тывают миллионы людей.
Наиболее опасное загрязнение атмосферы - радиоактивное, обу-
словленное в основном глобально распределенными долгоживущи-
ми радиоактивными изотопами, - продуктами проводившихся испы-
таний ядерного оружия и с действующих АЭС в процессе их
эксплуатации.
Экологические последствия загрязнения атмосферы
Загрязнение атмосферного воздуха воздействует на здоровье
человека и на окружающую природную среду различными способа-
ми - от прямой и немедленной угрозы (смог и др.) до медленного
и постепенного разрушения различных систем жизнеобеспечения
организма. Во многих случаях загрязнение воздушной среды нару-
шает компоненты экосистемы до такой степени, что регуляторные
процессы не в состоянии вернуть их в первоначальное состояние,
и в результате гомеостатические механизмы не срабатывают.
Физиологическое воздействие на человеческий организм главных
загрязнителей (поллютантов) чревато самыми серьезными последст-
виями. Так, диоксид серы, соединяясь с влагой, образует серную ки-
слоту, которая разрушает легочную ткань человека и животных.
Пыль, содержащая диоксид кремния (8Ю2), вызывает тяжелое за-
болевание легких - силикоз. Оксиды азота раздражают и разъедают
слизистые оболочки глаз и легких, участвуют в образовании ядови-
тых туманов. Если они содержатся в воздухе совместно с диоксидом
серы, то возникает эффект синергизма, т.е. усиление токсичности
всей газообразной смеси.
Широко известно действие на человеческий организм оксида уг-
лерода (СО, угарного газа): при отравлении возможен летальный
исход. Благодаря низкой концентрации СО в атмосферном воздухе
он не вызывает массовых отравлений, хотя и опасен страдающими
сердечно-сосудистыми заболеваниями.
Среди взвешенных твердых частиц наиболее опасны частицы
размером менее 5 мкм, которые способны проникать в лимфатиче-
ские узлы, задерживаться в альвеолах легких, засорять слизистые
оболочки.
Весьма неблагоприятные последствия, которые могут сказывать-
ся на огромном интервале времени, связаны и с такими незначи-
тельными по объему выбросами, как свинец, бензпирен, фосфор,
кадмий, мышьяк, кобальт и др. Они угнетают кроветворную систе-
му, вызывают онкологические заболевания, снижают сопротивление
организма инфекциям и т.д. Последствия воздействия на организм
человека вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах авто-
мобилей, весьма серьезны и имеют широчайший диапазон действия:
от кашля до летального исхода. Тяжелые последствия в организме
живых существ вызывает ядовитая смесь дыма, тумана и пыли -
смог. Различают два типа смога: зимний смог (лондонский тип)
и летний (лос-анджелесский тип).
Антропогенные выбросы загрязняющих веществ в больших кон-
центрациях и в течение длительного времени наносят большой вред
не только человеку, но и остальной биоте. Известны случаи массово-
го отравления диких животных, особенно птиц и насекомых, при
выбросах вредных загрязняющих веществ большой концентрации
(особенно залповых).
Что касается растений, то выбросы вредных веществ действуют
как непосредственно на их зеленые части, попадая через устьица
в ткани, разрушая хлорофилл и структуру клеток, так и через поч-
ву - на корневую систему. Особенно опасен для растений диоксид
серы (802), под воздействием которого прекращается фотосинтез
и гибнут многие деревья, особенно хвойные: сосны, ели, пихты, кедр.
Антропогенные воздействия на гидросферу
Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органо-
лептических свойств (нарушение прозрачности, окраски, запахов,
вкуса), увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, ток-
сичных тяжелых металлов, сокращении растворенного в воде кисло-
рода воздуха, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных
бактерий и других загрязнителей.
Россия обладает одним из самых высоких водных потенциалов
в мире - на каждого жителя России приходится свыше 30 000 м3/год
воды. Однако в настоящее время из-за загрязнения или засорения
около 70% рек и озер России утратили свои качества как источника
питьевого водоснабжения. В результате около половины населения
потребляют загрязненную недоброкачественную воду.
Наиболее часто встречаются химическое и бактериальное загряз-
нения, реже - радиоактивное, механическое и тепловое.
Химическое загрязнение - наиболее распространенное, стойкое
и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фе-
нолы, нафтеновые кислоты, пестициды и др.) и неорганическим (со-
ли, кислоты, щелочи), токсичным (мышьяк, соединения ртути,
свинца, кадмия и др.) и нетоксичным.
При осаждении на дно водоемов или при фильтрации в пласте
вредные химические вещества сорбируются частицами пород, окис-
ляются и восстанавливаются, выпадают в осадок и т.д. Однако, как
правило, полного самоочищения загрязненных вод не происходит.
Очаг химического загрязнения подземных вод в сильно проницае-
мых грунтах может распространяться до 10 км и более.
Бактериальное загрязнение выражается в появлении в воде пато-
генных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов и др.
Этот вид загрязнений носит временный характер.
Радиоактивное загрязнение воды весьма опасно даже при очень
малых концентрациях радиоактивных веществ. Наиболее вредны
«долгоживущие» и подвижные в воде радиоактивные элементы
(стронций-90, уран, радий-226, цезий и др.). Они попадают в по-
верхностные водоемы при сбрасывании радиоактивных отходов,
захоронении их на дне и др., в подземные же воды - в результате
просачивания вглубь земли вместе с атмосферными водами или
в результате взаимодействия подземных вод с радиоактивными гор-
ными породами.
Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду
различных механических примесей (песок, шлам, ил и др.). Механи-
ческие примеси могут значительно ухудшать органолептические
показатели вод.
Тепловое загрязнение связано с повышением температуры вод
в результате их смешивания с более нагретыми поверхностными или
технологическими водами. При повышении температуры происхо-
дит изменение газового и химического состава в водах, что ведет
к размножению анаэробных бактерий и выделению ядовитых газов
сероводорода, метана. Одновременно происходит «цветение» воды
вследствие ускоренного развития микрофлоры и микрофауны, что
способствует развитию других видов загрязнения.
К основным источникам загрязнения поверхностных вод отно-
сятся: 1) сброс в водоемы неочищенных сточных вод; 2) смыв ядо-
химикатов ливневыми осадками; 3) газодымовые выбросы; 4) утечки
нефти и нефтепродуктов.
Наибольший вред водоемам и водотокам причиняет выпуск
в них неочищенных сточных вод - промышленных, коммунально-
бытовых, коллекторно-дренажных и др.
Промышленные сточные воды загрязняют экосистемы самыми
разнообразными компонентами (фенолами, нефтепродуктами, суль-
фатами, СПАВ, фторидами, цианидами, тяжелыми металлами и др.),
в зависимости от специфики отраслей промышленности.
Огромны масштабы нефтяного загрязнения природных вод.
Миллионы тонн нефти ежегодно загрязняют морские и пресновод-
ные экосистемы при авариях нефтеналивных судов, на нефте-
промыслах в прибрежных зонах, при сбросе с судов балластных
вод и т.д.
Источники загрязнения подземных вод весьма разнообразны.
К естественным источникам загрязнения относят сильно минера-
лизованные (соленые и рассолы) подземные воды или морские
воды, которые могут внедряться в пресные незагрязненные воды
при эксплуатации водозаборных сооружений и откачке воды из
скважин.
Загрязняющие вещества антропогенного происхождения могут
проникать к подземным водам различными путями: при просачива-
нии промышленных и хозяйственно-бытовых стоков из хранилищ,
прудов-накопителей, отстойников, через поглощающие скважины,
карстовые воронки и т.д.
Следует иметь в виду, что загрязнение подземных вод негативно
сказывается и на экологическом состоянии поверхностных вод,
почв, других компонентов природной среды.
Экологические последствия загрязнения гидросферы
Загрязнение водных экосистем представляет огромную опасность
для всех живых организмов и, в частности, человека. Под влиянием
загрязняющих веществ в пресноводных экосистемах отмечается
снижение их устойчивости вследствие нарушения пищевой пирами-
ды и ломки сигнальных связей в биоценозе, микробиологического
загрязнения, эвтрофирования и других негативных процессов, сни-
жающих темпы роста, плодовитость гидробионтов, а в ряде случаев
могущих привести их к гибели.
Антропогенная эвтрофикация связана с поступлением в водоемы
значительного количества биогенных веществ - азота, фосфора
и других элементов в виде удобрений, моющих веществ, отходов
животноводства, атмосферных аэрозолей и т.д. Антропогенная
эвтрофикация водоемов протекает в непродолжительные сроки - до
нескольких десятилетий, в то время как сроки естественной эвтро-
фикации - столетия и тысячелетия.
Процессы антропогенной эвтрофикации охватывают многие
крупные озера мира - Великие Американские озера, Балатон, Ла-
дожское, Женевское и др., а также водохранилища и речные экоси-
стемы, в первую очередь малые реки. На этих реках, кроме катаст-
рофически растущей биомассы сине-зеленых водорослей, с берегов
происходит зарастание их высшей растительностью.
Скорости поступления загрязняющих веществ в Мировой океан
в последнее время резко возросли. Ежегодно в океан сбрасывается
до 300 млрд, м3 сточных вод, 90% которых не подвергается предва-
рительной очистке. Морские экосистемы подвергаются все больше-
му антропогенному воздействию посредством химических токси-
кантов, которые, аккумулируясь гидробионтами, по трофической
цепи приводят к гибели консументов даже высоких порядков, в том
числе и наземных животных - морских птиц.
Среди химических токсикантов наибольшую опасность для мор-
ской биоты и человека представляют нефтяные углеводороды (осо-
бенно бензпирен), пестициды и тяжелые металлы: ртуть, свинец,
кадмий и др.
До определенного предела морские экосистемы могут противо-
стоять вредным воздействиям химических токсикантов, используя
накопительную, окислительную и минерализующую функции гид-
робионтов. Так, например, двухстворчатые моллюски способны ак-
кумулировать один из самых токсичных пестицидов - ДДТ - и при
благоприятных условиях выводить его из организма.
В то же время в океан поступают все новые и новые токсичные
загрязняющие вещества, все более острый характер приобретают
проблемы эвтрофирования и микробиологического загрязнения при-
брежных зон океана. По мнению Ю.А. Израэля, важное значение
имеет определение допустимого антропогенного давления на мор-
ские экосистемы, изучение их ассимиляционной емкости как инте-
гральной характеристики способности биогеоценоза к динамическо-
му накоплению и удалению загрязняющих веществ.
Экологические последствия истощения вод
Истощение вод следует понимать как недопустимое сокращение
их запасов в пределах определенной территории (для подземных
вод) или уменьшение минимально допустимого стока (для поверх-
ностных вод). И то и другое приводит к неблагоприятным экологи-
ческим последствиям, нарушает сложившиеся экологические связи
в системе человек - биосфера.
Интенсивная эксплуатация подземных вод в районах водозаборов
и мощный водоотлив из шахт, карьеров приводят к изменению
взаимосвязи поверхностных и подземных вод, к значительному
ухудшению речного стока, к прекращению деятельности тысячи
родников, многих десятков ручьев и небольших рек. Кроме того,
в связи со значительным снижением уровней подземных вод наблю-
даются и другие негативные изменения экологической обстановки:
осушаются заболоченные территории с большим видовым разнооб-
разием растительности, иссушаются леса, гибнет влаголюбивая рас-
тительность - гидро- и гигрофиты и др.
Истощение поверхностных вод проявляется в прогрессирующем
снижении их минимально допустимого стока. На территории России
поверхностный сток воды распределяется крайне неравномерно.
Около 90% общего годового стока с территории России выносится
в Северный Ледовитый и Тихий океаны, а на бассейны внутреннего
стока (Каспийское и Азовское море), где проживают свыше 65%
населения России, приходится менее 8% общего годового стока.
Это главная причина появления проблемы переброски вод северных
рек на юг.
Именно в этих районах наблюдается истощение поверхностных
водных ресурсов, и дефицит пресной воды продолжает расти. При
превышении безвозвратного изъятия объемов поверхностного стока
более чем в 2 раза создается ситуация экологического бедствия.
Серьезнейшая экологическая проблема - восстановление водно-
сти и чистоты малых рек (т.е. рек длиной не более 100 км) - самого
уязвимого звена в речных экосистемах. Именно они оказались
наиболее восприимчивыми к антропогенному воздействию. Непро-
думанное хозяйственное использование водных ресурсов и при-
легающих земельных угодий вызвало их истощение (а нередко
и исчезновение), обмеление и загрязнение.
В настоящее время состояние малых рек и озер, особенно на ев-
ропейской части России, в результате резко возросшей антропоген-
ной нагрузки на них, катастрофическое. Сток малых рек снизился
более чем наполовину, качество воды неудовлетворительное. Мно-
гие из них полностью прекратили свое существование.
Антропогенные воздействия на литосферу
Деградация почвы - это постепенное ухудшение ее свойств, ко-
торое сопровождается уменьшением содержания гумуса и сниже-
нием плодородия. Как известно, почва один из важнейших компо-
нентов окружающей природной среды, непосредственно связанный
с приповерхностной частью литосферы. Почва обеспечивает суще-
ствование биосферы, является ее основой, она - биологический ад-
сорбент и нейтрализатор загрязнений.
Следует учитывать, что почва практически невозобновимый при-
родный ресурс. Все основные ее экологические функции замыкают-
ся на одном обобщающем показателе - почвенном плодородии.
Отчуждая с полей основной (зерно, корнеплоды, овощи и др.) и по-
бочный урожай (солома, листья, ботва и др.), человек размыкает
частично или полностью биологический круговорот веществ, нару-
шает способность почвы к саморегуляции и снижает ее плодородие.
Эти процессы ведут к весьма опасной по своим далеко идущим
последствиям дегумификации - потере гумуса. Дегумификация воз-
растает и за счет неумеренного внесения в почву минеральных
удобрений.
К деградации почв (земель) ведут и другие причины, преимуще-
ственно антропогенного характера: эрозия, загрязнение, вторичное
засоление, заболачивание, опустынивание. В наибольшей степени
деградируют почвы агроэкосистем, причина неустойчивого состоя-
ния которых в их упрощенном фитоценозе, не обеспечивающем оп-
тимальную саморегуляцию. Огромный экологический ущерб почвам
наносит эрозия.
