морфогенеза в биологии и некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики и автоколебательных процессов в химии (т. н. реакция самоструктурирования химических соединений Белоусова-Жаботинского) до эволюции звезд и космологических процессов, от электронных приборов до формирования общественного мнения и демографических процессов.
2.29. Химические концепции
Физические концепции и модели являются основой всего естествознания. Однако сегодня принято говорить и о специфических идеях и моделях, характерных для химии. Эти модели позволяют понять место химии среди других естественных наук.
По признанию большинства ученых, химия – это экспериментальная наука о превращениях веществ. В связи с этим центральное понятие всей химии – это вещество и процессы его превращения, или химическая реакция. Что же касается методов исследования, то центральное место в химии занимает эксперимент. Роль теории в химии сводится к систематизации полученных на опыте фактов и их эмпирическому объяснению. Как отмечал еще Д.И. Менделеев, химия в отличие от многих других наук сама создает свой предмет исследования, ибо она одновременно является и наукой и производством. Отсюда вытекает главная задача химии – получение веществ с заданными свойствами и установление способов управления свойствами веществ в процессе их превращения.
Очевидно, что понятие вещества и химической реакции в том или ином виде присутствует и в физике. В связи с этим часто говорят, что в химических превращениях участвуют не сами вещества, а их микроскопические части – молекулы, атомы, электроны. Хотя спорить с этим невозможно, попытки последовательно вывести теоретические предсказания химии на основе только химических законов, описывающих поведение микрочастиц, терпит неудачу. Это можно объяснить тем, что элементарные понятия любой науки существуют не сами по себе, а только внутри самой этой науки. Иначе говоря, в химии приходится иметь дело с плохо обусловленными системами, а попытки их математического описания приводят либо к некорректным, либо чаще всего к вовсе неформализуемым задачам.
Таким образом, химическая составляющая научной картины мира объективно существует, ибо превращения веществ происходят и в космосе, и в горных породах, и в океане, и в атмосфере, и в почве, и в живых организмах, не говоря уже о многочисленных химических производствах, созданных человеком.
Поскольку химия – экспериментальная наука, роль моделирования в ней необычайно возрастает, однако само моделирование в химии оказывается гораздо более сложной проблемой. Оно происходит на основе измерений в плохо обусловленной системе, то есть представляет собой некорректную задачу. Поэтому химическая теория состоит из множества моделей, каждая из которых применима к интерпретации лишь определенного круга данных и может быть принципиально неприменима к объяснению фактов, не попавших в этот круг. Модели внутри разных разделов химии могут давать различные, даже противоположные предсказания. В некоторых случаях модели химии могут быть вложены друг в друга, что создает мозаичную картину теории в целом.
Среди всех химических моделей можно выделить модели с очень широкой областью применимости, создающие основу современного химического языка. К числу таких моделей относятся четыре модели – стехиометрическая, атомно-молекулярная, геометрическая и электронная. Появление каждой из них произвело в свое время переворот во взглядах химиков.
С современной точки зрения, стехиометрическая модель означает использование химических формул и уравнений, атомно-молекулярная модель – описание реакций как внутри, так и в межмолекулярных перегруппировках атомов, геометрическая модель определяет язык структурных формул и геометрических молекулярных параметров, а электронная модель выводит реакционную способность веществ из электронного строения молекул. Эти модели вложены друг в друга: каждая последующая использует и детализирует результаты предыдущих.
Перечисленные модели для химии являются разными ступенями целостной фундаментальной модели – вещества и его превращения. Все они (кроме электронной) используются как в классической, так и в неклассической стратегиях познания. Однако в каждой из этих стратегий есть своя специфика, отражающая роль неконтролируемого воздействия и других факторов, приводящих к отклонениям от классического детерминизма.
68
Как уже отмечалось, в основе химии лежат фундаментальные понятия вещества и химической реакции. В рамках классической стратегии познания эти понятия являются жестко определенными, что отражено в постулатах простейшей стехиохимической модели: химические элементы содержатся в веществе в определенных пропорциях, их количество сохраняется в ходе реакции; вещества и их превращения существуют сами по себе; валентность – это определенная мера родства вещества веществу; химические реакции не зависят от условий их протекания.
