авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 18 |

«Москва James Trefil The naTure of science Houghton Mifflin Company 2003 Джеймс Трефил 200 законов мироздания ...»

-- [ Страница 3 ] --

Особый случай представляет собой Плутон, — последняя из открытых «настоящих» планет солнечной системы. По размеру он сопоставим с планетами земной группы и представляет собой, по сути, огромную глыбу льда летучих элементов. Долгое время ученые считали Плутон не то курьезным недоразумением, не то захваченным солнечной системой инородным телом. Однако открытие в 1990-х годах так называемого «пояса Койпера», подоб ного поясу астероидов, — еще одного пояса малых планет, многие из которых движутся по очень вытянутым, «неправильным»

орбитам, — заставило астрофизиков пересмотреть свои взгляды.

расположенный за орбитой Нептуна пояс Койпера — основной «поставщик» комет, залетающих в окрестности солнца. согласно современным взглядам, Плутон скорее всего представляет собой все-таки самое крупное небесное тело пояса Койпера — зародыш так и не сформировавшейся крупной планеты, вращающийся среди миллионов более мелких «отбросов» солнечной системы.

Такая картина формирования планетной системы хорошо объ ясняет многие наблюдаемые характеристики солнечной системы:

небольшие размеры, тяжелый элементный состав и конденсиро ванное состояние внутренних планет;

большие размеры, легкий элементный состав и жидкостно-газообразное состояние внешних планет;

единое направление движения планет по орбитам вокруг солнца. В 1995 году астрономами были получены первые дока зательства существования планетных систем у других звезд и выяснены некоторые их характеристики (это удалось сделать по замерам циклических отклонений звезд от их среднестатистичес Г и П О Т е З А ГА З О П ы л е В О Г О О Б л А К А кого положения в пространстве, вызванных силой гравитацион ного притяжения обращающихся вокруг них планет). Благодаря этому сегодня мы точно знаем о том, что за пределами солнечной системы планет существует гораздо больше, чем внутри нее: на момент написания этой статьи открыто 83 планеты в 71 звездной системе (теперь, когда вы читаете эти строки, число открытых планет еще возросло). Однако лишь одна из открытых планетных систем похожа на нашу солнечную систему. Во всех остальных, судя по всему, планеты движутся вокруг своей звезды по сильно вытянутым эллиптическим траекториям, в то время как в нашей солнечной системе орбиты всех планет, за исключением Плутона, приближаются к круговым. Кроме того, в большинстве этих систем все планеты обращаются вокруг звезд на расстояниях, не превы шающих радиус орбиты меркурия. У некоторых планет период обращения вокруг их солнца и вовсе составляет всего несколько земных суток.

Кроме планетных систем астрономам на сегодняшний день удалось открыть целый ряд околозвездных дисков — сплющенных газопылевых облаков вокруг молодых звезд. А это служит хорошим подтверждением гипотезы образования планетных систем из газо пылевых облаков, пусть даже планетных систем, подобных нашей, открыты лишь считанные единицы.

Пьер симон лАПлАс (Pierre Simon исключен из Академии «за недостаток Marquis de Laplace, 1749–1827) — республиканской добродетели и нена французский математик, физик и аст- висти к королям» и в 1793 году бежал роном. Родился в семье фермера в с семьей из Парижа и, находясь, местечке Бомон-ан-Ож (Beaumont-en- фактически, на нелегальном поло Auge). Благодаря рано проявленным жении, написал научно-популярную способностям и благоволению книгу «изложение системы мира», где крупного поместного дворянина, у и сформулировал свою гипотезу про которого отец будущего ученого арен- исхождения Солнечной системы. По довал землю, окончил местную школу завершении периода якобинского тер Ордена монахов-бенедиктинцев, рора, вернувшись в Париж, опубли после чего получил возможность про- ковал монументальный многотомный должить образование в университете труд «трактат о небесной механике»

г. кан (Caen). В дальнейшем ученый (Trait de mchanique cleste, 1796),  внес огромный вклад в развитие заложивший основы нового раздела математической физики в рамках физической науки, который с тех пор классической механики Ньютона, так и именуется «небесной меха применил З А к О Н В С е М и Р Н О Г О т я Г О - никой». При Наполеоне занимал т е Н и я Н ь ю т О Н А к теории строения видные государственные посты, Солнечной системы. Вскоре после вплоть до поста министра внутренних Великой французской революции был дел.

Г и П О Т е З А ГА З О П ы л е В О Г О О Б л А К А Науки о Земле Гипотеза Геи Гея — греческая богиня, которая вывела мир из хаоса. Гипотезу Геи выдвинул английский ученый Джеймс лавлок, работавший в НАсА в начале 1960-х годов, в период, когда только начинались Земля представляет поиски жизни в солнечной системе. исходя из того факта, что собой единый живой земная атмосфера значительно отличается от атмосфер безжиз организм ненных планет, лавлок утверждал, что наша планета и ее био сфера представляют собой некий живой организм. Он говорил:

«Земля — больше, чем просто дом, это живой организм, и мы •   1783  кРУГОВОРОт являемся его частью».

УГлеРОдА В ПРиРОде Как относиться к этой гипотезе, непонятно. Ведь в ней нет • кон. XVIII  цикл четко определенных выводов, которые можно было бы проверить ПРеОБРАЗОВАНия экспериментально, а такая проверка требуется любой научной ГОРНОй ПОРОды теории. Некоторые (в том числе и автор этих строк) считают, что •   1886  кРУГОВОРОт АЗОтА   эту гипотезу лучше рассматривать как литературную метафору — В ПРиРОде возможно, полезную при рассуждении о планетах, но недоста точно точную. Но у нее есть и свои приверженцы среди серьезных • кон. XIX кРУГОВОРОт ВОды   В ПРиРОде ученых (например, американский биолог линн маргулис).

сторонники гипотезы отмечают, что она предполагает наличие •   1910-е  циклы механизма обратной связи со стороны живых организмов, благо МилАНкОВичА даря чему планета остается пригодной для жизни. Приводится • такой пример: повышение содержания углекислого газа в атмос   1960-е  тектОНикА Плит фере приводит к усилению роста растений, что в свою очередь сни • ГиПОтеЗА Геи   жает уровень углекислого газа. Однако эти механизмы обратной связи хорошо известны и для их объяснения не требуется гипотеза Геи.

Значение же гипотезы состоит в том, что она способствовала развитию системного подхода к изучению Земли, при котором пла нета рассматривается как единое целое, а не как набор отдельных частей. Действительно, развитие наук о Земле в последние десяти летия ХХ века стимулировалось пониманием того, что различные части планеты — например, горные породы или океаны — нельзя исследовать в отрыве друг от друга. именно поэтому соответс твующие факультеты в американских университетах стали чаще называться факультетами науки о земных системах, а не геологи ческими, как раньше. Во многом эта перемена была вызвана про грессом в развитии вычислительной техники, но и гипотеза Геи также внесла свой вклад.

дЖейМс ЭФрАиМ лАвлОК (James любых ограничений, связанных с вли Ephraim Lovelock, р. 1919) — англий- янием международных компаний на ский ученый, родился в лондоне. направление научных исследований.

После окончания учебы работал два года спустя обнаружил присутс в Национальном институте меди- твие в атмосфере хлорфторуглеродов цинских исследований. Затем, (хФУ) (см. П А Р Н и к О В ы й э Ф Ф е к т ).

недолгое время проработав в НАСА, лавлок стал широко известен благо в 1964 году лавлок объявил себя даря гипотезе, впервые выдвинутой независимым ученым, свободным от им в книге «Гея» (1979).

ГиПОТеЗА Геи Астрономия Гипотеза среди всех внутренних планет солнечной системы Земля единс твенная имеет крупный спутник. Происхождение луны — одна гигантского из древнейших загадок астрономии, однако многие планетологи столкно- сегодня считают ее наконец-то решенной. сначала вопрос стоял следующим образом: почему средняя плотность лунного вещества вения в 1,5 с лишним раза ниже средней плотности земного при практи чески одинаковом химическом составе того и другого (3,6 против Возможно, Луна 5,5 ед. плотности воды)? После того как был получен ответ, образовалась согласно которому причина такого несоответствия заключается в результате в отсутствии у луны в отличие от Земли плотного раскаленного столкновения Земли железного ядра, вопрос встал по-другому: почему столь схожие по с небесным телом, составу небесные тела — Земля и луна — имеют столь различную масса которого внутреннюю структуру?

превышала массу согласно Г и П О Т е З е ГА З О П ы л е В О Г О О Б л А К А, планетные Марса тела образуются из околозвездного вещества, распределенного в плоскости околосолнечной дисковой туманности, и, как следствие, должны обладать приблизительно одним и тем же химическим •   1755  ГиПОтеЗА составом. Первоначальные теории происхождения луны можно ГАЗОПылеВОГО условно подразделить на две категории: теории захвата и при ОБлАкА ливные теории.

•   1900  РАдиОАктиВНый Первая и самая древняя из них подразумевала, что луна пред РАСПАд ставляет собой независимо сформировавшуюся в солнечной сис теме планету, оказавшуюся в непосредственной близости от Земли • ГиПОтеЗА и захваченную ею в качестве спутника. Однако эта теория не выдер ГиГАНтсКОГО стОлКНОвеНия живает сегодня никакой критики, поскольку динамика процесса захвата, в результате которого тело, двигавшееся по независимой • 1960-е  тектОНикА Плит гелиоцентрической орбите вокруг солнца, могло бы перейти на геоцентрическую и практически круговую орбиту вокруг Земли, противоречит всем известным физическим законам.