Эрозия почв - разрушение и снос верхних, наиболее плодород-
ных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия)
или потоками воды (водная эрозия). Земли, подвергшиеся разруше-
нию в процессе эрозии, называют эродированными.
Одним из глобальных проявлений деградации почв, да и всей
окружающей природной среды в целом, является опустынивание.
Опустынивание - это процесс необратимого изменения почвы
и растительности и снижения биологической продуктивности, ко-
торый в экстремальных случаях может привести к полному раз-
рушению биосферного потенциала и превращению территории
в пустыню.
Воздействия на горные породы и их массивы
К числу основных антропогенных воздействий на горные породы
относят: статические и динамические нагрузки, тепловые, электри-
ческие и другие воздействия.
Наиболее распространенный вид антропогенного воздействия на
горные породы - статические нагрузки. Под действием статических
нагрузок от зданий и сооружений, достигающих 2 МПа и более, об-
разуется зона активного изменения горных пород примерно на глу-
бине 70-100 м. При этом наибольшие изменения наблюдаются:
1) в вечномерзлых льдистых породах, на участках залегания ко-
торых часто наблюдаются оттаивание, пучение и другие неблаго-
приятные процессы;
2) в сильно сжимаемых породах, например, заторфованных, или-
стых и др.
Вибрации, удары, толчки и другие динамические нагрузки типич-
ны при работе транспорта, ударных и вибрационных строительных
машин, заводских механизмов и т.д. Наиболее чувствительны к со-
трясению рыхлые недоуплотненные породы (пески, водонасыщен-
ные лессы, торф и др.). Прочность этих пород заметно снижается,
они уплотняются (равномерно или неравномерно), структурные свя-
зи нарушаются, возможно внезапное разжижение и образование
оползней, отвалов, плывунов и других ущербообразующих процес-
сов. Другим видом динамических нагрузок являются взрывы, дейст-
вие которых сходно с сейсмическими.
Повышение температуры горных пород наблюдается при под-
земной газификации углей, в основании доменных и мартеновских
печей и др. В ряде случаев температура пород повышается до 40-
50°С, а иногда и до 100°С и более (в основании доменных печей).
В зоне подземной газификации углей при температуре 1000-1600°С
породы спекаются, «каменеют», теряют свои первоначальные свой-
ства. Как и другие виды воздействия, тепловой антропогенный поток
влияет не только на состояние горных пород, но и на другие компо-
ненты окружающей природной среды: почвы, подземные воды, рас-
тительность.
Создаваемое в горных породах искусственное электрическое по-
ле (электрифицированный транспорт, линия электропередачи и др.)
порождает блуждающие токи и поля. Наиболее заметно они прояв-
ляются на городских территориях, где имеется наибольшая плот-
ность источников электроэнергии. При этом изменяются электро-
проводность, электросопротивляемость и другие электрические
свойства пород.
Динамическое, тепловое и электрическое воздействие на горные
породы создает физическое «загрязнение» окружающей природной
среды.
Массивы горных пород в ходе инженерно-хозяйственного освое-
ния подвергаются мощному антропогенному воздействию. При этом
развиваются такие опасные геологические процессы, как оползни,
карст, подтопление, просадки и др.
Воздействия на недра
Недрами называют верхнюю часть земной коры, в пределах
которой возможна добыча полезных ископаемых. Экологические
и некоторые другие функции недр как природного объекта доста-
точно многообразны. Являясь естественным фундаментом земной
поверхности, недра активно влияют на окружающую природную
среду. В этом состоит их главная экологическая функция.
Основное природное богатство недр - минерально-сырьевые
ресурсы, т.е. совокупность полезных ископаемых, заключенных
в них. Добыча (извлечение) полезных ископаемых с целью их пере-
работки - главная цель пользования недрами.
Экологическое состояние недр определяется прежде всего силой
и характером воздействия на них горнодобывающей, строительной
и иной деятельности. В современный период масштабы антропоген-
ного воздействия на земные недра огромны. Только в России дейст-
вуют несколько тысяч карьеров для открытой разработки полезных
ископаемых, из них самые глубокие - Коркинские угольные карье-
ры в Челябинской области (более 500 м). Глубина угольных шахт
нередко превышает 1500 м.
Недра нуждаются в постоянной экологической защите, в пер-
вую очередь от истощения запасов сырья, а также от загрязнения
их вредными отходами, сточными водами и т.д. С другой стороны,
разработка недр оказывает вредное воздействие практически на
все компоненты окружающей природной среды и ее качество
в целом.
Антропогенные воздействия на биотические сообщества
Вследствие возросшего антропогенного воздействия идет интен-
сивная трансформация не только абиотических компонентов био-
сферы - гидросферы, атмосферы, верхней части литосферы, но
и биотических сообществ (растительного и животного мира). Ста-
бильность же биосферы невозможна без обеспечения благоприятных
условий обитания для всех биотических сообществ во всем их мно-
гообразии. Гибель лесов, другой растительности и животного мира-
это разрушение естественной среды обитания человека с непредска-
зуемыми последствиями. Утрата же биоразнообразия ставит под уг-
розу и само его существование.
Снижение биоразнообразия отмечается на всех уровнях - генети-
ческом, видовом и экосистемном, что уже приводит к необратимым
изменениям природной среды.
Среди биотических сообществ главенствующее значение в при-
роде и в жизни человека имеют леса.
Леса - важная составная часть окружающей природной среды.
Как экологическая система, лес выполняет различные функции
и одновременно является незаменимым природным ресурсом. Влия-
ние лесов на окружающую природную среду исключительно много-
образно. Оно проявляется в том, что леса:
• являются основным поставщиком кислорода на планете;
• влияют на водный режим занятых ими и прилегающих терри-
торий;
• смягчают воздействие засух и суховеев, сдерживают подвиж-
ные пески;
• смягчая климат, способствуют повышению урожаев сельхоз-
культур;
• поглощают и обезвреживают часть атмосферных химических
загрязнений;
• защищают почвы от водной и ветровой эрозии, селей, ополз-
ней, разрушения берегов и других неблагоприятных геологических
процессов;
• создают нормальные санитарно-гигиенические условия, благо-
творно влияют на психику человека, имеют огромное рекреационное
значение.
Леса раньше других компонентов природной среды испытали
отрицательное влияние деятельности человека. Деградация лесов
служит одним из проявлений глобальных изменений, происходя-
щих на Земле, которые начались с появлением земледелия и ското-
водства.
Воздействие человека на леса и вообще на весь растительный
мир может быть прямым и косвенным.
К прямому воздействию относятся: 1) сплошная вырубка лесов;
2) лесные пожары и выжигание растительности; 3) уничтожение
лесов и растительности при создании хозяйственной инфраструкту-
ры (затопление при создании водохранилищ, уничтожение вблизи
карьеров, промышленных комплексов); 4) усиливающийся пресс
туризма.
Косвенное воздействие - это изменение условий обитания в ре-
зультате антропогенного загрязнения воздуха, воды, применения
пестицидов и минеральных удобрений. Определенное значение
имеет также проникновение в растительные сообщества чуждых
видов растений (интродуцентов).
Потребительское отношение человека к растительным сообщест-
вам, в частности, лесным ресурсам, проявилось еще на начальном
этапе развития земледелия и скотоводства. В последующем, особен-
но с началом бурного развития экономики, такой подход не только
не был отвергнут, но еще больше закрепился в сознании людей.
Масштабные антропогенные воздействия на лесные ресурсы
приводят к тяжелым экологическим последствиям как на экосистем-
но-биосферном, так и на популяционно-видовом уровнях.
На территориях, лишенных лесного покрова, возникают глубокие
овраги, разрушительные оползни и селевые потоки, уничтожается
фотосинтезирующая фитомасса, ухудшается газовый состав атмо-
сферы, меняется гидрологический режим водных объектов, исчеза-
ют многие растительные и животные виды и т.д. Сведение крупных
лесных массивов, особенно дождевых тропических - этих свое-
образных испарителей влаги, неблагоприятно отражается не только
на региональном, но и на биосферном уровне. Уничтожение дре-
весно-кустарниковой растительности и травянистого покрова на
пастбищах в засушливых регионах ведет к опустыниванию.
Еще одно негативное экологическое последствие сведения ле-
сов - изменение альбедо земной поверхности. Альбедо - это величи-
на, показывающая ту долю (в %) солнечной энергии, которую
способна отразить земная поверхность. В наше время с помощью
космических снимков обнаружено крупномасштабное изменение
альбедо (так же как и теплового баланса) поверхности Земли, вы-
званное, прежде всего, уничтожением лесной растительности и раз-
витием антропогенного опустынивания.
Значительный вред состоянию естественных лесных экосистем
приносят лесные пожары. Они ухудшают состав леса, уменьшают
прирост деревьев, нарушают связи корней с почвой, уничтожают
кормовую базу диких животных, гнездовья птиц. Почва сжигается
до такой степени, что в ней полностью нарушается способность
к влагообмену и удержанию питательных веществ. Выжженная дот-
ла территория нередко быстро заселяется различными насекомыми,
что опасно для людей из-за возможных вспышек инфекционных
заболеваний.
Из косвенных воздействий человека на биотические сообщества
важное значение имеет загрязнение их промышленными выбросами.
Различные токсиканты, и в первую очередь диоксиды серы, оксиды
азота и углерода, озон, тяжелые металлы, негативно влияют на
хвойные и широколиственные деревья, кустарники, полевые культу-
ры и травы, мхи и лишайники, фруктовые и овощные культуры
и цветы. Они отрицательно действуют на ассимиляционные функ-
ции растений, органы дыхания животных, резко нарушают мета-
болизм и приводят к различным заболеваниям.
В невообразимых масштабах уничтожаются и мелкие животные.
До весьма низкого уровня упала численность многих видов промы-
словых рыб.
Основной из причин сокращения численности и исчезновения
видов животных является интродукция (акклиматизация) чуждых
видов. Многочисленны случаи вымирания аборигенных (коренных)
видов или их угнетения из-за влияния на них завезенных видов жи-
вотных или растений. К вселению новых видов в сложившиеся эко-
системы следует подходить с особой осторожностью. Пожалуй,
лишь в обедненные антропогенные экосистемы с множеством пус-
тующих экологических ниш возможно введение новых видов для
сбалансирования экологической системы.
Другие причины снижения численности и исчезновения видов
животных: прямое уничтожение для защиты сельскохозяйственной
продукции и промысловых объектов (хищные птицы, суслики, лас-
тоногие, койоты и др.); случайное (непреднамеренное) уничтожение
(на автомобильных дорогах, в ходе военных действий, при кошении
трав, на линиях электропередач, при зарегулировании водного стока
и т.д.); загрязнение среды пестицидами, нефтью и нефтепродуктами,
атмосферными загрязнителями, другими токсикантами.
Данные наблюдений свидетельствуют о том, что в природе, как
правило, действуют одновременно несколько факторов, вызываю-
щих гибель особей, видов и популяций в целом. При взаимодейст-
вии они могут приводить к серьезным негативным результатам даже
при малой степени выраженности каждого из них.
4.3. Охрана природы и рациональное
природопользование
Охрана окружающей среды представляет систему государствен-
ных и общественных мер (технологических, экономических, адми-
нистративно-правовых, просветительных, международных), направ-
ленных на гармоничное взаимодействие общества и природы, со-
хранение и воспроизводство действующих экологических сообществ
и природных ресурсов во имя живущих и будущих поколений.
Охрана окружающей среды тесно связана с природопользова-
нием - общественно-производственной деятельностью, направлен-
ной на удовлетворение материальных и культурных потребностей
общества путем использования различных видов природных ресур-
сов и природных условий.
Оно включает в себя: а) охрану, возобновление и воспроизводст-
во природных ресурсов, их извлечение и переработку; б) использо-
вание и охрану природных условий среды жизни человека; в) сохра-
нение, восстановление и рациональное изменение экологического
равновесия природных систем; г) регуляцию воспроизводства чело-
века и численности людей.
Природопользование может быть рациональным и нерациональ-
ным. Рациональное природопользование означает комплексное, на-
учно обоснованное, экологически безопасное и неистощительное
использование природных богатств с максимально возможным
сохранением природно-ресурсного потенциала и способности эко-
систем к саморегуляции. Нерациональное природопользование не
обеспечивает сохранение природно-ресурсного потенциала, ведет
к ухудшению качества природной среды, сопровождается наруше-
нием экологического равновесия и разрушением экосистем.
Защита атмосферы
Для защиты атмосферы от негативного антропогенного воздейст-
вия в виде загрязнения его вредными веществами используют сле-
дующие меры:
• экологизацию технологических процессов;
• очистку газовых выбросов от вредных примесей;
• рассеивание газовых выбросов в атмосфере;
• устройство санитарно-защитных зон, архитектурно-планиро-
вочные решения и др.
Наиболее радикальная мера охраны воздушного бассейна от
загрязнения - экологизация технологических процессов и в первую
очередь создание замкнутых технологических циклов, безотходных
и малоотходных технологий, исключающих попадание в атмосферу
вредных загрязняющих веществ.
Экологизация технологических процессов предусматривает, в ча-
стности, создание непрерывных технологических процессов, пред-
варительную очистку топлива или замену его более экологичными
видами, применение гидрообеспыливания, перевод на электропри-
вод различных агрегатов, рециркуляцию газов и др.
Первоочередная задача - борьба с загрязнением атмосферного
воздуха отработанными газами автомобилей. Поэтому повсеместно
используются различные методы очистки отходящих газов от аэро-
золей (пыли) и токсичных газо- и парообразных примесей.
Для очистки выбросов от аэрозолей применяют различные типы
устройств в зависимости от степени запыленности воздуха, размеров
твердых частиц и требуемого уровня очистки: сухие пылеуловители
(циклоны, пылеосадительные камеры), мокрые пылеуловители
(скрубберы, и др.), фильтры, электрофильтры: каталитические,
абсорбционные, адсорбционные и другие методы для очистки газов
от токсичных газо- и парообразных примесей.
