Том 1 (1109823), страница 36
Текст из файла (страница 36)
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 СВЕТ И ЖИЗНЬ Почти 300 лет назад английский физик Исаак Ньютон (1642 — 1727) получил спектр видимога света, пропустив его луч через призму. С помощью этого эксперимента было показано, что белый свет состоит из целого ряда разных цветов — от фиолетового на одном конце спектра до красного на другом. Разделение их возможно благодаря таму, что лучи различного цвета, проходя через призму, преломляются под разными углами.
В Х(Х в. гениальный английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831 — 1879) установил, что видимый нами свет Рисунок зг одной из статей Ньютоне, иллюслгрируюьзей его «ключевой зкст- римент па раз.южению белого» цеста на соспювлкюиры. Солнечный сеет про- пикает е темную комнату слева и, лро- кодл через призму А, даегл цветной спектр. Отверстие у щюлускает лучи только одного цвета. прохода через вторую призму р, они преломляются, на не изменпют окраски. Таким образом Ньютон продеманстрираеал, члю мма призма не меняет цвет лучей, а просто по-разному преломллет лучи разно~о цеегла является лип ь малой частью непрерывного спектра электромагнитных колебаний. Как показал Максвелл, вся образующая этот спектр радиация распространяется в виде волн.
Их длины, т. е. расстояния от одного максимума волны до другого, варьируют в широких пределах — он нанометров у рентгеновских лучей до километров у низкочастотных радиоволн. Чем меньпзс длина волны, тем больше ее энергия. В видимом спектре у красного света длина волны максимальная, а у синего — минимальная.
Общим свойспюм радиации является ее способность распространяться в вакууме со скоростью 300 000 км/с. К 1900 г. стало ясно, что волновая теория света не всегда адекватно объясняет экспериментальные факторы. Например, в 18еЗ г. был поставлен на первый взгляд довольно простой опыт. Оказалось, что цинковая пластинка, облученная ультрафиолетом. приобретает положительный заряд. Вскоре было установлено, что металл заряжается, так как радиация за счет своей энергии выбивает электроны из его атомов. Впоследствии обнаружилось, что этот фотоэлектрический эффект свойствен всем металлам, причем у кахгдого из них он проявляется при свойственной только данному эле- менту критической длине волны.
Другими словами, необходимо облучение волнами определенной нли более короткой (т. е. имеющей ббльшую энергию) длины. Гипотеза, сформулированная Бором и другими физиками, о том, что электронные орбитали атомов имеют специфические энергетические уровни, основана на этих наблюдениях.
У некоторых элементов, например натрия, калия и селена, зта критическая длина волны наход»пои в пределах видимого спектра. Поэтому обычный свет может вызвать в них движение электронов (электрический ток). Работа электрических «глаз», открывающих, например, двери, а также фотоэкспонометров и телевизионных камер основан на этом принципе превращения световой энергии в электрическую. Это довольно сложный вопрос. Волновая теория утверждает, что чем ярче свет, тем болыпе сила, «выбивающая» электроны из атомов.
Однако важна длина волны, а не яркость. Даже эффект, тогда как более яркий, но с ббльшей длиной полны его не дает. Более того, при увеличении яркости критического света возрастает число выбиваемых из металла электронов, но не скорость, с которой они покидают атомы. г1тобы увеличить ее', нужно использовать более коротковолновый свет. Кроме того, энергии нет необходимости накапливаться в металле. Даже слабый свет с критической длиной волны действует мгновенно.
Чтобы объяснить эти явления, Альберт Эйнштейн в 1905 г. сформулировал квантовую теорию света. Согласно ей, свет состоит из частиц знерпзи, называемых фотонами, или квантами света. Энергия фотона (или кванта) всегда обратно пропорциональна длине снеговой полны, т.
е. чем длиннее полна, тем ниже ее энергия. Фотоны фиолетового света, например, несут почти вдвое больше энергии, чем фотоны красного света, имеющего максимальную длину волны в видимой области. Волновая теория позволяет физикам описывать некоторые свойства света одним математическим способом, а квантовая — другим. Обе эти модели не противоречат друг другу, а являются взаимодополняющими. Для более полного описания такого сложного явления, как свет, необходимо использовать их обе. Сосущеспювание двух этих теорий иллюстрирует одну из тонкостей научного метода. Если ученый определяет и измеряет свет как волны, тот и прояиляет волновые свойства.
Если же использовать квантовый подход„то свет «выглядит» как поток частиц. Клк сказал А. Эйнштейн: «Наши наблюдения зависят от теории, которой мы поль:ьуемся». Красный Оранжевый Желтый Зеленый Синий Фиолетовый Белый сеет, проходя через призму, раз- лагается на спеюпр различныз ценила.
Это обусловлено тем, члю лучи каждою цеета слегка ргыличаются по длине волны Как показал Максвелл, видимый свет — лишь небольшая часть общего спектра радиации. С физической точки зрения разница между светом и темнотой, столь очевидная для человека, состоит только в нескольких нанометрах длины волны. «Качественных» границ у светового спектра нет. Почему же лишь малая часть электромагнитного излучения ответственна за зрение, фототропизм (стремление организмов к свету), фотопериодизм (сезонные изменения, которые происходят в существах в зависимости от длины дня и ночи), а также за процесс фотосинтеза, от которого зависит вся жизнь? По сути вся биологическая активность связана с 330 430 600 660 600 Длина лолли (нм) 760 одними и теми же длинами волн.