Вреальных условиях все эти предположения нарушаются. В частности, вещества постоянного состава – это, скорее, исключение, чем правило. Фактически большинство веществ в природе или в химическом производстве – это вещества переменного состава. Любое вещество, если это только не чистый элемент, содержит значительные примеси продуктов его превращений. С этой точки зрения, химическое равновесие – это просто способ представить вещество несколькими химическими формулами вместо одной. Иными словами, разделение химического вещества и реакции не является абсолютным.
Наконец, последовательное применение понятия равновесия к химической реакции показывает, что любая реакция, строго говоря, всегда должна давать сложную многокомпонентную смесь продуктов, зависящую от условия протекания реакции. Например, результаты реакции горения органических соединений зависят от концентрации кислорода.
Таким образом, представление о том, что стехиометрическое уравнение дает точное описание какой-либо реакции, является чисто классическим. Химическая реакция, как правило, – это переход от одного распределения веществ (реагенты) к другому их распределению (продукты), в число которых входят как интересующие нас вещества, так и посторонние примеси.
Врамках атомно-молекулярной модели химические реакции – это перераспределение атомов внутри молекулы либо между молекулами веществ-реагентов. При теоретическом описании в этом случае центр тяжести переносится с взаимодействия веществ на взаимодействие молекул. Однако само это взаимодействие описывается теорией химической связи нереагирующих молекул. Как правило, она мало что может сказать об особенностях динамической перестройки молекул в ходе реакций. Чтобы описать химические превращения на молекулярном уровне, для каждой исследуемой реакции необходимо перепробовать много каналов реакций и учесть несколько переходных состояний в каждом канале.
Теория химической связи или теория валентности на классическом уровне сводится к отнесению того или иного вещества к определенной категории – одновалентное, двухвалентное и т.п. вещества, что означает введение определенного числа черточек в химических формулах вещества. При этом не учитывается ни интенсивность данной связи, ни возможности ее разного проявления при вступлении в реакцию с другими разными веществами. Такая классическая теория валентности возникла в середине XIX века в трудах Й. Берцеллиуса и Ф. Кекуле.
Следующая по сложности модель – это геометрическая или структурная модель, получившая распространение в химии благодаря трудам Ш. Жерара и А.М. Бутлерова. Она позволила пространственно представить структуру соединения, понять причину появления веществ-изомеров и т.п. С точки зрения теории химических реакций, она не только предписывала каждой молекуле определенное геометрическое положение атомов в пространстве, но и позволяла трактовать любое химическое превращение как непрерывный переход от одной геометрической конфигурации атомов к другой. Поскольку исходное положение атомов в пространстве задается координатами, а их перемещение в ходе реакций предполагается происходящим по траекториям, нетрудно понять, что геометрическая модель является классической теорией строения молекул.
На самом же деле, строение атомов и молекул, поведение электронов в них подчиняются законам квантовой физики. Поэтому геометрическая модель в рамках классической стратегии познания ограничивает возможности химической теории построением упрощенных механизмов превращения молекул. Сэтой точки зрения все химические факты распадаются на две существенно разные области:
•огромный массив данных по строению нереагирующих веществ, где геометрическая модель
сучетом найденных на опыте параметров, в известной степени применима;
•данные по реакционной способности, не воспроизводимые на основе геометрической модели. Основные достижения атомно-молекулярной и геометрической модели состоят в том, что
они стали мощными средствами систематизации огромного экспериментального материала. В конце XIX и начале XX века химики изучали исходные реагенты и продукты реакций. И только в
69
начале 30-х годов XX века перед химиками вплотную встала задача о реформировании собственного молекулярно-структурного языка этой науки. В итоге родилась электронная модель, целиком относящаяся к неклассической химии.
Классическая стратегия познания проявляет себя в способности учитывать условия химических реакций. В рамках этой стратегии предполагается, что реакции осуществляются при определенной температуре и давлении и при отсутствии воздействия веществ, способных резко изменить скорость и эффективность реакций (катализаторы, ингибиторы и ферменты). Как показывает история химии, на этом пути удается получить довольно ограниченный набор веществ. Переход к проведению реакций при изменяющихся внешних условиях и неизмеримо возросшая роль катализа и других управляющих воздействий, в основном, неконтролируемого типа, также отличает неклассическую химию от классической.