Защита гидросферы
Поверхностные воды охраняют от засорения, загрязнения и ис-
тощения. Для предупреждения засорения принимают меры, исклю-
чающие попадание в поверхностные водоемы и реки различных
твердых отходов и других предметов. Истощение поверхностных
вод предотвращают, строго контролируя, минимально допустимые
стоки вод.
Важнейшая и наиболее сложная проблема - защита поверхност-
ных вод от загрязнения, для чего предусматриваются следующие
экозащитные мероприятия:
• развитие безотходных и безводных технологий и систем обо-
ротного водоснабжения;
• очистка сточных вод (промышленных, коммунально-бытовых
и др.);
• закачка сточных вод в глубокие водоносные горизонты;
• очистка и обеззараживание поверхностных вод, используемых
для водоснабжения и других целей.
Главный загрязнитель поверхностных вод - сточные воды, по-
этому экологически весьма важной задачей является разработка
и внедрение эффективных методов очистки сточных вод. Наиболее
действенным способом защиты поверхностных вод от загрязнения
сточными водами являются безводные и безотходные технологии.
На начальном этапе создается оборотное водоснабжение. В его сис-
тему включают ряд очистных сооружений и установок, что создает
замкнутый цикл использования сточных вод, которые при таком
способе все время находятся в обороте и не попадают в поверхност-
ные водоемы.
Меры борьбы с загрязнением подземных вод подразделяют на:
1) профилактические и 2) специальные. Задача последних - локали-
зовать или ликвидировать очаг загрязнения.
Защита литосферы
Защита почв от прогрессирующей деградации и необоснованных
потерь - наиболее острая экологическая проблема в земледелии, ко-
торая еще далека от своего решения. В число основных звеньев эко-
логической защиты почв входят:
• защита почв от водной и ветровой эрозии;
• организация севооборотов и системы обработки почв;
• мелиоративные мероприятия (борьба с заболачиванием, засо-
лением почв и др.);
• рекультивация нарушенного почвенного покрова;
• защита почв от загрязнения, а полезной флоры и фауны от
уничтожения;
• предотвращение необоснованного изъятия земель из сельхоз-
оборота.
Для борьбы с эрозией почв необходим комплекс мер: землеуст-
роительных, агротехнических, лесомелиоративных и гидротехниче-
ских. При этом учитывают, что гидротехнические мероприятия ос-
танавливают развитие эрозии на определенном участке сразу же
после их устройства, агротехнические - через несколько лет, а лесо-
мелиоративные - через 10-20 лет после их внедрения.
Для предупреждения вторичного засоления почв необходимо
устраивать дренаж, регулировать подачу воды, применять полив
дождеванием, использовать капельное и прикорневое орошение, вы-
полнять работы по гидроизоляции оросительных каналов и т.д.
Для предотвращения загрязнения почв пестицидами и другими
вредными веществами используют экологические методы защиты
растений (биологические, агротехнические и др.), повышают при-
родную способность почв к самоочищению, не применяют особо
опасные и стойкие инсектицидные препараты и др.
При проведении строительных и иных работ, связанных с меха-
ническим нарушением почвенного покрова, предусматривается сня-
тие, сохранение и нанесение почвенного плодородного слоя на на-
рушенные земли. Плодородный слой вывозится и складируется
в специальных временных отвалах (буртах). Рекультивация (восста-
новление) нарушенных земель осуществляется последовательно, по
этапам.
Для предотвращения возможного истощения природных ресур-
сов и сохранения запасов недр особенно важно соблюдать принцип
наиболее полного извлечения из недр основных и попутных полезных
ископаемых. Это позволит сократить масштабы неоправданного
проникновения в земные недра, что значительно уменьшит отходы
горнодобывающих предприятий и оздоровит экологическую обста-
новку.
Одной из важных проблем, связанных с охраной и рациональным
использованием недр, является комплексное использование мине-
рального сырья, включая проблему утилизации отходов. Основные
направления утилизации отходов и улучшения экологической обста-
новки - это использование их в качестве сырья, в промышленности
и строительном производстве, для закладки выработанного про-
странства и производства удобрений. Жидкие отходы после очистки
в основном используют для водоснабжения и орошения, газообраз-
ные - для отопления и газоснабжения.
Защита биотических сообществ
Для сохранения численности и популяционно-видового состава
биотических сообществ осуществляется комплекс природоохранных
мер, в число которых входят:
• борьба с лесными пожарами;
• защита растений от вредителей и болезней;
• полезащитное лесоразведение;
• повышение эффективности использования лесных ресурсов;
• охрана отдельных видов растений и растительных сообществ.
Главные усилия в борьбе с лесными пожарами следует направлять
на профилактику пожаров. Причиной лесных пожаров, наносящих
непоправимый экологический урон и огромные экономические убыт-
ки, становится, как правило, человеческий фактор. В связи с этим
важнейшее значение имеет разъяснительная работа среди населе-
ния. Люди, посещающие лес, должны знать и неукоснительно соблю-
дать правила пожарной безопасности в лесах. Невыполнение этих
правил влечет за собой административный штраф, а умышленное
повреждение или поджог леса относятся к тяжким преступлениям.
Среди методов защиты растений от болезней и вредителей луч-
шие результаты дают профилактические меры, а именно: надзор,
карантинная служба и различные лесохозяйственные мероприятия.
Охрана и эксплуатация охотничьих животных, морских зверей
и промысловых рыб осуществляются на основе принципов научно-
го управления популяциями, сохранения видового разнообразия
и генофонда.
Сведения о редких, исчезающих или находящихся под угрозой
исчезновения видов растений, животных и других организмов
содержатся в Красной книге. Существует несколько вариантов
Красных книг: международная, федеральная и республиканская (об-
ластная).
Участки суши, водной поверхности и воздушного пространства,
которые в силу своего особого природоохранного и иного значения
полностью или частично изъяты из хозяйственного пользования
и для которых установлен режим особой охраны, называют особо
охраняемыми природными территориями. Главной их задачей яв-
ляется сохранение биологического разнообразия для поддержания
устойчивости природных экосистем.
Согласно Закону об охраняемых территориях, принятому Думой
15 февраля 1995 г., различают следующие основные категории при-
родно-заповедного фонда: а) государственные природные заповед-
ники, в том числе биосферные; б) национальные парки; в) природ-
ные парки; г) государственные природные заказники; д) памятники
природы; е) дендрологические парки и ботанические сады.
4.4. Система управления и контроля
в области охраны окружающей среды
Источники экологического права и государственные органы
управления
Экологическое право - это отрасль права, которая регулирует
общественные отношения в сфере взаимодействия общества и при-
роды. Экологическое право является важным инструментом, исполь-
зуемым государством в интересах сохранения и рационального
использования окружающей природной среды.
Источниками экологического права являются следующие норма-
тивно-правовые акты: 1) Конституция; 2) законы и кодексы в об-
ласти охраны природы; 3) указы и распоряжения президента по
вопросам экологии и природопользования; правительственные
природоохранные акты; 4) нормативные акты министерств и ве-
домств; 5) нормативные решения органов местного самоуправления.
1. Конституционные основы охраны окружающей природной
среды закреплены в Конституции Российской Федерации, принятой
12 декабря 1993 г. Конституция провозглашает право граждан на
землю и другие природные ресурсы, закрепляет право каждого чело-
века на благоприятную окружающую среду (экологическую безо-
пасность) и на возмещение ущерба, причиненного его здоровью. Она
также определяет организационные и контрольные функции высших
и местных органов власти по рациональному использованию и охра-
не природных ресурсов, устанавливает обязанности граждан по от-
ношению к природе, охране ее богатств.
2. Законы и кодексы в области охраны окружающей природной
среды составляют природно-ресурсную правовую основу. В их чис-
ло входят законы о земле, недрах, охране атмосферного воздуха, об
охране и использовании животного мира и др.
3. Указы и распоряжения президента, постановления прави-
тельства затрагивают широкий круг экологических вопросов. При-
мером может служить Указ президента от 1 апреля 1996 г. о концеп-
ции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию.
4. Нормативные акты природоохранительных министерств
и ведомств издаются по самым разнообразным вопросам рацио-
нального использования и охраны окружающей природной среды
в виде постановлений, инструкций, приказов и считаются обязатель-
ными для других физических и юридических лиц.
5. Нормативные решения местных административных органов
(мэрий, сельских и поселковых органов) дополняют и конкретизи-
руют действующие нормативно-правовые акты по охране окружаю-
щей природной среды. Государственные органы управления, кон-
троля и надзора в области охраны окружающей природной среды
подразделяются на две категории: общей и специальной компе-
тенции.
К государственным органам общей компетенции относятся пре-
зидент, Федеральное собрание, Государственная дума, правительст-
во, представительные и исполнительные органы власти субъектов
федерации, муниципальные органы. Эти органы определяют основ-
ные направления природоохранной политики, утверждают экологи-
ческие программы, обеспечивают экологическую безопасность,
устанавливают правовые основы и нормы в пределах своей компе-
тенции и т.д. Государственные органы категории специальной ком-
петенции подразделяются на комплексные, отраслевые и функцио-
нальные.
Комплексные органы выполняют все природоохранные задачи
или какой-либо их блок. До 2000 г. функции управления природо-
пользования и охраны окружающей природной среды выполняли
Государственный комитет РФ по охране окружающей среды, Мини-
стерство природных ресурсов РФ и другие ведомства. Указом Пре-
зидента РФ от 17 мая 2000 г. Государственный комитет РФ по охра-
не окружающей природной среды был упразднен и его функции
переданы Министерству природных ресурсов РФ, в структуру кото-
рого вошли Государственная служба охраны окружающей среды
и Государственная служба контроля в сфере природопользования
и экологической безопасности.
К комплексным органам управления относятся также:
• Департамент Госсанэпиднадзора Министерства здравоохране-
ния и социальной политики РФ (Санэпиднадзор РФ);
• Федеральная служба России по гидрометеорологии и монито-
рингу окружающей среды (Росгидромет);
• Министерство РФ по делам гражданской обороны, чрезвычай-
ных ситуаций и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС
России).
Отраслевые органы (Роскомзем, Рослесхоз, Госкомрыболовство,
Минсельхоз России) выполняют функции управления и надзора по
охране и использованию отдельных видов природных ресурсов
и объектов.
Функциональные органы выполняют одну или несколько родст-
венных функций в отношении всех природных объектов: Госатом-
надзор России - контроль за использованием и производством атом-
ной энергии; Госгортехнадзор России - контроль за использованием
недр; Государственный таможенный комитет РФ - предупреждение
незаконного вывоза природного наследия и незаконного ввоза эко-
логически опасных товаров; МВД России - охрана атмосферного
воздуха от загрязнения транспортными средствами, санитарно-эко-
логическая служба муниципальной милиции.
Система экологического контроля в России
Экологический контроль - проверка соблюдения предприятиями
и гражданами экологических требований по охране окружающей
природной среды и обеспечению экологической безопасности. Кон-
троль осуществляют законодательные и исполнительные органы,
а также специально уполномоченные органы.
Цель экологического контроля - охрана окружающей природной
среды путем предупреждения и устранения экологических право-
нарушений для обеспечения устойчивого развития. Различают сле-
дующие формы экологического контроля: информационный (сбор
и обобщение экологической информации), предупредительный
(предотвращение наступления вредных последствий) и каратель-
ный (применение мер государственного принуждения к законо-
нарушителям). Его объектами являются состояние окружающей
природной среды, выполнение обязательных мер по охране и соблю-
дение экологического законодательства юридическими и физиче-
скими лицами.
Должностные лица органов государственного экологического
контроля (государственные инспекторы) имеют широкие полномо-
чия. В частности, согласно Закону Российской Федерации «Об охра-
не окружающей среды» (2002 г.; ст. 66), они имеют право:
• принимать решения об ограничении, приостановлении и за-
прещении хозяйственной деятельности юридических и физических
лиц при нарушении ими экологического законодательства;
• привлекать к административной ответственности лиц, допус-
тивших нарушение экологического законодательства.
Помимо государственного, в нашей стране действует еще произ-
водственный и общественный экологический контроль.
Производственный экологический контроль осуществляется эко-
логической службой предприятия, которая проверяет выполнение
планов и мероприятий по выполнению требований природоохранно-
го законодательства на самом предприятии.
Все большее развитие получает общественный контроль, когда
контроль за выполнением природоохранных требований осуществ-
ляется со стороны профсоюзов, общественных экологических объе-
динений, трудовых коллективов и отдельных граждан.
Экологический мониторинг
Под экологическим мониторингом понимают комплексную сис-
тему наблюдений, оценки и прогноза состояния окружающей среды
под действием природных и антропогенных факторов. Основной
принцип мониторинга - непрерывное слежение. Но мониторинг -
это не только слежение и оценка фактов, но и экспериментальное
моделирование, прогноз и рекомендации по управлению состоянием
окружающей природной среды.
Экологический мониторинг является составной частью экологи-
ческого контроля и обеспечивает эту службу необходимой инфор-
мацией о состоянии окружающей природной среды.
По территориальному охвату различают три ступени экологиче-
ского мониторинга: локальный (биоэкологический, санитарно-гигие-
нический), региональный (геосистемный, природно-хозяйственный)
и глобальный (биосферный, фоновый).
В программу локального мониторинга, ограниченного небольшой
территорией, входят биоэкологические (санитарно-гигиенические)
наблюдения за изменением в различных сферах содержания за-
грязняющих веществ, обладающих канцерогенными, мутагенными
и иными неблагоприятными свойствами.
Пункты экологических наблюдений располагаются в местах кон-
центрации населения и районах интенсивной его деятельности с та-
ким расчетом, чтобы они контролировали основные линии связи че-
ловека (трофические и др.) с естественными и искусственными
компонентами окружающей среды. Это могут быть территории
промышленно-энергетических центров, атомных электростанций,
нефтепромыслов, агроэкосистем с интенсивным применением ядо-
химикатов и др.
На региональном (геосистемном) уровне наблюдения ведут за со-
стоянием экосистем крупных природно-территориальных комплек-
сов (бассейнов рек, лесных экосистем, агроэкосистем и т.д.), где
имеются отличия параметров от базового фона ввиду интенсивных
антропогенных воздействий. Например, ведут контроль за популя-
ционным состоянием исчезающих видов животных в пределах како-
го-либо региона и т.д.
