Тема. Биосфера. Охрана биосферы.
Учебные вопросы:
1. Понятие биосферы. Основные геохимические функции живого вещества
2. Предотвращение разрушения биосферы.
Краткое изложение темы:
Биосфера.
Согласно учению В. И. Вернадского, биосфера - это оболочка Земли, включающая область распространения живого вещества и само это вещество. Живое вещество обеспечивает биогеохимический круговорот веществ и превращение энергии в биосфере.
Основные геохимические функции живого вещества:
1. Энергетическая (биохимическая) - связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе, и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества.
2. Газовая - способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.
3. Концентрационная - "захват" из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов.
4. Окислительно-восстановительная - окисление и восстановление различных веществ с помощью живых организмов.
5. Деструктивная - разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти.
6. Транспортная - перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов
7. Рассеивающая - функция противоположная концентрационной - рассеивание веществ в окружающей среде.
Эволюция шла не только путем уничтожения нежизнеспособных видов, но и путем сохранения старых, наиболее приспособляемых к изменяющимся условиям существования. Так постепенно складывалось нынешнее многообразие живых организмов - основа устойчивости биосферы. Сейчас на Земле обитает около 1 млн. видов животных и более 260 тыс. видов растений, причем более 75% видов животных - это членистоногие (в основном насекомые). Таким образом, по разнообразию видов животные почти в 4 раза обгоняют растения. Однако биомасса растений суши составляет 97% , а животных и микроорганизмов - всего 3% всей биомассы планеты.
Одной из главных идей В. И. Вернадского в учении о биосфере была мысль о взаимосвязи живых организмов с неживой средой обитания. Эта взаимосвязь осуществляется путем круговоротов основных биогенных химических элементов - углерода, водорода, азота и кислорода, реализующихся в пищевых (трофических) цепях. Растения Земли - это единственные живые организмы, синтезирующие из неорганического материала (углекислый газ и вода) органические вещества (клетчатку и крахмал). Побочным продуктом этой реакции, называемой фотосинтезом, поскольку она осуществляется только на свету, является молекулярный кислород.
Различают два типа биогеохимических круговоротов: круговороты газов (углерод, кислород, азот и др.) и осадочные круговороты (сера, фосфор, кальций и др.).
Охрана биосферы
Предотвращение разрушения биосферы является одной из наиболее актуальных и важных проблем. Биосфера представляет собой саморегулирующуюся химико-биологическую систему планетарного масштаба, которая эволюционно формировалась в течение сотен миллионов лет. Основной функцией биосферы является стабилизация окружающей среды, осуществляемая за счет биотической регуляции и позволяющая поддерживать приемлемые для живых организмов условия обитания. Устойчивость биосферы как способность компенсационным образом противостоять антропогенным и природным воздействиям имеет определенные границы, за которыми эта способность утрачивается.
Важнейшим условием обеспечения устойчивости экосистем биосферы является сохранение биологического разнообразия.
В настоящее время:
· из 242 тыс. видов растений 14% находятся под угрозой вымирания;
· из 9,6 тыс. видов птиц 11% угрожает вымирание, а для 60% наблюдается снижение численности;
· из 4,4 тыс. видов млекопитающих 11% могут погибнуть;
· из 24 тыс. видов рыб 33% находятся под угрозой вымирания.
Кроме этого с огромной скоростью производится вырубка лесов, только за 15 лет с 1980 по 1995 г. было потеряно около 200 млн. га леса, что соответствует площади территории Мексики.
Одной из организаций, которая встала на защиту природы, стал Всемирный фонд дикой природы (WWF) – одна из крупнейших в мире общественных благотворительных организаций, более 50 лет работающая для охраны природы на всей планете. Ежегодно WWF осуществляет свыше 1200 экологических проектов, привлекая внимание миллионов людей к проблемам охраны окружающей среды и их решению. Миссия WWF – в предотвращении нарастающей деградации естественной среды планеты и достижении гармонии человека и природы. Главная цель – сохранение биологического разнообразия Земли.