Конкурирующая приливная теория предполагала, что Земля в далеком прошлом вращалась вокруг своей оси значительно быс трее, чем сегодня, в результате чего на поверхности планеты воз буждались мощные Ц е Н Т р О Б е ж Н ы е с и л ы, под воздействием которых (согласно большинству приливных теорий, их действие было усугублено гравитационным воздействием пролетавшего в непосредственной близости от Земли крупного небесного тела) от нашей планеты оторвался крупный кусок, который и оказался, в конечном итоге, на стационарной орбите вокруг Земли. Выдвига лись даже гипотезы, будто Тихоокеанская впадина на поверхности Земли представляет собой «послеродовую травму», понесенную нашей планетой в результате рождения луны.

исследования химического состава лунного вещества, однако, опровергают обе вышеописанные гипотезы. с одной стороны, луна слишком близка к Земле по своему химическому составу, чтобы сформироваться вдали от нашей планеты;

с другой — недо статочно близка, чтобы быть ее осколком.

В последние десятилетия ХХ века, однако, появилась и еще одна гипотеза, завоевавшая достаточное признание в научных Г и П О Т е З А Г и ГА Н Т с К О Г О с Т О л К Н О В е Н и Я кругах. На раннем этапе формирования солнечной системы Земля и другие недавно сформировавшиеся планетные тела, будучи, по сути, еще практически целиком жидкими и состоящими из магмы современных геологических пород, подвергались интен сивной бомбардировке множеством более мелких новообразовав шихся тел размером с современные крупные астероиды. Кинети ческая энергия падающих на Землю тел была столь высока, что, преобразуясь в тепловую, она поддерживала земное вещество в расплавленном состоянии, в результате чего и происходила его дальнейшая дифференциация: тяжелые железо и никель тонули в направлении центра Земли и формировали ее ядро, а более легкие вещества, шлаки и соли всплывали, образуя мантию и прообраз горных пород будущей земной коры (см. Т е К Т О Н и К А П л и Т ).

именно на этой стадии или несколько позже, пока земная кора еще до конца не оформилась, в Землю врезалось небесное тело размером не меньше марса. В результате этого катаклизма на око лоземную орбиту оказалось буквально выплеснуто значительное количество вещества земной мантии и коры, из которых вскоре и сформировалась луна.

Эта теория, получившая название гипотезы гигантского стол кновения (а неформально — гипотезы большого выплеска), объяс няет и низкую плотность лунного вещества, и близость его хими ческого состава к химическому составу вещества земной коры и мантии, поскольку земное ядро гигантским столкновением затро нуто не было и на орбиту не попало. решающие доводы в пользу этой гипотезы поступили на Землю вместе с образцами лунного грунта, доставленными американскими астронавтами из лунных экспедиций на борту «Аполлонов». В результате анализа соот ношения различных изотопов кислорода (см. рА Д и О А К Т и В Н ы й рА с П А Д ) в них удалось установить точное совпадение возраста лунных и земных минералов.

Г и П О Т е З А Г и ГА Н Т с К О Г О с Т О л К Н О В е Н и Я Науки о жизни Гликолиз   В процессе ф О Т О с и Н Т е З А солнечная энергия запасается в Х и м и с В Я З Я Х углеводных молекул, из которых наиболее ЧесКиХ и дыхание важную роль играет шестиуглеродный сахар — глюкоза. После того как другие живые организмы используют эти молекулы в В основе пищу, запасенная энергия выделяется и используется для метабо метаболизма лизма. Это происходит во время процессов гликолиза и дыхания.

животных и Весь химический процесс можно коротко описать так:

других организмов глюкоза + кислород углекислый газ + вода + энергия лежат химические процессы извлечения Чтобы лучше понять эти процессы, представьте себе, что организм энергии, накопленной «сжигает» углеводы, чтобы получить энергию.

углеводами Термин «гликолиз» образован при соединении слова лизис, означающего «расщепление», со словом глюкоза. Как следует из названия, процесс начинается с химического извлечения энергии   1729,  • СУтОчНые РитМы  посредством расщепления молекулы глюкозы на две части, каждая сер. XX из которых содержит три атома углерода. В процессе гликолиза из каждой молекулы глюкозы получается две трехуглеродные XIX–XX  •  РАСПРОСтРА молекулы пировиноградной кислоты. Кроме того, энергия глю НеНие НеРВНых иМПУльСОВ козы запасается в молекулах (см. Б и О л О Г и Ч е с К и е м О л е К Ул ы ), которые мы называем «энергетической валютой» клетки, — двух   1937 • ГлиКОлиЗ молекулах АТф и двух молекулах НАДф. Таким образом, уже на и дЫХАНие первой стадии гликолиза энергия высвобождается в такой форме, сер. •  иММУННАя СиСтеМА  которая может быть использована клетками организма.

  1960-х Дальнейший ход событий зависит от наличия или отсутствия кис лорода в среде. При отсутствии кислорода пировиноградная кислота превращается в другие органические молекулы в ходе так называемых анаэробных процессов. Например, в клетках дрожжей пировиног радная кислота превращается в этанол. У животных, к которым отно сится и человек, при истощении запасов кислорода в мышцах пиро виноградная кислота превращается в молочную кислоту — именно она вызывает так хорошо знакомое всем нам ощущение мышечной скованности после тяжелой физической нагрузки.

При наличии же кислорода энергия выделяется в процессе аэробного дыхания, когда пировиноградная кислота расщепляется на молекулы углекислого газа и воды с одновременным высво бождением оставшейся энергии, запасенной в углеводной моле куле. Дыхание происходит в специализированной клеточной орга нелле — митохондрии. Вначале отщепляется один углеродный атом пировиноградной кислоты. При этом образуется углекислый газ, энергия (она запасается в одной молекуле НАДф) и двухуглеродная молекула — ацетильная группа. Затем реакционная цепь поступает в метаболический координационный центр клетки — цикл Кребса.

Цикл Кребса (его также называют циклом лимонной кислоты или циклом трикарбоновых кислот) является примером хорошо знакомого в биологии явления — химической реакции, которая начинается, когда определенная входящая молекула соединяется с другой молекулой, выполняющей функцию «помощника». Такая комбинация иниции рует серию других химических реакций, в которых образуются моле Гл и К Ол и З и Д ы Х А Н и е кулы-продукты и в конце воссоздается молекула-помощник, которая может начать весь процесс вновь. В цикле Кребса роль входящей молекулы играет ацетильная группа, образующаяся при расщеплении пировиноградной кислоты, а роль молекулы-помощника — четырех углеродная молекула щавелевоуксусной кислоты. Во время первой химической реакции цикла эти две молекулы соединяются с образо ванием шестиуглеродных молекул лимонной кислоты (этой кислоте цикл обязан одним из своих названий). Далее происходят восемь химических реакций, в которых сначала образуются молекулы-пере носчики энергии и углекислый газ, а затем новая молекула щавеле воуксусной кислоты. Для переработки энергии, запасенной в одной молекуле глюкозы, цикл Кребса нужно пройти дважды. Чистая при быль оказывается равной двум молекулам АТф, четырем молекулам углекислого газа и десяти другим молекулам-переносчикам энергии (о них немного позже). Углекислый газ, в конечном счете, диффунди рует из митохондрии и выделяется при выдохе.

Цикл Кребса принципиально важен для жизни не только потому, что в нем образуется энергия. Помимо глюкозы в него могут вступать многие другие молекулы, также образующие пирови ноградную кислоту. Например, когда вы соблюдаете диету, организму не хватает потребляемой вами глюкозы для под держания метаболизма, поэтому в цикл Кребса, после предварительного рас щепления, вступают липиды (жиры).

Вот почему вы теряете вес. Кроме того, молекулы могут покидать цикл Кребса, чтобы принять участие в построении новых белков, углеводов и липидов.

Таким образом, цикл Кребса может при нимать энергию, сохраненную в разной форме во многих молекулах, и создавать на выходе разнообразные молекулы.

с энергетической точки зрения чистый результат цикла Кребса состоит в том, чтобы завершить извлечение энергии, запасенной в химических связях глюкозы, передать небольшую часть этой Цикл Кребса — это пов торяющаяся последова- энергии молекулам АТф и запасти остальную энергию в других тельность биохимических молекулах-переносчиках энергии. (Говоря об энергии химических реакций, происходящих связей, не надо забывать, что для разделения соединенных атомов в процессе дыхания необходимо совершить работу.) На заключительном этапе дыхания животных, растений и многих микроорганизмов. эта оставшаяся энергия высвобождается из молекул-переносчиков Здесь изображен его и также запасается в АТф. молекулы, запасающие энергию, пере упрощенный вариант.

мещаются внутри митохондрии, пока не столкнутся со специали Числа в скобках означают зированными белками, погруженными во внутренние мембраны количество углеродных атомов в каждой органи- митохондрии. Эти белки отнимают электроны у переносчиков ческой молекуле энергии и начинают передавать их по цепи молекул — наподобие Гл и К Ол и З и Д ы Х А Н и е цепочки людей, передающих ведра с водой на пожаре, — извлекая энергию, запасенную в химических связях. извлеченная на каждом этапе энергия запасается в форме АТф. На последнем этапе элект роны соединяются с атомами кислорода, которые далее объединя ются с ионами водорода (протонами), образуя воду. В цепи переноса электронов образуется не менее 32 молекул АТф — 90% энергии, хранившейся в исходной молекуле глюкозы.

Превращение энергии в цикле Кребса включает в себя довольно сложный процесс хемиосмотического сопряжения. Этот термин ука зывает на то, что в высвобождении энергии наряду с химическими реакциями участвует осмос — медленное просачивание растворов через органические перегородки. По сути дела, электроны с пере носчиков энергии, являющихся продуктом цикла Кребса, перено сятся по транспортной цепочке и поступают на белки, погруженные в мембрану, которая разделяет внутренний и внешний компартменты (отсеки) митохондрии. Энергия электронов используется для пере мещения ионов водорода (протонов) во внешний компартмент, слу жащий «энергохранилищем» — наподобие водохранилища, обра зовавшегося перед плотиной. При оттоке протонов через мембрану энергия используется для образования АТф, подобно тому как вода перед плотиной используется для производства электричества при падении на генератор. Наконец, во внутреннем компартменте мито хондрии ионы водорода соединяются с молекулами кислорода с обра зованием воды — одного из конечных продуктов метаболизма.

