Шпаргалка: Основы естествознания
ВОПРОСЫ К экзамену
по курсу «Концепции современного естествознания»
1. Научный метод. Классификация методов научного познания.
2. Картина мира мыслителей древности.
3. Гелиоцентрическая система мира. Учение о множественности миров.
4. Механистическая картина мира.
5. Электромагнитная картина мира. Теория относительности и квантовая механика.
6. Пространство и время. Принципы относительности. Необратимость времени.
7. Понятие о симметрии. Принципы симметрии.
8. Взаимодействия. Близкодействие, дальнодействие. Принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности.
9. Закон сохранения и превращения энергии в макроскопических процессах.
10. Понятие об энтропии и принципы ее возрастания.
11. Порядок и хаос. Проблема тепловой смерти вселенной.
12. Синергетика. Рождение порядка и хаоса. Синергетическое видение эволюции Вселенной.
13. Основные понятия и представления химии в системе естествознания.
14. Теория возникновения жизни: креационизм. Спонтанное зарождение, панспермия, стационарное состояние.
15. Теория биохимической эволюции.
16. Теория эволюции Ламарка
17. Теория эволюции Дарвина.
18. Факторы, подтверждающие теорию эволюции: палеонтология, сравнительная анатомия, эмбриология и др.
19. Синтетическая теория эволюции.
20. Генетика и эволюция. Этапы развития генетики ее роль в формировании теории эволюции.
21. Единство и многообразие органического мира.
22. Жизнь как биологических круговорот веществ, цепи питания.
23. Хромосомы и их наследственность. ДНК - основной материальный носитель наследственности.
24. Происхождение и этапы эволюции человека. Человеческие расы.
25. Биоэтика и поведение человека.
26. Человек эмоции творчество.
27. Человек, здоровье и работоспособность.
28. Человек и биосфера. Концепции В.И. Вернадского о биосфере и феномене человека.
29. Космические циклы и их влияние на биосферу Земли.
30. Цикличность эволюции. Человек как космическое существо.
31. Происхождение Вселенной: эволюция и строение галактик.
32. Строение и эволюция звезд и земли.
33. Современная естественнонаучная картина мира.
34. Современная концепция экологии.
35. Экологические системы и их структура.
36. Взаимодействие экосистемы и окружающей Среды.
37. Энергетическая характеристика экосистемы.
Ответы
1. Научный метод — совокупность основных способов получения новых знаний и методов решения задач в рамках любой науки. Метод включает в себя способы исследования феноменов, систематизацию, корректировку новых и полученных ранее знаний. Умозаключения и выводы делаются с помощью правил и принципов рассуждения на основе эмпирических (наблюдаемых и измеряемых) данных об объекте[1]. Базой получения данных являются наблюдения и эксперименты. Для объяснения наблюдаемых фактов выдвигаются гипотезы и строятся теории, на основании которых формулируются выводы и предположения. Полученные прогнозы проверяются экспериментом или сбором новых фактов.[2]. Важной стороной научного метода, его неотъемлемой частью для любой науки, является требование объективности, исключающее субъективное толкование результатов. Не должны приниматься на веру какие-либо утверждения, даже если они исходят от авторитетных учёных. Для обеспечения независимой проверки проводится документирование наблюдений, обеспечивается доступность для других учёных всех исходных данных, методик и результатов исследований. Это позволяет не только получить дополнительное подтверждение путём воспроизведения экспериментов, но и критически оценить степень адекватности (валидности) экспериментов и результатов по отношению к проверяемой теории. Методы научного познания принято подразделять по степени их общности, т. е. по широте применимости в процессе научного исследования. Всеобщих методов в истории познания известно два: диалетический и метафизический. Вторую группу методов познания составляют общенаучные методы, которые используются в самых различных областях науки, т. е. имеют весьма широкий, междисциплинарный спектр применения. Классификация общенаучных методов тесно связана с понятием уровней научного познания. Различают два уровня научного познания: эмпирический и теоретический. Эмпирический уровень научного познания характеризуется непосредственным исследованием реально существующих, чувственно воспринимаемых объектов./ Теоретический уровень научного познания характеризуется преобладанием рационального момента - понятий, теорий, законов и других форм и «мыслительных операций». Обратимся, прежде всего, к методам, которые находят применение на эмпирическом уровне научного познания - к наблюдению и эксперименту. Наблюдение - это преднамеренное и целенаправленное восприятие явлений и процессов без прямого вмешательства в их течение, подчиненное задачам научного исследования. Эксперимент, в отличие от наблюдения - это метод познания, при котором явления изучаются в контролируемых и управляемых условиях. Анализ - процесс мысленного, а нередко и реального расчленения предмета, явления на части (признаки, свойства, отношения). А теперь обратимся к методам познания, используемым на теоретическом уровне научного познания. абстрагирование - метод, сводящийся к отвлечению в процессе познания от каких- то свойств объекта с целью углубленного исследования одной определенной его стороны.: 1). Предметное моделирование, при котором модель воспроизводит геометрические, физические, динамические или функциональные характеристики объекта. 2). Аналоговое моделирование, при котором модель и оригинал описываются единым математическим соотношением. 3). Знаковое моделирование, при котором в роли моделей выступают схемы, чертежи, формулы. 4). Со знаковым тесно связано мысленное моделирование, при котором модели приобретают мысленно наглядный характер. 5). Наконец, особым видом моделирования является включение в эксперимент не самого объекта, а его модели, в силу чего последний приобретает характер модельного эксперимента/ В целом же основные моменты системного подхода следующие: 1). Изучение феномена целостности и установление состава целого, его элементов. 2). Исследование закономерностей соединения элементов в систему, т.е. структуры объекта, что образует ядро системного подхода. 3). В тесной связи с изучением структуры необходимо изучение функций системы и ее составляющих, т.е. структурно - функциональный анализ системы. 4). Исследование генезиса системы, ее границ и связей с другими системами. Особое место в методологии науки занимают методы построения и обоснования теории. В построении теории, как и идеальных объектов, важная роль принадлежит аксиоматизации - способу построения научной теории, при котором в основу его кладутся некоторые исходные положения - аксиомы или постулаты, из которых все остальные утверждения теории выводятся дедуктивно чисто логическим путем, посредством доказательства.
2. Первые картины мира, дошедшие до нас из глубины веков, созданы в период от 600-х до 500-х гг. до н. э. Древние мыслители каждый по-своему искали единое в многообразии явлений окружающего мира. Родоначальник греческой науки Фалес, основатель философской школы в Милете, полагая началом всего воду, считал, что Вселенная в процессе зарождения возникла из воды. Другой мыслитель древности - Анаксимандр первоначалом всего сущего считал «апейрон» - некое бесконечное и неопределенное начало. Все состоит из алейрона и из него возникает. Части изменяются, целое же остается неизменным. Апейрон все из себя производит сам. Находясь во вращательном движении, апейрон выделяет противоположности - влажное и сухое, холодное и теплое. Парные комбинации этих главных свойств образуют землю, воду, воздух и огонь. Земля оказывается в центре как самое тяжелое, она окружена водной, воздушной и огненной сферами.
Живое зародилось на границе моря и суши из ила под воздействием небесного огня. Анаксимен, ученик и последователь Анаксимандра, все формы природы сводил к воздуху. Анаксагор считал, что вначале мир был в состоянии хаоса, все «семена» в нем были перемешаны (под «семенами» он понимал первичные, самые мелкие частицы), затем они разделились и из них образовались вещи. В системе мира Гераклита роль единой субстанции играет огонь, вечно движущийся, вечно развивающийся. Источником движения Гераклит считал борьбу противоположностей. Другой мыслитель древности Эмпедокл в качестве первоначала мироздания принимал четыре стихии - землю, воду, воздух и огонь, которые считал пассивными, а все процессы в мироздании объяснял борьбой двух антагонистических начал - любви (сила притяжения) и ненависти (сила отталкивания). Основатель античной атомистики Демокрит полагал, что «начала Вселенной суть атомы и пустота». Атомы Демокрит представлял как неделимые, плотные, непроницаемые, не содержащие в себе никакой пустоты частицы, они могут иметь самую разнообразную форму (шарообразную, угловатую, вогнутую, выпуклую и т.д.). В этом он видел объяснение разнообразия явлений и их противоположностей друг другу. Демокрит и другие греческие атомисты считали, что движение - вечное свойство вечных атомов. Атомы бескачественны, т. е. лишены цвета, запаха, вкуса и т. д. Все эти качества возникают в субъекте в результате взаимодействия атомов с органами чувств. В вопросе о происхождении жизни Демокрит придерживался материалистических взглядов Анаксимандра и Эмпедокла. Живое возникло из неживого вследствие действия законов природы, без всякого творца. Согласно Демокриту, после образования Земли поверхность ее вздулась, образовав покрытые тонкой кожицей гнилостные пузыри, внутри которых были живые плоды. После того как пузыри увеличились и лопнули, из плодов образовались люди и животные. Демокрит пытался объяснить, почему в его время не рождаются живые существа из пузырей Земли: Земля уже не та, и небо не то; только иногда можно заметить, как в гниющей земле зарождаются живые существа. Это ошибочное мнение о самозарождении червей, гусениц, насекомых долго бытовало в науке. Мир Аристотеля состоит из пяти стихий - земли, воды, воздуха, огня и эфира. Материя в его понимании - это то, «из чего вещь состоит», и то, «из чего вещь возникает». Материя у Аристотеля делима до бесконечности, он не признает пустоты. Все многообразие веществ на земле Аристотель конструирует из таких активных качеств, как холодное и теплое, и таких пассивных, как сухое и влажное. Вселенная Аристотеля конечна, ее ничто не объемлет, вне ее находится только перводвигатель - бог. Бог Аристотеля безличный. Под его жизнью Аристотель понимает деятельность его разума, сам бог и есть чистый деятельный разум. Одна из центральных проблем, которая занимала Аристотеля,- проблема механического движения. Основным положением его механики является утверждение: «Движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие...»
3. Геоцентрическая система мира (от др.-греч. Γῆ, Γαῖα — Земля) — представление об устройстве мироздания, согласно которому центральное положение во Вселенной занимает неподвижная Земля, вокруг которой вращаются Солнце, Луна, планеты и звёзды. Альтернативой геоцентризму является гелиоцентрическая система мира и множество современных космологических моделей Вселенной. Древнегреческие учёные по-разному, однако, обосновывали центральное положение и неподвижность Земли. Анаксимандр, как уже указывалось, в качестве причины указывал сферическую симметрию Космоса. Его не поддерживал Аристотель, выдвигая контрдовод, приписанный впоследствии Буридану: в таком случае человек, находящийся в центре комнаты, в которой у стен находится еда, должен умереть с голоду (см. Буриданов осёл).
Сам Аристотель обосновывал геоцентризм следующим образом: Земля является тяжёлым телом, а естественным местом для тяжёлых тел является центр Вселенной; как показывает опыт, все тяжёлые тела падают отвесно, а поскольку они движутся к центру мира, Земля находится в центре. Кроме того, орбитальное движение Земли (которое предполагал пифагореец Филолай) Аристотель отвергал на том основании, что оно должно приводить к параллактическому смещению звёзд, которое не наблюдается. Ряд авторов приводит и другие эмпирические доводы.
Плиний Старший в своей энциклопедии «Естественная история» обосновывает центральное положение Земли равенством дня и ночи во время равноденствий и тем, что во время равноденствия восход и заход наблюдается на одной и той же линии, а восход солнца в день летнего солнцестояния находится на той же линии, что и заход в день зимнего солнцестояния. С астрономической точки зрения, все эти доводы, конечно, являются недоразумением. Немногим лучше и доводы, приводимые Клеомедом в учебнике «Лекции по астрономии», где он обосновывает центральность Земли от противного.