Контрольные вопросы:
1. Дать понятие биосферы. Перечислить основные геохимические функции живого вещества.
2. Каковы пути и проблемы предотвращения разрушения биосферы?
Тема. Влияние деятельности человека на биосферу
Учебные вопросы:
1. Научно-технический прогресс как фактор предпосылки для возникновения крупных экологических кризисов.
2. Факторы, способствующие загрязнению биосферы.
Краткое изложение темы:
Хозяйственная деятельность человека неоднократно приводила к ухудшению природных условий, порождала локальные экологические кризисы. Человек, овладев огнем, применял его для уничтожения растительности, как в земледельческих, так и в охотничьих целях. При этом хищнически уничтожались флора и фауна на значительных территориях, что приводило к образованию пустынь. В совокупности рассмотренные процессы приводили к исчезновению древних цивилизаций, например, в Индии (3..2 тысячелетия до н.э.), Майя в Центральной Америке и др.
Научно-технический прогресс увеличивает возможности воздействия на окружающую среду, создавая предпосылки для возникновения крупных экологических кризисов. С другой стороны, этот же прогресс расширяет возможности предупреждения таких кризисов.
Наиболее отчетливо эти противоположные тенденции проявились во второй половине XX века. Так, например, растительный покров большей части поверхности континентов носит вторичный характер, т.е. заменён нужными человеку растениями. Это обстоятельство привело к нарушению процесса почвообразования, изменению физико-химических свойств почв и их эрозии. В возрастающих масштабах человеком загрязняются атмосфера и воды континентов и океанов.
Понимая экологический кризис как непоправимое за короткий срок ухудшение природной среды, нельзя говорить о глобальном кризисе в настоящее время. Сейчас существует множество локальных кризисов, которые не всегда разрешимы и, накапливаясь, могут принять глобальные масштабы.
Экологический ущерб биосфере не всегда может быть возмещён, например, уничтожение генофонда современных организмов.
Демографические процессы, сопровождающиеся ростом народонаселения, способствуют ускорению проявления как локальных, так и глобальных экологических кризисов, т. к. соответственно увеличиваются масштабы промышленного и сельскохозяйственного производств, исчерпание минеральных ресурсов и количество отходов.
Особо следует отметить влияние человека на климат городов, регионов и планеты в целом за счет загрязнения атмосферы. Атмосфера Земли как компонент биосферы является трансформатором локальных воздействий человека на окружающую среду в глобальные изменения природных условий. Так, современные города, благодаря растущей урбанизации, можно рассматривать как „острова тепла“ и источники выделения газов, паров и аэрозолей. Это обстоятельство вызывает образование туманов, приводящих к смогам, сопровождающимися увеличением концентрации в атмосфере опасных для биосферы веществ.
Постоянный рост количества сжигаемого в энергетических целях топлива органического происхождения способствует повышению температуры у поверхности Земли, что обусловливает изменение климата как в региональном, так и в планетарном масштабах. При этом нарушается естественный ход эволюции биогеоценозов и биосферы в целом.
Климатические изменения, обусловленные хозяйственной деятельностью человека проявляются уже сейчас (повышение средней температуры у поверхности Земли на ~ 0,5 оC, перестройка установившейся ранее атмосферной циркуляции воздушных масс и др.), а в недалёком будущем (XXI век и далее) эти изменения усилятся.
Особое негативное влияние деятельность человека оказывает на «биологический щит» планеты – озоновый компонент атмосферы. Развитие промышленности, космонавтики и др. факторы способствуют снижению концентрации озона в стратосфере и, как следствие, интенсификации жёсткого ультрафиолетового облучения земной поверхности, что губительно для живых организмов, обитающих в наземно-воздушной среде.