Обеспечить наблюдение, контроль и прогноз возможных измене-
ний в биосфере в целом - задача глобального мониторинга. Его на-
зывают еще фоновым, или биосферным. Объектами глобального
мониторинга являются атмосфера, гидросфера, растительный и жи-
вотный мир и биосфера в целом как среда жизни всего человечества.
Разработка и координация глобального мониторинга окружающей
природной среды осуществляются в рамках ЮНЕП (орган ООН)
и Всемирной метеорологической организации.
При выполнении работ по программе глобального мониторин-
га особое внимание уделяют наблюдениям за состоянием природ-
ной среды из космоса с помощью спутниковых дистанционных
методов.
Космический мониторинг позволяет получить уникальную ин-
формацию о функционировании экосистем как на региональном, так
и на глобальном уровнях.
Основной объем наблюдений выполняет Росгидромет России.
К основным ее задачам относятся оценка и прогноз состояния
объектов и антропогенных воздействий на них, откликов экосистем
и здоровья населения на изменение состояния окружающей природ-
ной среды, а также ведение специальных банков данных, характери-
зующих экологическую обстановку, и гармонизация их с междуна-
родными эколого-информационными системами и др.
4.5. Международное сотрудничество
в области экологии
Реализация стратегии выхода из экологического кризиса и пере-
хода к устойчивому развитию всего мирового сообщества возможна
лишь на основе единства природоохранных действий всех госу-
дарств. Природа не знает государственных границ, она всеобща
и едина. Для человеческой популяции среда обитания - вся биосфе-
ра, которая представляет собой единую и целостную систему. По-
этому нарушения в экосистеме одной страны неминуемо вызывают
ответную реакцию в сопредельных. Все основные слагаемые гло-
бального экологического кризиса (парниковый эффект, истощение
озонового слоя, деградация почв, радиационная опасность, транс-
граничный перенос загрязнений, исчерпание энергетических и дру-
гих ресурсов недр планеты, и т.п.) становятся экологическими импе-
ративами и определяют новые нормы и правила взаимодействия
всех государств.
Международное сотрудничество в области охраны окружающей
природной среды регулируется международным экологическим пра-
вом, в основе которого лежат общепризнанные принципы и нормы.
Важнейший вклад в становление этих принципов внесли Стокгольм-
ская конференция ООН по проблемам окружающей человека среды
(1972), провозгласившая 5 июня Всемирным днем окружающей сре-
ды, Всемирная хартия природы, одобренная Генеральной Ассамбле-
ей (1982 г.), и Международная конференция ООН по окружающей
среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.).
Национальные и международные объекты охраны окружаю-
щей среды
Объекты охраны окружающей среды подразделяются на на-
циональные (внутригосударственные) и международные (обще-
мировые).
К национальным (внутригосударственным) объектам относятся
земля, воды, недра, дикие животные и другие элементы природной
среды, которые находятся на территории государства. Националь-
ными объектами государства распоряжаются свободно, охраняют
и управляют ими на основании собственных законов в интересах
своих народов.
Международные объекты охраны окружающей среды - это объ-
екты, которые находятся в пределах международных пространств:
Космос, атмосферный воздух, Мировой океан и Антарктида, либо
перемещаются по территории различных стран (мигрирующие виды
животных). Эти объекты не входят в юрисдикцию государств и не
являются чьим-либо национальным достоянием. Они осваиваются
и охраняются на основании различных договоров, конвенций, про-
токолов, отражающих совместные усилия международного сооб-
щества.
Существует еще одна категория международных объектов при-
родной среды, которая охраняется и управляется государствами, но
взята на международный учет. К ним относятся: природные объекты
уникальной ценности и принятые на международный контроль (за-
поведники, национальные парки, резерваты, памятники природы);
исчезающие и редкие виды, занесенные в международную Красную
книгу; разделяемые природные ресурсы, постоянно или значитель-
ную часть года находящиеся в пользовании двух или более госу-
дарств (река Дунай, Балтийское море и др.).
Космос - один из важнейших объектов международной охраны.
В международных договорах по использованию космического про-
странства международным сообществом признаны: недопустимость
национального присвоения частей космического пространства,
включая Луну и другие небесные тела; недопустимость вредного
воздействия на Космос и загрязнения космического пространства.
Оговорены также условия спасения космонавтов.
Для ограничения военного использования космоса большое зна-
чение имели Договор об ограничении систем противоракетной обо-
роны и советско-американские соглашения об ограничении страте-
гических наступательных вооружений.
Мировой океан (Атлантический, Тихий, Индийский, Северный
Ледовитый океаны и связанные с ними моря) также представляет
собой объект международной охраны. Он содержит огромное ко-
личество полезных ископаемых, биологических ресурсов, энергии.
Велико и транспортное значение океана. Освоение Мирового океана
должно проводиться в интересах всего человечества. Конвенцией
ООН по морскому праву (1973 г.), подписанной более чем 120 стра-
нами, признается суверенное право прибрежных государств на био-
ресурсы в 200-мильных прибрежных зонах. Подтверждена незыбле-
мость принципа свободного мореплавания (за исключением
территориальных вод, внешняя граница которых установлена на
12-мильном расстоянии от берега).
Антарктиду справедливо называют материком мира и междуна-
родного сотрудничества. В 1959 г. СССР, США, Англия, Франция,
Аргентина и ряд других стран заключили Договор об Антарктиде,
в котором провозглашалась свобода научных исследований, исполь-
зование этого материка только в мирных целях, определялся между-
народно-правовой режим Антарктиды.
Новые более жесткие меры по охране животного и растительного
мира, удалению отходов и предупреждению загрязнения отражены
в Протоколе, подписанном в октябре 1991 г. в Мадриде по итогам
международного сотрудничества в Антарктиде.
Атмосферный воздух - важнейший международный объект охра-
ны окружающей среды. Усилия международного сообщества наце-
лены главным образом на предупреждение и устранение трансгра-
ничного переноса загрязнителей и охрану озонового слоя.
Особое место среди международных конвенций и соглашений
по охране воздушного бассейна имел Московский договор 1963 г.
о запрещении испытания ядерного оружия в атмосфере, космиче-
ском пространстве и под водой, заключенный между СССР, США
и Англией, другие соглашения 1970-90-х гг. об ограничении, сокра-
щении и запрещении испытаний ядерного, бактериологического,
химического оружия в различных средах и регионах. В 1996 г.
в ООН торжественно подписан Договор о всеобъемлющем запреще-
нии ядерных испытаний.
Участие России в международном экологическом сотрудни-
честве
Россия играет значительную роль в решении глобальных и ре-
гиональных экологических проблем.
Основные направления международного сотрудничества России
в области охраны окружающей среды следующие: 1) государствен-
ные инициативы; 2) международные организации; 3) международ-
ные конвенции и соглашения; 4) двустороннее сотрудничество.
Россия продолжает развивать и углублять экологическое сотруд-
ничество по линии международных конвенций (договоров) и согла-
шений на многосторонней основе. Свыше 70 международных доку-
ментов, подписанных Российской Федерацией, а также бывшим
СССР, и принятых ею к исполнению, регулирует ныне российское
экологическое сотрудничество с другими государствами. Россией
подписаны международные конвенции о климатических изменени-
ях, о биологическом разнообразии, о защите озонового слоя Земли,
о трансграничном загрязнении воздуха, о помощи в случае ядерной
аварии и др.
Говоря о международных договорах, заключенных Россией на
многосторонней основе, нельзя не сказать о международном сотруд-
ничестве со странами СНГ - бывшими союзными республиками
СССР. Основным документом здесь является межправительственное
Соглашение о взаимодействии в области экологии и охраны окру-
жающей природной среды, подписанное в Москве в феврале 1992 г.
представителями десяти стран.
На основе межправительственных соглашений развивается дву-
стороннее сотрудничество со всеми пограничными странами, вклю-
чая государства СНГ, а также с США, Великобританией, Францией,
Китаем и другими странами. Наиболее плодотворно в настоящее
время развиваются российско-американское сотрудничество (про-
блема озера Байкал, мероприятия по регулированию качества воды,
организация заповедников и др.), российско-германские связи
(экологические проблемы в регионах, район озера Байкал, обмен
радиологической информацией и др.), а также сотрудничество со
Скандинавскими странами (экологически безопасные технологии,
строительство водоочистных сооружений, охраняемые территории
в Карелии).
Несмотря на достигнутые успехи, для выхода из экологического
кризиса необходимы дальнейшее развитие и активизация междуна-
родного сотрудничества как на двусторонней, так и на многосторон-
ней основе, включая организации системы ООН.
Россия, на долю которой приходится значительная часть экоси-
стем, практически не затронутых хозяйственной деятельностью (бо-
лее трети территории России, или 700-800 млн га, в том числе опор-
ный стабилизирующий блок биосферы - Сибирь), непременно будет
играть все более возрастающую роль в решении экологических про-
блем всего мирового сообщества.
4.6. Правовые и экономические вопросы
экологической безопасности
В России создан и функционирует механизм охраны окружаю-
щей среды, главная особенность которого - ориентация не на пла-
новое централизованное финансирование из государственного
бюджета, а в основном на экономические методы регулирования.
Новая структура экономического механизма сочетает как ранее
действующие нормы (природно-ресурсные кадастры, материально-
техническое обеспечение и др.), так и новые экономические стиму-
лы (плата за пользование природными ресурсами, экологическое
страхование и др.). В качестве обязательных элементов предусмат-
ривается включение экологических требований в процедуру оценки
принимаемых хозяйственных решений.
Согласно Федеральному природоохранному закону (2002), к ос-
новным методам экономического регулирования государственных
и рыночных отношений в области охраны окружающей среды от-
носятся:
• установление платы за негативное воздействие на окружаю-
щую среду;
• установление лимитов на выбросы и сбросы загрязняющих
веществ и микроорганизмов, а также лимитов на размещение от-
ходов и на другие виды негативного воздействия на окружающую
среду;
• проведение экономической оценки воздействий хозяйственной
и иной деятельности на окружающую среду;
• предоставление налоговых, кредитных и иных льгот при вне-
дрении малоотходных и ресурсосберегающих технологий и нетра-
диционных видов энергии, осуществлении других эффективных мер
по охране окружающей природной среды;
• возмещение вреда, причиненного природной среде и здоровью
человека.
Важнейшая задача нового экономического механизма - сделать
охрану окружающей среды составной частью производственно-
коммерческой деятельности, чтобы хозяйственник, предпринима-
тель были заинтересованы в охране окружающей среды не меньше,
чем он заинтересован в выпуске конкурентоспособной продукции.
Государственный учет природных ресурсов и загрязнителей
Государственный учет природных ресурсов осуществляется по
единой системе органами статистического учета. Экономические,
экологические и некоторые другие показатели природных ресурсов
обычно обобщают в виде кадастров.
Кадастр природных ресурсов - систематизированный свод све-
дений, количественно и качественно характеризующих определен-
ный вид природных ресурсов или явлений, в ряде случаев с их со-
циально-экономической оценкой. Единого кадастра природных
ресурсов не существует. Различают кадастр недр, земельный, вод-
ный, лесной, животного мира, медико-биологический, промысловый
и другие виды кадастров.
Земельный кадастр включает данные регистрации землепользо-
вателей (собственники, пользователи, арендаторы), учета количества
и качества земель, бонитировки (качественной оценки земель). Дан-
ные земельного кадастра служат для оценки рационального исполь-
зования земель, их учитывают при распределении земель по целево-
му назначению, при определении платежей за землю и др.
Водный кадастр - это свод систематизированных данных о вод-
ных объектах, водных ресурсах, режиме, качестве и использовании
вод, а также о водопользователях. Он включает три раздела: 1) по-
верхностные воды; 2) подземные воды; 3) использование вод.
Лесной кадастр - свод данных о лесах, степени их вовлечения
в эксплуатацию, качественном составе, запасах древесины, ежегод-
ного ее прироста и т.д. С помощью кадастра оценивают эколого-
экономическое значение лесов, решают вопросы охраны лесных
ресурсов, другие практические вопросы (выбор лесосырьевых баз
и др.). Аналогичные или близкие к этим функции выполняют када-
стры и других природных ресурсов. Своеобразным кадастром ред-
ких животных и растений является Красная книга Российской
Федерации, а также республик, краев и областей.
В последнее время в связи с обострением экологической ситуа-
ции возникла необходимость учета размещения отходов по составу
и степени токсичности, а также регистрации загрязнителей ок-
ружающей среды. Объектом регистрации служат все опасные
и потенциально опасные вещества, независимо от их происхожде-
ния, производимые как на территории России, так и ввозимые из-за
рубежа.
Лицензии, договоры и лимиты на природопользование
Эффективными средствами охраны окружающей природной сре-
ды и рационального природопользования служат такие экономиче-
ские рычаги, как лицензии, договора и лимиты.
Лицензия (разрешение) на комплексное природопользование -
документ, удостоверяющий право его владельца на использование
в фиксированный период времени природного ресурса (земель, вод,
недр и др.), а также на размещение отходов, выбросы и сбросы.
В лицензию на комплексное природопользование включают:
1) основные характеристики природного объекта, разрешенного
к использованию;
2) сведения о природопользователе;
3) объем прав и ограничения в использовании объекта;
4) порядок и условия внесения платежей за право природополь-
зования;
5) сроки действия лицензии и сроки начала работ.
Лицензии могут иметь экономический характер - разрешение на
хозяйственное использование природных ресурсов и экологический -
разрешение на выброс, сброс, захоронение вредных веществ и др.
Лицензия на комплексное природопользование выдается природо-
охранительными органами России сроком на 1 год, но право пользо-
вания ею может быть досрочно прекращено, если возникает угроза
экологической безопасности населению.
Принципы неистощимости использования природных ресурсов
и охраны природной среды могут быть соблюдены лишь при ком-
плексном природопользовании, т.е. в тех случаях, когда использова-
ние одного ресурса не оказывает вредного воздействия на другие
ресурсы. Поэтому, получив лицензию и пройдя соответствующую
экспертизу на предполагаемую хозяйственную или иную деятель-
ность, природопользователь должен заключить договор о комплекс-
ном природопользовании.