По его мнению, если бы Земля находилась к востоку от центра Вселенной, то тени на рассвете были бы короче, чем на закате, небесные тела при восходе казались бы больше, чем при заходе, а продолжительность от рассвета до полудня была бы меньше, чем от полудня до заката. Поскольку всего этого не наблюдается, Земля не может быть смещена к востоку от центра мира. Аналогично доказывается, что Земля не может быть смещена к западу. Далее, если бы Земля располагалась севернее или южнее центра, тени на восходе Солнца простирались бы в северном или южном направлении, соответственно. Более того, на рассвете в дни равноденствий тени направлены точно в направлении захода Солнца в эти дни, а на восходе в день летнего солнцестояния тени указывают на точку захода Солнца в день зимнего солнцестояния. Это также указывает на то, что Земля не смещена к северу или югу от центра.
Если бы Земля была выше центра, то можно было бы наблюдать меньше половины небосвода, в том числе менее шести знаков зодиака; как следствие, ночь всегда была бы длиннее дня. Аналогично доказывается, что Земля не может быть расположена ниже центра мира. Таким образом, она может находиться только в центре. Примерно такие же доводы в пользу центральности Земли приводит и Птолемей в Альмагесте, книга I. Разумеется, доводы Клеомеда и Птолемея доказывают только, что Вселенная гораздо больше Земли, и поэтому также являются несостоятельными. Птолемей пытается также обосновать и неподвижность Земли (Альмагест, книга I). Во-первых, если бы Земля смещалась от центра, то наблюдались бы только что описанные эффекты, а раз их нет, Земля всегда находится в центре. Другим доводом является вертикальность траекторий падающих тел. Отсутствие осевого вращения Земли Птолемей обосновывает следующим образом: если бы Земля вращалась, то «...все предметы, не опирающиеся на Землю, должны казаться совершающими такое же движение в обратном направлении; ни облака, ни другие летающие или парящие объекты никогда не будут видимы движущимися на восток, поскольку движение Земли к востоку будет всегда отбрасывать их, так что эти объекты будут казаться движущимися на запад, в обратном направлении». Несостоятельность этого довода стала ясна только после открытия основ механики.
4. Механическая картина мира. В 16-17 вв. вместо натурфилософской утвердилась механистическая картина мира, распространившая на все явления в мире законы механики Галилея – Ньютона, которые принимались за основу всех других законов природы. Ее основу составили идеи, принципы, законы и теории механики, которые представляли собой совокупность наиболее существенных знаний о физических закономерностях, наиболее полно отражали физические процессы в природе. В широком смысле механика изучает механическое движение материи, тел и происходящее при этом взаимодействие между ними.
Основу механической картины мира составил атомизм — теория, которая весь мир, включая человека, рассматривала как совокупность огромного числа мельчайших, неделимых, абсолютно твердых материальных частиц — атомов. Они перемещаются в пространстве и времени в соответствии с законами механики, которые считались фундаментальными законами мироздания. Поэтому ключевым понятием механической картины мира было понятие движения, которое понималось как механическое перемещение и объяснялось на основе трех законов Ньютона. В соответствии с механической картиной мира Вселенная представляла собой хорошо отлаженный механизм, действующий по законам строгой необходимости, в котором все предметы и явления связаны между собой жесткими причинно-следственными отношениями. В таком мире нет случайностей, они полностью исключались. Жизнь и разум в механической картине мира не обладали никакой качественной спецификой. Человек рассматривался как природное тело в ряду других тел. По сути дела, классическое естествознание не стремилось постичь человека. На основе механической картины мира в XVIII — начале XIX в. были разработаны земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации данного представления о мире, и оно стало рассматриваться в качестве универсального. Поэтому многие ученые пытались свести все многообразие явлений природы к механической форме движения материи. Такая точка зрения получила название «механистический материализм» (механицизм). Однако развитие физики показало несостоятельность такой методологии. Это стало ясно при попытках описать тепловые, электрические и магнитные явления с помощью законов механики, что оказалось невозможным (электромагнитные явления слишком отличались от механических процессов).
Развитие науки раскрыло относительный характер механической картины мира. Несостоятельной оказалась не сама механическая картина мира, а ее исходная философская идея — механицизм. В результате в XIX в. в физике наступил кризис, который свидетельствовал, что физика нуждалась в существенном изменении своих взглядов на мир. Так, в недрах механической стали складываться элементы новой — электромагнитной — картины мира.
5. Электромагнитная картина мира. Наибольший вклад в формирование данного представления о мире внесли работы М. Фарадея и Д. Максвелла. После создания последним на основе открытого Фарадеем явления электромагнитной индукции теории электромагнитного поля стало возможным говорить о появлении электромагнитной картины мира. Теория электромагнитного поля Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике. В соответствии с ней мир стал представляться единой электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.
Важнейшими понятиями новой теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным; напряженность поля — сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке. Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую (покоящиеся заряды) и магнитную (движущиеся заряды) силы, называется электромагнитной. Все многообразие этих сил и зарядов описывается системой уравнений классической электродинамики.
Они известны как уравнения Максвелла. Это — закон Ш. Кулона, который полностью эквивалентен закону всемирного тяготения Ньютона ; магнитные силовые линии непрерывны и не имеют ни начала, ни конца, магнитных зарядов не существует; электрическое поле создается переменным магнитным полем; магнитное поле может создаваться как электрическим током, так и переменным электрическим полем. Таким образом, были выдвинуты новые физические и философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира.
Но нельзя сказать, что эти изменения были кардинальны, так как они осуществились в рамках классической науки. Поэтому новую электромагнитную картину мира можно считать промежуточной, соединяющей в себе как новые идеи, так и старые механистические представления о мире. Кардинально изменились представления о материи. Согласно электромагнитной картине мира материя существует в виде вещества и поля. Они строго разделены, и их превращение друг в друга невозможно.
Главным из них является поле, а значит, основным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности. Расширилось также и понятие движения. Оно стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний в поле. Соответственно, законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Максвелла. Электромагнитная картина мира требовала нового решения проблемы физического взаимодействия. Ньютоновский принцип дальнодействия заменялся фарадеевским принципом близкодействия, который утверждал, что любые взаимодействия передаются полем от точки к точке, непрерывно и с конечной скоростью. Электромагнитная картина мира произвела настоящий переворот в физике. Она базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей. Новое понимание сущности материи поставило ученых перед необходимостью пересмотра и переоценки этих основополагающих качеств материи.
Случайность все еще пытались исключить из физической картины мира. Но в середине XIX в. впервые появилась фундаментальная физическая теория нового типа, которая основывалась на теории вероятности. Это была кинетическая теория газов, или статистическая механика. Случайность, вероятность наконец-то нашли свое место в физике и были отражены в форме так называемых статистических законов. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона, и считали вновь созданную теорию промежуточным вариантом, временной мерой. Тем не менее, прогресс был налицо: в электромагнитную картину мира вошло понятие вероятности. Не менялось в электромагнитной картине мира представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы. Электромагнитная картина мира объяснила большой круг физических явлений, непонятных с точки зрения прежнего механического представления о мире. Однако дальнейшее ее развитие показало, что она имеет относительный характер. Поэтому на смену ей пришла новая — квантово-полевая — картина мира, объединившая в себе дискретность механической картины мира и непрерывность электромагнитной картины мира.
6. Пространство и время представляют собой формы, выражающие определенные способы координации материальных объектов и их состояний. Содержанием этих форм является движущаяся материя, материальные процессы, и именно особенности и характер последних должны определять их основные свойства. В этом отношении диалектика нацеливала науку на поиски зависимости между определенными свойствами пространства и времени и сопутствующими материальными процессами, которые их определяют. Кроме того, наличие у пространства и времени единого содержания — движущейся материи — указывает и на взаимосвязь между самим пространством и временем, на невозможность их существования абсолютно независимо друг от друга.
При́нцип относи́тельности — фундаментальный физический принцип, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Отсюда следует, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.
Различают принцип относительности Эйнштейна (который приведён выше) и принцип относительности Галилея, который утверждает то же самое, но не для всех законов природы, а только для законов классической механики, подразумевая применимость преобразований Галилея, оставляя открытым вопрос о применимости принципа относительности к оптике и электродинамике. В современной литературе принцип относительности в его применении к инерциальным системам отсчета (чаще всего при отсутствии гравитации или при пренебрежении ею) обычно выступает терминологически как лоренц-ковариантность (или лоренц-инвариантность). Позиция сторонников фактического основания необратимости времени достаточно полно сформулирована в /5/ следующим образом: "Из того, что законы физики не запрещают процессов, обратных данным, очевидно, логически не следует, что процессы эти фактически протекают. Последнее, видимо, зависит от определенных господствующих в мире или его части условий протекания процессов... Следовательно, время (номологически обратимое) является фактически обратимым тогда, когда существуют такие начальные или предельные условия в мире, при которых все процессы являются фактически обратимыми... Напротив, время (номологически обратимое) является фактически необратимым, когда существуют такие начальные или предельные условия в мире, при которых по меньшей мере некоторые процессы, то есть процессы определенного типа, являются необратимыми".
Таким образом, при этом подходе вместо требования асимметрии физических законов появляется требование несимметричности начальных и граничных условий. Основная же трудность этого подхода заключается в необходимости объяснить, почему эти условия асимметричны для всех известных нам классов необратимых процессов. Весьма вероятно, что поиск источника несимметричности фактических условий протекания всех классов необратимых процессов в конечном счете сведется к существованию некоторых несимметричных по времени физических законов, которые обуславливают асимметрию фактических условий протекания процессов и физическое отличие противоположных направлений времени, то есть к номологическому обоснованию направления времени.
Любая же попытка номологического обоснования однонаправленности времени должна в первую очередь отталкиваться от критического анализа понятия времени в философии и физике. В зависимости от принятой концепции, постановка вопроса о необратимости времени должна приобретать специфические черты, отражающие специфику выбранной модели времени. Очевидно, что возможные решения проблемы однонаправленности времени также должны отражать специфические черты принятой концепции.
Поскольку в современной литературе отсутствует анализ специфических черт проявления однонаправленности времени в различных его концепциях, попытаемся сформулировать постановку проблемы необратимости времени и возможные ее решения, возникающие в рамках субстанциальной и реляционной концепций. В рамках реляционной концепции, утверждающей, что время – система отношений между физическими событиями, постановка вопроса о необратимости самого времени является бессмысленной. Понятие необратимости времени в этой концепции связывается с существованием в окружающем мире необратимых изменений.
7. Симметрия – однородность, пропорциональность, гармония, инвариантность структуры материального объекта относительно его преобразований. Это признак полноты и совершенства. Лишившись элементов симметрии, предмет утрачивает свое совершенство и красоту. Четыре категории симметрии:
-- симметрия - однородность, пропорциональность, гармония, инвариантность структуры материального объекта относительно его преобразований;
-- асимметрия – это несимметрия, т. е. такое состояние, когда симметрия отсутствует;
-- дисимметрия – внутренняя, или расстроенная, симметрия, т. е. отсутствие у объекта некоторых элементов симметрии;
-- антисимметрия – противоположная симметрия, связанная с переменой знака фигуры. Операции симметрии:
- отражение в плоскости симметрии;
- поворот вокруг оси симметрии;
- отражение в центре симметрии;
- перенос фигуры на расстояние;
- винтовые повороты. Виды симметрий. Среди разных типов симметрии различают пространственно-временные симметрии и внутренние симметрии. Пространственно-временные симметрии можно разделить на симметрии, связанные с непрерывными и дискретными преобразованиями.
К непрерывным преобразованиям относятся:
Перенос (сдвиг) системы как целого в пространстве.
Изменение начала отсчета времени (сдвиг во времени).
Поворот системы как целого в пространстве. Симметрия физических законов относительно этого преобразования означает эквивалентность всех направлений в пространстве.