2.30. Глобальная экология и перспективы земной цивилизации
Говорить о том, что все серьезные изменения, произошедшие в природной среде, – дело рук человечества, было бы верхом самоуверенности. Воздействие человека на природу происходит на фоне естественных изменений, масштабы которых порой бывают очень значительны.
Так за последние десятки тысячелетий одним из главных факторов подобных «фоновых» перестроек ландшафтов был климат: существование гигантских ледников на пространствах Северной Евразии и Северной Америки влекло за собой серьезные климатические изменения практически по всей Земле. Исследователи также отмечают наличие определенных циклов этих изменений: чередование глобальных потеплений и похолоданий, характерных для всего северного полушария.
Но в последние тысячелетия с антропогенным воздействием на природу планеты приходится считаться. Цивилизация и технологии сделали заметный толчок в своем развитии. Изменился вид человеческих поселений, внешний облик человека изменился до неузнаваемости, длинный путь развития прошли орудия человеческой деятельности. Но ритм жизни человечества, как в прошедшие эпохи, так и сегодня, определяется одним – возможностью доступа к тем или иным природным ресурсам.
За годы такого сосуществования с природой запасы природных ресурсов заметно сократились. В связи с этим перед человечеством встала проблема сохранения ресурсов и охраны окружающей среды.
Охрана почв является одной из важнейших задач человечества, так как любые вредные соединения, находящиеся в почве, рано или поздно попадают в организм человека.
Во-первых, происходит постоянное вымывание загрязнений в открытые водоемы и грунтовые воды, которые могут использоваться человеком для питья и других нужд. Эти загрязнения из почвенной влаги, грунтовых вод и открытых водоемов попадают в организмы животных и растений, употребляющих эту воду, а затем по пищевым цепочкам они также могут попасть в организм человека.
По оценкам исследователей, в биосферу поступает ежегодно около 20-30 млрд. тонн твердых отходов. И это меньше чем на 6 млрд. человек!
Литосферные загрязнения, большинство из которых антропогенного характера, можно разделить по источнику их поступления в почву:
1.Многие химические соединения, попадающие в атмосферу в результате работы предприятий, затем растворяются в капельках атмосферной влаги и с осадками попадают в почву.
2.Твердые и жидкие соединения при сухой погоде обычно оседают непосредственно в виде пыли и аэрозолей.
3.В сухую погоду газы могут непосредственно поглощаться почвой, особенно влаж-
ной.
4.Различные вредные соединения, в любом агрегатном состоянии, поглощаются листьями через устьица или оседают на поверхности. Затем, когда листья опадают, все эти соединения поступают в почву.
70
Если выделить главное, то наблюдается следующая картина загрязнения почвы: мусором, выбросами, отвалами, отстойными породами, тяжелыми металлами, пестицидами, радиоактивными веществами.
Воздух является таким природным ресурсом, отсутствие которого станет неразрешимой проблемой для человека менее чем через минуту.
Загрязнение атмосферы происходит в основном в результате работы промышленности, транспорта, которые в совокупности выбрасывают ежегодно огромное количество вредных веществ.
Основными загрязнителями атмосферы на сегодняшний день являются окись углерода и сернистый газ. Но нельзя забывать и о фреонах, или хлорфторуглеводородах. Именно их большинство ученых считают причиной образования так называемых озоновых дыр в атмосфере. Фреоны широко используются в производстве и в быту в качестве хладореагентов, пенообразователей, растворителей, а также в аэрозольных упаковках. А именно с понижением содержания озона в верхних слоях атмосферы медики связывают рост количества раковых заболеваний кожи.
Известно, что атмосферный озон образуется в результате сложных фотохимических реакций под воздействием ультрафиолетовых излучений Солнца. Хотя содержание озона в атмосфере невелико, его значение для биосферы огромно. Озон, поглощая ультрафиолетовое излучение, предохраняет все живое на Земле от гибели. Фреоны же, попадая в атмосферу, под действием солнечного излучения распадаются на ряд соединений, из которых окись хлора наиболее интенсивно разрушает озон.