Кроме вышеуказанных воздействий на биосферу, человек способствует её радиоактивному загрязнению. Происходит это за счёт извлечения из недр Земли и последующего концентрирования на её поверхности долгоживущих радиоактивных изотопов. Чаще всего это 238U (период полураспада ~ 4,47∙109 лет) и 235U (период полураспада ~ 0,7∙109 лет). При ядерных превращениях (распаде) этих изотопов образуются другие химические элементы и их изотопы, например, 226Ra, 222Rn и др., которые, в свою очередь, чаще всего являются радиоактивными. При распаде радиоактивных веществ генерируются корпускулярные ( α, β ) и электромагнитные ( γ,рентгеновское) ионизирующие излучения, действие которых на организмы биосферы негативно. Так, у человека возможно образование злокачественных опухолей (рак), нарушение функций зрения (катаракта), разрушение эритроцитов (белокровие), инактивация гонад, мутации потомства и др. негативные изменения. Подобного рода процессы происходят и в других организмах, составляющих биосферу.
На компоненты биосферы воздействует также рентгеновское ионизирующее излучение (с такими же негативными эффектами как и выше), которое генерируется при изменении вектора-скорости движущегося потока заряженных частиц, например, в телевизорах, мониторах ЭВМ, в некоторых медицинских и научных приборах и аппаратах.
Таким образом, не ограничивая масштабы своей деятельности, не применяя специфических экозащитных (природоохранных) мер, человек будет способствовать постепенной деградации биосферы.
Контрольные вопросы:
Охарактеризовать научно-технический прогресс как фактор предпосылки для возникновения крупных экологических кризисов.
Перечислить факторы, способствующие загрязнению биосферы.
Тема. Бионика.
Учебные вопросы:
1. Понятие бионики
2. Современные достижения в области бионики
Краткое изложение темы:
“БИОлогия” и “техНИКА” - БИОНИКА - прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов, свойств, функций и структур живой природы.
Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер.
Различают:
биологическую бионику - изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
теоретическую бионику - строящую математические модели этих процессов;
техническую бионику - применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.
Сегодня бионика развивается стремительными темпами и уже подразделяется на отдельные направления: нейробионика, биомолекулярная электроника и нанотехнологии, учение об искусственных нейронных сетях, архитектурная биотика.
НЕЙРОБИОНИКА - направление в бионике, связанное с изучением и моделированием деятельности центральной нервной системы человека и животных для использования закономерности их строения при создании новых технических приспособлений, кибернетических систем.
Мы будем рассматривать нейробионику с трех позиций:
искусственный интеллект
нанороботы
киборги
1. Иску́сственный интелле́кт — это наука и разработка интеллектуальных машин и систем, особенно интеллектуальных компьютерных программ, направленных на то, чтобы понять человеческий интеллект.
Различные виды и степени интеллекта существуют у многих людей, животных и некоторых машин, интеллектуальных информационных систем и различных моделей экспертных систем с различными базами знаний. При этом как видим такое определение интеллекта не связано с пониманием интеллекта у человека — это разные вещи. Более того, эта наука моделирует человеческий интеллект, так как с одной стороны, можно изучить кое-что о том, как заставить машины решить проблемы, наблюдая других людей, а с другой стороны, большинство работ в ИИ вовлекают изучение проблем, которые требуется решать человечеству в промышленном и технологическом смысле.
Отношение к ИИ в обществе. Если в будущем машины смогут рассуждать, осознавать себя и иметь чувства, то что тогда делает человека человеком, а машину — машиной?
2. Нанороботы. Современная наука и инженерия нуждаются в помощи роботизированной техники для решения различных задач. При этом проблемы, все чаще встающие перед учеными, требуют создания не гигантов, способных вырыть котлован одним движением ковша, а крошечных, невидимых глазу машин. Эти продукты инженерии не похожи на роботов в привычном понимании, однако способны самостоятельно выполнять сложные задачи по имеющимся алгоритмам. Такие машины называют нанороботами. Микроскопические роботы могут решать массу важных для человечества задач, совершить переворот в медицине, уничтожать вредные отходы и даже готовить необходимую людям инфраструктуру для жизни на других планетах. Однако любой, даже самый мизерный программный сбой может оказаться для человечества фатальным.