Переход к системе отсчета, движущейся относительно данной системы с постоянной скоростью Среди дискретных пространственно-временных симметрий различают СРТ-симметрию и зеркальную симметрию. Симметрия СРТ заключается в том, что для любого движения частиц может осуществляться в природе симметричное ему движение античастиц. Зеркальная симметрия осуществляется в процессах, вызываемых сильными и электромагнитными взаимодействиями, а также в системах, связанных с помощью этих взаимодействий (атомах, атомных ядрах, молекулах, кристаллах). Под внутренней симметрией понимают симметрию между частицами с различными внутренними квантовыми числами. Среди внутренних симметрий можно выделить глобальные и локальные симметрии. Симметрия одномерная характерна для фигур с одним особенным направлением – бордюров, лент, стержней. Симметрия двумерная присуща фигурам с двумя особенными направлениями: сетчатым орнаментам и слоям. Симметрия в механике. Однородность пространства.
Пространство вблизи земной поверхности физически неоднородно: все тела стремятся занять самые низкие положения, поближе к Земле. Столь же неоднородно пространство вблизи Солнца. Но вся Солнечная система как целое движется прямолинейно, по крайней мере, в течение миллионов лет отклонений от прямолинейного движения не было. Пространство, в котором она движется, свободно от тяготеющих к нему тел и здесь можно говорить о его однородности. Из второго закона Ньютона следует прямолинейность и равномерность движения центра инерции системы тел в однородном пространстве. Никакие внутренние силы не нарушают однородности пространства по отношению к системе как к целому.
Изотропия пространства – еще один вид симметрии – относительно поворотов координатных систем. В физике это проявляется в том, что вокруг любой прямой можно повернуть координатную систему на любой угол, и повернутая система будет во всех отношениях равноценна первоначальной.
Однородность времени. Пространство имеет группу симметрии относительно произвольных переносов по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Симметрия же времени напоминает симметрию прямой относительно переносов. Время однородно, т.е. все его моменты равноценны, по крайней мере по отношению к чисто механическим явлениям.
Симметрия в живой природе. Если рассматривать царство живого, то любому его представителю, от простейшей водоросли до эвкалипта, от крошечного жучка до кита, от червяка до человека, можно приписать одну из групп симметрии (точечных или пространственных), выведенных для материальных фигур. Живой организм не имеет кристаллического строения, однако, упорядоченные структуры в ней представлены очень широко. Если они жидкие, то их называют жидкими кристаллами. Это и желчь, и кровь, и хрусталик глаза, и серое вещество мозга.
8. Взаимодействие - действие вещей друг на друга, в результате которого проявляются "их" свойства - внутренние свойства системы. Дальноде́йствие (непосредственное действие тел на расстоянии) и короткоде́йствие (близкодействие) — две концепции классической физики, противоборствовавшие на заре её становления. Согласно концепции дальнодействия, тела действуют друг на друга без материальных посредников, через пустоту, на любом расстоянии. Такое взаимодействие осуществляется с бесконечно большой скоростью (но подчиняется определённым законам). Примером силы, считавшейся одним из примеров непосредственного действия на расстоянии, можно считать силу всемирного тяготения в классической теории гравитации Ньютона. Согласно концепции короткодействия (близкодействия), взаимодействия передаются с помощью особых материальных посредников. Например, в случае электромагнитных взаимодействий таким посредником является электромагнитное поле. В современной физике эти понятия иногда используются в другом смысле, а именно, дальнодействующими полями называют гравитационное и электромагнитное (они подчиняются в классическом пределе закону обратных квадратов), а короткодействующими — поля сильного и слабого взаимодействия, которые быстро спадают с расстоянием на больших масштабах, и поэтому проявляются лишь при малых расстояниях между частицами.
Принцип суперпозиции — один из самых общих законов во многих разделах физики. В самой простой формулировке принцип суперпозиции гласит: результат воздействия на частицу нескольких внешних сил есть просто сумма результатов воздействия каждой из сил. Наиболее известен принцип суперпозиции в электростатике, в которой он утверждает, что электростатический потенциал, создаваемый в данной точке системой зарядов, есть сумма потенциалов отдельных зарядов. Принцип неопределённости Гейзенбе́рга (или Га́йзенберга) в квантовой механике — фундаментальное неравенство (соотношение неопределённостей), устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих квантовую систему физических наблюдаемых, описываемых некоммутирующими операторами (например, координаты и импульса, тока и напряжения, электрического и магнитного поля). Соотношение неопределенностей задает нижний предел для произведения среднеквадратичных отклонений пары квантовых наблюдаемых.
Принцип дополнительности — Согласно этому принципу, для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Например, дополнительными в квантовой механике являются пространственно-временная и энергетически-импульсная картины.
9. Закон сохранения энергии в макроскопических процессах. Способы передачи энергии от одного макроскопического тела другому XIX в. ознаменовался открытием одного из самых великих принципов современной науки, приведшему к объединению самых различных явлений природы. Принцип этот гласит, что существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Энергия — единая мера различных форм движения материи. На протяжении более четырех десятилетий формировался этот принцип в науке. Следует отметить, что процесс установления закона сохранения и превращения энергии — это одновременно процесс формирования таких дисциплин в физике как статистическая физика и термодинамика, процесс установления I и II начал термодинамики, выработка понятий энергии, тепловой (внутренней) энергии, работы, энтропии. Механическая энергия и внутренняя энергия - это только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, есть тоже форма энергии. Возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому — в форме работы и в форме теплоты (путем теплообмена). Первый закон термодинамики устанавливает эквивалентность этих двух способов передачи энергии, утверждая, что изменить внутреннюю энергию тела можно любым из этих способов. Изменение энергии тела, осуществленное первым способом, называют работой, совершаемой над этим телом. Передача энергии в форме работы производится в процессе силового взаимодействия тел и всегда сопровождается макроперемещением. Работа, совершаемая над телом, может непосредственно пойти на увеличение любого вида энергии. Передача энергии путем теплообмена между телами обусловлена различием температур этих тел. Энергия, получаемая телом в форме теплоты, может непосредственно пойти только на увеличение его внутренней энергии. Невозможен вечный двигатель (перпетуум мобиле) первого рода. Это является следствием I начала термодинамики. Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.
История открытия закона сохранения и превращения энергии привела к изучению тепловых явлений в двух па-правлениях: термодинамическом и молекулярно-кинетическим. Сади Карно положил начало новому методу рассмотрения превращения теплоты и работы друг в друга в макроскопических системах, в первую очередь, в тепловых машинах, и тем самым явился основателем науки, которая впоследствии была названа Уильямом Томсоном термодинамикой. Термодинамическое рассмотрение ограничивается, в основном, изучением особенностей превращения тепловой формы движения в другие формы, не интересуясь вопросом микроскопического движения частиц, составляющих вещество, то есть без учета молекулярного строения вещества.
10. Энтропия — мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов. В частности, в статистической физике — мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации — мера неопределённости какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит и количество информации; в исторической науке, для экспликации феномена альтернативности истории (инвариантности и вариативности исторического процесса).
Энтропия впервые введена Клаузиусом в термодинамике в 1865 году для определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклонения реального процесса от идеального. Определённая как сумма приведённых теплот, она является функцией состояния и остаётся постоянной при обратимых процессах, тогда как в необратимых — её изменение всегда положительно. Принцип возрастания энтропии Термин "необратимый" впервые появился в трудах основоположников термодинамики в противовес понятию "обратимый". Сначала С. Карно в своих "Размышлениях о движущей силе огня и о машинах способных развивать эту силу" [14], а затем Р. Клаузиус в "Динамической теории теплоты" [15] разными путями показали, что если какая-либо тепловая машина устроена так, что при работе ее в обратном направлении все механические и тепловые эффекты превращаются в противоположные, то она производит максимальное количество работы. Это означало, что в обратимых процессах "затраченная при этом механическая энергия может быть возвращена к первоначальному состоянию". Так возникло и сразу приобрело характер исходного постулата понятие обратимости. Судя по применению этого термина, классики понимали под ним возможность восстановления "движущей силы тепла". В частности, В. Томсон в статье "О динамичесrой теории теплоты" [14] прямо пишнт: "Когда теплота или работа получаются с помощью необратимого процесса, происходит расточение механической энергии, и полное возвращение ее в первоначальное состояние невозможно". Поскольку же механическая энергия измеряется величиной работы, которую может совершить тело (система), необратимость в понимании основоположников термодинамики была синонимом потери ею работоспособности (как мы говорим сейчас, "диссипации" энергии). Именно поэтому Р. Клаузиус в своем знаменитом рассуждении о работе двух сопряженных тепловых машин принимает как само собой разумеющееся, что термический КПД - любой необратимой тепловой машины меньше, чем в обратимом цикле Карно при тех же температурах теплоисточника и теплоприемника. В таком случае, заменяя в (1) знак равенства неравенством ( т.е. её энтропия возрастает даже в отсутствие теплообмена системы с окружающей средой. Так возник принцип возрастания энтропии, выражающий существо 2-го закона термодинамики и отражающий одностороннюю направленность самопроизвольных процессов в связи с их необратимостью. Поскольку же необратимы (по той или иной причине) все реальные процессы, энтропия стала мерой "любой и всякой" необратимости, а принцип возрастания энтропии был распространен на все без исключения системы. Такая "абсолютизация" принципа возрастания энтропии выразилась ярче всего в крылатой фразе Р. Клаузиуса: "Энергия Вселенной неизменна. Энтропия Вселенной возрастает".
11. При соприкосновении тел процесс теплопередачи происходит самопроизвольно от горячего тела к холодному до тех пор, пока оба тела не будут иметь одинаковые температуры. Все наблюдали, как налитый в чашку горячий чай постепенно остывает, нагревая окружающий воздух. Но никто не видел, чтобы теплый чай в чашке вдруг закипел за счет охлаждения окружающего его воздуха.
Процессы теплопередачи самопроизвольно осуществляют только в одном направлении, поэтому их называют необратимыми процессами. Всегда осуществляется теплопередача тепла от горячего тела к холодному, потому что равномерное распределение быстрых и медленных молекул в двух сопрягающихся телах является более вероятным, чем такое распределение, при котором в одном теле будут только «быстрые» молекулы, а в другом — только «медленные». Молекулы газа стремятся к наиболее вероятному состоянию, т. е. состоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, при котором в каждом объеме находится примерно одинаковое число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней частях какого-либо сосуда.
Любое отклонение от такого беспорядка, хаоса, т. е. от равномерного и беспорядочного перемешивания молекул по местам и скоростям, связано с уменьшением вероятности, или представляет собой менее вероятное событие. Напротив, явления, связанные с перемешиванием, с созданием хаоса из порядка, увеличивают вероятность состояния. Только при внешнем воздействии возможно рождение порядка из хаоса, при котором порядок вытесняет хаос. В качестве примеров, демонстрирующих порядок, можно привести созданные природой минералы, построенные человеком большие и малые сооружения или просто радующие глаз своеобразные фигуры. В середине 19 века активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной. Рассматриваю Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, Р.Ю. Клаузиус свел его содержание к утверждению, что энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума.
Это означает, что все формы движения со временем должны перейти в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, т.е. наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочность вывода о тепловой смерти заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, например к такой безгранично развивающейся системе, как Вселенная.
12. Основное понятие синергетики — определение структуры как состояния, возникающего в результате многовариантного и неоднозначного поведения таких многоэлементных структур или многофакторных сред, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния. В означенных системах неприменимы ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии, что может привести к образованию новых структур и систем, в том числе и более сложных, чем исходные. Этот феномен трактуется синергетикой как всеобщий механизм повсеместно наблюдаемого в природе направления эволюции: от элементарного и примитивного — к сложносоставному и более совершенному. Синергетика объясняет процесс самоорганизации в сложных системах следующим образом:
Система должна быть открытой. Закрытая система в соответствии с законами термодинамики должна в конечном итоге прийти к состоянию с максимальной энтропией и прекратить любые эволюции. Открытая система должна быть достаточно далека от точки термодинамического равновесия. В точке равновесия сколь угодно сложная система обладает максимальной энтропией и не способна к какой-либо самоорганизации. В положении, близком к равновесию и без достаточного притока энергии извне, любая система со временем ещё более приблизится к равновесию и перестанет изменять своё состояние.