Этот рассказ о гликолизе и дыхании иллюстрирует, насколько далеко зашли современные представления о живых системах. Про стое высказывание о конкретном процессе — например, что для метаболизма необходимо «сжигать» углеводы — влечет за собой невероятно подробное описание сложных процессов, происхо дящих на молекулярном уровне и с участием огромного количества различных молекул. Осмысление современной молекулярной био логии в чем-то сродни чтению классического русского романа:

вам легко понять каждое взаимодействие между персонажами, но, дойдя до страницы 1423, вы вполне можете забыть, кем приходится Петр Петрович Алексею Алексеевичу. Точно так же каждая хими ческая реакция в только что описанной цепи кажется понятной, но, дочитав до конца, вы будете поражены непостижимой сложностью процесса. В качестве утешения замечу, что я чувствую себя так же.

Ханс Адольф КреБс (Hans Adolf кребс эмигрировал в Англию, где Krebs, 1900–81) — британский работал вначале в Шеффилдском биохимик, выходец из Германии. (1935–54), а затем в Оксфордском уни Родился в хилдесхайме (Германия) верситете. В Шеффилде кребс опре в еврейской семье отоларинго- делял относительное содержание раз лога. В 1925 году получил степень личных молекул в тканях свиньи после доктора медицины в Гамбургском вдоха, и в 1937 году воспроизвел университете и начал исследо- химический цикл, который теперь вания в Фрейбургском универси- носит его имя и за который в 1953 году тете. В 1933 году, после того как к он был удостоен Нобелевской премии власти в Германии пришли нацисты, в области физиологии и медицины.

Гл и К Ол и З и Д ы Х А Н и е Физика демон В науке, как и в художественной литературе, встречаются фантас тические персонажи. Пожалуй, больше всего их было вымышлено Максвелла в процессе обсуждения В Т О р О Г О Н АЧ А л А Т е р м О Д и Н А м и К и.

самым популярным из них стал демон Максвелла, которого при Возможно ли думал Джеймс Кларк максвелл, автор знаменитой системы У рА В нарушение Н е Н и й м А К с В е л л А, полностью описывающей электромагнитные второго начала поля. Второе начало (или закон) термодинамики имеет множество термодинамики? формулировок, физический смысл которых, однако же, идентичен:

изолированная система не может самопроизвольно переходить из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное. Так, газ, • состоящий из молекул, движущихся с различными скоростями,   1850  теРМОдиНАМикА, ВтОРОе НАчАлО не может самопроизвольно разделиться на две части, в одной из которых соберутся молекулы, движущиеся в среднем быстрее • деМОН МАКсвеллА   среднестатистической скорости, а в другой — медленнее.

многие физические процессы относятся к категории обратимых.

• 1927  ПРиНциП Воду, например, можно заморозить, а полученный лед снова рас НеОПРеделеННОСти ГейЗеНБеРГА топить, и мы получим воду в прежнем объеме и состоянии;

железо можно намагнитить, а затем размагнитить и т. п. При этом энтропия (степень упорядоченности) системы в начальной и конечной точке процесса остается неизменной. есть и необратимые в термодинами ческом понимании процессы — горение, химические реакции и т. п.

То есть, согласно второму началу термодинамики, любой процесс в итоге приводит либо к сохранению, либо к снижению степени упоря доченности системы. Такая дисгармоничная ситуация сильно озада чила физиков второй половины XIX столетия, и тогда максвелл пред ложил парадоксальное решение, позволяющее, казалось бы, обойти второе начало термодинамики и обратить неуклонный рост хаоса в замкнутой системе. Он предложил следующий «мысленный экс перимент»: представим себе герметичный контейнер, разделенный надвое газонепроницаемой перегородкой, в которой имеется единс твенная дверца размером с атом газа. В начале опыта в верхней части контейнера содержится газ, а в нижней — полный вакуум.

Теперь представим, что к дверце приставлен некий микро скопический вахтер, зорко сле дящий за молекулами. Быстрым молекулам он дверцу открывает и пропускает их за перегородку, в нижнюю половину контей нера, а медленные оставляет в верхней половине. Понятно, Джеймс Кларк Мак свелл, прославленный что если такой мини-вахтер физик-теоретик будет дежурить у дверцы доста второй половины точно долго, газ разделится на XIX века, внесший две половины: в верхней части огромный вклад в развитие электро- останется холодный газ, состо магнитной и молеку ящий из медленных молекул, а в лярно-кинетической нижней скопится горячий газ из теории ДемОН мАКсВеллА быстрых молекул. Тем самым система упорядочится по сравнению с исходным состоянием, и второе начало термодинамики будет нару шено. мало того, разницу температур можно будет использовать для получения работы (см. Ц и К л и Т е О р е м А К А р Н О ). если такого вахтера оставить на дежурстве навечно (или организовать сменное дежурство), мы получим В е Ч Н ы й Д В и ГАТ е л ь.

Этот забавный вахтер, которому остроумные коллеги ученого дали прозвище демон максвелла, до сих пор живет в научном фольклоре и волнует умы ученых. Действительно, вечный дви гатель человечеству бы не повредил, но вот беда: судя по всему, чтобы демон максвелла заработал, ему самому потребуется энер гопитание в виде притока фотонов, необходимых для освещения приближающихся молекул и их просеивания. Кроме того, просе ивая молекулы, демон и дверца не могут не вступать с ними во вза имодействие, в результате чего они сами будут неуклонно получать от них тепловую энергию и наращивать свою энтропию, в резуль тате чего суммарная энтропия системы все равно уменьшаться не будет. То есть таким объяснением теоретическая угроза второму началу термодинамики была отведена, но не безоговорочно.

Первый по-настоящему убедительный контраргумент был сфор мулирован вскоре после зарождения К В А Н Т О В О й м е Х А Н и К и. Для сортировки подлетающих молекул демону нужно измерять их ско рость, а сделать это с достаточной точностью он не может в силу П р и Н Ц и П А Н е О П р е Д е л е Н Н О с Т и Г е й З е Н Б е р ГА. Кроме того, в силу этого же принципа он не может точно определить и местона хождение молекулы в пространстве, и часть молекул, перед кото рыми он распахивает микроскопическую дверцу, с этой дверцей разминутся. иными словами, демон максвелла на поверку оказы вается макроскопическим слоном в посудной лавке микромира, который живет по собственным законам. Приведите демона в соот ветствие с законами квантовой механики, и он окажется не в состо янии сортировать молекулы газа и просто перестанет представлять какую-либо угрозу второму началу термодинамики.

Другой веский аргумент против возможности существования демона-вахтера появился уже в компьютерную эру. Предположим, что демон максвелла — это компьютерная автоматизированная система управления открыванием дверцы. система производит побитовую обработку входящей информации о скорости и коорди натах приближающихся молекул. Пропустив или отклонив моле кулу, система должна произвести сброс прежней упорядоченной информации, а это равносильно повышению энтропии на вели чину, равную снижению энтропии в результате упорядочивания газа при пропускании или отклонении молекулы, информация о которой стерта из оперативной памяти компьютерного демона.

сам компьютер, к тому же, также греется, так что и в такой модели в замкнутой системе, состоящей из газовой камеры и автомати зированной пропускной системы, энтропия не убывает и второй закон термодинамики выполняется.

жаль демона — симпатичный был персонаж.

ДемОН мАКсВеллА Разное детерми- Одно из основных положений научного метода состоит в том, что мир предсказуем — то есть для данного набора обстоятельств есть низм только один возможный (и предсказуемый) исход. Эта философ ская доктрина известна под названием «детерминизм». Возможно, Если известны лучший пример детерминистической системы получится из соче начальные тания З А К О Н О В м е Х А Н и К и Н ь Ю Т О Н А и З А К О Н А В с е м и р Н О Г О условия системы, Т Я Г О Т е Н и Я Н ь Ю Т О Н А. если вы примените эти законы к единс можно, используя твенной планете, вращающейся вокруг звезды, и запустите пла законы природы, нету с заданного места с заданной скоростью, вы можете предска предсказать ее зать, где она будет в любой момент времени в будущем. Так воз конечное состояние никла идея «часового механизма Вселенной», имевшая огромное влияние не только на развитие науки, но и на появление такого философско-культурного движения, как Просвещение, которое достигло своего расцвета в XVIII веке.

Как философская доктрина детерминизм играл (и продолжает играть) важную роль в науке. Однако на практике не всегда легко предсказать, какой будет система в конце своего существования (ученые называют это конечным состоянием системы), даже если известны начальные условия. Например, довольно просто рассчи тать орбиту единственной планеты в вышеприведенном примере.

Но введите еще две-три планеты в систему, и все значительно усложнится. Каждая планета действует своей силой притяжения на все остальные планеты и в свою очередь испытывает их вли яние. Найти точное решение такой задачи многих тел, как ее назы вают астрономы, практически невозможно.

В XIX веке было обещано вознаграждение тому, кто первым сможет ответить, стабильна ли солнечная система. Вопрос о ста бильности можно переформулировать так: если бы вы могли ока заться в далеком будущем, увидели бы вы все планеты точно там, где они находятся сегодня, так же расположенными друг относи тельно друга и движущимися с той же скоростью? Это чрезвы чайно трудный вопрос. На него нельзя ответить однозначно, пос кольку в солнечной системе девять планет, не считая их спутников, астероидов и комет, у которых есть свои собственные маленькие спутники с неизвестными нам орбитами. Хотя солнечная система и приводится как показательный пример часового механизма Все ленной и принципа детерминизма, но ее будущее не всегда можно точно предсказать.