Благодатные капли дождя всегда радовали человека. Но в некоторых районах земного шара дожди превратились в серьезную опасность. Возникла трудная в своем решении проблема кислотных дождей, которая на международном уровне была впервые поднята Швецией на конференции ООН по окружающей среде. С тех пор она превратилась в одну из главных природоохранных проблем человечества. Кислотные дожди губительно действуют на природу водоемов, наносят ущерб лесной растительности и сельскохозяйственным культурам, наконец, все эти вещества представляют определенную опасность для жизни человека.
Водные ресурсы планеты являются не менее важными для всего живого, чем земля и воздух. На свои нужды человечество использует, прежде всего, пресные воды. Их объем составляет чуть больше 2% гидросферы, причем распределение водных ресурсов по земному шару крайне неравномерно. В Европе и Азии, где проживает 70% населения мира, сосредоточено лишь 39% речных вод. Общее потребление речных вод возрастает из года в год во всех районах мира. Известно, на-
пример, что с начала XX века потребление пресных вод возросло в 6 раз.
Недостаток воды усугубляется ухудшением ее качества. Используемые в промышленности, сельском хозяйстве и в быту воды поступают обратно в водоемы в виде плохо очищенных или вообще неочищенных стоков. Таким образом, загрязнение гидросферы происходит, прежде всего, в результате сброса в реки, озера и моря промышленных, сельскохозяйственных и бытовых сточных вод. Именно в этом, а не в росте непосредственного водозабора – главная причина обострения проблемы пресной воды.
В настоящее время к числу сильно загрязненных относятся многие реки – Рейн, Дунай, Сена, Волга, Днепр, Днестр и др. Растет загрязнение мирового океана. Причем здесь существенную роль играет не только загрязнение стоками, но и попадание в воды морей и океанов большого количества нефтепродуктов. В целом, наиболее загрязнены внутренние моря – Средиземное, Северное, Балтийское, а также Бискайский, Персидский и Мексиканский заливы.
Кроме того, человек осуществляет преобразование вод гидросферы путем строительства гидротехнических сооружений, в частности водохранилищ. Крупные водохранилища и каналы оказывают серьезное отрицательное воздействие на окружающую среду: изменяют режим грунтовых вод в прибрежной полосе, влияют на почвы и растительные сообщества, их акватории занимают большие участки плодородных земель.
Изменяя свой мир, человек, желает он того или нет, существенно вмешивается в жизнь своих соседей по планете. По данным, международного союза охраны природы, с 1600 года на Земле вымерло 94 вида птиц и 63 вида млекопитающих. Уменьшаются в количестве и исчезают редкие насекомые, что связано как с реакцией на применение различного рода пестицидов, так и с уничтожением их коренных мест обитания.
71
Механизм гибели вида гораздо проще, чем его можно себе представить. Зоологи поняли это, когда им удалось проанализировать большое число неудачных случаев акклиматизации животных в угодьях, безусловно, подходящих для завозимых видов. Оказалось, что неудачами кончался завоз малых групп животных. Выяснилось, что 2-3 пары животных при отсутствии постоянных, пусть даже сравнительно редких контактов с себе подобными, не могут обжить территорию. В большинстве случаев у них подавляется способность к размножению или они гибнут от стресса, от болезни напряжения. Подобное же положение возникает при большом разрежении естественной популяции. Совершенно необязательно уничтожать всех до одного животных, чтобы обречь вид на исчезновение. Достаточно сильно сократить его численность, уменьшить или разрознить участки обитания, в чем человечество, особенно в последние столетия, заметно преуспевает.
Несмотря на то, что каждая из обсуждавшихся здесь глобальных проблем имеет свои варианты частичного или более полного решения, существует некий набор общих подходов к решению проблем окружающей среды. Кроме того, за последнее столетие человечество разработало ряд оригинальных способов борьбы с собственными, губящими природу недостатками.