Фундаментальным принципом самоорганизации служит возникновение нового порядка и усложнение систем через флуктуации (случайные отклонения) состояний их элементов и подсистем. Такие флуктуации обычно подавляются во всех динамически стабильных и адаптивных системах за счёт отрицательных обратных связей, обеспечивающих сохранение структуры и близкого к равновесию состояния системы. Но в более сложных открытых системах, благодаря притоку энергии извне и усилению неравновесности, отклонения со временем возрастают, накапливаются, вызывают эффект коллективного поведения элементов и подсистем и, в конце концов, приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и через относительно кратковременное хаотическое состояние системы приводят либо к разрушению прежней структуры, либо к возникновению нового порядка. Поскольку флуктуации носят случайный характер, то состояние системы после бифуркации обусловлено действием суммы случайных факторов.
Самоорганизация, имеющая своим исходом образование через этап хаоса нового порядка или новых структур, может произойти лишь в системах достаточного уровня сложности, обладающих определённым количеством взаимодействующих между собой элементов, имеющих некоторые критические параметры связи и относительно высокие значения вероятностей своих флуктуаций. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления коллективного поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации. Недостаточно сложные системы не способны ни к спонтанной адаптации ни, тем более, к развитию и при получении извне чрезмерного количества энергии теряют свою структуру и необратимо разрушаются. Этап самоорганизации наступает только в случае преобладания положительных обратных связей, действующих в открытой системе, над отрицательными обратными связями. Функционирование динамически стабильных, неэволюционирующих, но адаптивных систем — а это и гомеостаз в живых организмах и автоматические устройства — основывается на получении обратных сигналов от рецепторов или датчиков относительно положения системы и последующей корректировки этого положения к исходному состоянию исполнительными механизмами.
В самоорганизующейся, в эволюционирующей системе возникшие изменения не устраняются, а накапливаются и усиливаются вследствие общей положительной реактивности системы, что может привести к возникновению нового порядка и новых структур, образованных из элементов прежней, разрушенной системы. Таковы, к примеру, механизмы фазовых переходов вещества или образования новых социальных формаций. Самоорганизация в сложных системах, переходы от одних структур к другим, возникновение новых уровней организации материи сопровождаются нарушением симметрии.
При описании эволюционных процессов необходимо отказаться от симметрии времени, характерной для полностью детерминированных и обратимых процессов в классической механике. Самоорганизация в сложных и открытых — диссипативных системах, к которым относится и жизнь, и разум, приводят к необратимому разрушению старых и к возникновению новых структур и систем, что наряду с явлением неубывания энтропии в закрытых системах обуславливает наличие «стрелы времени» в Природе.
13. Химия – очень древняя наука. Существует несколько объяснений слова «химия». Согласно одной из имеющихся теорий, оно происходит от древнего названия Египта – Kham и, следовательно, должно означать «египетское искусство». Согласно другой теории, слово «химия» произошло от греческого слова cumoz (сок растения) и означает «искусство выделения соков». Этот сок может быть расплавленным металлом, так что при подобном расширенном толковании данного термина в него приходит включать и искусство металлургии. С химией тесно связаны элементы стихий древнегреческой натурфилософии, атомистика Левкиппа и Демокрита. Но, конечно, наибольший вклад в становление этой науки внесли египтяне. Имя первого из дошедших до нас химиков – Болос из Менда, жившего в дельте Нила на рубеже III и II вв. до н. э. К 300 г. н.э. египтянин Зосима написал энциклопедию, которая охватывала все собранные к тому времени знания по химии.
Но химия, представленная в этом труде, еще не была наукой в полном смысле слова, а оставалась тесно связанной с древнеегипетской религией и не выходила в своем развитии за пределы формирования феноменологического уровня. В химии выявлялись свойства, устанавливались закономерности между ними, сущность же явлений подменялась их мистической интерпретацией. Химию (химиков) искореняли и преследовали древнеримские императоры, фанатики христианства: ученые изгонялись, книги их сжигались, сама наука запрещалась. Одни опасались, например, того, что химики занимались получением золота; вторые преследовали ученых за тесную связь химии с древнеегипетской религией, которая, с точки зрения христианства, была язычеством.
Начиная с последних веков I тыс. до н.э. химия бурно развивалась в арабском мире, а в первой половине нынешнего тысячелетия она получила широкое распространение в Западной Европе. С одной стороны, развитие химии в этот период шло вслед за развитием техники, однако, с одной стороны, она оставалась тесно связанной с религиозно-философской мыслью. В тот период химия существовала главным образом как алхимия. В химии необходимо отметить прежде всего существование особого «химического взгляда» на природу, который не может быть сведен к физическому, несмотря на все успехи физической химии в нынешнем столетии.
То есть у химии давно были обнаружены качества некоторого особого типа. Так, согласно известному химику А.А. Бутакову, химические реакции «нельзя объяснить только действием сил электрического притяжения и отталкивания. Их действием объясняется лишь физическая сторона химического процесса.
Химическая форма движения материи представляет собой процессы изменения частиц вещества, которые в конечном счете определяются действием периодического закона». Подобного мнения придерживаются и многие другие ученые-химики. Известный российский физико-химик Н.Н. Семенов сводил основные отличия между физическим и химическим процессом к трем: «Истории системы, отсутствию мгновенных параметров для скоростей химических реакций, возможности пользоваться равновесными параметрами для физических процессов и невозможности – для химических». Химия способствовала интенсивному развитию некоторых направлений человеческой деятельности. Например, хирургии химия дала три главных средства, благодаря которым современные операции стали безболезненными и вообще возможными: 1) введение в практику эфирного наркоза, а затем и других наркотических веществ; 2) использование антисептических средств для предупреждения инфекции; 3) получение новых, не имеющихся в природе аллопластических материалов-полимеров.
В последнее время химия все чаще предпринимает штурм соседних с нею уровней структурной организации природы. Например, химия все более вторгается в биологию, пытаясь объяснить основы жизни.
14. Креационизм (от англ. creation — создание) — религиозно-философская концепция, в рамках которой всё многообразие органического мира, человечества, планеты Земля, а также мир в целом, рассматриваются как намеренно созданные неким верховным существом или божеством. Теория креационизма, отсылая ответ на вопрос о возникновении жизни к религии (сотворение жизни Богом), по критерию Поппера находится вне поля научных изысканий (так как она неопровержима: научными методами невозможно доказать, как то, что Бог не сотворял жизни, так и то, что Бог ее сотворял). Кроме того, эта теория не дает удовлетворительного ответа на вопрос о причинах возникновения и существования самого верховного существа, обычно просто постулируя его безначальность. Самозарождение Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Древнем Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384—322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни.
Согласно этой гипотезе, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе. В 1688 году итальянский биолог и врач Франческо Реди подошел к проблеме возникновения жизни более строго и подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе, — это личинки мух.
Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). В 1860 году проблемой происхождения жизни занялся французский химик Луи Пастер. Своими опытами он доказал, что бактерии вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом. Учёный кипятил в воде различные среды, в которых могли бы образоваться микроорганизмы. При дополнительном кипячении микроорганизмы и их споры погибали. Пастер присоединил к S-образной трубке запаянную колбу со свободным концом.
Споры микроорганизмов оседали на изогнутой трубке и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипяченная питательная среда оставалась стерильной, в ней не обнаруживалось зарождения жизни, несмотря на то, что доступ воздуха был обеспечен. В результате ряда экспериментов Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения. Теория стационарного состояния Согласно теории стационарного состояния, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — либо изменение численности, либо вымирание. Согласно теории Панспермии, предложенной в 1865 году немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррениусом в 1895 году, жизнь могла быть занесена на Землю из космоса.
Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с метеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям. Однако до сих пор нет достоверных фактов, подтверждающих внеземное происхождение микроорганизмов, найденных в метеоритах. Но если бы даже они попали на Землю и дали начало жизни на нашей планете, вопрос об изначальном возникновении жизни оставался бы без ответа.
15. Среди астрономов, геологов и биологов принято - считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5-5 млрд. лет. По мнению многих биологов, в далеком прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: по всей вероятности, температура ее поверхности была очень высокой (4000-8000°С), и по мере того, как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору; поверхность планеты была, вероятно, голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, непрерывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, происходило образование складок и разрывов. Атмосфера была, по-видимому, “восстановительной”, о чем свидетельствует наличие в самых древних горных породах Земли металлов в восстановленной форме, таких как двухвалентное железо. Более молодые горные породы содержат металлы в окисленной форме, например трехвалентное железо.
Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, необходимым условием для возникновения жизни; лабораторные опыты показывают, что, как это ни парадоксально, органические вещества (основа живых организмов) гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере,, богатой кислородом. “Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые могли когда-то существовать, имеются и в настоящее время. Но если (ох, какое это большое “если”) представить себе, что в каком-то небольшом теплом пруду, содержащем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при наличии света, тепла, электричества и т.п. образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения, то в наши дни такой материал непрерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как появились живые существа”.
Позднее возникло предположение, что в первичной атмосфере, в относительно высокой концентрации содержалась двуокись углерода. Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов (сложные углеводороды), что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивавшей концерватам стабильность. В результате включения в коацерват пред существующей молекулы, способной к. самовоспроизведению, и внутренней перестройки покрытого липидной оболочкой коацервата могла возникнуть примитивная клетка.
Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонентов среды, так что этот процесс мог продолжаться. Такая предположительная последовательность событий должна была привести к возникновению примитивного самовоспроизводящегося гетеротрофного организма, питавшегося органическими веществами первичного бульона. Самое трудное для этой теории - объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению. Гипотезы по этому вопросу пока мало убедительны.
16. Теория наследования приобретенных признаков Ламарка — эволюционная теория, созданная французским биологом Жаном Батистом Ламарком. Всех животных Ламарк распределил по шести ступеням, уровням (или, как он говорил, «градациям») по сложности их организации. Дальше всего от человека стоят инфузории, ближе всего к нему — млекопитающие. При этом всему живому присуще стремление развиваться от простого к сложному, продвигаться по «ступеням» вверх. В живом мире постоянно происходит плавная эволюция. Исходя из этого, Ламарк пришёл к выводу, что видов в природе на самом деле не существует, есть только отдельные особи. Ламарк последовательно применил в своей теории знаменитый принцип Лейбница: «Природа не делает скачков». Отрицая существование видов, Ламарк ссылался на свой огромный опыт систематика: «Только тот, кто долго и усиленно занимался определением видов и обращался к богатым коллекциям, может знать, до какой степени виды сливаются одни с другими. Я спрашиваю, какой опытный зоолог или ботаник не убеждён в основательности только что сказанного мною? Поднимитесь до рыб, рептилий, птиц, даже до млекопитающих, и вы увидите повсюду постепенные переходы между соседними видами и даже родами.» На вопрос о том, почему человек не замечает постоянного превращения одних видов в другие, Ламарк отвечал так: «Допустим, что человеческая жизнь длится не более одной секунды в сравнении с жизнью вселенной, в этом случае ни один человек, занявшийся созерцанием часовой стрелки, не увидит, как она выходит из своего положения».
Даже через десятки поколений её движение не будет заметным. Совершенствуясь, организмы вынуждены приспосабливаться к условиям внешней среды. Как это происходит согласно теории Ламарка? Для объяснения этого учёный сформулировал несколько «законов». Прежде всего, это «закон упражнения и не упражнения органов». Наибольшую известность из примеров, приведённых Ламарком, приобрёл пример с жирафами. Жирафам приходится постоянно вытягивать шею, чтобы дотянуться до листьев, растущих у них над головой. Поэтому их шеи становятся длиннее, вытягиваются. Муравьеду, чтобы ловить муравьёв в глубине муравейника, приходится постоянно вытягивать язык, и тот становится длинным и тонким. С другой стороны, кроту под землёй глаза только мешают, и они постепенно исчезают. Если орган часто упражняется, он развивается. Если орган не упражняется, он постепенно отмирает. Другой «закон» Ламарка — «закон наследования приобретённых признаков». Полезные признаки, приобретённые животным, по мнению Ламарка, передаются потомству. Жирафы передали потомкам вытянутую шею, муравьеды унаследовали длинный язык, и так далее.