Это наличие большого количества разнообразных факторов, влияющих на движение планет, в первой половине XX века сыграло важную роль в экспериментальном подтверждении общей Т е О р и и О Т Н О с и Т е л ь Н О с Т и.

У меркурия, как и у всех остальных планет, орбита эллиптическая (см. З А К О Н ы К е П л е рА ). если бы солнечная система состояла только из меркурия и солнца, то меркурий дви гался бы все время по одному и тому же эллипсу. Однако из-за влияния других планет этот эллипс с каждым оборотом планеты вокруг солнца немного искривляется. По мере движения планеты ближайшая к солнцу точка орбиты — перигелий — постепенно ДеТермиНиЗм смещается, причем смещается ненамного: каждые сто лет она сдвигается вокруг солнца примерно на 1000 угловых секунд, то есть на четверть градуса. Почти все это смещение можно объяс нить результатом гравитационного притяжения других планет — за исключением 43 угловых секунд за столетие.

До того как Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности, феномен с перигелием меркурия был всего навсего очередной необъяснимой загадкой Вселенной — никто не знал, чем вызвано это смещение, хотя, честно говоря, немногие астрономы вообще обращали на это внимание. Но когда орбиту меркурия рассчитали исходя из уравнений общей теории отно сительности, к ньютоновскому закону всемирного тяготения при менили маленькую поправку, которой оказалось достаточно для объяснения этого смещения перигелия планеты. Орбиты всех планет, включая Землю, тоже испытывают смещение перигелия, как и меркурий, просто у меркурия оно наиболее выражено и его проще измерить, поскольку меркурий расположен ближе всех к солнцу и поэтому имеет самую высокую орбитальную скорость (в соответствии с законами Кеплера). В настоящее время измерены смещения перигелиев всех внутренних планет с использованием современных радиолокационных методов определения дальности, и они подтвердили предсказания общей теории относительности.

итак, если ставки достаточно высоки, ученые будут проклады вать свой путь сквозь запутанные силы притяжения в солнечной системе, чтобы проникнуть в суть таких явлений, как смещение перигелия. Однако вопрос о стабильности остается нерешенным.

Возможно, эта проблема и в самом деле неразрешима, да и награда за ее решение, надо сказать, довольно скромная. Пример сол нечной системы показывает, что даже для систем, полностью детерминистических в классическом ньютоновском смысле, воз можность делать предсказания неочевидна.

ДеТермиНиЗм Математика детерми- Принцип Д е Т е р м и Н и З м А — один из наиболее важных в сов ременной науке. Он гласит: если мы знаем текущее состояние нистический какой-либо системы в природе, мы можем применить наше знание хаос законов природы для предсказания будущего поведения этой сис темы. Классическая ньютоновская «механическая» вселенная, в которой положение планет походило на движение стрелок мно В природе гострелочных часов, а наше знание законов природы сводилось к существуют пониманию устройства часового механизма — это наглядное пред системы, в которых ставление данной концепции.

исход конкретной В XX веке ученые пришли к пониманию того, что в природе ситуации имеются системы, полностью детерминистические в ньютонов существенно ском смысле, тем не менее их будущее с точки зрения практичес зависит от кого применения не поддается расчетам. Появление быстродейс измерения твующих электронных вычислительных машин в 1980-е годы при воздействия на вело к тому, что это явление, известное как детерминистический входе и будущее хаос, или теория хаоса, стало областью активных научных иссле поведение которых дований. лучшая аналогия детерминистического хаоса — так непредсказуемо для называемая «белая вода» горных потоков. если вы бросите в эту всех практических воду горной реки два листика один за другим, то ниже по течению применений они, вероятнее всего, окажутся далеко друг от друга. В системе, подобной этой, небольшое различие в начальных условиях (поло жение листиков) может привести к большому расхождению на • детерМиНисти   1980-е выходе.

чесКий ХАОс Большинство систем в природе не такие. Например, если вы уроните шар с высоты 5 метров и измерите его скорость при ударе о землю, а затем уроните этот же шар с высоты 5,0001 метра, то значения его скорости при ударе будут не очень отличаться. В сис темах, подобных этой, небольшие изменения начальных условий приводят к небольшим изменениям на выходе. Большинство извес тных нам систем в природе именно такого типа.

Однако даже для таких простых систем, как классические нью тоновские бильярдные шары, иногда сложно делать предсказания об их состоянии в будущем. К примеру, стандартная задача для студентов-дипломников по физике — показать, что даже случай с бильярдным шаром, отскакивающим от бортов на совершенно ровном столе, в итоге растворяется в неопределенности вследствие неточностей в измерении угла, под которым шар приближается к борту в самом начале.

Однако система горного потока иная, и открытие детерминис тического хаоса — хорошая иллюстрация того, каким образом работают подобные системы. По современным стандартам, первые электронные вычислительные машины были очень медленными и имели очень маленькую память. В 1960-е годы Эдвард лоренц (Edward Lorenz, р. 1917) и его коллеги в массачусетском техно логическом институте испытывали компьютерные модели климата Земли. их компьютеры часто приходили к некоторому промежу точному состоянию в вычислениях, выводили эти промежуточные результаты на бумажную ленту в течение всей ночи и заканчивали Д е Т е р м и Н и с Т и Ч е с К и й Х АО с вычисления на следующий день. Они стали замечать, что вычис ления, выполнявшиеся непрерывно от начала до конца, приводили к результатам, которые значительно отличались от результатов прерывавшихся вычислений. Они обнаружили, что это расхож дение происходит из-за того, что компьютер округлял числа в про межуточных результатах. Например, для записи на ленту он выдал бы число 0,506, а если бы продолжал работать, то 0,506127. Это различие было достаточным для того, чтобы привести в итоге к совершенно различным прогнозам будущих состояний климата.

Теперь мы знаем о существовании систем, которые гораздо чувс твительнее к начальным условиям и в которых различие в восьмом знаке после запятой оказывает значительное влияние на конечный результат. (В технических терминах хаотическая система опреде ляется как система, в которой выход экспоненциально зависит от изменений на входе.) Дело в том, что, когда мы говорим об «определении» началь ного состояния, мы фактически говорим об измерении. Каждое измерение в реальном мире содержит ошибку — некоторую неточ ность в фактической величине. Например, если вы измеряете длину стола линейкой, на которой наименьшее деление — мил лиметр, то в вашем определении неизбежно будет присутствовать ошибка в долю миллиметра. Аналогично, если в приведенном выше примере вы хотите определить положение листика в горном потоке, вы можете измерить расстояние между листиком и точкой на берегу. Всегда будет присутствовать небольшая погрешность в этом измерении, зависящая от точности используемого измери тельного устройства. если система хаотическая, вы можете много раз класть тот же самый листик, как вам кажется, на то же самое место и получать при этом различные результаты, поскольку вы никогда не сможете точно положить его на одно и то же место дважды.

Таким образом, для хаотических систем теоретически воз можно предсказать будущий исход, но только в тех случаях, когда начальное состояние можно определить с абсолютной точностью.

Поскольку такой точности достичь невозможно, эти системы для всех практических применений непредсказуемы. При этом важно понимать, что существование детерминистического хаоса не нару шает принципа детерминизма. Оно просто говорит, что при опре деленных обстоятельствах вы не сможете осуществить те виды измерений, которые вам нужны для определения текущего состо яния системы с достаточной точностью в целях предсказания ее будущих состояний.

иными словами, в хаотических системах имеется некоторое расхождение между детерминизмом (нашим пониманием законов, управляющих системой) и предсказанием (нашей способностью утверждать, что система будет делать). Это не значит, что такого рас хождения не существовало в ньютоновской физике — мы видели, что оно есть. Это значит только, что до недавнего времени люди Д е Т е р м и Н и с Т и Ч е с К и й Х АО с не уделяли ему должного внимания: вероятно, они понимали, что решение проблемы предсказания — это вопрос времени. Теория хаоса научила нас, что расхождение не только реально — оно существует постоянно. Теперь мы понимаем, что система может быть детерминистической и предсказуемой теоретически, в то же время оставаясь непредсказуемой на практике.

Не так давно некоторые ученые попытались применить теорию хаоса в других областях, включая такие, как расчеты орбит планет солнечной системы на очень долгие промежутки времени и фон довая биржа. Некоторое время назад группа физиков покинула свои лаборатории, чтобы воспользоваться теорией хаоса для про дажи советов относительно ценных бумаг, однако я еще не видел ни одного из них на «мерседесе». По всей видимости, много работы еще предстоит сделать, чтобы воплотить теорию в практику.

Д е Т е р м и Н и с Т и Ч е с К и й Х АО с Астрономия диаграмма   Звезды бывают множества типов. есть звезды, диаметр которых в 30 раз превышает диаметр солнца, и есть звезды размером всего Герцш- лишь с большой земной город. есть звезды настолько горячие, прунга— что основной цвет в спектре их излучения — фиолетовый, и есть звезды настолько «холодные», что даже темно-красный свет Рассела в их спектре выражен крайне тускло. В XIX веке в астрономии произошел перелом — ученые стали сходить с накатанного Звезды, если пути классической астрономии («Где это, и как и куда оно дви их нанести на жется?») и переходить на рельсы астрофизики («Что это, и как диаграмму в оно устроено?»). Одной из первоочередных задач на этом пути соответствии стала задача хотя бы внешнего упорядочивания классификации с физическими наблюдаемых во Вселенной звезд. Это и привело к независимому характеристиками, созданию двумя астрофизиками диаграммы, которую сегодня при разделяются на нято в их честь называть диаграммой Герцшпрунга—рассела (или, четко выраженные сокращенно, «диаграммы Гр»).