Что это, простое совпадение? Один из выдающихся специалистов, изучающих процессы взаимосвязи света и живых организмов, — Джордж Уолд нз Гарвардского университета отвечает на эти вопросы отрицательно. Он полагает, что жизнь, где бы она ни сущеспювала, должна зависеть от одного и того же участка широкого спектар радиации. В основе его предположения лежат две гипотезы. Во-первых, живое состоит из громадных сложных молекул, которые имеют сложные взаимосвязи и специфические конфигурации, поддерживаемые в основном водородными или другими, еще более слабыми связями. Радиация с более мощной, чем у синего света, энергией может разорвать их, нарушив структуру и функцию этих молекул.
При длине волны менее 200 нм она выбивает электроны из атомов, образуя ионы, поэтому называется ионизирующей. Энергия излучения с длиной волны больше, чем у видимого света, сильно поглощается водой, образующей ббльшую часть массы живых организмов. Если свет с такой длиной волны и достигнет органических молекул, то сможет лишь увеличить их подвижность, но не изменит нх структуру. Только излучение видимой части спектра способно возбуждать молекулы, т. е.
другой, вызывая за счет этого изменения биологических систем. Вторая идея заключается в том, что видимый свст в отличие от других участков спектра электромагнитной радиации был «выбран» организмами как наиболее доступный. Основная часть солнечного излучения, достигакяцая нашей планеты, лежит в пределах этой области. Имеющие более высокую знсрппо (т. е. более короткие) волны зкранируются кислородом и озоном в высоких слоях атмосферы, а значительная часть инфракрасной радиации поглощается водяными парами и углекислотой, не успевая достичь земной поверхности.
Зто можно назвать «приспособленностью окружающей среды»; пригодность условий для жизни н соответствие живых систем физическим параметрам среды — явления взаимосвязанные. Если бы такая взаимосвязь отсутствовала, жизнь была бы невозможной. ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ЦИКЛ УГЛЕРОДА В процессе фотосинтеза живые системы поглощают углекислоту из атмосферы и включа*от ее в органические, углерод- содержащие соединения. В процессе дыхания эти соединения распадаются вновь до СО и Н,О.
Зти процессы в глобальном масштабе и образуют цикл углерода. Главными фото- синтезирующими компонентами в этом цикле являются растения н фитопланктон, морские водоросли и цианобактсрии. Они синтезируют углеводы из углекислоты и иоды и выделяют кислород в атмосферу. При фотосинтезе около 75 млрд. т углерода связывается в углеродсодержащие соединения за год. Часть углеводов используется самими фотосинтезирующими организмами. Растения выделяют СО из корней и листьев, а морские водоросли и цианобактерии выделяют СО, в воду, где поддерживается равновесие с углекислотой воздуха. Около 500 млрд.
т углерода запасено в виде растворенной углекислоты в морях и 700 млрд. т — в атмосфере. Часть углеводов используется животными, которые питаются растениями, водорослями и другими организмами и выделяют при этом углекислоту. Громадное количество углерода содержится в отмерших остатках растений и других организмов. Кроме того, опавшие листья, раковины, фекалии и другие отбросы, которые накапливаются в почве или падают на дно океана, разлагаются редуцснтами — небольшими беспозвоночными, бактериями и грибами. В результате этих процессов СО выделяется в воздух и воду. Далее, большой запас углерода лежит ниже поверхности почвы, в глубоких слоях земли в виде каменного угля и нефти, которые образовались много миллионов лет назад. Естественные процессы фоюсинтеза и дыхания сбалансированы мехсду собой.
В течение многих миллионов лет содержание углекислоты в атмосфере, насколько мы можем судить, оставалось постоянным. По об.ьему это очень малая часть атмосферы — около 0,03%. Зто очень важно, поскольку углекислота, как и другие компоненты атмосферы, поглощает тепло солнечных лучей. Начиная с 1850 г. концентрация углекислоты в атмосфере начала расти, частично за счет использования ископаемого топлива, увеличения пахотных угодий, истребления лесов, особенно в тропиках.
Некоторые экологи предсказывают, что увеличение утлекислотного «покрова» увеличит температуру на Земле и соответственно приведет к расширению площадей, занятых пустынями. Другие, настроенные более оптимистично, предвидят повышение фотосинтетической активности растений и водорослей, связанное с увеличением количества углекислоты. Большинство, однако, испытывает тревогу в связи с тем фактом, что котя последствия нашей деятельности трудно предсказуемы, мы активно ее продолжаем. нога угле!юеа, аыраженные е миллиирдак тоны Каличестао углерода, еыдгллемае при дыкании и сжигании гпопли- СО в атмосфере ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ных, анализ величины б 'зС в содержимом их желудка и фекалиях позволяет определить, какие растения — С - или С— — предпочитают употреблять в пищу те или иные расгительноядные.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