Договор предусматривает условия и порядок использования при-
родных ресурсов, права и обязанности природопользователя, разме-
ры платежей за пользование природными ресурсами, ответствен-
ность сторон и возмещение вреда.
Законодательством предусмотрены и другие виды договоров
в сфере природопользования: 1) договор об использовании отдель-
ных видов ресурсов; 2) договор аренды природных ресурсов
и 3) договор концессии.
Лимиты (ограничения) на природопользование - предельные
доступные объемы изъятия и потребления природных ресурсов и
вредных воздействий: выбросов (сбросов) загрязняющих веществ,
размещения отходов производства, которые устанавливаются для
предприятий-природопользователей на определенный срок. Так, на-
пример, устанавливают лимиты потребления вод промышленного
использования, нормы отвода земель для автомобильных дорог, ли-
миты по отлову животных, расчетную лесосеку и т.д. Лимиты на
природопользование устанавливаются с учетом состояния природ-
ного объекта.
За сверхнормативное потребление природных ресурсов преду-
сматривается дополнительная плата. Таким образом, лимиты, как
система экологических ограничений, экономическим путем побуж-
дают природопользователя к бережному отношению к природной
среде. Поэтому понятно, что лимиты, а также лицензии и договора
на комплексное природопользование выполняют не только эконо-
мические, но и природоохранительные функции.
Экологическое страхование
По Закону Российской Федерации (1991) предприятия, а также
граждане имеют право на получение страхового возмещения (при
добровольном и обязательном страховании) в случае техногенных
катастроф, аварий и стихийного бедствия. Непременными условия-
ми выдачи страхового вознаграждения являются внезапность стра-
хового события и непреднамеренность, т.е. отсутствие умысла со
стороны предприятия. Однако предприятие может быть лишено пра-
ва на страховое возмещение, если оно неоднократно предупрежда-
лось о возможности аварии, но не приняло никаких предупреди-
тельных мер. Таким образом, экологическое страхование выполняет
(экономически) стимулирующие функции, побуждая предприятия
к сохранению природных ресурсов и охране природной среды.
Все более актуальными становятся и такие важные природо-
охранные проблемы, как страхование риска загрязнения окружаю-
щей природной среды, страхование инвестиций в экологически
рисковые проекты, выбор приоритетных объектов экологического
страхования. Развиваются и другие формы экологического страхо-
вания.
Правовые и экономические механизмы природопользования
в условиях формирования рыночной экономики нуждаются в посто-
янном совершенствовании и должны носить поэтапный характер.
Контрольные вопросы
1. Объясните термин «загрязнение окружающей среды». Какие су-
ществуют виды загрязнения? В чем состоят черты их сходства
и различия?
2. Дайте определение охраны окружающей среды. Какие существу-
ют виды природопользования?
3. Какие существуют меры борьбы с загрязнением гидросферы, ли-
тосферы и атмосферы?
4. В каких целях применяется комплексное использование мине-
рального сырья?
5. Назовите категории природно-заповедного фонда.
6. Перечислите основные нормативно-правовые акты экологическо-
го права.
7. В чем заключается функция экологического контроля?
8. Перечислите основные принципы экологического мониторинга.
9. Обоснуйте необходимость ведения кадастра природных ресурсов.
10. Перечислите международные объекты природных ресурсов.
11. Назовите основные направления международного сотрудничества
России в области охраны окружающей среды.
Глоссарий
Автотрофы - организмы, способные синтезировать из неорганических
веществ необходимые им для жизни органические вещества за счет солнеч-
ной энергии (фототрофы, или гелиотрофы) или энергии некоторых химиче-
ских реакций окисления аммиака, сероводорода и др. веществ (хемотрофы).
К автотрофам относятся высшие растения (кроме паразитных и сапрофит-
ных), водоросли, некоторые бактерии (пурпурные, железобактерии, серо-
бактерии и др.).
Агробиоценоз - биоценоз, сложившийся на сельскохозяйственных
угодьях.
Агроландшафтная система, или агроландшафт - природно-террито-
риальный комплекс, оцененный по отобранным факторам в отношении его
агропотенциала и уже подвергающийся сельскохозяйственному освоению.
Агроландшафты подразделяются на категории земледельческие, в которых
производится выращивание культурных растений, и пастбищные, предна-
значенные для выпаса домашнего скота.
Агроценоз - искусственно созданное и регулярно поддерживаемое че-
ловеком биотическое сообщество, обладающее высокой продуктивностью
одного или нескольких видов растений или животных.
Адаптация (приспособление, прилаживание) - приспособление органа,
функции или организма к изменяющимся условиям среды. Совокупность
морфофизиологических, популяционных и других свойств живых организ-
мов, обеспечивающих возможность устойчивого выживания в конкретных
условиях среды. Различают общую адаптацию (приспособление к широко-
му диапазону условий среды) и частные адаптации (приспособление к ло-
кальным или специфическим условиям среды).
Аллели - различные формы одного и того же гена, располагающиеся
в идентичных локусах (участках) гомологичных хромосом и определяющие
альтернативные варианты проявления того или иного признака.
Аллогенез (идиоадаптация) - путь эволюции посредством частных при-
способлений к конкретным условиям среды, не приводящих к повышению
общего уровня организации.
Альбедо - это величина, показывающая долю (в %) солнечной энергии,
которую способна отразить земная поверхность.
Амитоз (прямое деление) - редкий способ деления клетки, характерный
для стареющих или опухолевых клеток, он также встречается у однокле-
точных организмов, а также в некоторых высокоспециализированных,
с ослабленной физиологической активностью клетках тканей растений
и животных.
Анаболизм (или пластический обмен, или ассимиляция) - совокупность
химических реакций синтеза сложных веществ из более простых (образова-
ние углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции
матричного синтеза).
Аналогичные органы - органы, выполняющие одинаковые функции
и имеющие внешнее сходство, но различные по происхождению.
Анаэробы - организмы, способные жить в бескислородной среде.
Анаэробы облигатные - организмы, неспособные жить в кислородной
среде.
Анаэробы факультативные - организмы, способные жить как в при-
сутствии кислорода, так и без него.
Антагонизм - взаимное гашение действия нескольких факторов, обу-
словленное обратной отрицательной связью.
Антропогенный круговорот (обмен) - круговорот (обмен) веществ,
движущей силой которого является деятельность человека.
Антропогенная нагрузка - степень прямого и косвенного воздействия
хозяйственной деятельности человека на природу в целом или на ее отдель-
ные компоненты.
Антропогенный стресс - уровень давления хозяйственной деятельно-
сти человека на экосистему (ландшафт), превышающий предел ее допусти-
мого возмущения, в результате чего экосистема последовательно утрачива-
ет свои функции и биоразнообразие.
Антропогенный фактор - влияние, оказываемое человеком и его дея-
тельностью на организмы, биогеоценозы, ландшафты, биосферу (в отличие
от естественных, или природных, факторов).
Антропогенное загрязнение объектов окружающей среды - загряз-
нение атмосферы, гидросферы, литосферы, почвы и грунтов, обусловленное
деятельностью человека.
Ареал - географический район суши или акватории, где обитает вид на
любой стадии своего жизненного цикла, включая любые участки суши или
воды, которые он пересекает на своем обычном миграционном пути в лю-
бой момент времени или область распространения.
Ареал вида - территория, на которой распространен вид.
Ареал экологический - регион, где вид может обитать в связи с нали-
чием подходящих для него условий вне зависимости оттого, где располо-
жен этот регион и отделен ли он непреодолимыми для вида преградами.
Арогенез (ароморфоз, или морфофизиологический, прогресс) - путь
эволюции, который характеризуется повышением организации, развитием
приспособлений широкого значения, расширением среды обитания данной
группы организмов.
Атавизм (от лат. сйауиз - отдаленный предок) - появление у отдельных
особей признаков, свойственных их отдаленным предкам, но отсутствую-
щим у ближайших.
Атмосфера (от греч. а1то$ - пар) - газовая оболочка планеты, которая
принимает участие в ее суточном и годовом вращении и удерживается по-
средством силы тяжести (гравитации).
Аутосомы - хромосомы, одинаковые для мужского и женского карио-
типов.
Аэробы (облигатные аэробы) - организмы, способные жить только
в кислородной среде.
Бактерии - простейшие одноклеточные организмы, которые размно-
жаются путем простого поперечного деления материнской клетки и размер
которых находится в пределах нескольких микронов.
Баланс вещества и энергии в ландшафтах, или природной среде, -
равенство количества вещества, энергии и информации, поступающих
в ландшафт, или природную, среду, трансформирующихся в них (или рас-
ходующихся на природные процессы) и выходящих за пределы ландшафта,
или природной, среды.
Белки (протеины) - это высокомолекулярные природные органические
вещества, построенные из аминокислот и играющие фундаментальную роль
в структуре и жизнедеятельности организмов.
Биогенные вещества - химические соединения, постоянно входящие
в состав организмов и выполняющие определенные биологические функ-
ции. К ним относят соединения азота, фосфора, кремния, железа и соедине-
ния некоторых микроэлементов.
Биогеохимический круговорот - циклический процесс перемещения
и трансформации химических элементов в пределах биосферы, движущей
силой которого является деятельность живых организмов.
Биогеоценоз - однородный участок земной поверхности с определен-
ным составом живых (биоценоз) и косных (приземной слой атмосферы,
солнечная энергия, почвы и др.) компонентов и динамическим взаимодей-
ствием между ними (обменом веществ и энергии). Понятие «биогеоценоза»
близко к понятию «экосистема», но последняя лишена строгой биохороло-
гической основы.
Биологическая активность почв - совокупность биологических про-
цессов, протекающих в почве, о которых судят по интенсивности «дыха-
ния» почвы (потребление кислорода и выделение кислоты), по интенсивно-
сти выделения тепловой энергии организмами почвы, по ферментативной
активности и другим показателям.
Биологическая продуктивность (биопродуктивность) - количество
живого вещества (биомасса), производимого за некоторое время организ-
мами и входящего в состав того или иного биогеоценоза или ландшафта.
Измеряется в единицах массы на единицу площади за единицу времени.
Биологическая продукция - количество органической массы (биомас-
сы), производимое организмами, входящими в состав того или иного сооб-
щества, в единицу времени (обычно за год) на единицу площади (наземных
или донных биоценозов) или на определенный объем (для водных или поч-
венных биоценозов). Зависит от обеспеченности теплом и влагой, а также
содержания минеральных питательных веществ в жизненной среде био-
ценозов.
Биологические ресурсы - генетические ресурсы, организмы или их
части, популяции или любые другие биотические компоненты экосистем,
имеющие фактическую или потенциальную полезность или ценность для
человечества.
Биологический прогресс - увеличение количества особей, расширение
ареала и повышение разнообразия внутри вида или более крупной система-
тической единицы.
Биосфера - совокупность всех экосистем Земли.
Биологический фактор - организмы или сообщества, вызывающие на-
рушение исправного или работоспособного объекта.
Биология (греч. Ыо8 - жизнь и 1о^о8 - знание, учение, наука) - это со-
вокупность наук о живой природе, изучающих все проявления жизни:
строение и функции живых существ и их природных сообществ, их распро-
странение, происхождение и развитие, связи друг с другом и с неживой
природой.
Биом - совокупность видов растений и животных, составляющих живое
население определенного района. Близок к термину «биота», применяемый
к более обширным участкам поверхности Земли.
Биомасса - общая масса особей одного вида, группы видов или сообще-
ства в целом, приходящаяся на единицу поверхности или объема местооби-
тания. Выражается в массе сырого или сухого вещества (г/м2, кг/га, г/м3
и т.д.). Позволяет оценивать продуктивность участков суши или акватории,
определять возможность промысла животных и т.д. Различают биомассу
растений (фитомассу) и животных (зоомассу).
Биоразнообразие - вариабельность живых организмов из всех источни-
ков, включая, среди прочего, наземные и иные водные экосистемы и эколо-
гические комплексы, частью которых они являются, это понятие включает
в себя разнообразие в рамках вида, между видами и разнообразие эко-
систем.
Биота - 1) исторически сложившийся комплекс живых организмов,
обитающих на какой-либо крупной территории, изолированной любыми
(например, биогеографическими) барьерами, 2) совокупность организмов,
населяющих какой-либо произвольно выбранный регион вне зависимости
от функциональной и исторической связи между собой (например, государ-
ство, область и др.).
Биотоп - участок земной поверхности (суши, водоема) с однотипными
абиотическими условиями среды (климатом, рельефом и т.п.), занимаемый
тем или иным биоценозом.
Биоценоз - исторически сложившееся сообщество растительных и жи-
вотных организмов, характеризующееся некоторой общностью их биологи-
ческих особенностей и условий существования, обеспечивающее кругово-
рот веществ и способное к саморегуляции.
Биоценология - наука о биоценозах, охватывающая их систематику,
структуру, происхождение, развитие и распределение в пространстве и вре-
мени.
Богатство видовое - характеристика сообщества, определяемая либо
относительным, либо абсолютным числом видов.
Буря пыльная - сильный (25-32 м/с) ветер, несущий огромное количе-
ство твердых частиц (почвы, песка), выдуваемых в незащищенных расти-
тельностью местах и наметаемых в другие. Буря пыльная характерна для
аридных областей и распаханных территорий.
Вещество антропогенное - химическое соединение, введенное в зем-
ные сферы в результате деятельности человека. Различают антропогенные
вещества, входящие в естественный круговорот, а поэтому рано или поздно
утилизируемые в экосистемах, и искусственные соединения, очень медлен-
но разрушаемые живыми организмами и абиотическими агентами и остаю-
щиеся вне естественного обмена веществ.
Вещество биогенное - химическое соединение (или элемент), возни-
кающее в результате жизнедеятельности организмов (необязательно входя-
щее в состав их тел) и необходимое для поддержания жизни.
Вещество вредное - вещество, вызывающее нарушения в росте, разви-
тии или состоянии здоровья организмов, а также которые могут повлиять на
эти показатели со временем, в том числе в цепи поколений.
Вещество живое - совокупность тел живых организмов, населяющих
Землю вне зависимости от их систематической принадлежности. Общая
масса живого вещества составляет более двух триллионов тонн (в сухой
массе).