группы, Диаграмма Гр — как это нередко бывает в науке — была прак соответствующие тически одновременно разработана двумя учеными, совершенно разным стадиям их самостоятельно работавшими на двух разных континентах. Генри эволюции Норрис рассел — один из крупнейших американских астрономов начала XX века — долгие годы интересовался проблемой описания жизненного цикла звезд и, судя по всему, пришел к основной идее •   1783  чеРНые дыРы диаграммы еще в 1909 году, однако работа с ее представлением была опубликована лишь в 1913 году. Датчанин Эйнар Герцш •  XX  эВОлюция ЗВеЗд прунг пришел к тем же выводам, что и рассел, несколькими годами раньше своего американского коллеги, однако опубликованы они •  диАГрАММА 1905–  были (в 1905-м и 1907 годах) в узкоспециализированном «журнале ГерцшПруНГА— 1913  рАсселА научной фотографии» (Zeitschrift fuer Wissenschaeftliche Photogra phie), издающемся к тому же на немецком языке, и публикация эта •   1931  ПРедел поначалу попросту осталась незамеченной астрономами. Поэтому чАНдРАСекАРА вплоть до середины 1930-х годов эту диаграмму принято было называть просто «диаграммой рассела», пока не был обнаружен случившийся казус, после чего датчанину было воздано должное, и теперь диаграмма носит имена обоих ученых.

Диаграмма Гр представляет собой график, на котором по вер тикальной оси отсчитывается светимость (интенсивность свето вого излучения) звезд, а по горизонтальной — наблюдаемая тем пература их поверхностей. Оба этих количественных показателя поддаются экспериментальному измерению при условии, что известно расстояние от Земли до соответствующей звезды. Чисто исторически сложилось так, что по горизонтальной оси х темпера туру поверхности звезд откладывают в обратном порядке: то есть, чем жарче звезда, тем левее она находится;

это чистая условность, и я не вижу смысла в том, чтобы ее обсуждать и оспаривать. смысл же всей диаграммы Гр заключается в том, чтобы нанести на нее как можно больше экспериментально наблюдаемых звезд (каждая из которых представлена соответствующей точкой) и по их распо ложению определить некие закономерности их распределения по соотношению спектра и светимости.

Д и А Г рА м м А Г е р Ц Ш П р У Н ГА — рА с с е л А Выясняется, что это распределение носит отнюдь не случайный характер: по соотношению спектра со светимостью звезды делятся на три достаточно строгие категории или, как принято их назы вать в астрофизике, «последовательности». из верхнего левого угла в правый нижний тянется так называемая главная последо вательность. К ней отно сится, в частности, и наше солнце. В верхней части главной последовательности расположены самые яркие и горячие звезды, а справа внизу — самые тусклые и, как следствие, долгоживущие.

Отдельно — правее и выше — расположена группа звезд с очень высокой свети мостью, непропорциональной их температуре, которая отно сительно низка — это так называемые красные звезды гиганты и сверхгиганты. Эти огромные звезды, условно говоря, светят, но не греют. Ниже и левее Любой звезде на диа главной последовательности расположены карлики — группа отно грамме Герцшпрунга— Рассела обязательно най- сительно мелких и холодных звезд. еще раз отметим, что подавля дется свое место. «Нор ющее большинство звезд относится к главной последовательности, мальные» звезды, включая и энергия в них образуется путем термоядерного синтеза гелия из Солнце, расположены в водорода (см. Э В О л Ю Ц и Я З В е З Д ).

пределах диагональной ветви главной последо- На самом деле, три этих последовательности на диаграмме вательности (место Гр строго соответствуют трем этапам жизненного цикла звезд.

Солнца в главной последо Красные гиганты и сверхгиганты в правом верхнем углу — это вательности вы можете доживающие свой век звезды с до предела раздувшейся внешней определить по его спект ральному бело-желтому оболочкой (через 6,5 млрд лет такая участь постигнет и наше цвету). Над главной солнце — его внешняя оболочка выйдет за пределы орбиты последовательностью Венеры). Они излучают в пространство примерно то же количество находятся ветви гига энергии, что и звезды основного ряда, но поскольку площадь нтов и сверхгигантов;

под ней — ветвь белых поверхности, через которую излучается эта энергия, превосходит карликов. По диаграмме площадь поверхности молодой звезды на несколько порядков, можно проследить и сама поверхность гиганта остается относительно холодной.

эволюцию звезд. В част Наконец, обратимся к левому нижнему углу диаграммы Гр:

ности, Солнце представ лено в своем нынешнем здесь мы видим так называемых белых карликов (см. П р е Д е л Ч А Н положении, а пунктиром Д рА с е К А рА ). Это очень горячие звезды — но очень мелкие, раз отмечены его предыс мером обычно не больше нашей Земли. Поэтому, излучая в космос тория и дальнейшая относительно немного энергии, они по причине весьма незначи судьба тельной (на фоне других звезд) площади их поверхностной обо лочки светятся в достаточно ярком спектре, поскольку она оказы вается достаточно высокотемпературной.

Вообще, по диаграмме Герцшпрунца—рассела можно про следить весь жизненный путь звезды. сначала звезда главной Д и А Г рА м м А Г е р Ц Ш П р У Н ГА — рА с с е л А последовательности (подобная солнцу) конденсируется из газо пылевого облака (см. Г и П О Т е З А ГА З О П ы л е В О Г О О Б л А К А ) и уплотняется до создания давлений и температур, необходимых для разжигания первичной реакции термоядерного синтеза, и, соот ветственно появляется где-то в основной последовательности диа граммы Гр. Пока звезда горит (запасы водорода не исчерпаны), она так и остается (как сейчас солнце) на своем месте в основной пос ледовательности, практически не смещаясь. После того как запасы водорода исчерпаны, звезда сначала перегревается и раздувается до размеров красного гиганта или сверхгиганта, отправляясь в правый верхний угол диаграммы, а затем остывает и сжимается до размеров белого карлика, оказываясь слева внизу.

Эйнар ГерцшПруНГ (Ejnar Генри Норрис рАссел (Henry Norris Hertzsprung, 1873–1967) — датский Russell, 1877–1957) — американский астроном. Родился в местечке Фреде- астрофизик. Родился в Ойстер-Бэй риксборг близ копенгагена. Учился в (штат Нью-йорк) в семье пресвитери копенгагенском политехническом инс- анского священника. Учился в Прин титуте, получил специальность инже- стонском университете, где сменил нера-химика. По окончании института своего учителя к. юнга на должностях (1898) в течение трех лет работал в профессора астрономии и директора Петербурге. Вернувшись на родину, местной обсерватории, которые начал изучать астрономию, одновре- занимал вплоть до 1947 года. долгое менно проводил фотографические время Рассел занимался исследова наблюдения в обсерватории копенга- нием связи между спектрами звезд и генского университета и небольшой их светимостью с целью разобраться обсерватории «Урания». его иссле- в том, как эволюционируют све дования произвели впечатление на тила. В 1913 году — независимо от директора Потсдамской обсерватории Герцшпрунга — построил диаграмму, к. Шварцшильда, который пригласил связывающую спектральные характе Герцшпрунга сначала в Гёттингенский ристики и светимость звезд (которая университет, а затем в Потсдамскую теперь и называется диаграммой Гер обсерваторию (1909). С 1919 года Гер- цшпрунга—Рассела) по результатам цшпрунг работал в лейденской обсер- изучения снимков, полученных им ватории, в 1935 году стал ее дирек- на фотопластинках в обсерватории тором. Выйдя в отставку, возвратился Принстонского университета. Увы, в данию и продолжил исследования в ученый вывел из полученной диа обсерватории в Брорфельде. Образо- граммы ложное заключение о том, вание фотохимика позволило ученому что звезды появляются на свет в разработать уникальную для тех лет виде красных гигантов и со временем технологию расчета светимости звезд вырождаются в белых карликов.

по их фотоизображениям. Сопоставив полученные результаты с данными о спектрах исследуемых звезд, Герц шпрунг и пришел к своей классифи кации звезд, согласно которой они подразделяются на гигантов, карликов и основной ряд.

Д и А Г рА м м А Г е р Ц Ш П р У Н ГА — рА с с е л А Физика дисперсия: мы знаем, что скорость света в среде меньше скорости света в вакууме. Это свойство обычно находит отражение в так называ атомная емом коэффициенте или показателе преломления среды, который теория определяется соотношением:

n = c/v, Скорость где с — скорость распространения света в вакууме, а v — в распространения среде.

световых лучей свет затормаживается в среде в результате постоянных взаи разной частоты модействий с электронными оболочками атомов. ситуацию здесь в среде определяется можно сравнить с дорожным движением: если скорость света свойствами в вакууме уподобить движению по идеально прямому и совер вещества на шенно свободному загородному шоссе, на котором машина может атомном уровне всю дорогу ехать на максимальной скорости, то скорость света в среде можно представить себе как движение по большому городу:

световой луч-машина раз за разом притормаживает на очередном •   1621  ЗАкОН СНеллиУСА перекрестке-атоме. В результате скорость света в веществе оказы • вается непременно ниже скорости света в вакууме. Коэффициент 1864 СПектР электРО МАГНитНОГО преломления, в частности стекла, составляет около 1,5;

следова иЗлУчеНия тельно, в стекле свет распространяется примерно на треть мед леннее, чем в вакууме.

• 1864 УРАВНеНия МАкСВеллА О том, что не только разные материалы имеют разные коэффи циенты преломления, но и в одном материале световые лучи разных • 1924 диСПеРСия:

цветов преломляются по-разному, известно достаточно давно. Это АтОМНАя теОРия явление получило название дисперсии света. По З А К О Н У с Н е л л и У с А угол преломления луча после его попадания в прозрачную среду зависит от коэффициента преломления этой среды, соот ветственно дисперсия проявляет себя тем, что лучи разных цветов, обладая разными коэффициентами преломления в среде, прелом ляются под разными углами. В большинстве материалов, в част ности в стекле, наблюдается нормальная дисперсия, при которой показатель преломления обратно пропорционален длине волны:


чем короче волна, тем выше коэффициент преломления. (У неко торых веществ, однако, имеются диапазоны длин световых волн, в которых наблюдается аномальная дисперсия: короткие волны пре ломляются слабее длинных.) именно этот принцип лежит в основе действия призмы. При попадании обычного «белого» (а в действительности содержащего все цвета спектра) света, например, солнечных лучей на призму луч начинает расщепляться сразу после пересечения границы воздуха со стеклом, поскольку фиолетовые лучи преломляются сильнее всего, а красные — слабее всего. В результате после пересечения светом второй границы стекла с воздухом белый луч оказывается расщепленным на составляющие его цветные лучи. В результате мы наблюдаем на экране или стене знакомую картину радужного спектра.