К числу таких способов (или возможных путей решения проблемы) можно отнести возникновение и деятельность разного рода «зеленых» движений и организаций. Кроме пресловутого «Green Peace», отличающегося не только размахом своей деятельности, но и, порой, заметным экстремизмом действий, а также аналогичных организаций, непосредственно проводящих природоохранные акции, существует другой тип экологических организаций – структуры, стимулирующие и спонсирующие природоохранную деятельность, например, Фонд дикой природы.
Кроме разного рода объединений, отстаивающих у цивилизации права постепенно уничтожаемой ею природы, в сфере решения экологических проблем существует целый ряд государственных или общественных природоохранных инициатив. Например, природоохранное законодательство в России и других странах мира, различные международные соглашения или система «Красных книг».
Международная «Красная книга» – список редких и находящихся под угрозой исчезновения видов животных и растений – в настоящий момент включает пять томов материалов. Существуют также национальные и даже региональные «Красные книги».
В числе важнейших путей решения экологических проблем большинство исследователей также выделяет внедрение экологически чистых, мало- и безотходных технологий, строительство очистных сооружений, рациональное размещение производства и использование природных ресурсов.
Несомненно, важнейшим направлением решения стоящих перед цивилизацией экологических проблем стоит назвать повышение экологической культуры человека, серьезное экологическое образование и воспитание, все то, что искореняет главный экологический конфликт – конфликт между дикарем-потребителем и разумным обитателем хрупкого мира, существующий в сознании человека.
Современная цивилизация, достигнув высокого уровня научно-технического прогресса, не только нанесла значительный урон природе, но и научилась жить в условиях ухудшающегося экологического положения. В наиболее промышленно развитых странах в последние десятилетия значительные средства тратятся на уменьшение последствий деградации окружающей среды. Однако – и это принципиально – все меры, принимаемые в мире для сохранения окружающей среды, носят тактический, а не стратегический характер, ибо они не касаются главного – структуры потребления. К тому же развитые страны и в начале XXI века тратят значительные средства на вооружение, стараясь контролировать ситуацию в мире не только экономическим и политическим, но и военным путем. Между тем военные столкновения – всегда поражения природы, поскольку во время войны о природе если и помнят, то только как о месте военных операций и источнике ресурсов для них.
72
Экологическая и вообще глобальная проблематика универсальна и наднациональна. Необходимо осознать, что экологическое состояние каждой страны в перспективе зависит от состояния природной среды других стран. Никогда и никакая другая проблематика не соединяла так людей разных национальностей, вероисповедания, уровня развития, как проблема экологии. Однако человечество, будучи экологически и демографически тесно связанным и единым, не чувствует подобного единства в культурно-цивилизационном смысле. Цивилизации находятся на разных уровнях развития, имеют неравные возможности ставить и решать экологические проблемы. Это создает иллюзию возможности выживания поодиночке, особенно у промышленно развитых стран.
В наши дни опасно пытаться решать национально-региональные проблемы одного региона за счет других, вне учета целостности человечества, абсолютной взаимосвязи человека и природы. Однако это обстоятельство еще не осознано. Сегодня многие промышленно развитые страны предпочитают решать свои локальные экологические проблемы, мало заботясь о передаче безотходных технологий менее развитым странам и подготовке соответствующих кадров для них. Более того, ряд передовых государств, разрушают природную среду других стран, размещая на их территории хранилища ядерных отходов, вредные в экологическом плане предприятия и т.д.
Борьба за выживание должна быть сопряжена с борьбой за время, поскольку оно может оказаться принципиальным фактором в экологически глобальном смысле – человек может не успеть приспособиться к новым реалиям. Отождествив время с физическим временем, бесконечным и однонаправленным, мы не научились ценить время Человека и Человечества, не задумываясь над тем, что не только жизнь индивида, но и человеческого рода может иметь конец.
К сожалению, пока ответ человечества на вызов глобальных проблем вообще и экологических в особенности явно не достаточен. Возможно, это связано с тем, что огромной части человечества не до экологии, ибо люди в первую очередь нацелены на решение более конкретных вопросов, связанных и с непосредственным выживанием, и с удовлетворением растущих потребностей.
73