17. Весь ход развития XIX века неудержимо вел к формированию нового взгляда на природу и эволюцию. Естественные науки к этому времени накопили огромное количество фактов, которые нельзя было совместить с метафизическими представлениями о неизменяемости природы. Следствием всего этого явилось возникновение навой теории, разработчиком которой стал Ч. Дарвин.
Основные принципы своего эволюционного учения он свел к следующим положениям: 1.Каждый вид способен к неограниченному размножению.2.Ограниченность жизненных ресурсов препятствует реализации потенциальной возможности размножения. (Большая часть особей гибнет в борьбе за существование и не оставляет потомства). 3.Гибель или успех в борьбе за существование носят избирательный характер. Организмы одного вида отличаются друг от друга совокупностью признаков. В природе преимущественно выживают и оставляют потомство те особи, которые лучше приспособлены. Такое избирательное выживание и размножение наиболее приспособленных организмов Ч. Дарвин назвал естественным отбором.4.Под действием естественного отбора, происходящего в разных условиях, группы особей одного вида из поколения в поколение накапливают различные приспособительные признаки. Они приобретают настолько существенные отличия, что превращаются в новые виды. Крупнейшие ученые в разных странах способствовали распространению эволюционной теории Дарвина, защищали ее от нападок и сами вносили вклад в ее дальнейшее развитие.
Дарвинизм оказал сильнейшее влияние не только на биологию, но и на общечеловеческую культуру, способствуя развитию естественнонаучных взглядов о появлении и развитие живой природы и самого человека. Современная генетика привела к новым представлениям об эволюции, которые получили название синтетической теории эволюции (Неодарвинизма). Ее можно определить как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически. Такой взглад, не только подтвердил теорию Дарвина, но и объяснил ее на качественно новом уровне. Механизм эволюции стал рассматриваться, как состоящий из двух частей: случайные мутации на генетическом уровне и наследование наиболее удачных с точки зрения приспосбления к окружающей среде мутаций, т.к. их носители выживают и оставляют потомство.
18. 1. Палеонтология. Эта наука занимается изучением ископаемых остатков, т. е. любых сохранившихся в земной коре следов прежде живших организмов. Среди них — целые организмы, твердые скелетные структуры, окаменелости, отпечатки. В XIX в. эти находки были истолкованы с точки зрения теории эволюции. Дело в том, что в самых древних породах встречаются следы очень немногих простых организмов. В молодых породах находят разнообразные организмы, имеющие более сложное строение. Кроме того, достаточно много примеров существования видов лишь на одном из этапов геологической истории Земли, после чего они исчезают. Это понимается как возникновение и вымирание видов с течением времени. Постепенно ученые стали находить следы все большего количества «недостающих звеньев» в эволюции жизни: либо в виде окаменелостей (например, археоптерикс — переходная форма между рептилией и птицей), либо в виде ныне живущих организмов, близких по строению к ископаемым формам (например, латимерия, относящаяся к давно вымершим кистеперым рыбам). Конечно, ученым удалось найти далеко не все переходные формы, поэтому палеонтологическая летопись нашей планеты не является непрерывной, и этим аргументом пользуются противники эволюционной теории.
Тем не менее ученые находят убедительные объяснения этого факта. В частности, считается, что далеко не все умершие организмы оказываются в условиях, благоприятных для их сохранения. Большая часть погибших особей съедается падальщиками, разлагается, не оставляя никаких следов, возвращается в круговорот веществ в природе. Палеонтологам удалось открыть некоторые закономерности эволюции. В частности, с ростом сложности организма продолжительность существования вида сокращается, а темпы эволюции возрастают. Так, виды птиц в среднем существуют 2 млн лет, млекопитающие — 800 тыс. лет, предки человека — около 200 тыс. лет. Также удалось выяснить, что продолжительность жизни вида зависит от размеров его представителей. 2. Географическое распространение (биогеография). Все организмы приспособлены к среде своего обитания. Поэтому все виды возникли в каком-то определенном ареале, а оттуда они могли распространиться в области со схожими природными условиями.
Степень расселения зависит от того, насколько успешно могут данные организмы обосноваться в новых местах, насколько сложны естественные преграды, стоящие на пути расселения этого вида (океаны, горы, пустыни). Поэтому обычно распространение видов идет лишь в том случае, если подходящие территории расположены близко друг от друга. Так, в далеком прошлом массивы суши располагались ближе друг к другу, чем сейчас, и это способствовало широкому расселению многих видов. Если же в какой-то области нет более развитых видов, то это указывает на раннее отделение этой территории от места первоначального происхождения видов. Именно поэтому в Австралии сохранилось большое число сумчатых, отсутствующих в Европе, Африке и Азии.
Данные факты не объясняют механизм возникновения новых видов, но указывают на то, что разные группы возникали в разное время и в разных областях, что подтверждает теорию эволюции. 3. Биологическая классификация (систематика). К. Линней создал первую классификацию, в которую вошли выделенные им единицы-таксоны, находящиеся в отношениях иерархического соподчинения. Он выделял: вид, род, семейство, отряд, класс, тип и царство. В основу своей, классификации Линней положил структурное сходство между организмами, которое можно представить как результат их адаптации к определенным условиям среды на протяжении некоторого периода. Таким образом, эта классификация хорошо вписывается в эволюционную теорию, иллюстрируя процесс эволюции на Земле. 4. Селекция растений и животных. Помимо естественного отбора существует искусственный отбор, связанный с целенаправленной деятельностью человека по сохранению нужных видов. Именно так, путем селекции, из диких предков были выведены все культурные сорта растений и породы домашних животных. С созданием генетики стало ясно, что в ходе искусственного отбора сохраняются те гены, которые полезны для целей человека, и убираются не устраивающие его. 5. Сравнительная анатомия (морфология). Она занимается сопоставлением групп растений и животных друг с другом. При этом выявляются общие структурные черты, присущие им. В результате, становится ясно, что в своей основе они сходны. Таким образом, сравнительная анатомия выявляет органы, построенные по одному плану, занимающие сходное положение и развивающиеся из одних и тех же зачатков. Существование таких органов, как и появление рудиментарных органов, сохраняющихся у организмов, но не выполняющие никакой функции, можно объяснить только теорией эволюции. 6. Сравнительная эмбриология. Одним из основоположников этой науки стал русский ученый К. М. Бэр, который изучал эмбриональное развитие у представителей разных групп позвоночных.
При этом он обнаружил поразительное сходство в развитии зародышей всех групп, особенно, на ранних этапах их развития. После этого Э. Геккель высказал мысль о том, что ранние стадии развития зародыша повторяют эволюционную историю своей группы. Он сформулировал закон рекапитуляции, по которому индивидуальное развитие организма повторяет развитие всего вида. Так, зародыш позвоночных на разных этапах своего развития имеет признаки рыбы, амфибии, рептилии, птицы и млекопитающего. Поэтому на ранних стадиях развития зародыша бывает очень сложно определить, к какому виду он принадлежит. Лишь на поздних этапах эмбрион приобретает сходство с взрослой формой. Закон рекапитуляции может быть объяснен только наличием общих предков у всех живых организмов, что подтверждает эволюционную теорию. 7. Сравнительная биохимия. С ее появлением у эволюционной теории появились строго научные доказательства. Именно эта наука показала наличие одинаковых веществ у всех организмов, подтверждающее их очевидное биохимическое родство.
Вначале было доказано родство всех белков, а позднее — нуклеиновых кислот. Иммунные реакции также подтверждают наличие эволюционных связей. Если белки, содержащиеся в сыворотке крови, ввести в кровь животным, у которых этих белков нет, то они действуют как антигены, побуждая организмы животных вырабатывать антитела.
19. Основные положения синтетической теории эволюции Синтетическая теория эволюции — современный дарвинизм — возникла в начале 40-х годов XX в. Она представляет собой учение об эволюции органического мира, разработанное на основе данных современной генетики, экологии и классического дарвинизма. Термин «синтетическая» идет от названия книги известного английского эволюциониста Дж. Хаксли «Эволюция: современный синтез» (1942). В разработку синтетической теории эволюции внесли вклад многие ученые. Основные положения синтетической теории эволюции в общих чертах можно выразить следующим образом: Материалом для эволюции служат наследственные изменения — мутации (как правило, генные) и их комбинации.
Основным движущим фактором эволюции является естественный отбор, возникающий на основе борьбы за существование.
Наименьшей единицей эволюции является популяция.
Эволюция носит в большинстве случаев дивергентный характер, т. е. один таксон может стать предком нескольких дочерних таксонов.
Эволюция носит постепенный и длительный характер. Видообразование как этап эволюционного процесса представляет собой последовательную смену одной временной популяции чередой последующих временных популяций. Вид состоит из множества соподчиненных, морфологически, физиологически, экологически, биохимически и генетически отличных, но репродуктивно не изолированных единиц — подвидов и популяций. Вид существует как целостное и замкнутое образование. Целостность вида поддерживается миграциями особей из одной популяции в другую, при которых наблюдается обмен аллелями («поток генов»), Макроэволюция на более высоком уровне, чем вид (род, семейство, отряд, класс и др.), идет путем микроэволюции. Согласно синтетической теории эволюции, не существует закономерностей макроэволюции, отличных от микроэволюции.
Иными словами, для эволюции групп видов живых организмов характерны те же предпосылки и движущие силы, что и для микроэволюции. Любой реальный (а не сборный) таксон имеет монофилети-ческое происхождение. Эволюция имеет ненаправленный характер, т. е. не идет в направлении какой-либо конечной цели. Синтетическая теория эволюции вскрыла глубинные механизмы эволюционного процесса, накопила множество новых фактов и доказательств эволюции живых организмов, объединила данные многих биологических наук. Тем не менее синтетическая теория эволюции (или неодарвинизм) находится в русле тех идей и направлений, которые были заложены Ч. Дарвином
20. Основополагающие законы Генетики были вскрыты чешским естествоиспытателем Генетика Менделем при скрещивании различных рас гороха (1865). Однако принципиальные результаты его опытов были поняты и оценены наукой лишь в 1900, когда голл. учёный Х. де Фриз, нем. - К. Корренс и австр. - Э. Чермак вторично открыли законы наследования признаков, установленные Менделем. С этого времени началось бурное развитие Генетики, утвердившей принцип дискретности в явлениях наследования и организации генетического материала и сосредоточившей главное внимание на изучении закономерностей наследования потомками признаков и свойств родительских особей.
Уже в первое десятилетие развития Генетика на основе объединения данных гибридологический анализа и цитологии возникла цитогенетика, связавшая закономерности наследования признаков с поведением хромосом в процессе мейоза и обосновавшая хромосомную теорию наследственности и теорию гена как материальной единицы наследственности. Хромосомная теория объяснила явления расщепления, независимого наследования признаков в потомстве и послужила основой для понимания многих фундаментальных биологических явлений. Под термином «ген», введённым в 1909 датским учёным В. Иогансеном, стали понимать наследственный задаток признака. Решающий вклад в обоснование хромосомной теории наследственности был внесён работами американского генетика Т. Х. Моргана (1911). Крупной вехой в развитии Генетика стало открытие мутагенного (т. е. изменяющего наследственность) действия ренгеновых лучей. Доказав резкое увеличение изменчивости генов под влиянием внешних факторов, это открытие породило радиационную генетику. Важное место в развитии теории гена заняли работы советских генетиков. А. С. Серебровским была поставлена проблема сложного строения гена. В дальнейшем (1929-31) им и его сотрудниками, особенно Н. П. Дубининым, была экспериментально доказана делимость гена и разработана теория его строения из субъединиц.