Кстати, о радуге: она тоже возникает в результате дисперсии света на дождевых каплях. Попадая внутрь капли, солнечный луч Д и с П е р с и Я : АТ О м Н А Я Т е О р и Я преломляется, внутри капли происходит его дисперсия, затем раз ложенный на спектр луч отражается от задней полусферы капли, на обратном пути происходит его дальнейшая дисперсия, и, наконец, луч выходит обратно через переднюю поверхность капли, будучи разложенным на радужный спектр солнечного света. именно поэ тому мы и наблюдаем радугу лишь тогда, когда солнце находится с одной стороны от нас, а дождь идет с другой стороны. из-за дис персии каждый цвет в отраженных лучах собирается под своим строго определенным углом, и это объясняет, почему радуга обра зует в небе дугу. Цвета в дождевой радуге разделены не очень четко, поскольку капли имеют разный диаметр, и на одних каплях дисперсия проявляется сильнее, на других — слабее. Воспринима емая же нашим зрением радуга образуется совокупностью отра женных лучей от всех дождевых капель, пролетающих в момент наблюдения через зону отражения.

Более редкое явление двойной радуги наблюдается, когда внутри части дождевых капель световой луч отражается от внут ренней поверхности дважды, а совсем редкая тройная радуга сви детельствует об эффекте тройного внутреннего отражения луча в части дождевых капель.

Принципиальные физические причины дисперсии удалось объяснить только в рамках современной атомной теории строения материи и взаимодействия света с веществом. Подобно лучам всех диапазонов с П е К Т рА Э л е К Т р О м А Г Н и Т Н О Г О и З л У Ч е Н и Я, све товые лучи представляют собой поперечные электромагнитные волны. Электрическое поле, возбуждаемое в такой волне, согласно У рА В Н е Н и Я м м А К с В е л л А воздействует на электроны атомов, возбуждая их. Возбуждаясь, электрон поглощает фотон опре деленной частоты, чтобы почти сразу же испустить в точности такой же фотон и вернуться в нормальное состояние на нижней незанятой орбитали своего атома. Таким образом, свет в среде рас пространяется посредством цепочки непрерывных поглощений и испусканий фотонов. именно этим обусловлено замедление рас пространения света в среде.

Электроны в атомах — пленники своих ядер. Для понимания некоторых явлений субатомного мира полезно представить себе электроны прикрепленными к ядрам на жестких пружинах.

реакция электрона на воздействии электрического поля световой волны зависит от того, как частота волны соотносится с часто тами собственных колебаний этой воображаемой пружины. рас четы показывают, что чем короче длина световой волны, тем выше вероятность ее попадания в резонанс с собственными частотами возбуждения электронов и, соответственно, тем чаще электроны будут поглощать и вновь испускать фотоны соответствующей час тоты, задерживая тем самым распространение света этой частоты.

Доказано, что интенсивность испускания таких вторичных све товых волн атомами пропорциональна длине волны в четвертой степени!

Д и с П е р с и Я : АТ О м Н А Я Т е О р и Я следствием этого же эффекта взаимодействия света с атомами является и рассеяние света в среде. свет, не вступавший во взаимо действие с атомами, доходит до нас напрямую. Поэтому, когда мы глядим не на источник света, а на рассеянный свет от этого источ ника, мы наблюдаем в нем преобладание коротких волн синей части спектра.

Вот почему небо выглядит синим, а солнце желтоватым! Когда вы смотрите на небо в стороне от солнца, вы видите там рассе янный солнечный свет, где преобладают короткие волны синей части спектра. Когда же вы смотрите непосредственно на солнце, вы наблюдает спектр его излучения, из которого путем рассеяния на атомах воздуха удалена часть синих лучей, и изначально белый спектр солнца смещается в желто-красную область при прохож дении через атмосферу. (Только никогда не пытайтесь удосто вериться в этом собственными глазами, глядя прямо на солнце.

интенсивность прямых солнечных лучей настолько высока, что даже секундного взгляда на солнце в зените достаточно, в лучшем случае, для временного ослепления, а в худшем — для хрони ческих функциональных нарушений зрения.) На закате, когда солнечные лучи совершают значительно более длительное путе шествие сквозь атмосферу, солнце кажется нам и вовсе красным, поскольку в этом случае рассеиваются и исчезают из его спектра не только синие, но и зеленые, и желтые лучи.

Д и с П е р с и Я : АТ О м Н А Я Т е О р и Я Физика дифракция идея о волновой природе света (см. с П е К Т р Э л е К Т р О м А Г Н и Т НОГО иЗлУЧеНиЯ) получила серьезное подтверждение в резуль тате открытия и изучения в начале XIX века явлений интерфе Дифракционная ренции и дифракции света. Традиционное со времен Ньютона и из картина возникает за его непререкаемого авторитета долго остающееся неизменным в результате представление о свете как о потоке частиц — так называемая кор интерференции вторичных световых пускулярная теория света — оказалось поставленным под серь езное сомнение после открытия интерференции. А вскоре о кор волн при огибании пускулярной теории и вовсе забыли — почти на целое столетие — в лучами света препятствий или их результате открытия и исследования явлений дифракции, в резуль тате чего волновая теория света стала новым ортодоксальным и прохождении через незыблемым представлением о нем. лишь после объяснения с множественные корпускулярной точки зрения ф О Т О Э л е К Т р и Ч е с К О Г О Э ф ф е К Т А отверстия и зарождения К В А Н Т О В О й м е Х А Н и К и корпускулярные пред ставления о свете получили второе рождение в рамках П р и Н Ц и П А • Д О П О л Н и Т е л ь Н О с Т и.

  1690  ПРиНциП ГюйГеНСА Основы явления дифракции можно понять, если обратиться к • согласно которому каждая точка на пути   1807  иНтеРФеРеНция П р и Н Ц и П У Г Ю й Г е Н с А, распространения светового луча может рассматриваться как новый • независимый источник вторичных волн, и дальнейшая дифракци диФрАКция   онная картина оказывается обусловленной и Н Т е р ф е р е Н Ц и е й этих вторичных волн. При взаимодействии световой волны с препятс твием часть вторичных волн Гюйгенса блокируется. Например, при падении световой волны сверху под острым углом на бритву на верхней плоскости бритвы вторичные волны Гюйгенса образовы ваться будут, а на нижней нет. Однако в результате конструктивной интерференции вторичные волны все равно обогнут бритву, и мы увидим там сплошной световой луч, как если бы на пути его рас пространения ничего не стояло. Подобное же «огибание» волной препятствия можно наблюдать и в морском порту в шторм: суда, стоящие на якоре за волнорезом, который, казалось бы, должен полностью гасить волны, тем не менее «гуляют» вверх-вниз благо даря вторичным волнам.

если источник света и точка наблюдения удалены от препятс твия на незначительное расстояние, исходные и результирующие лучи света не параллельны друг другу — и мы наблюдаем диф ракцию Френеля (дифракцию в ближней зоне). если же источник и точка наблюдения находятся на значительном расстоянии от препятствия (точки дифракции), лучи практически параллельны, и мы наблюдаем дифракцию Фраунгофера (дифракцию в дальней зоне). фраунгофер, кстати, изобрел целый ряд важных прецизи онных оптических приборов, включая дифракционную решетку.

Она представляет собой систему расположенных на небольшом расстоянии друг от друга микроскопических линий, отражающих свет. изначально это была затемненная стеклянная пластина с тща тельно нанесенными на нее параллельными штрихами. Каждый такой штрих отражает свет, и его можно считать вторичным источ ником волн Гюйгенса, которые вступают в интерференцию и вза Д и ф рА К Ц и Я имно усиливаются под определенными углами после рассеяния на решетке.

Начиная с середины XIX века дифракционная решетка стала важнейшим инструментом с П е К Т р О с К О П и и — с ее помощью ученые исследуют спектры излучения светящихся объектов и спектры поглощения различных веществ и по ним определяют их химический состав. Одним из важнейших открытий фраунгофера стало обнаружение темных линий в спектре солнца. сегодня мы знаем, что они возникают в результате поглощения световых волн определенной длины относительно холодным веществом сол нечной короны, и благодаря этому можем судить о химическом составе нашего светила.

йОЗеФ ФрАуНГОФер (Joseph von открыл собственное стекольное Fraunhofer, 1787–1826) — немецкий дело, с которым в 1806 году присо физик и оптик, уроженец Штраубинга единился к знаменитой баварской (Straubing), сын ремесленника-стек- фирме Utzscheider, которая в те дни лодува. Рано осиротев, пошел в под- пользовалась славой производителя мастерья к стекольщику. В возрасте лучших в мире оптических инстру 14 лет серьезно пострадал при обру- ментов. явление дифракции Фраун шении новостройки, провел несколько гофер исследовал с чисто прикладной дней под завалом и благодаря этому точки зрения: делом своей жизни несчастному случаю приобрел он считал изобретение идеальных некоторую популярность. В част- ахроматических линз, которые не ности, получил от властей Баварии давали бы радужного ореола вокруг денежную компенсацию, на которую изображения.


Д и ф рА К Ц и Я Науки о жизни дифферен- В природе одна и та же территория довольно часто бывает заселена различными видами. иногда в таких случаях срабатывает П р и Н Ц и П циальное К О Н К У р е Н Т Н О Г О и с К л Ю Ч е Н и Я, и один вид вытесняет другой.