Вещество природное - любое химическое соединение (или элемент),
возникающее в ходе спонтанно идущих химических реакций и физических
процессов и естественно входящее в природный круговорот веществ.
Взрыв популяционный - резкое, как правило, многократное, увеличе-
ние численности особей какого-либо вида, связанное с изменением обыч-
ных механизмов ее регуляции.
Вид биологический - это совокупность особей, обладающих рядом
общих морфологических и физиологических признаков, обитающих на
определенной территории, способных скрещиваться, давая плодовитое по-
томство.
Вид восстановленный - вид, число особей или разнообразие популя-
ций, которые достигли уровня безопасного в отношении угрозы внезапного
исчезновения.
Вид вредный - наносящий человеку хозяйственный урон или вызы-
вающий заболевания.
Вид вымирающий - вид, морфофизиологические и(или) поведенческие
особенности которого не соответствуют современным условиям среды жиз-
ни, а генетические возможности дальнейшего приспособления исчерпаны.
Заносится в Красную книгу как вид, находящийся под угрозой.
Вид генетический - конечное множество организмов, замкнутых отно-
шением успешного воспроизводства потомства в любой двуполой комбина-
ции особей.
Вид исчезающий - вид, находящийся под угрозой полного исчезнове-
ния, численность особей которого недостаточна для самоподдержания
популяции в естественных условиях и выживание которого не представля-
ется возможным, если не будут устранены факторы, вызывающие эту угро-
зу. В отличие от вымирающего вида имеет благоприятные генетические
возможности для дальнейшего приспособления к новым условиям среды,
если будут созданы специальные меры по охране и искусственному воспро-
изводству для восстановления его численности до безопасных размеров.
Заносится в Красную книгу как вид, находящийся под угрозой.
Виды, имеющие международное значение, - виды флоры и фауны, за
сохранение которых государство ареала несет международную ответствен-
ность независимо от того, считаются ли эти виды находящимися под угро-
зой исчезновения в данной стране или нет.
Вид охраняемый - вид, хозяйственное использование которого
(отстрел, отлов, сбор гербариев, сбор коллекций и др.) запрещено между-
народными соглашениями и актами, моральными нормами или обы-
чаями.
Вид редкий - вид, не находящийся под прямой угрозой исчезновения,
но встречающийся в таком малом числе особей и(или) популяций на столь
ограниченной территории и в столь специфических местах обитания, что
может быстро исчезнуть. Обязателен для включения в Красную книгу.
Видовое разнообразие - число видов в данном сообществе или в дан-
ной области. Различают: альфа-разнообразие - число видов в рассматри-
ваемом биотопе, бета-разнообразие - число видов во всех биотопах данной
местности и гамма-разнообразие.
Водный объект - сосредоточение вод на поверхности суши в формах
ее рельефа либо в недрах, имеющее границы, объем и черты водного ре-
жима.
Воды сточные - воды, использованные в бытовых или производствен-
ных целях и получившие при этом дополнительные примеси, изменившие
первоначальный химический состав и их физические свойства, сбрасывае-
мые в установленном порядке в водные объекты после ее использования,
а также воды, стекающие с территории населенных мест промышленных
и сельскохозяйственных предприятий в результате выпадения атмосфер-
ных осадков, полива угодий и поливки улиц.
Выживаемость - средняя вероятность сохранения организмов того или
иного поколения для жизни и участия в функционировании экосистем.
Вымирание - процесс сокращения численности вплоть до полного ис-
чезновения видов и других таксономических групп организмов в процессе
эволюции или в результате деятельности (в большинстве случаев непред-
намеренной) человека.
Выносливость - способность живых организмов переносить неблаго-
приятные воздействия окружающей их среды. Высокая выносливость явля-
ется предпосылкой выживания видов, низкая выносливость в условиях
постоянного, в том числе антропогенного, изменения среды ведет к сокра-
щению и исчезновению вида.
Газы отходящие - газовоздушные смеси, образовавшиеся в результате
технологических процессов и производств и содержащие избыточные коли-
чества загрязняющих веществ и тепла.
Гаметогенез - процесс образования половых клеток (гамет).
Ген - это элементарная единица наследственности, совокупность ге-
номных последовательностей, кодирующих сцепленный набор потенциаль-
но перекрывающихся функциональных продуктов, представленная био-
полимером - отрезком (или совокупностью отрезков) молекулы ДНК
(у некоторых вирусов РНК).
Генетика (от греч. §епе818 - происхождение) - наука о наследственно-
сти и изменчивости живых организмов и методах управления ими.
Генетический код - единая система записи наследственной формации
в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов.
Геном - это наследственный аппарат клетки, содержащий весь объем
информации, необходимой для развития организма, его существования
в определенных условиях среды, эволюции и передачи всех наследственных
свойств в ряду поколений.
Генотип - совокупность всех генов организма.
Географическая (или пространственная) изоляция - изоляция, обу-
словленная разрывом единого ареала обитания вида на не сообщающиеся
между собой части.
Геологический круговорот веществ (большой круговорот ве-
ществ) - циклический процесс перемещения и трансформации химических
элементов в пределах Земли, движущей силой которого являются экзоген-
ные и эндогенные геологические процессы, т.е. осуществляющийся без уча-
стия живых организмов.
Гетеротрофы - микроорганизмы, животные, некоторые растения и гри-
бы, питающиеся готовыми органическими веществами, использующие
трансформирующие и разлагающие сложные органические соединения.
Гигиена - раздел профилактической медицины, изучающий влияние
окружающей человека среды на здоровье человека, его работоспособность
и продолжительность жизни, разрабатывающий мероприятия, направлен-
ные на предупреждение болезней и создание условий, обеспечивающих
здоровье населения.
Гидросфера (от греч. ^Шга - вода) - водная оболочка Земли, вклю-
чающая все воды, находящиеся в жидком, твердом и газообразном состоя-
ниях.
Геном - это наследственный аппарат клетки, содержащий весь объем
информации, необходимой для развития организма, его существования
в определенных условиях среды, эволюции и передачи всех наследствен-
ных свойств в ряду поколений.
Гипергенез - путь эволюции, связанный с увеличением размеров тела
и непропорциональным переразвитием органов.
Гистология - наука, изучающая ткани многоклеточных организмов.
Гомеостаз - относительное постоянство внутренней среды организма.
Гомологичные органы - органы, имеющие единое происхождение, не-
зависимо от выполняемых ими функций.
Движущий отбор - отбор, способствующий сдвигу установившегося
в популяции среднего значения признака в сторону уменьшения или увели-
чения.
Дезруптивный, или разрывающий, отбор - отбор, благоприятствую-
щий более чем одному фенотипическому оптимуму и действующий против
промежуточных форм.
Дивергенция - расхождение признаков в ходе эволюции у родственных
групп, развивающихся в разнородных условиях.
Естественный отбор - процесс, в результате которого выживают и ос-
тавляют после себя потомство преимущественно особи с полезными для
популяции свойствами.
Живое вещество - совокупность всех живых организмов, в данный мо-
мент существующих, численно выраженная в элементарном химическом
составе массы, энергии.
Животные - группа (царство) гетеротрофных организмов, как правило,
способных к активному передвижению, не имеющих твердой целлюлозной
клеточной оболочки, по типу питания близка к грибам. Около 1,5 млн
видов.
Загрязнение химическое - привнесение в экосистему загрязняющих
веществ, чуждых ей или в концентрациях, превышающих фоновые.
Загрязнитель - субъект воздействия на окружающую среду - любое
юридическое или физическое лицо, несущее эколого-правовую и эколого-
экономическую ответственность за конкретное воздействие.
Земельные ресурсы - один из главных видов природных ресурсов - со-
вокупность земельных массивов (почв), используемых или доступных для
использования в качестве средства производства и источника удовлетворе-
ния разнообразных хозяйственных потребностей общества.
Идиограмма - графическое изображение кариотипа.
Изменчивость - способность организмов приобретать новые признаки
и свойства.
Изоляция - действие различных факторов, препятствующих свободно-
му скрещиванию.
Кадастр - систематизированный свод сведений, составляемых периоди-
чески или путем непрерывных наблюдений над соответствующим объектом
его качественных и количественных характеристик. Кадастр может вклю-
чать рекомендации по использованию объектов или явлений, предложения
мер по их охране. Различают земельный кадастр, водный, лесной, промы-
словый и др.
Кариотип - совокупность сведений о числе, размерах и строении мета-
фазных хромосом.
Катаболизм (или энергетический обмен, или диссимиляция) - совокуп-
ность химических реакций, приводящих к образованию простых веществ из
более сложных (гидролиз полимеров до мономеров и расщепление послед-
них до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака
и др. веществ).
Катагенез (катаморфоз, или общая дегенерация) - явление резкого уп-
рощения организации, связанного с исчезновением целых систем органов
и функций, наблюдаемое в ряде эволюционных ситуаций, когда окружаю-
щая среда стабильна.
Классификация - распределение всего множества живых организмов
по определенной системе иерархически соподчиненных групп.
Клеточный цикл (жизненный цикл клетки) - это период существова-
ния клетки от момента ее возникновения в результате деления материнской
клетки до ее собственного деления или смерти.
Климакс - стабильное состояние сообщества (экосистемы), в котором
климаксовое сообщество (экосистема) поддерживает само себя неопреде-
ленно долго, все внутренние его компоненты уравновешены друг с другом,
климаксовое сообщество (экосистема) находится в равновесии с физи-
ческой средой на максимально высоком уровне потенциальной энергии
и разнообразия.
Климакс климатический (региональный) - стабильное состояние
сообщества (экосистемы), находящегося в равновесии с общими климати-
ческими условиями.
Комплексное управление природопользованием - скоординирован-
ное взаимодействие органов государственной власти и специально уполно-
моченных государственных органов Российской Федерации в области ох-
раны окружающей природной среды, направленное на: формирование
и практическую реализацию единых межведомственных принципов в при-
родопользовании; закрепление экосистемных подходов при использовании
отдельных видов природных ресурсов из природно-ресурсного потенциала
области; выявление и соблюдение экологических приоритетов с целью соз-
дания условий для устойчивого, экологически безопасного социально-
экономического развития.
Компоненты природной среды - составные части экосистем, к кото-
рым относятся воздух, поверхностные и подземные воды, недра, почвы,
растительный и животный мир.
Конвергенция - схождение признаков в ходе эволюции у неродствен-
ных групп, развивающихся в сходных условиях.
Конкуренция - соперничество, борьба за достижение лучших результа-
тов на каком-либо поприще. В биологии одно из проявлений борьбы за су-
ществование. Различают внутривидовую, межвидовую, прямую и косвен-
ную конкуренции.
Консументы - организмы, потребляющие готовые органические веще-
ства, но не доводящие разложение органических веществ до простых мине-
ральных составляющих. Совокупность их образует трофические цепи,
в которых выделяют консументы первого порядка (растительноядные)
и консументы второго, третьего и т д. порядков (хищники).
Консумент первого порядка - организм, питающийся растительной
пищей.
Консумент второго порядка - организм, питающийся животной
пищей.
Кризис экологический - стационарное, относительно постепенное
обратимое или необратимое ухудшение состояния окружающей среды (уп-
рощение ее структуры, снижение энергетического или экологического
потенциала), вызванное деятельностью человека или естественными факто-
рами (например, изменение климата).
Лабильность - функциональная подвижность, неустойчивость, измен-
чивость (от лат. 1аЫИ$ - скользящий, неустойчивый) - высокая приспосаб-
ливаемость организма к условиям среды.
Липиды (от греч. Проз - жир) - это органические соединения, полные
сложные эфиры глицерина (триглицериды) и одноосновных жирных ки-
слот.
Литотрофы - организмы, для которых источниками (донорами) элек-
тронов в энергетическом процессе являются неорганические вещества.
Литосфера (от греч. Шкоз - камень) - верхняя твердая оболочка Земли,
ограниченная сверху атмосферой и гидросферой, а снизу - астеносферой -
слоем пониженной твердости, прочности и вязкости, расположенным
в верхней мантии Земли.
Лицензия - в природопользовании документ, удостоверяющий право
его владельца на использование в фиксированный период определенного
количества природного ресурса (охотничьих животных, лекарственного
сырья, рыбы, выброс загрязняющих веществ в окружающую среду и т.п.).
Лицензия выдается специально уполномоченными на то государственными
органами за определенную плату.
Макроэволюция - это эволюция надвидовых таксонов, в результате
которой формируются более крупные систематические группы.
Мембранный потенциал - разность электрических потенциалов, суще-
ствующая у живых клеток между их цитоплазмой и внеклеточной жид-
костью.
Местообитание - определенная географическая территория, границы
которой ясно определены и которая охватывает одну или более сред оби-
тания.
Метаболизм - совокупность всех химических реакций, протекающих
в живом организме; в узком смысле - промежуточный обмен, охватываю-
щий всю совокупность реакций, протекающих в клетках и обеспечивающих
как расщепление сложных соединений, так и их синтез и взаимопревраще-
ние. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму
веществ и обеспечении его энергией. В нем выделяют две взаимосвязанные
части - анаболизм и катаболизм.
Мейоз - тип клеточного деления, характерный для созревающих поло-
вых клеток и сопровождающийся уменьшением числа хромосом в 2 раза.
Мезодерма - промежуточный зародышевый слой (листок) у много-
клеточных животных.
Миграция элементов - перенос и перераспределение химических эле-
ментов в земной коре и на поверхности Земли. Лежит в основе непрерывно
протекающего процесса круговорота веществ на Земле.
Мигрирующий вид - полная популяция или любая географически изо-
лированная часть популяции каких-либо видов или более низких таксонов
диких животных, чьи особи в заметных пропорциях периодически и пред-
сказуемо пересекают одну или более национальные юридические границы.
Микроконсументы, или сапротрофы - гетеротрофные организмы,
в основном бактерии и грибы, получающие энергию путем разложения
мертвых тканей или поглощения растворенного органического вещества.
Микроэволюция - это эволюционные процессы на уровне популяций,
приводящие к образованию новых видов.
Митоз - тип клеточного деления, в результате которого дочерние клет-
ки получают генетический материал, идентичный тому, который содержал-
ся в материнской клетке.
