Лекции по концепциям современного естествознания

Модель "хищник-жертва" в частных  производных:

x(r,t)    -     плотность жертвы;

y(r,t)    -     плотность хищника;

e    -     коэффициент переработки биомассы жертвы;

b    -     коэффициент выедания;

с    -     коэффициент смертности хищников;

k    -     емкость среды;

R(x)    -     коэффициент роста жертвы;

L    -     нижняя критическая численность.

Морфогенез - формообразование. Появление новых форм и структур в ходе индивидуального и исторического развития организмов. Модели морфогенеза описывают пространственно-временную эволюцию, используемый в классических моделях аппарат - уравнения в частных производных.

Модели морфогенеза

В 1952 г. в Философских трудах Лондонского Королевского общества появилась статья, посвященная модели морфогенеза.  В обычном курином яйце, где только оплодотворенная клетка и питательная среда, с неизбежностью, при самых примитивных внешних воздействиях (тепловой режим и газообмен) развивается сложнейший организм по некоему единому плану, не диктуемому никем. Никто извне не указывает, где должен возникнуть клюв, где крыло. Саморазвитие происходит как взрыв, как неудержимая цепная реакция усложнения.  Ничего похожего ни с машинами, ни с управлением мы делать не умеем, а природа это делает постоянно и, прежде всего, в живых системах. Можно ли как - то попытаться подойти к этой важнейшей задаче, не к программированию извне, а к возбуждению слабым воздействием внутренних процессов усложнения в среде. Это - одна из фундаментальнейших проблем не только в биологии, но и во всей современной науке (управление экологией, хозяйственной и социальной действительностью).

 

 

 

 

14. Самоорганизация  процессов в геологии, биологии  и экологии

 

 

В широком плане понятие  самоорганизации отражает фундаментальный  принцип природы, лежащий в основе наблюдаемого развития от менее сложных  к более сложным и упорядоченным  формам организации вещества. Но у  этого понятия есть и более  узкое значение, непосредственно  характеризующее способ реализации перехода от простого к более сложному. В таком значении самоорганизацией называют природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную  систему, достигшую в своем развитии критического состояния  в новое  устойчивое состояние с более  высоким уровнем сложности и  упорядоченности по сравнению с  исходным. Критчическое состояние - это  состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной  системой в ходе предшествующего  периода плавного, эволюционного  развития.

Все разномасштабные самоорганизующиеся системы, независимо от того, каким  разделом науки они изучаются, будь то физика, химия, биология, геология или  социальные науки, имеют единый алгоритм перехода от мене сложных и менее  упорядоченных к более сложным  и более упорядоченным состояниям. Тем самым открывается возможность  единого теоретического описания подобных процессов во времени и пространстве. Разработка теории самоорганизации  началась буквально в последние  годы, причем по нескольким, сходящимся направлениям. Это синергетика (Г. Хакен), термодинамика неравновесных процессов (И. Пригожин), теория катастроф (Р. Том).

 

 

 

 

 

 

15. Возможности  экономного расходования энергии

 

Человечество на протяжении всей своей истории сталкивалось с проблемой оптимального расходования и сбережения энергии. Но никогда  вопрос об энергосбережении не стоял  так остро перед человеком.

     Энергосбережение (экономия электроэнергии) — реализация  правовых, организационных, научных,  производственных, технических и  экономических мер, направленных  на эффективное использование  (и экономное расходование) топливно-энергетических  ресурсов и на вовлечение в  хозяйственный оборот возобновляемых  источников энергии.     

     Энергосбережение  — важная задача по сохранению  природных ресурсов.

В настоящее время наиболее насущным является бытовое энергосбережение (энергосбережение в быту), а также  энергосбережение в сфере ЖКХ. Препятствием к его осуществлению является сдерживание роста тарифов для  населения на отдельные виды ресурсов (электроэнергия, газ), отсутствие средств  у предприятий ЖКХ на реализацию энергосберегающих программ, низкая доля расчетов по индивидуальным приборам учета и применение нормативов, а  также отсутствие массовой бытовой  культуры энергосбережения.