Уже открытие Менделем закономерностей расщепления показало, что возникающие у организмов рецессивные мутации не исчезают, а сохраняются в популяциях в гетерозиготном состоянии. Это устранило одно из самых серьезных возражений против дарвиновской теории эволюции, высказанное английским инженером Ф. Дженкином, утверждавшим, что величина полезного наследственного изменения, которое может возникнуть у какой-либо особи, в последующих поколениях будет уменьшаться и постепенно приближаться к нулю. Генетика обосновала положение, что генотип определяет норму реакции организма на среду. В пределах этой нормы условия среды могут влиять на индивидуальное развитие организмов, меняя их морфологические и физиологические свойства, т. е. вызывая модификации.
Однако эти условия не вызывают адекватных (т. е. соответствующих среде) изменений генотипа, и поэтому модификации не наследуются, хотя сама возможность их возникновения под влиянием условий среды определена генотипом. Именно в этом смысле Генетика отрицательно решила вопрос о наследовании признаков, приобретенных в течение индивидуального развития, что имело огромное значение как для утверждения дарвиновской теории эволюции, так и для селекции. Исследования показали, что природные популяции насыщены мутациями, главным образом рецессивными, сохраняющимися в гетерозиготном состоянии под покровом нормального фенотипа. В неограниченно больших популяциях при свободном скрещивании и отсутствии "давления" отбора концентрация аллельных генов и соответствующих генотипов(АА, Aa, aa) находится в определенном равновесии, описываемом формулой английского математика Генетика Харди и немецкого врача В. Вайнберга: p2AA+2pqAa+q2aa, где коэффициенты р и q - концентрации доминантного и рецессивного генов, выраженные в долях, т. е. р+q=1. В реальных природных популяциях концентрация мутантных генов зависит главным образом от "давления" отбора, определяющего судьбу носителей мутаций в зависимости от их влияния на жизнеспособность и плодовитость особей в конкретных условиях среды. Носители неблагоприятных мутаций удаляются, элиминируются отбором. Данные Генетика подтвердили основные идеи эволюционной теории Дарвина, вскрыв вместе с тем новые закономерности наследственности и изменчивости, на основе которых отбор создает бесконечно варьирующие формы живых организмов с их поразительной приспособленностью к условиям внешней среды.
21. Еще на заре развития человеческой культуры людей поражала не только целесообразность строения отдельных живых существ, но и тот «порядок», который существует в живой природе в целом. Уже в древнейших индийских, египетских, китайских источниках и особенно в античной философии можно найти много интересных мыслей о взаимосвязи между животными и растениями, о единстве и целостности органического мира и его закономерном взаимодействии с органической природой. Сходность основных биохимических и физиологических особенностей животных, растений и микроорганизмов дополняется едиными чертами их строения и особенно тем, что клетка является основой структуры всех организмов.
Органический мир представляет собой единое целое, но в то же время он дискретен, т. е. состоит из отдельно существующих частей. Эти части соподчинены и образуют целостную систему, каждая часть обладает самостоятельностью, т. е. в определенных отношениях является и целым. Обладая известной автономией, части входят в состав более крупных структурных единиц, образуя разные ступени организации — от клетки до органического мира как целого. Как и всякое вещество, живая материя построена из молекул и атомов. Их взаимодействие, обусловливающее обмен веществ или проявление жизни на молекулярном уровне, изучают биохимия и биофизика.
Следующей по величине частью живого являются клетки, образующие ткани и органы. Отличаясь высокой степенью интеграции частей, организмы обладают неизмеримо большей автономностью по отношению друг к другу, нежели составляющие их органы и части. Почти каждый вид состоит из различающихся по строению, но в то же время кровнородственных групп индивидуумов; у многих животных личинки не только отличаются по внешнему виду, строению и физиологии, но и живут в других местах либо питаются иной пищей и имеют многие другие особенности. Также отличаются самцы и самки, а у многих видов насекомых, паразитических червей и других известны пищевые расы, живущие за счет разных кормов или по-разному размножающиеся, например, озимые и яровые расы рыб. Вид, таким образом, представляет не простое собрание одинаковых индивидуумов, а сложную систему группировок, соподчиненных, тесно связанных друг с другом и тем самым поддерживающих существование друг друга. Объединение разнородных индивидуумов в популяции, а различных популяций в виды создает много преимуществ в борьбе за существование и обеспечивает более активные отношения вида со средой, поскольку здесь возникают более активные сложные формы групповой жизнедеятельности. Будучи единым целым, живая природа не представляет собой какой-то замкнутой автономной системы.
Она находится в тесном единстве и взаимодействии с окружающей ее неживой природой. Тела животных и растений состоят из тех же химических элементов, в них действуют те же химические и физические законы, которые присущи неживой природе. Единство, тесная взаимосвязь организмов с окружающими абиотической и биотической средами нашли яркое выражение в трудах русского биолога К.Ф. Рулье, русского физиолога И.М. Сеченова. Углубил эти представления о единстве организмов и среды И.В. Мичурин. «Каждый организм, каждое свойство, каждый член, все внутренние и наружные части всякого организма, — писал он, — обусловлены внешней обстановкой его существования. Если организация растения такова, какова она есть, то это потому, что каждая ее подробность исполняет известную функцию, возможную и нужную только при данных условиях»3. Разнообразные формы животных, растений и микроорганизмов отличаются друг от друга величиной, формой, строением, функциями (характером жизнедеятельности), местами обитания (географическим распространением), органическим веществом, синтезируемым с помощью хлорофилла. Помимо растений это делают бактерии — хемосинтетики, использующие при синтезе энергию химических превращений. За счет растений живут другие организмы.
Животные питаются готовыми органическими веществами и являются его потребителями (консументами). Наконец, значительная часть микроорганизмов (большая часть бактерии и низших грибов — актинолицетов) существует за счёт мертвого органического вещества (трупов животных и растений), разлагая его и возвращая к исходному неорганическому состоянию. Поэтому их называют разрушителями (редуцентами) органического вещества. Другие микроорганизмы ведут паразитический образ жизни, существуя за счет живых растений и животных.
22. Нормальное протекание жизненного процесса каждого организма требует не только поступления в организм определенных веществ и энергии, но и удаления из него продуктов обмена и рассеяния избыточной энергии во внешнюю среду. Из этого и складываются основные потребности организма, удовлетворяемые за счет других живых существ и неорганической среды. Растения получают основные вещества и энергию почти полностью из неорганической природы. Одновременно в жизни всех растений непосредственную и очень важную роль играют взаимоотношения с другими видами растений и животных, так как они воздействуют на химические процессы и на физическое состояние среды. Отношения разных видов со средой всегда специфичны, что и отличает виды друг от друга. Каждый вид связан с определенными элементами (факторами) среды, которые могут быть безразличными или малозначительными для его соседей — других видов. Эта специфичность является прямым следствием эволюции, происходящей по открытому Ч. Дарвином принципу расхождения (дивергенции) видов, каждый из которых имеет свою «экологическую нишу» в сообществе. Под экологической нишей понимают место, занимаемое данным видом в тех сообществах, куда он входит в качестве одного из членов. Это место определяется отношением к абиотическим условиям и связям данного вида с другими видами.
Особенно важны пищевые связи. Опираясь на них, можно выделить ниши травоядных копытных (преимущественно древоядных оленей), насекомоядных птиц, хищных птиц и т. д. В результате объединения отдельных видов сложной системы — биоценоза — образуется единая структура органического мира; она обладает высокой степенью слаженности, чем и объясняется ее устойчивость. Но эти связи одновременно и противоречивы, что определяется характером отношений каждого со средой. Односторонний характер воздействия любого вида на окружающую среду и невозможность его непрерывного существования без восстановления другими видами использованных ресурсов объясняют неизбежность возникновения и развития жизни как общего и единого круговорота веществ в биосфере.
Еще на заре жизни наметились два основных звена биогенного круговорота веществ — гетеротрофного и автотрофного питания. Гетеротрофное питание означает усвоение организмами уже существующих органических веществ, а автотрофное — их синтез из веществ неживой природы. Круговорот веществ замкнулся при появлении сапрофитов, минерализующих мертвое органическое вещество и возвращающих его в исходное неорганическое состояние. Основным стержнем круговорота веществ служит питание особей одних видов особями других и использование одними видами продуктов обмена других. Различают два основных типа межвидовых отношений: а) симбиоз, не обоюдное полезное сожительство, а все формы сожительства и взаимных связей или сосуществование (в широком смысле слова), при котором виды связаны друг с другом взаимными приспособлениями и входят в состав одного биоценоза, часто одной цепи питания; б) антибиоз, или невозможность сожительства видов, так как существование одного исключает или затрудняет пребывание другого.
23. Хромосомы. ДНК защищена от внешних воздействий «упаковкой» из белков и организована в хромосомы, находящиеся в ядре клетки. В хромосоме регулируется активность генов, их восстановление при радиационном, химическом или ином типе повреждений, а также их репликация (копирование) в ходе клеточных делений – митоза и мейоза (см. КЛЕТКА). Каждый вид растений и животных имеет определенное число хромосом. У диплоидных организмов оно парное, две хромосомы каждой пары называются гомологичными. Среди них различают половые (см. ниже) и неполовые хромосомы, или аутосомы.
Человек имеет 46 хромосом: 22 пары аутосом и одну пару половых хромосом; при этом одна из хромосом каждой пары приходит от матери, а другая – от отца. Число хромосом у разных видов неодинаково. Например, у классического генетического объекта – плодовой мушки дрозофилы – их четыре пары. У некоторых видов хромосомные наборы состоят из сотен пар хромосом; однако количество хромосом в наборе не имеет прямой связи ни со сложностью строения организма, ни с его эволюционным положением. Помимо ядра, ДНК содержится в митохондриях, а у растений – еще и в хлоропластах.
Поэтому те гены, которые находятся в ядерной ДНК, называют ядерными, а внеядерные, соответственно, митохондриальными и хлоропластными. Внеядерные гены контролируют часть энергетической системы клеток: гены митохондрий отвечают в основном за синтез ферментов реакций окисления, а гены хлоропластов – реакций фотосинтеза. Все остальные многочисленные функции и признаки организма определяются генами, находящимися в хромосомах. Передача генов потомству. Виды поддерживают свое существование сменой одних поколений другими. При этом возможны различные формы размножения: простое деление, как у одноклеточных организмов, вегетативное воспроизводство, как у многих растений, половое размножение, свойственное высшим животным и растениям (см. РАЗМНОЖЕНИЕ). Половое размножение осуществляется с помощью половых клеток – гамет (сперматозоидов и яйцеклеток).
Каждая гамета несет одинарный, или гаплоидный, набор хромосом, содержащий только по одному гомологу; у человека это 23 хромосомы. Соответственно, каждая гамета содержит только один аллель каждого гена. Половина гамет, производимых особью, несет один аллель, а половина – другой. При слиянии яйцеклетки со сперматозоидом – оплодотворении, – образуется одна диплоидная клетка, называемая зиготой. Из клеток, получающихся в результате митотических делений зиготы в процессе индивидуального развития (онтогенезе), формируется новый организм. В зависимости от того, какие аллели несет данная особь, у нее развиваются те или иные признаки. Отметим, что равновероятное распределение аллелей по гаметам было открыто Грегором Менделем в 1865 и известно как Первое правило Менделя. ДНК. Многоклеточные организмы, как здания, сложены из миллионов кирпичиков – клеток. Основным «строительным» материалом клетки являются белки. У каждого типа белка – своя функция: одни входят в состав клеточной оболочки, другие – создают защитный «чехол» для ДНК, третьи передают «инструкции» о том, как производить белки, четвертые регулируют работу клеток и органов, и т.д.