Мониторинг воздействия на окружающую среду - это многоцелевая
информационная система, в задачи которой входит наблюдение, оценка,
прогноз источников воздействия на окружающую среду и отходов. В задачи
этой системы также входит нормирование источников воздействия на ок-
ружающую среду и отходов.
Мутабельность - склонность к мутации, спонтанным изменениям гене-
тического материала, приводящим к трансформации тех или иных призна-
ков организма.
Мутагенные факторы (мутагены) - факторы, вызывающие изменения
в нуклеотидной последовательности генов, структуре и количестве хро-
мосом.
Мутации - случайные ненаправленные изменения ДНК организмов,
приводящие к изменениям их генотипа.
Надежность - уровень регулирования и соотношение элементов про-
цесса, обеспечивающие его оптимальный ход с резервными возможностя-
ми, взаимозаменяемостью звеньев, быстрым возвратом к исходному со-
стоянию, достаточной лабильностью или пластичностью, гарантирующей
быстрое приспособление к изменяющимся условиям внешней и внутренней
среды.
Наследственность - способность организмов передавать из поколения
в поколение свои признаки (особенности строения, функции, развития).
Нуклеиновые кислоты (НК) - полинуклеотиды, важнейшие биологи-
чески активные биополимеры, имеющие универсальное распространение
в живой природе.
Окружающая среда - совокупность экологических компонентов (зем-
ля, ее недра, поверхностные и подземные воды, атмосферный воздух, леса
и иная растительность, животный мир, микроорганизмы, генетический
фонд), а также совокупность естественных (природных) абиотических (кос-
ных) и биотических факторов, природных ландшафтов и пространства,
непосредственно оказывающих влияние на людей и их хозяйство и обеспе-
чивающие естественные условия жизнедеятельности человека и существо-
вания живых организмов. Более широкое понятие включает социальную
и техногенную (дома, предприятия, дороги и т.п.) среды.
Онтогенез - индивидуальное развитие организма от оплодотворения
(при половом размножении) или от момента отделения от материнской осо-
би (при бесполом размножении) до смерти.
Оплодотворение - процесс слияния гамет и образования зиготы при
половом размножении.
Орган - часть тела, имеющая определенную форму, строение, место
в организме и специализирующаяся на выполнении одной или нескольких
функций.
Организм - замкнутая по структуре иерархически организованная не-
равновесная самоорганизующаяся открытая система, элемент всех экологи-
ческих систем.
Органотрофы - организмы, для которых донорами электронов служат
органические соединения.
Охрана природы - общее обозначение системы мероприятий (техно-
логических, экономических, административно-правовых и др.), обеспе-
чивающих возможность сохранения природой ресурсовоспроизводящих
и средовоспроизводящих функций, разнообразия, а также сохранение нево-
зобновимых ресурсов. Важными принципами этой системы являются: про-
филактичность, комплексность, повсеместность, территориальная диффе-
ренцированность, научная обоснованность.
Паразитизм - форма отношений между двумя организмами разных
видов, из которых один (паразит) живет на другом (хозяине) или внутри
него и питается за его счет.
Параметры состояния экосистемы - наиболее общие (интегральные)
информативные показатели функционирования экосистемы, позволяющие
оценить ее состояние.
Параметры экосистемы - величины, показатели, отражающие фунда-
ментальные свойства экосистемы, биологическую продуктивность, интен-
сивность круговорота, разнообразие и т.п.
Пионерное сообщество - сообщество, формирующееся в месте, ранее
по каким-либо причинам лишенном жизни. Пионерное сообщество пред-
ставлено пионерными видами.
Пирамида экологическая - графическое отображение трофической
структуры. Основанием служит первый трофический уровень (уровень про-
дуцентов). Пирамида экологическая может быть трех типов: 1) пирамида
чисел - отражает численность отдельных организмов на каждом уровне;
2) пирамида биомассы - отражает общую сухую массу, энергосодержание
или другие меры общего количества живого вещества; 3) пирамида энер-
гии - отражает величину потока энергии. Основание в пирамидах чисел
и биомассы может быть меньше, чем последующие уровни (в зависимости
от соотношения размеров продуцентов и консументов); пирамида энергии
всегда суживается кверху.
Питательная среда - жидкая или твердая смесь веществ определенного
состава, предназначенная для выращивания микроорганизмов в лаборатор-
ных и промышленных условиях.
Пищевая (трофическая) цепь - последовательность организмов, в ко-
торой все участники связаны между собой пищевыми (трофическими) свя-
зями.
Половые хромосомы - хромосомы, определяющие пол организма.
Популяция - совокупность свободно скрещивающихся особей одного
вида, которая длительно существует в определенной части ареала относи-
тельно обособленно от других совокупностей того же вида.
Постэмбриональный период - рост и развитие организма в послезаро-
дышевый период, он начинается с момента рождения (при внутриутробном
развитии зародыша) или с момента выхода организма из яйцевых оболочек
и продолжается вплоть до смерти живого организма.
Пределы толерантности - диапазон между экологическим минимумом
и экологическим максимумом значений параметров существования орга-
низма.
Природопользователи - предприятия, учреждения, организации, ино-
странные юридические и физические лица, осуществляющие любые виды
деятельности на территории, связанной с природопользованием.
Природопользование - хозяйственная или иная деятельность, в про-
цессе которой осуществляется использование отдельных видов природных
ресурсов и(или) оказывается воздействие на компоненты окружающей
природной среды.
Продуктивность - скорость производства биомассы в единицу време-
ни, которую рассчитывают в единицах энергии или накопления органиче-
ских веществ.
Продуценты - организмы, производящие органические соединения,
используемые ими как источник энергии и питательных веществ из неорга-
нических веществ (углекислого газа и воды) посредством фотосинтеза
и хемосинтеза.
Прокариоты (лат. Ргосагуокр от др.-греч. про - перед и каръох -
ядро) - надцарство доядерных организмов, не имеющих оформленного ядра
и сложно устроенных мембранных органоидов.
Протисты (др.-греч. тгрсоткло^ - самый первый, первейший) - парафи-
летическая группа, к которой относят все эукариотические организмы, не
входящие в состав животных, растений и грибов.
Размножение - воспроизведение живыми существами себе подобных.
Ресурсы биологические - живые организмы и создаваемая ими био-
логическая продукция (рыба, лес и т.д.), представляющая интерес для
общества.
Регулирование воздействия на окружающую среду - изменение ха-
рактеристик источников воздействия на окружающую среду и отходов
в заданном направлении с использованием совокупности организационных,
технологических, технических, юридических и экономических методов
и средств.
Резистентность - устойчивость живой системы, ее сопротивляемость
воздействию внешних факторов.
Рудимент (от лат. гисИтеп1ит - зачаток, первооснова) - недоразвитый
орган, бывший полноценным у предковых форм организма, но утративший
свое основное значение в процессе эволюционного развития.
Самоочищающая способность экосистемы - естественная способ-
ность экосистем нейтрализовывать загрязняющие (токсические) вещества,
разрушая или связывая их.
Синергизм - взаимное усиление действия нескольких факторов, обу-
словленное положительной обратной связью.
Синтетическая теория эволюции - современная эволюционная теория,
созданная на основе синтеза достижений генетики, дарвинизма, системати-
ки, молекулярной биологии, палеонтологии и других наук.
Систематика (в переводе с греч. - располагать вместе) - раздел био-
логии, занимающийся описанием, обозначением и классификацией сущест-
вующих и вымерших организмов по таксонам.
Среда обитания - та часть природы, которая окружает живой организм
и с которой он непосредственно взаимодействует. Земной биотой освоены
3 основные среды обитания: водная, наземно-воздушная и почвенная вместе
с горными породами приповерхностной части литосферы. Биологи еще час-
то выделяют четвертую среду жизни - сами живые организмы, заселенные
паразитами и симбионтами.
Стабилизирующий отбор - отбор, направленный на сохранение уста-
новившегося в популяции среднего значения признака.
Стенобионтные (греч. Мепоз - узкий, тесный) организмы - организмы,
способные существовать лишь при небольших отклонениях от оптимально-
го значения фактора.
Сукцессионный ряд - цепь биоценозов, сменяющих друг друга в ходе
экологической сукцессии.
Таксон - искусственно выделенная человеком группа организмов, свя-
занных той или иной степенью родства.
Таксономия (в переводе с греч. - приводить в порядок) - раздел систе-
матики, разрабатывающий теоретические основы классификации.
Углеводы или сахариды - органические соединения с общей форму-
лой Сп(Н2О)т.
Условия существования - совокупность экологических факторов,
обеспечивающих рост, развитие и воспроизводство организмов.
Устойчивость природных систем к антропогенному воздействию -
способность природных систем сохранять свою структуру и функциональ-
ные свойства при антропогенном воздействии.
Фенотип - совокупность всех признаков и свойств организма.
Фотосинтез - процесс образования органических (и неорганических)
молекул из неорганических за счет использования энергии солнечного
света.
Фотопериодизм - реакция организма на длину дня (светлого времени
суток). При этом длина светового дня выступает и как условие роста и раз-
вития, и как фактор-сигнал для наступления каких-то фаз развития или
поведения организмов.
Хромосома - структурное образование клеточного ядра, содержащее
гены.
Цитология - наука о клетках, изучающая их строение и функции.
Эволюционное учение, или теория эволюции, - наука, изучающая ис-
торическое развитие жизни: причины, закономерности и механизмы.
Эволюционные факторы (элементарные факторы эволюции) - это
факторы, изменяющие частоту аллелей и генотипов в популяции (генетиче-
скую структуру популяции).
Эволюция биологическая - историческое развитие живых организмов.
Различают макро- и микроэволюцию.
Эврибионтные (греч. еигу$ - широкий) организмы - организмы,
выдерживающие большую амплитуду колебаний экологического фактора.
Экологическая задача (задача природоохранной деятельности) -
детальное требование в отношении природоохранных показателей деятель-
ности организации в целом или ее подразделений, которое следует из уста-
новленной экологической цели деятельности организации и подлежит
выполнению в порядке достижения этой цели.
Экологическая изоляция - изоляция, обусловленная предпочтением
конкретного местообитания.
Экологическая ниша - специфическое сочетание экологических фак-
торов, которое определяет особое пространственное и функциональное по-
ложение представителей биологического вида в составе биоценоза.
Экологическая пластичность - способность организмов адаптировать-
ся к существованию в том или ином диапазоне значений экологического
фактора.
Экологическая система (экосистема) - совокупность популяций раз-
личных видов растений, животных и микробов, взаимодействующих между
собой и окружающей их средой и образующих экологическую единицу.
Экологическая сукцессия - развитие биогеоценоза, при котором
в пределах одной и той же территории (биотопа) происходит последова-
тельная смена одного биоценоза другим в направлении повышения устой-
чивости экосистемы.
Экологический фактор - любой компонент окружающей среды, спо-
собный прямо или косвенно воздействовать на живой организм хотя бы на
одной из стадий его развития.
Экологическое равновесие - состояние экологической системы или
биотического сообщества, характеризующееся устойчивостью способно-
стью к саморегуляции, сопротивляемостью нарушениям, восстановлением
первоначального состояния, существовавшего до нарушения ее равновесия.
Экологическая цель - общее экологически значимое направление дея-
тельности организации, установленное экологической политикой этой орга-
низации, степень достижения цели оценивается (количественно) в тех слу-
чаях, когда это практически возможно.
Экологическая опасность - вероятность разрушения среды обитания
человека, связанных с ним растений и животных, в результате неконтроли-
руемого развития экономики, отставания технологии, естественных и ан-
тропогенных аварий и катастроф, вследствие чего нарушается приспособ-
ляемость живых систем к условиям существования.
Экстремальные факторы окружающей среды - крайние, весьма
жесткие условия среды, неадекватные врожденным и приобретенным свой-
ствам организма.
Эктодерма - наружный зародышевый слой (листок) у многоклеточных
животных.
Эмбриогенез - процесс преобразования зиготы в многоклеточный орга-
низм зародыша, который завершается его выходом из яйцевых (зародыше-
вых) оболочек (при личиночном и неличиночном типах развития) либо ро-
ждением (при внутриутробном).
Энтодерма - внутренний зародышевый слой (листок) у многоклеточных
животных.
Этологическая изоляция - осложнения спаривания, обусловленные
особенностями поведения особей.
Эукариоты (лат. ЕикагуоШ от греч. 8ь— хорошо и кар о оу - ядро) -
надцарство живых организмов, клетки которых содержат ядра и обладают
одно- и двухмембранными органоидами.
Рекомендуемая литература
Основная
1. Алфимов Н.Н. Основные понятия биологии и экологии [Электрон-
ный ресурс]: учеб.-метод, пособие / Н.Н. Алфимов, А.Е. Левенков; под ред.
В.В. Белоусова; С.-Петерб. гос. акад. физ. культуры им. П.Ф. Лесгафта.
СПб.: [б. и.], 2009.
2. Къергаард А.В., Симакина О.Е. Естественно-научные основы (ЕНО)
физической культуры и спорта (учебное пособие). Национальный госу-
дарственный университет физической культуры, спорта и здоровья
им. П.Ф. Лесгафта. СПб.: [б.и.], 2012.
3. Мамонтов С.Г. Биология: учебник для студентов высш. учеб, за-
ведений / С.Г. Мамонтов, В.Б. Захаров, Т.А. Козлов; под ред. С.Г. Мамонто-
ва. М.: Академия, 2006.
4. Пехов А.П. Биология с основами экологии: учебник для студ. вузов /
А.П. Пехов. СПб.: Лань, 2007.
Дополнительная
1. Алфимов Н.Н. Гигиена массовой физической культуры [Текст]: лек-
ция / Н.Н. Алфимов. Л.: [б. и.], 1984.
2. Алфимов Н.Н. Экологические аспекты современной спортивной дея-
тельности человека / Н.Н. Алфимов, В.В. Белоусов // Научные основы спор-
тивной гигиены / Сб. научных трудов под ред. проф. Н.Н. Алфимова. Л.:
ДОИФК им. П.Ф. Лесгафта, 1980.