Как вариант, можно позаимствовать опыт других государств, где в 1980 г. принятые нормы энергосбережения для частных зданий обеспечивали уменьшение энергопотребления на 40% на отопление и кондиционирование воздуха благодаря конструктивным изменениям зданий, которые обеспечивают улучшенную проветриваемость помещений в летнее время и удерживают тепло в зимнее.

Вопрос об уменьшении количества потребляемой энергии во всем мире сейчас стоит остро, как никогда. Если учесть, что наша страна является одной из самых энергорасточительных, то становится понятно, насколько огромны  для нас перспективы энергосбережения. Нам просто необходимо учиться рационально  использовать все энергоресурсы.

Особой актуальностью  отличается применение современных  инновационных технологий энергосбережения, которые в настоящее время  являются одним из наиболее эффективных  способов рационализации использования  энергии.

Внедрение энергосберегающих  технологий полностью обосновано не только с точки зрения непосредственного  сокращения потребления энергетических ресурсов, но и в экономическом  плане (значительное сокращение накладных  расходов), и в экологическом (меньше утечек и вредных выбросов).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16. Проблемы атомной  энергетики

 

Основными проблемами атомной  энергетики являются:

- затратность: ядерная энергетика требует гораздо более значительных расходов на всем протяжении срока эксплуатации объектов использования атомной энергии, по сравнению с природным газом;

- небезопасность: после того, как в 1979 году едва удалось предотвратить оплавление активной зоны реактора – и неминуемую экологическую катастрофу – на американской атомной электростанции (АЭС) Три Майл Айленд (Three Mile Island), но не удалось избежать Чернобыльской аварии в 1986 году, опасности, связанные с применением атомной энергии, для окружающей среды и здоровья человека стали хорошо известны и доказаны документально, однако эффективные решения для того, чтобы исключить возникновение подобных рисков, отсутствуют;

- распространение ядерных материалов: использование атомной энергии влечет за собой потенциальный риск применения ее в преступных целях либо в целях ядерного устрашения, прежде всего, риск использования коммерческих ядерных предприятий с криминальными намерениями с целью получения технологий и материалов, пригодных для производства ядерного оружия. Особенную тревогу вызывает эксплуатация топливных циклов, связанных с химической переработкой отработанного топлива с целью выделения применяемого в оружии плутония и урана, особенно, учитывая тот факт, что эти технологии продолжают оказываться на вооружении государств, представляющих риск ядерного распространения;

- отходы: ядерная энергетика продолжает накапливать проблемы долгосрочного обращения с радиоактивными отходами. Эффективные и реализуемые решения найдены пока не были, и вряд ли будут в ближайшем будущем. Даже если проект строительства могильника в горе Юкка Маунтин покажет свою целесообразность как метод безопасного обращения с высокорадиоактивными отходами и ОЯТ, работа могильника сможет только облегчить – но не решить окончательно – ситуацию с хранением отходов с Соединенных Штатах, особенно, если объемы использования атомной энергии в США и других странах продемонстрируют в будущем значительный рост.

      Производственные  мощности ядерных поставщиков  за последние 20 лет существенно  снизились. На рынке осталось  меньше проектантов и сократился  выбор реакторных технологий. Меньше  стало инжиниринговых и управленческих  организаций, имеющих опыт воплощения  в жизнь крупных ядерных проектов. Трудности с привлечением и  обучением персонала могут стать  лимитирующим фактором даже для  некоторых государств с действующей  ядерной программой.

      Многие  из стран, выражающих интерес  к атомной энергетике, не обладают  необходимой для её становления  инфраструктурой. Им могут потребоваться  значительные время и ресурсы  для достижения такого уровня  развития, при котором станет  возможным строить атомные станции.