исполь- иногда — и травяной газон тому хороший пример — видам удается найти способ сосуществования и распределения ресурсов. Возможно, зование соседствующие виды просто используют различные ресурсы. Но может быть и так, что их потребности очень схожи. модель, извес ресурсов тная как дифференциальное использование ресурсов, объясняет, каким образом виды могут делить одну и ту же ресурсную базу.

Для видов, Чтобы увидеть, как работает эта модель, начнем с простого при использующих мера. Предположим, имеется один вид растений, который требует для разные количества своего выживания два ресурса — назовем их A и B. Эти ресурсы могут одних и тех же быть конкретными химическими веществами — например, калий и ресурсов, возможно фосфор или вода и углекислый газ. если нет других растений, экосис поддержание тема будет поставлять эти ресурсы с постоянной скоростью и будет популяционного существовать некая граница, ниже которой поступление каждого из равновесия ресурсов недостаточно для поддержания жизни растения.

Чтобы имело место устойчивое равновесие, оба компонента экосистемы — растения и ресурсы — должны быть устойчивыми.

• ? ЗАВиСиМОСть Для этого растениям надо потреблять каждого из двух ресурсов кОличеСтВА ВидОВ ровно столько, сколько возобновляется. если потреблять слишком От ПлОщАди экОСиСтеМы мало — база ресурса возрастет, слишком много — она умень шится. В каждом случае потребление будет изменяться так, чтобы • ок. 1900  теРРитОРиАль вернуть систему обратно в положение равновесия (например, уве НОСть У жиВОтНых личивая или уменьшая количество растений).

• Теперь предположим, что есть два вида растений, каждый из   1926  ОтНОШеНия хищНик—жеРтВА которых использует ресурсы A и B. Тогда существует несколько возможностей:

• 1934 ПРиНциП кОНкУРеН тНОГО иСключеНия — ресурсов A и B недостаточно для выживания каждого из видов;

•   1966  теОРия ОПти — ресурсов A или B столько, чтобы позволить существо МАльНОГО ФУРАжиРОВАНия вать только одному из двух видов;

— ресурсов A или B столько, что будет работать принцип • диФФереНци   1970-е конкурентного исключения, и один из видов вытеснит АльНОе исПОльЗО вАНие ресурсОв другой;

— ресурсов A и B столько, что смогут выжить оба вида.

• 1976  теОРеМА О МАРГи Это зона дифференциального использования ресурсов.

НАльНых ЗНАчеНиях Чтобы выжили оба вида, должны быть выполнены специальные условия. Например, первый вид может занимать область, где есть весь необходимый ему ресурс B, но где он ограничен в ресурсе A.

Тогда второй вид должен занимать область, где есть весь необхо димый ему ресурс A, но недостаточно ресурса B. В этом случае каждый из видов имеет возможность потреблять количество ресурса, достаточное для выживания, в то же время оставляя достаточное количество для другого вида. Таким образом они могут сосущество вать в равновесии внутри одной экологической ниши.

Очевидно, что эта модель может работать для любого числа видов и любого количества ресурсов.

Д и ф ф е р е Н Ц и А л ь Н О е и с П Ол ьЗ О ВА Н и е р е с У р с О В Науки о жизни дНк сегодня мы знаем, что молекула ДНК является носителем кода, который управляет химизмом всего живого (см. Ц е Н Т рА л ь Н А Я Д О Г м А м О л е К Ул Я р Н О й Б и О л О Г и и ), а двойная спираль моле Молекула ДНК кулы ДНК стала одним из самых известных научных символов.

имеет форму Открытие ДНК, как и практически все великие открытия, не было двойной спирали, и результатом работы одинокого гения, а увенчало собой длинную ее воспроизведение цепь экспериментальных работ. Так, Э К с П е р и м е Н Т Х е р Ш и — основано на том, Ч е й З продемонстрировал, что носителем генетической инфор что каждая цепь мации в клетках является именно ДНК, а не Б е л К и. еще в 1920-е двойной спирали годы американский биохимик родом из россии фибус левин служит матрицей (Phoebus Levene, 1869–1940) установил, что основные кирпичики, для сборки новых из которых построена ДНК, — это пятиатомный сахар дезоксири молекул боза (она обозначена буквой Д в слове ДНК), фосфатная группа и четыре азотистых основания — тимин, гуанин, цитозин и аденин (их обычно обозначают буквами Т, Г, Ц и А). В конце 1940-х годов • XIX–XX БиОлОГичеСкие американский биохимик австрийского происхождения Эрвин Чар МОлекУлы гафф (Erwin Chargaff, р. 1905) выяснил, что во всех ДНК содер •   1859  теОРия эВОлюции жится равное количество оснований Т и А и аналогично равное количество оснований Г и Ц. Однако относительное содержание • нач. Белки  Т/А и Г/Ц в молекуле ДНК специфично для каждого вида.

  1950-х В начале 1950-х годов стали известны два новых факта, про • лившие свет на природу ДНК: американский химик лайнус   1952  экСПеРиМеНт хеРШи—чейЗ Полинг (Linus Pauling, 1901–94) показал, что в длинных молекулах, например белках, могут образовываться связи, закручивающие • дНК   молекулу в спираль, а в лондонской лаборатории морис Уилкинс и розалинда франклин получили данные рентгеноструктурного ана • 1953  экСПеРиМеНт МиллеРА—юРи лиза (основанные на усовершенствованном применении З А К О Н А Б р Э Г ГА ), позволившие предположить, что ДНК имеет спиральную •   1958  цеНтРАльНАя дОГМА структуру.

МОлекУляРНОй БиОлОГии Как раз в это время молодой американский биохимик Джеймс Уотсон отправился на год в Кембриджский университет для •   1961  ГеНетичеСкий кОд работы с молодым английским физиком-теоретиком фрэнсисом Криком. («Обо мне тогда практически никто не знал, — вспоминал впоследствии Крик, — а идеи Уотсона считали… слишком заум ными».) Экспериментируя с металлическими моделями, Крик и Эксперимент Уотсон пытались объединить различные компоненты молекулы в Мезельсона— трехмерную модель ДНК.

сталя Чтобы лучше представить себе полученные ими результаты, вообразите длинную лестницу. Вертикальные стойки этой лест После того как Уотсон и Крик высказали предпо- ницы состоят из молекул сахара, кислорода и фосфора. Важную ложение о двуспиральной функциональную информацию в молекуле несут ступеньки лест структуре ДНК, это пред ницы. Они состоят из двух молекул, каждая из которых крепится к положение прошло экспе одной из вертикальных стоек. Эти молекулы — четыре азотистых риментальную проверку, как происходит с любой основания — представляют собой одиночные или двойные кольца, научной гипотезой. Два содержащие атомы углерода, азота и кислорода и способные обра молекулярных биолога — зовывать две или три водородные связи (см. Х и м и Ч е с К и е с В Я З и ) мэтью мезельсон (Mat с другими основаниями. форма этих молекул позволяет им обра thew Meselson, р. 1930) и франклин сталь (Franklin зовывать связи — законченные ступеньки — лишь определенного ДНК типа: между А и Т и между Г и Ц. Другие связи возникнуть не Stahl, р. 1910) — провели в 1957 году в Калифор- могут. следовательно, каждая ступенька представлена либо А—Т нийском технологическом либо Г—Ц. Теперь вообразите, что вы берете собранную таким институте серию экспери образом лестницу за два конца и скручиваете — вы получите зна ментов. использованная комую двойную спираль ДНК.

ими методика позволяла различать массы очень считывая ступеньки по одной цепи молекулы ДНК, вы полу похожих молекул. сна чите последовательность оснований. Представьте, что это сооб чала они выращивали бак щение, написанное с помощью алфавита всего из четырех букв.

терии в среде, где единс именно это сообщение определяет химические превращения, твенным источником азота был изотоп 15N происходящие в клетке, и, следовательно, характеристики живого (обычный атом азота, 14N, организма, частью которого является эта клетка. На другой цепи несколько легче). Через спирали никакой новой информации не содержится, ведь, если вам несколько поколений весь известно основание, которое находится на одной цепи, вы знаете азот в бактериальной ДНК был представлен только и то, какой должна быть вторая половина ступеньки. В некотором «тяжелым» азотом. Затем смысле две цепи двойной спирали относятся друг другу так же, бактерии переносили в как фотография и негатив.

среду, где весь азот был Открыв двуспиральную структуру ДНК, Уотсон и Крик поняли в форме 14N (азот входит в состав оснований ДНК и тот простой способ, которым осуществляется воспроизведение и поэтому поглощается молекулы ДНК — как и должно происходить при делении клетки.

любым организмом, син По их собственным словам, «от нашего внимания не ускользнул тот тезирующим новые цепи факт, что постулированная нами специфичная парность азотистых молекулы). После одного цикла клеточного деления оснований непосредственно указывает на возможный механизм вес бактериальной ДНК копирования генетического материала».

был промежуточным Такой «возможный механизм копирования» определен струк между весом ДНК с 15N и турой ДНК. Когда клетка приступает к делению и необходима весом ДНК с 14N. После двух циклов клеточного дополнительная ДНК для дочерних клеток, ферменты (см.

деления лишь одна из К АТА л иЗАТОры и фер четырех цепей ДНК была м е Н Т ы)начинают «рас «тяжелой» ДНК и т.д.

стегивать» лестницу ДНК, Этим остроумным экс периментом мезельсон как застежку-«молнию», и сталь подтвердили, обнажая индивидуальные что в результате каждого основания. Другие фер деления клетки компле менты присоединяют соот ментарные цепи ДНК содержат половину старой ветствующие основания, («тяжелой») ДНК и поло находящиеся в окружа вину новой («легкой») ющей жидкой среде, к ДНК — в точном соот парным «обнажившимся»

ветствии с гипотезой Уот сона и Крика. основаниям — А к Т, Г к Ц и т.д. В результате на каждой из двух разошед шихся цепей ДНК достраи вается соответствующая ей цепь из компонентов окру жающей среды, и исходная молекула дает начало двум Участок ДНК реплициру двойным спиралям.