Каждая молекула белка представляет собой цепочку из многих десятков, даже сотен звеньев – аминокислот; такую цепь называют полипептидной. Сложные белки могут состоять из нескольких полипептидных цепей.
24. В эволюции человека (Homo) различают три этапа (кроме того некоторые ученые выделяют в отдельный вид еще и вид Homo habilis – человек умелый): 1. Древнейшие люди, к которым относятся питекантроп, синантроп и гейдельбергский человек (вид человек прямоходящий – Homo erectus). 2. Древние люди – неандертальцы (первые представители вида человек разумный – Homo sapiens). 3. Современные (новые) люди, включающие ископаемых кроманьонцев и современных людей (вид человек разумный – Homo sapiens). Таким образом следующий после австралопитеков в эволюционной лестнице — уже «первый человек», первый представитель рода Ноmo. Это человек умелый (Homo habilis). В 1960 г. английский антрополог Луис Лики нашёл в ущелье Олдовай (Танзания) рядом с останками «человека умелого» самые древние орудия, созданные человеческими руками.
Эти орудия — всего лишь расколотая под определённым углом галька, слегка заострённая. Другая ветвь эволюции рода Ноmо, стоящая, по оценкам биологов, выше «человека умелого», — человек выпрямленный (Ноmo erectus). Питекантроп – «обезьяночеловек». Останки были обнаружены сначала на о. Ява в 1891 году Е. Дюбуа, а затем в ряде других мест. Питекантропы ходили на двух ногах, объем мозга у них увеличился. Синантроп, останки которого найдены в 1927 – 1937 гг. в пещере близ Пекина, во многом сходен с питекантропом, это географический вариант человека прямоходящего.
Их часто называют обезьянолюдьми. «Человек выпрямленный» уже не бежал в панике от огня, как все остальные звери, а сам разводил его (впрочем, есть предположение, что и «человек умелый» уже поддерживал огонь в тлеющих пнях и термитниках); не только раскалывал, но и обтёсывал камни, в качестве посуды использовал обработанные черепа антилоп. Современные люди. Возникновение людей современного физического типа произошло относительно недавно, около 50 тыс. лет назад. Их останки найдены в Европе, Азии, Африке и Австралии. В гроте Кроманьон (Франция) было обнаружено сразу несколько скелетов ископаемых людей современного типа, которых и назвали кроманьонцами.
Они обладали всем комплексом физических особенностей, который характеризует современного человека. Расы человека, по-видимому, появились сравнительно недавно. Согласно одной из схем, основанной на данных молекулярной биологии, разделение на два больших расовых ствола — негроидный и европеоидно-монголоидный — произошло скорее всего около 100 тысяч лет назад, а дифференциация европеоидов и монголоидов — около 45-60 тысяч лет назад. Большие расы в основном формировались под влиянием природных и социально-экономических условий в ходе внутривидовой дифференциации уже сложившегося человека разумного, начиная с эпохи позднего палеолита и мезолита, но главным образом — в неолите. Европеоидный тип установился с неолита, хотя отдельные его черты прослеживаются в позднем или даже среднем палеолите. Фактически отсутствуют достоверные свидетельства присутствия монголоидов в Восточной Азии в донеолитическую эпоху, хотя в Северной Азии они, возможно, существовали уже в позднем палеолите. В Америке предки индейцев не были сложившимися монголоидами. Также и Австралия заселялась еще «нейтральными» в расовом отношении неоантропами.
Существуют две основные гипотезы происхождения человеческих рас — полицентризма и моноцентризма.
Согласно теории полицентризма, современные расы человека возникли в результате длительной параллельной эволюции нескольких филетических линий на разных материках: европеоидная в Европе, негроидная в Африке, монголоидная в Центральной и Восточной Азии, австралоидная в Австралии. Однако если эволюция расовых комплексов и шла параллельно на разных континентах, она не могла быть полностью независимой, поскольку древние проторасы должны были скрещиваться на границах своих ареалов и обмениваться генетической информацией. В ряде областей сформировались промежуточные малые расы, характеризующиеся смешением признаков разных больших рас. Так, промежуточное положение между европеоидной и монголоидной расами занимают южносибирская и уральская малые расы, между европеоидной и негроидной — эфиопская и т. д.
С позиций моноцентризма современные человеческие расы сформировались относительно поздно, 25—35 тыс. лет назад, в процессе расселения неоантропов из области их возникновения. При этом также допускается возможность скрещивания (хотя бы ограниченного) неоантропов во время их экспансии с вытесняемыми популяциями палеоантропов (как процесса интрогрессивной межвидовой гибридизации) с проникновением аллелей последних в генофонды популяций неоантропов. Это также могло способствовать расовой дифференциации и устойчивости некоторых фенотипических признаков (подобных лопатообразным резцам монголоидов) в центрах расообразования. Начиная с 17 века предложено немало различных классификаций человеческих рас. Наиболее часто выделяют три основные, или большие, расы: европеоидная (евразийская, кавказоидная), монголоидная (азиатско-американская) и экваториальная (негро-австралоидная).
25. БИОЭТИКА – область междисциплинарных исследований этических, философских и антропологических проблем, возникающих в связи с прогрессом биомедицинской науки и внедрением новейших технологий в практику здравоохранения.
Содержание биоэтики. Развитие биоэтики обусловлено тем, что в современном мире медицина претерпевает процесс цивилизационных преобразований. Она становится качественно иной, не только более технологически оснащенной, но и более чувствительной к правовым и этическим аспектам врачевания. Этические принципы для новой медицины хотя и не отменяют полностью, но радикально преобразуют основные положения «Клятвы Гиппократа», которая была эталоном врачебного морального сознания на протяжении веков. Традиционные ценности милосердия, благотворительности, ненанесения вреда пациенту и другие получают в новой культурной ситуации новое значение и звучание. Именно это и определяет содержание биоэтики.
К биоэтическим обычно относят моральные и философские проблемы аборта; контрацепции и новых репродуктивных технологий (искусственное оплодотворение, оплодотворение «в пробирке», суррогатное материнство); проведения экспериментов на человеке и животных; получения информированного согласия и обеспечения прав пациентов (в том числе с ограниченной компетентностью – например, детей или психиатрических больных); выработки дефиниции (определения) смерти; самоубийства и эвтаназии (пассивной или активной, добровольной или насильственной); проблемы отношения к умирающим больным (хосписы); вакцинации и СПИДа; демографической политики и планирования семьи; генетики (включая проблемы геномных исследований, генной инженерии и генотерапии); трансплантологии; справедливости в здравоохранении; клонирования человека, манипуляций со стволовыми клетками и ряд других.
В основе биоэтики лежат представления о недостаточности одностороннего медицинского истолкования телесного благополучия как цели врачевания. Насущной необходимостью является междисциплинарный диалог медиков с представителями широкого круга гуманитарных наук и диалог с пациентами и представителями общественности. Только так может быть адекватно выражена и понята многоплановая природа человеческого страдания и на этом основании выработана современная регулятивная идея блага и как цели врачевания для отдельного индивида, и как цели общественного здравоохранения в целом.
Первой исследовательской организацией, начавшей систематическое междисциплинарное обсуждение моральных проблем современной медицины, стал созданный в 1969 врачем-психиатром Виллардом Гейлином и философом Дэниэлом Кэллахеном «Хейстингский центр» (Institue of Society, Ethics and the Life Sciences). В 1971 был создан Институт этики Кеннеди (с 1979 года – часть Джорджтаунского университета), который создал первые образовательные курсы для врачей, философов и представителей других специальностей.
Сложные биоэтические проблемы затрагивают многие стороны развития современных сообществ. Поэтому для их решения создан особого рода социальный институт этических комитетов, который представляет собой многоуровневую сеть общественных, государственных и международных организаций. Этические комитеты существуют при научно-исследовательских организациях и больницах, профессиональных объединениях (врачебных, сестринских, фармацевтических), государственных органах, международных организациях (ЮНЕСКО, ВОЗ, Совет Европы и др.). С исторической точки зрения биоэтика и началась как широкая общественная дискуссия по поводу сложнейшего морального выбора на границе между жизнью и смертью в парадоксальных ситуациях, постоянно порождаемых прогрессом современных биомедицинских технологий.
В биоэтических дискуссиях границы человеческого существования постоянно подвергаются критическому пересмотру, что делает их нестабильными. Одновременно возникает набирающая силу тенденция различения «человеческого сообщества» и «морального сообщества». Многочисленные группы и движения сторонников прав животных настойчиво добиваются пересмотра «антропоцентричной» морали и признания в качестве основополагающей –«патоцентрической» модели (включающей всех живых существ, способных переносить боль) или даже биоцентрической модели, объемлющей всю живую природу. Особо активно это обсуждается в связи с проектами создания трансгенных животных для ксенотрансплантаций (пересадки органов от животных человеку).
26. Эмоции – особый класс субъективных психологических состояний, отражающих в форме непосредственных переживаний приятного процесс и результаты практической деятельности, направленной на удовлетворение его актуальных потребностей. Поскольку все то, что делает человек, в конечном счете, служит цели удовлетворения его разнообразных потребностей, постольку любые проявления активности человека сопровождаются эмоциональными переживаниями.
Эмоции, утверждал Ч. Дарвин, возникли в процессе эволюции как средство, при помощи которого живые существа устанавливают значимость тех или иных условий для удовлетворения актуальных для них потребностей. Самая старая по происхождению, простейшая и наиболее распространенная среди живых существ форма эмоциональных переживаний - это удовольствие, получаемое от удовлетворения органических потребностей, и неудовольствие, связанное с невозможностью это сделать при обострении соответствующей потребности.
О тесной связи, которая существует между эмоциями и деятельности организма, говорит тот факт, что всякое эмоциональное состояние обычно сопровождается многими физиологическими изменениями организма. Чувства – высший продукт культурно-эмоционального развития человека. Они связаны с определенными, входящими в сферу культуры предметами, видами деятельности и людьми, окружающими человека. Предметом чувственного отношения человека могут стать исторические и социальные события, многое другое.
В отличие от эмоций, которые обычно возникают в ответ на воздействие отдельных свойств окружающей среды, чувства соотносятся с восприятием и оценкой сложных предметов, событий, людей, ситуаций. Они достаточно развиты лишь у человека: у животных их нет. Чувства выполняют в жизни и деятельности человека, в его общении с окружающими людьми мотивирующую роль. В отношении окружающего его мира человек стремится действовать так, чтобы подкрепить и усилить свои положительные чувства.
Они всегда связаны с работой сознания, могут произвольно регулироваться. Проявление сильного и устойчивого положительного чувства к чему-либо или кому-либо называется страстью. Устойчивые чувства умеренной или слабой силы, действующие в течение длительного времени, именуются настроениями. Творчество как процесс создания чего-то нового, часто предполагает, что человек может испытывать недостаточность информации, знаний, умений для достижения цели и решения той или иной проблемы, именно поэтому ему необходимо сделать рывок в неизведанное, создать новые знания, умения, новые объекты и произведения. Эмоции, вдохновение, воображение помогают сделать этот «рывок в творчество».
Огромную роль эмоций в творческом процессе признавал и В.И. Вернадский; он писал: «Говорят: одним разумом можно все постигнуть. Не верьте!… Одна нить – разум, другая – чувство, и всегда они соприкасаются в творчестве». Научное и техническое творчество проявляется в поиске и нахождении принципиально нового решения научной или технической проблемы, причем структура мыслительного процесса решения проблемы сложна, но неизменно успеху, «озарению», нахождению нового решения способствует эмоциональная увлеченность проблемой, вера в успех, эмоциональная положительная стимуляция. Творческое мышление имеет свои отличительные черты: оно пластично, то есть творческие люди предлагают множество решений в тех случаях, когда обычный человек может найти лишь одно или два; оно подвижно, то есть для творческого мышления не составляет труда перейти от одного аспекта проблемы к другому, не ограничиваясь одной-единственной точкой зрения; оно оригинально, оно порождает неожиданные, небанальные, непривычные решения.