      Перед атомными  отраслями стоят институциональные  вызовы, способные оказать принципиальное  влияние на способы и методы  работы атомных компаний.

           

 

 

 

 

 

17. Климат, погода и солнечно-земные связи

 

Погода - это совокупность метеорологических  величин и явлений, которые характеризуют  состояние атмосферы в определенный момент времени в строго определенном месте. К метеорологическим величинам  относятся температура и влажность  воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, дальность  видимости, характер облачности и количество облаков. Все эти величины могут  быть выражены в тех или иных единицах измерения.

Климат - понятие более общее. Этот термин был введен в научную литературу древнегреческим астрономом Гиппархом  во II в. до н. э. Дословно этот термин означает «наклон», «наклонение».

В настоящее время понятию «климат» придана строгая физико-математическая направленность. Современное определение  климата в этом смысле принадлежит  члену-корреспонденту АН СССР А. С. Монину. «Климат - это статистический ансамбль состояний, который проходит сложная система взаимодействия атмосферы, гидросферы и земной коры».

Основные черты климата зависят  не столько от местных ландшафтных  условий или возмущений атмосферы, сколько от крупных процессов  планетарного масштаба: от облучения  земной поверхности солнечными лучами, тепло - и влагообмена атмосферы с поверхностью материков и океанов, циркуляцией атмосферы и вод Мирового океана, действием биосферы, особенностями многолетнего снежного покрова и ледников.

Солнечно – земные связи - междисциплинарный раздел астрофизики и геофизики, рассматривающий воздействия Солнца на процессы и явления, происходящие на Земле.

Процессы, идущие внутри Солнца, приводят к излучениям энергии в  виде электромагнитных волн различной  длины. Животные и люди являются преобразователями  энергии и неотделимы от мира растений и микроорганизмов. Все мы включены в энергетические циклы Вселенной. Энергия электромагнитных излучений  Солнца воспринимается живым веществом  в разных диапазонах, а отдается в основном в инфракрасном - в  виде тепла. На тепловую (инфракрасную) составляющую энергии приходится 51% солнечной радиации, достигающей  Земли. Около 10% энергии достигает  поверхности планеты с ультрафиолетовыми  лучами.

Земля непрерывно бомбардируется потоком частиц, летящих от Солнца, - так называемым солнечным ветром. Столкновение солнечного ветра с  магнитным полем Земли приводит к возбуждению электрических  полей и токов. Хвост магнитосферы Земли вытягивается в межпланетное пространство по крайней мере на тысячу радиусов Земли. В хвосте содержатся огромная энергия - 10 МДж. Часть этой энергии приходится на область, находящуюся  вблизи Земли.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18. ДНК – основа  генетического материала

 

Молекулы ДНК содержатся в хромосомах ядра клетки живых организмов, в эквивалентных структурах митохондрий, хлоропластов, в прокариотных клетках  и во многих вирусах. По своей структуре  молекула ДНК похожа на двойную спираль. Структурная модель ДНК в виде двойной спирали впервые предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном  и английским биофизиком и генетиком  Ф. Криком, удостоенными вместе с английским биофизиком М. Уилкинсоном, получившим рентгенограмму ДНК, Нобелевской премии 1962 г.

ДНК - материальный носитель наследственной информации, которая кодируется последовательностью нуклеотидов. Расположение четырех типов нуклеотидов в цепях ДНК определяет последовательность аминокислот в молекулах белка, т.е. их первичную структуру. От набора белков зависят свойства клеток и индивидуальные признаки организмов. Определенное сочетание нуклеотидов, несущих информацию о структуре белка, и последовательность их расположения в молекуле ДНК образуют генетический код. Ген (от греч. Genos - род, происхождение) - единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо признака. Он занимает участок молекулы ДНК, определяющий структуру одной молекулы белка. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма, называется геномом, а генетическая конституция организма (совокупность всех его генов) - генотипом. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК, а следовательно, в генотипе приводит к наследственным изменениям в организме - мутациям.