Современные достижения
В мире появился первый наноробот, который уже успешно прошел первые лабораторные испытания. Ученые из американского Университета Джона Хопкинса создали наноробота для использования в медицинских целях в организме человека. Таким образом, создание первых нанороботов уже не дело далекого будущего - а реалии сегодняшнего дня. Этих нанороботов планируется использовать в медицинских целях - устройства будут заниматься решением проблем на клеточном уровне.
Согласно современным теориям, нанороботы должны уметь осуществлять двустороннюю коммуникацию: реагировать на акустические сигналы и быть в состоянии подзаряжаться или перепрограммироваться извне посредством звуковых или электрических колебаний. Внешний вид наноробота довольно причудлив - у него есть туловище и три пары конечностей с клешнями, которыми аппарат сможет манипулировать с частичками ткани. При этом конечности наноробот выпускает лишь при достижении цели, а в организме человека аппарат передвигается в виде шарика. Нанороботу не нужно дополнительного питания - заряжается от с помощью тепловых, биохимических и магнитных импульсов. В рамках эксперимента нанороботу было дано задание - пролезть в специальную пробирку с живой тканью и найти определенные частицы. Наноробот успешно выполнил задание - он выбрал именно те частицы, которые и были предусмотрены программой. Однако наноробот ещё требует усовершенствования - сейчас он способен лишь захватывать клетки, но не умеет переносить их.
3.Киборг — биологический организм, содержащий механические компоненты; реже неверно используется в качестве термина для обозначения робота, содержащего биологические компоненты (данное значение термина популяризовано во многом благодаря серии кинофильмов «Терминатор», хотя все терминаторы — роботы, а не киборги).Термин введен 1960 году, в связи концепцией расширения возможностей человека для выживания вне Земли. Эта концепция являлась результатом размышлений на тему необходимости более близких отношений между человеком и машиной, по мере того как космические исследования становятся реальностью.
Цели создания
Применение человекообразных роботов-киборгов имеет самый широкий спектр, и первостепенными качествами киборга в предполагаемых областях его использования являются: устранение так называемого «человеческого фактора», возможность эксплуатации без усталости присущей живому организму, возможность применения в экстремальных условиях
Возрастание зависимости человека от механизмов, а также замена органов механическими приспособлениями (протезами, имплантатами) создаёт условия для постепенного превращения человека в киборга. Техника по сути является проекцией человека: одежда — проекция кожи, молоток — проекция кулака, кастрюля — органопроекция желудка. Тонкая грань между киборгом и роботом проходит в принципиальном различии рассматриваемых систем, и с ростом успехов в биотехнологии и микроэлектронике неуклонно сокращается в сторону сращивания различий понятия киборга и робота.
Японская корпорация Cyberdyne начала экспорт экзоскелетов HAL-5 за пределы страны. Шесть HAL-5 в августе получат датские госпитали. Там экзоскелеты в течение полугода будут проверяться на безопасность и эффективность.
HAL-5 — Устройство представляет собой робокостюм, позволяющий пациентам с различными формами паралича передвигаться и даже поднимать тяжелые объекты. Он улавливает через кожу сигналы мозга и преобразует их в команды для передвижения. Фактически речь идет об объединении человека и устройства в кибернетический организм, киборг.
HAL разрабатывается уже более пяти лет. «Рост» робокостюма составляет 1 метр 60 сантиметров. Стандартный экзоскелет весит 23 килограмма. Костюм компенсирует свой вес, так что пользователь его не замечает. Аккумулятор обеспечивает автономную работу HAL-5 в течение двух с половиной часов.
Контрольные вопросы:
1. Дать понятие бионики.
2. Охарактеризовать современные достижения в области бионики.
6 394
8 025 