ется посредством «рас стегивания» двойной цепи Точно так же, как каждое и достраивания новых великое открытие основано цепей ДНК на работе предшественников, оно дает начало новым плодотворным исследованиям, поскольку ученые используют полученную инфор мацию для движения вперед. можно сказать, что открытие двойной спирали дало толчок последующему полувековому развитию моле кулярной биологии, завершившемуся успешным осуществлением П р О е К Т А « Г е Н О м Ч е л О В е К А».

ФрЭНсис ХАрри КОМПтОН КриК  дЖейМс дьюи уОтсОН (James (Francis Harry Compton Crick,   Dewey Watson, р. 1928) — американ 1916–2004) — английский молеку- ский биохимик. Родился в чикаго, лярный биолог (на фото справа). штат иллинойс. В возрасте 15 лет Родился в Нортгемптоне в семье поступил в университет чикаго, обувного фабриканта. В 1938 году который окончил четырьмя годами получил диплом физика в Универси- позже. В 1950 году получил доктор тетском колледже в лондоне. В годы скую степень в университете штата войны занимался разработкой индиана за изучение вирусов. его акустических и магнитных мин. Впос- посещение кавендишской лабора ледствии решил исследовать «тайну тории в 1951 году привело к сотрудни жизни». В 1951 году, когда крик изучал честву с Фрэнсисом криком, которое структуру белков в новом подраз- увенчалось открытием структуры дНк.

делении, созданном Медицинским крик и Уотсон поделили Нобелевскую исследовательским советом в кавен- премию в области физиологии и меди дишской лаборатории кембриджа, цины с Морисом Уилкинсом (Maurice студент джеймс Уотсон предположил, Wilkins, р. 1916), чьи эксперименты что для понимания функции молекулы с дифракцией рентгеновских лучей дНк необходимо выяснить ее струк- помогли установить двуспиральную туру. Успешные поиски в этом направ- структуру дНк. Розалинда Франклин лении принесли Уотсону и крику в (Rosalind Franklin, 1920–58), чей вклад 1962 году Нобелевскую премию в в открытие структуры дНк, по мнению области физиологии и медицины. многих, был очень весомым, не была Более поздние работы крика свя- удостоена Нобелевской премии, так заны с разработкой ц е Н т Р А л ь Н О й как не дожила до этого времени.

дОГМы МОлекУляРНОй БиО лОГии. В 1977 году крик перешел в институт Солка в Сан-диего, где про должил поиски «тайны жизни», пере ключившись на изучение сознания.

ДНК Науки о жизни дрейф генов утверждает, что в теоретической иде З А К О Н Х А р Д и — В А й Н Б е р ГА альной популяции распределение генов будет оставаться посто янным из поколения в поколение. Так, в популяции растений коли Частота генов в чество «внуков» с генами высокорослости будет ровно таким же, популяции может сколько было родителей с этим геном. Но в реальных популяциях варьировать дело обстоит иначе. из-за случайных событий частота распреде под действием случайных факторов ления генов из поколения в поколение несколько варьирует — это явление называется дрейфом генов.

Приведем простой пример. Представьте себе группу растений, населяющих изолированную горную долину. Популяция состоит   1865  • ЗАкОНы МеНделя из 100 взрослых растений, и лишь 2% растений в популяции   1908  • ЗАкОН содержат особенный вариант гена (например, затрагивающий хАРди—ВАйНБеРГА окраску цветка), т.е. в рассматриваемой нами популяции этот ген имеется лишь у двух растений. Вполне возможно, что небольшое   1920-е • дрейФ ГеНОв происшествие (например, наводнение или падение дерева) при ведет к гибели обоих растений, и тогда этот особенный вариант 1953  • дНк гена (или, пользуясь научной терминологией, этот аллель) поп нач. • РОдСтВеННый   росту исчезнет из популяции. А значит, будущие поколения будут     1960-х ОтБОР уже не такими, как рассматриваемое нами.

существуют и другие примеры дрейфа генов. рассмотрим   1961  • ГеНетичеСкий кОд крупную размножающуюся популяцию со строго определенным распределением аллелей. Представим, что по той или иной при   1970-е • МОлекУляРНые чине часть этой популяции отделяется и начинает формировать чАСы собственное сообщество. распределение генов в субпопуляции   2000  • ПРОект «ГеНОМ может быть нехарактерным для более широкой группы, но с этого челОВекА»

момента и впредь в субпопуляции будет наблюдаться именно такое нехарактерное для нее распределение. Это явление называется эффектом основателя.

Дрейф генов сходного типа можно наблюдать и на примере явления с запоминающимся названием эффект бутылочного горлышка. если по какой-либо причине численность популяции резко уменьшится — под воздействием сил, не связанных с естес твенным отбором (например, в случае необычной засухи или непродолжительного увеличения численности хищников), быстро появившихся и затем исчезнувших, — то результатом будет слу чайное устранение большого числа индивидуумов. Как и в случае эффекта основателя, к тому времени, когда популяция вновь будет переживать расцвет, в ней будут гены, характерные для случайно выживших индивидуумов, а вовсе не для исходной популяции.

В конце XIX века в результате охотничьего промысла были почти полностью истреблены северные морские слоны. сегодня в попу ляции этих животных (восстановившей свою численность) наблюда ется неожиданно маленькое количество генетических вариантов. Ант ропологи полагают, что первые современные люди пережили эффект бутылочного горлышка около 100 000 лет назад, и объясняют этим генетическое сходство людей между собой. Даже у представителей кланов гориллы, обитающих в одном африканском лесу, больше гене тических вариантов, чем у всех человеческих существ на планете.

Дрейф ГеНОВ Науки о жизни Зависимость Возникает закономерный вопрос: действительно ли небольшие экосистемы могут поддерживать существование меньшего числа количества видов, чем более крупные? с одной стороны, можно ожидать, что видов от чем больше площадь, тем больше на ней различных экологических ниш, пригодных для использования. с другой стороны, непонятно, площади почему, например, сократив площадь луга вдвое, можно сократить экосистемы биологическое разнообразие на нем. Ясно, что общее количество организмов уменьшится, но почему при этом должно измениться количество обнаруживаемых видов?

Количество видов, Ответ на этот вопрос был получен экспериментально. Экологи которое может провели множество исследований. В одном из них на небольшом поддерживать острове у побережья флориды площадь, пригодную для исполь данная экосистема, зования, даже изменяли с помощью бензопилы! Данные изучения тем выше, чем материковых и островных экосистем приводят к одинаковому больше площадь заключению. если А — площадь экосистемы, а S — количество этой экосистемы видов, то зависимость между ними описывается формулой:

S = KAn, • ЗАвисиМОсть ?

где n — число от 0,1 до 0,3, а К — константа, представляющая КОличествА видОв От ПлОщАди собой количество видов на единицу площади экосистемы. Это ЭКОсистеМЫ выражение называется уравнением зависимости количества видов • от площади экосистемы.

ок. 1900  теРРитОРиАль НОСть У жиВОтНых Однако надо иметь в виду, что, хотя количество видов, без условно, зависит от площади экосистемы, эта зависимость не •   1926  ОтНОШеНия прямая. Так, даже при n = 0,3 увеличение площади экосистемы хищНик—жеРтВА вдвое сопровождается увеличением количества видов всего на • 23%.

1934 ПРиНциП кОНкУРеН тНОГО иСключеНия Тем не менее эта закономерность имеет важные следствия для природоохранных действий, направленных на сохранение биоло •   1966  теОРия ОПти гического разнообразия. В частности, мы должны понимать, что, МАльНОГО ФУРАжиРОВАНия сокращая площадь экосистемы, мы получаем не уменьшенную копию оригинала, а новую экосистему с ощутимо меньшим коли •   1970-е диФФеРеНциАльНОе чеством видов. Другими словами, десять небольших клочков дикой иСПОльЗОВАНие РеСУРСОВ природы могут поддерживать существование лишь половины видов, которые можно было бы обнаружить на едином участке •   1976  теОРеМА О МАРГи земли с площадью, равной суммарной площади этих клочков.

НАльНых ЗНАчеНиях и наоборот, увеличение размеров данной экосистемы не пов лечет за собой пропорционального увеличения биоразнообразия, поэтому часто целесообразнее направить средства не на расши рение существующих экосистем, а на создание заповедников в совершенно новых экосистемах.

ЗАВ исимО сТ ь КОли ЧесТВА Ви ДОВ ОТ П лОщ АД и ЭКО сис Темы Астрономия Зависимость Когда Китс писал «Звезда моя, ты постоянство света», он явно имел в виду не переменную Цефеиду. Большинство звезд, период— включая, к счастью для нас, солнце, излучают свет и другие светимость формы лучистой энергии (см. с П е К Т р Э л е К Т р О м А Г Н и Т Н О Г О и З л У Ч е Н и Я ) с более или менее постоянной интенсивностью.

есть, однако, несколько классов звезд, с достаточным на то осно Чем дольше период ванием названных переменными, яркость которых периодически изменения блеска возрастает и убывает из-за колебаний интенсивности поверхнос переменной звезды тного излучения. В результате наблюдаются циклические изме класса цефеид, тем нения свойства звезды, называемого светимостью и отражаю больше энергии она щего суммарный поток лучистой энергии, покидающий поверх излучает ность звезды. Особую историческую роль в развитии астрофи зики сыграли переменные звезды класса цефеид, получившие свое название в честь созвездия Цефей, в котором находится •  ЗАвисиМОсть   1912  первая открытая цефеида — Цефея.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 18 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.