3. Одум Ю. Экология. В 2-х томах. М.: Мир, 1986.
4. Реймерс Н.Ф. Экология. Теории, законы, правила, принципы и гипо-
тезы. М.: Россия молодая, 1994.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ..................................................... 3
РАЗДЕЛ I. МАТЕМАТИКА
Список условных обозначений .................................. 6
Глава 1. Введение в математику................................ 8
1.1. Числовые множества.................................. 8
1.2. Абсолютная и относительная погрешности ............. 9
1.3. Системы координат на прямой и плоскости............. 9
1.4. Уравнение прямой на плоскости...................... 10
1.5. Кривые на плоскости................................ 11
Контрольные вопросы ......................................... 12
Глава 2. Линейная алгебра ................................... 13
2.1. Векторная алгебра.................................. 13
2.2. Линейные алгебраические системы. Метод Крамера..... 16
Контрольные вопросы ......................................... 18
Глава 3. Введение в математический анализ ................... 19
3.1. Определение функции................................ 19
3.2. Свойства функций................................... 20
3.3. Вектор-функция .................................... 20
3.4. Элементарные функции............................... 20
3.5. Некоторые неэлементарные функции .................. 23
3.6. Предел и непрерывность функции..................... 24
Контрольные вопросы ......................................... 25
Глава 4. Дифференциальное исчисление ........................ 26
4.1. Определение производной. Ее геометрический смысл .. 26
4.2. Таблица производных и правила дифференцирования ... 28
4.3. Частные производные ............................... 29
4.4. Производная вектор-функции......................... 30
4.5. Исследование функций с помощью производных ........ 30
Контрольные вопросы ......................................... 33
Глава 5. Интегральное исчисление ............................ 34
5.1. Определение первообразной и неопределенного интеграла. 34
5.2. Определение определенного интеграла и его свойства. 35
5.3. Приложения определенного интеграла ................. 37
5.4. Интегрирование вектор-функции одного аргумента...... 38
5.5. Криволинейные интегралы............................. 38
5.6. Определение двойного и тройного интегралов.......... 41
Контрольные вопросы .......................................... 44
Глава 6. Обыкновенные дифференциальные уравнения ............. 45
6.1. Основные определения................................ 45
6.2. Общее и частное решения дифференциального уравнения.
Задача Коши ............................................ 46
6.3. Интегрирование линейных дифференциальных уравнений
2-го порядка с постоянными коэффициентами............... 46
Контрольные вопросы .......................................... 49
Глоссарий .................................................... 49
Рекомендуемая литература...................................... 50
РАЗДЕЛ II. ФИЗИКА
Глава 1. Предмет и метод физики. Измерения.
Физические величины ......................................... 52
1.1. Физика - основа естествознания...................... 52
1.2. Понятие о научном методе ........................... 54
1.3. Понятие физической величины......................... 57
Контрольные вопросы .......................................... 59
Глава 2. Основные положения классической механики............. 60
2.1. Что изучает механика................................ 60
2.2. Анализ основных положений классической механики .... 61
2.3. Используемые в механике модели тел ................. 64
2.4. Виды механического движения ........................ 66
Контрольные вопросы .......................................... 67
Глава 3. Кинематика поступательного движения.................. 68
3.1. Скорость и ускорение материальной точки............. 68
3.2. Ускорение при движении по криволинейной траектории . 71
3.3. Прямая и обратная задачи кинематики ................ 72
Контрольные вопросы .......................................... 73
Глава 4. Физические поля...................................... 74
4.1. Понятие физического поля ........................... 74
4.2. Напряженность поля .............................. 75
4.3. Принцип суперпозиции ............................... 76
4.4. Сила................................................... 77
4.5. Вычисление сил между телами конечных размеров ......... 78
4.6. Выражения для моделей тел ............................. 78
4.7. Эмпирические выражения для сил......................... 79
4.7.1. Сила тяжести..................................... 79
4.7.2. Контактные силы ................................. 80
4.7.3. Сила упругости................................... 81
4.7.4. Сила вязкого трения ............................. 82
Контрольные вопросы ............................................. 83
Глава 5. Динамика поступательного движения ...................... 84
5.1. Первый закон Ньютона .................................. 84
5.2. Второй закон Ньютона .................................. 85
5.3. Третий закон Ньютона .................................. 87
5.4. Закон сохранения импульса.............................. 88
5.5. Центр масс ............................................ 89
5.6. Работа силы ........................................... 90
5.6.1. Работа постоянной силы .......................... 90
5.6.2. Работа переменной силы........................... 90
5.7. Энергия ............................................... 91
5.7.1. Кинетическая энергия............................. 91
5.7.2. Консервативные силы.............................. 92
5.7.3. Потенциальная энергия ........................... 93
5.7.4. Вычисление сил .................................. 93
5.7.5. Закон сохранения механической энергии............ 94
5.7.6. Закон сохранения полной энергии ................. 94
Контрольные вопросы ............................................. 95
Глава 6. Кинематика и динамика вращательного движения ........... 97
6.1. Кинематика вращательного движения ..................... 97
6.2. Связь с характеристиками поступательного движения .... 100
6.3. Динамика вращательного движения .......................100
6.3.1. Момент силы..................................... 101
6.3.2. Основной закон динамики вращательного движения . 102
6.3.3. Момент импульса ................................ 104
6.4. Работа и энергия при вращательном движении ........... 106
6.5. Трение качения ....................................... 106
Контрольные вопросы .............................................107
Глава 7. Статика.................................................109
7.1. Условия равновесия тел ................................109
7.2. Деформация тел ........................................111
Контрольные вопросы .............................................112
Глава 8. Колебания...............................................114
8.1. Гармонические колебания ...............................114
8.1.1. Уравнение гармонических колебаний............... 116
8.1.2. Энергия гармонического осциллятора ............. 118
8.1.3. Фазовые траектории ............................. 119
8.2. Затухающие колебания...................................120
8.3. Вынужденные колебания .................................122
8.3.1. Энергетические соотношения ..................... 125
Контрольные вопросы .............................................126
Глава 9. Кинетический и термодинамический подход
к описанию сред .................................................127
9.1. Основы термодинамики ..................................127
9.1.1. Гипотеза сплошной среды......................... 128
9.1.2. Термодинамическая система ...................... 128
9.1.3. Термодинамические переменные и функции.......... 129
9.1.4. Термодинамическое равновесие ................... 129
9.2. Законы термодинамики ..................................129
9.2.1. Нулевое начало термодинамики ................... 130
9.2.2. Термодинамическая работа, связанная с изменением объема .... 130
9.2.3. Первое начало термодинамики .................... 130
9.2.4. Второе начало термодинамики .................... 132
9.2.5. Третье начало термодинамики..................... 132
9.2.6. Уравнение состояния............................. 133
9.3. Неравновесные системы..................................133
9.4. Термодинамика идеального газа..........................133
9.5. Кинетическая теория....................................135
9.5.1. Модель идеального газа ......................... 135
9.5.2. Закон идеального газа .......................... 136
9.6. Распределение молекул по скоростям в газе .............138
9.7. Закон равнораспределения энергии ......................140
Контрольные вопросы .............................................142
Глава 10. Электричество..........................................143
10.1. Начала электростатики.................................143
10.2. Поток напряженности поля ............................ 145
10.2.1. Теорема Гаусса ............................... 146
10.2.2. Электрическая индукция........................ 147
10.3. Электрический потенциал ..............................148
10.4. Конденсатор ..........................................148
10.4.1. Накопление энергии............................ 149
10.4.2. Диэлектрики .................................. 149
10.5. Законы электрического тока.............................150
10.5.1. Закон Ома...................................... 150
10.5.2. Правила Кирхгофа............................... 151
Контрольные вопросы ..............................................152
Глоссарий ........................................................153
Рекомендуемая литература..........................................163
РАЗДЕЛ III. ХИМИЯ
Глава 1. Базовые представления о строении вещества................166
1.1. Строение атома .........................................166
1.2. Периодический закон Д.И. Менделеева.
Периодическая система химических элементов ..............176
1.3. Химические связи в молекуле ........................... 181
Контрольные вопросы ..............................................188
Глава 2. Дисперсные системы.......................................189
2.1. Истинные растворы. Вода, ее особые свойства ............189
2.2. Растворение. Характеристика растворов ................. 190
2.3. Буферные растворы. Буферное действие................... 198
2.4. Коллоидные системы .....................................201
Контрольные вопросы ..............................................207
Глава 3. Основные положения химической кинетики.
Катализ ..........................................................208
3.1. Основные понятия и определения..........................208
3.2. Скорость химической реакции.............................209
3.3. Факторы, влияющие на скорость химической реакции........210
3.4. Элементы формальной кинетики: кинетический порядок
и молекулярность реакции.................................213
3.5. Химическое равновесие...................................215
3.6. Принцип Ле-Шателье .....................................216
3.7. Катализ ................................................217
Контрольные вопросы ..............................................224
Глава 4. Основы органической химии ...............................225
4.1. Органическая химия - область химической науки,
изучающая соединения углерода ...........................225
4.2. Теория строения органических соединений А.М. Бутлерова .227
4.3. Ациклические насыщенные углеводороды ...................229
4.4. Номенклатура органических соединений (базовые понятия) .235
4.5. Полимеризация. Высокомолекулярные соединения ...........237
4.6. Алкены .................................................240
4.7. Алкины..................................................244
4.8. Кислородсодержащие соединения.
Общие сведения о кислородсодержащих соединениях..........246
4.9. Амины ..................................................258
4.10. Гетерофункциональные соединения ........................261
4.11. Ароматические соединения. Бензол и его производные .....262
4.12. Гетероциклические соединения............................268
Контрольные вопросы ..............................................269
Глоссарий.........................................................270
Рекомендуемая литература..........................................277
РАЗДЕЛ IV. БИОЛОГИЯ С ОСНОВАМИ ЭКОЛОГИИ
Список условных обозначений ......................................279
Подраздел I. БИОЛОГИЯ
Глава 1. Введение в дисциплину.
Эволюция - история жизни ...........................280
1.1. Биология как наука .................................280
1.2. Определение жизни и основные свойства живой материи.281
1.3. Уровни организации живой материи .......................285
1.4. Теории происхождения жизни..............................287
1.5. Элементарные факторы, пути и результаты эволюции .......291
1.6. Геохронологическая шкала. Происхождение человека........296
Контрольные вопросы ..............................................298
Глава 2. Клетка - структурная и функциональная единица
живого .....................................................299
2.1. Основы цитологии. Клеточная теория .....................299
2.2. Классификация форм жизни на основе их клеточного строения ... 300
2.3. Строение эукариотической клетки.........................303
2.4. Клеточный метаболизм ...................................312
2.5. Клеточный цикл. Способы деления клеток.
Половое и бесполое размножение.........................316
Контрольные вопросы ..............................................321
Глава 3. Генетика: основные понятия и законы .....................322
3.1. Генетика как наука......................................322
3.2. Основные понятия и законы генетики .....................324
3.3. Материальные основы наследственности ...............326
3.4. Генетический код....................................335
3.5. Применение генетических знаний .....................338
Контрольные вопросы ..........................................340
Глава 4. Организм как единое целое............................341
4.1. Онтогенез ..........................................341
4.2. Гистогенез и органогенез ...........................343
4.3. Механизмы поддержания гомеостаза в организме .......347
4.4. Адаптационные возможности организма ................349
Контрольные вопросы ..........................................351
Подраздел II. ЭКОЛОГИЯ
Глава 1. Введение в экологию.
Основные понятия экологии ....................................352
1.1. Экология как наука .................................352
1.2. Биосфера и ее границы...............................354
1.3. Биогеохимические циклы .............................356
1.4. Экология спорта.....................................360
Контрольные вопросы ..........................................363
Глава 2. Экология экосистем...................................364
2.1. Структура экосистемы ...............................364
2.2. Экологические пирамиды..............................367
2.3. Продуктивность экосистем............................369
2.4. Закономерности трофического оборота ................370
2.5. Экологические факторы ..............................371
2.6. Закономерности действия экологических факторов .....377
Контрольные вопросы ..........................................384
Глава 3. Популяционная экология. Понятие о сообществах....385
3.1. Экология популяций .................................385
3.2. Понятие о сообществах ..............................390
3.3. Экологические сукцессии.............................393
Контрольные вопросы ..........................................397
глава 4. Глобальные экологические проблемы, рациональное
природопользование и охрана природы ...............398
4.1. Глобальные экологические проблемы.
Антропогенный стресс ....................................398
4.2. Классификация антропогенных воздействий на биосферу.399
4.3. Охрана природы и рациональное природопользование ..413
4.4. Система управления и контроля в области охраны окружающей
среды ..................................................418
4.5. Международное сотрудничество в области экологии....423
4.6. Правовые и экономические вопросы экологической
безопасности............................................427
Контрольные вопросы .........................................430
Глоссарий....................................................431
Рекомендуемая литература.....................................446
Учебное издание
ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ
ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ И СПОРТА
Учебник
Художник и компьютерная графика: А.Г. Никоноров
Корректор Л. В. Гаврилова
Компьютерная верстка О.А. Котелкиной
Подписано в печать 16.12.2013. Формат бОхОО1/^.
Бумага офсетная. Печать офсетная.
Усл.-печ. л. 29,0. Уч.-изд. л. 24,5. Тираж 1000 экз.
Изд. № 1802. Заказ № 4444.
ОАО «Издательство “Советский спорт”».
105064, г. Москва, ул. Казакова, 18.
Тел./факс: (499) 267-94-35, 267-95-90
Сайт: луут.зоузрогйгйаЬги
Е-шай: Ьоок@8ОУ8рогЙ7с1а1.ги
Отпечатано с электронной версии заказчика
в ОАО «Первая Образцовая типография»
Филиал «Чеховский Печатный Двор»
142300, Московская область, г. Чехов, ул. Полиграфистов, д. 1
ДЛЯ ЗАМЕТОК
ДЛЯ ЗАМЕТОК
ДЛЯ ЗАМЕТОК
ДЛЯ ЗАМЕТОК
ДЛЯ ЗАМЕТОК
ДЛЯ ЗАМЕТОК
ДЛЯ ЗАМЕТОК
ДЛЯ ЗАМЕТОК