27. Говоря о работоспособности, выделяют общую (потенциальную, максимально возможную работоспособность при мобилизации всех резервов организма) и фактическую работоспособность, уровень которой всегда ниже. Фактическая работоспособность зависит от текущего уровня здоровья, самочувствия человека, а также от типологических свойств нервной системы, индивидуальных особенностей функционирования психических процессов (памяти, мышления, внимания, восприятия), от оценки человеком значимости и целесообразности мобилизации определенных ресурсов организма для выполнения определенной деятельности на заданном уровне надежности и в течение заданного времени при условии нормального восстановления расходуемых ресурсов организма. В процессе выполнения работы человек проходит через различные фазы работоспособности. Фаза оптимальной работоспособности (или фаза компенсации) характеризуется оптимальным, экономным режимом работы организма и хорошими, стабильными результатами работы, максимальной производительностью и эффективностью труда. Затем, во время фазы неустойчивости компенсации (или субкомпенсации), происходит своеобразная перестройка организма: необходимый уровень работы поддерживается за счет ослабления менее важных функций.
Перед окончанием работы, при наличии достаточно сильного мотива к деятельности, может наблюдаться также фаза «конечного порыва. При выходе за пределы фактической работоспособности, во время работы в сложных и экстремальных условиях, после фазы неустойчивой компенсации наступает фаза декомпенсации, сопровождаемая прогрессирующим снижением производительности труда, появлением ошибок, выраженными вегетативными нарушениями – учащением дыхания, пульса, нарушением точности координации. В течение недели отмечаются те же три этапа. В понедельник человек проходит стадию срабатывания, во вторник, среду и четверг имеет устойчивую работоспособность, а в пятницу и субботу у него развивается утомление. Сезонные колебания работоспособности заметили давно.
В переходное время года, особенно весной, у многих людей появляются вялость, утомляемость, снижается интерес к работе. Это состояние называют весенним утомлением. Упомянем и о модной теории определения трех биоритмов – физического, эмоционального и интеллектуального – со дня рождения. Такие циклы действительно существуют, причем они имеют связь с показателями обмена веществ. Но их трудно прогнозировать с момента рождения из-за многочисленных привходящих факторов, вызывающих физические, эмоциональные, психические стрессы.
А как влияет на работоспособность возраст? Установлено, что в 18–29 лет у человека наблюдается самая высокая интенсивность интеллектуальных и логических процессов. К 30 годам она снижается на 4%, к 40 – на 13, к 50 – на 20, а в возрасте 60 лет – на 25%. По данным ученых Киевского института геронтологии, физическая работоспособность максимальна в возрасте от 20 до 30 лет, к 50–60 годам она снижается на 30%, а в следующие 10 лет составляет лишь около 60% юношеской. Длительное время ученые считали утомление отрицательным явлением. Уже в наши дни академик АН Украины Г.В. Фолъборт провел убедительные исследования, показавшие, что утомление является естественным побудителем процессов восстановления работоспособности.
28. В процессе создания концепции биосферы В.И. Вернадский приходит к выводу огромного мировоззренческого значения, по существу, определяющему стратегию будущего развития естествознания. Он говорит о том, что в современное научное мировоззрение должно войти представление о геохимических функциях живого вещества и человечества как основных геологических сил, определяющих как само существование биосферы, так и формы и вектор ее развития. Концепция биосферы стала точкой отсчета нового этапа развития общего естествознания. Современное общее естествознание — это биосферное естествознание, в основе которого лежит представление о биосферных, то есть геохимических функциях живого вещества и человечества.
Без этого представления в настоящее время невозможен «гармоничный ход научного и философского мышления». Вот главный урок Вернадского нашему поколению. Следовательно, феномен земной жизни (а нам известна, к сожалению, только она) представляет собой проявление общей космологической эволюции, а земные биологи заняты лишь отдельной темой в многообразии, по выражению К. Сагана, «музыки жизни». Условия же появления жизни на Земле определили ее развитие в качество целого, т. е. в виде биосферы, единого монолита живого вещества, организованность которого определяется преобладанием космической энергии и связанными с этим космопланетарными биогеохимическими функциями. Это значит, что эволюция биосферы зависит от совокупности чисто земных и космических явлений. При рассмотрении проблемы человека существенным является то, что под влиянием человеческой мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние — ноосферу.
В этом плане необходимо учитывать положение В.И. Вернадского о встроенности человека, его социально-исторического бытия в космопланетарную организованность жизни в целом. Именно в этом проявляется уникальность феномена человека: единство функционирования в его жизнедеятельности законов природы и общества. По В.И. Вернадскому, вещество биосферы разнородно по своему физико-химическому составу, а именно: живое вещество как совокупность живых организмов; биогенное вещество — непрерывный биогенный поток атомов из живого вещества в косвенное вещество биосферы и обратно; косное вещество (атмосфера, газы, горные породы и пр.); биокосное вещество, например, почвы, илы, поверхностные воды, сама биосфера, т. е. сложные закономерные косно-живые структуры; радиоактивное вещество; рассеянные атомы; вещество космического происхождения. Биосфера — не просто одна из существующих оболочек Земли, подобно литосфере, гидросфере или атмосфере. В.И. Вернадский предельно лаконично указывает на основное отличие — это организованная оболочка.
И чтобы понять суть биосферы, нужно понять, как и кем она организована, в чем состоит организованность биосферы. Быть живым — значит быть организованным, отмечал В.И. Вернадский, и в этом состоит суть понятия биосферы как организованной оболочки Земли. На протяжении миллиарда лет существования биосферы организованность создается и сохраняется деятельностью живого вещества — совокупности всех живых организмов.
Форма же деятельности живого, его биогеохимическая работа в биосфере (новое понятие, введенное В.И. Вернадским) заключается в осуществлении необратимых и незамкнутых круговоротов вещества и потоков энергии между основными структурными компонентами биосферной целостности: горными породами, природными водами, газами, почвами, растительностью, животными, микроорганизмами. Этот непрекращающийся процесс круговоротного движения составляет один из краеугольных камней учения о биосфере и носит название биогеохимической цикличности. Биогенез В.И. Вернадский, вслед за древними авторами, считал величайшей тайной природы, ее загадкой и в то же время основным свойством живого. («Живое из живого» Вернадский называл «принципом Реди». Имя итальянского ученого XVII века Франческо Реди принадлежит к числу постоянно встречающихся в биолого-географических трудах Вернадского). К представлениям об абиогенезе (археогенезе) и гетерогенезе Вернадский относился определенно отрицательно, справедливо подчеркивая, что накопившийся в естествознании огромный фактический материал с несомненностью доказывает происхождениях всех современных живых организмов путем биогенеза.
31. Происхождение Вселенной — любое описание или объяснение начальных процессов возникновения существующей Вселенной, включая образование астрономических объектов (космогонию), возникновение жизни, планеты Земля и человечества. Существует множество точек зрения на вопрос происхождения Вселенной, начиная с научной теории, множества отдельных гипотез, и заканчивая философскими размышлениями, религиозными убеждениями, и элементами фольклора. Все концепции возникновения Вселенной условно можно разделить на две:
Концепции возникновения Вселенной без участия осознающего фактора(Творца, «Вселенского разума» и т. д.), то есть с соблюдением принципа заурядности. Такие концепции в основном, научные — не признающие одухотворённость творения и понятие Творца, или, иными словами, «осознающего создателя», и опирающиеся на научные факты; Концепции сотворения мира — в основном, религиозные — признающие Творца в качестве первопричины. Это выражается прежде всего в достаточно серьезных противоречиях в терминологии и языковых оппозициях таких как: сотворение — возникновение, творец — природа и т. д. Во всем остальном многие виды мировоззрения зачастую пересекаются и дублируют друг друга. Момент во времени, когда появился мир (Вселенная, звёзды, планеты и т. п.). Существует несколько научных и религиозных систем датировок.
Согласно библейским источникам, период времени от сотворения мира Богом до Рождества Христова насчитывал от 3483 до 6984 лет.
Теория Большого взрыва, широко распространённая в современной физике, оценивает появление Вселенной около 13 млрд лет назад. Самая ранняя известная эпоха — это планковское время (10−43 секунд после Большого взрыва). В индуизме время жизни мироздания до возврата в «непроявленное» состояние равно 100 годам Брахмы. Каждый год Брахмы состоит из 360 суток; сутки состоят из равных дня и ночи; день длится одну калпу, которой соответствует 4,32 млрд человеческих лет. Итого, время жизни мироздания — около 311 трлн лет. Считается, что нынешний Брахма находится на 51 году, что соответствует около 155 трлн лет. По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,7 ± 0,13 млрд лет назад[2] из некоторого начального сингулярного состояния с гигантскими температурой и плотностью и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. В последнее время ученым удалось определить, что скорость расширения Вселенной, начиная с определённого момента в прошлом, постоянно увеличивается, что уточняет некоторые концепции теории Большого взрыва. Современная стандартная модель развития Вселенной в физической космологии (Лямбда-CDM модель) учитывает эти модификации.
Но сейчас нельзя точно сказать как Вселенная возникла. Для всех этих гипотез существенны: представление о нашей Вселенной, как о вложенном пространстве, открытой системе; понимание, что с момента зарождения наша Вселенная наследует некоторые фундаментальные свойства источника творения, например, значительное количественное преобладание вещества над антивеществом; временной фактор (материя Сверхвселенной поступает в наше пространство или формирует его в течение конечного интервала времени с переменной интенсивностью). Сотворение мира — группа научно-философских теорий, наряду с научными теориями, предпринимающих попытку объяснить и описать возникновение Вселенной. Главный отличием от научных теорий является вера в одухотворенность творения и признание существования Творца, породившего Мир.
32. Звезда – раскаленный газовый шар, а основным свойством газа является стремление расшириться и занять любой предоставленный ему объем. Это стремление вызвано давлением газа и определяется его температурой и плотностью. В каждой точке внутри звезды действует сила давления газа, которая старается расширить звезду. Но в каждой же точке ей противодействует другая сила – сила тяжести вышележащих слоев, пытающаяся сжать звезду. Однако ни расширения, ни сжатия не происходит, звезда устойчива. Это означает, что обе силы уравновешивают друг друга. А так как с глубиной вес вышележащих слоев увеличивается, то давление, а следовательно, и температура возрастают к центру звезды. везда излучает энергию, вырабатываемую в ее недрах.
Температура в звезде распределена так, что в любом слое в каждый момент времени энергия, получаемая от нижележащего слоя, равняется энергии, отдаваемой слою вышележащему. Сколько энергии образуется в центре звезды, столько же должно излучаться ее поверхностью, иначе равновесие нарушится. Таким образом, к давлению газа добавляется еще и давление излучения. учи, испускаемые звездой, получают свою энергию в недрах, где располагается ее источник, и продвигаются через всю толщу звезды наружу, оказывая давление на внешние слои. емпература внутри звезды тем ниже, чем больше концентрация частиц в газе, т. е. чем меньше его средняя молекулярная масса.
Средняя молекулярная масса газа, состоящего из атомов водорода, равна 1, а из атомов гелия – 4, натрия – 23, железа – 56.Чем больше водорода и гелия по сравнению с более тяжелыми элементами, тем ниже температура в центре звезды. Чисто водородное Солнце, например, имело бы температуру в центре 10 млн. градусов, гелиевое – 26 млн. градусов, а состоящее целиком из более тяжелых элементов – 40 млн. градусов.После длительных поисков было установлено, что звезды большую часть своей жизни светят за счет совершающихся в них преобразований четырех ядер водорода (протонов) в одно ядро гелия.
Астрономы не в состоянии проследить жизнь одной звезды от начала и до конца.
Жизненный путь звезды довольно сложен. В течение своей истории она разогревается до очень высоких температур и остывает до такой степени, что в ее атмосфере начинают образовываться пылинки. Картина ее эволюции усложняется вращением, иногда очень быстрым, на пределе устойчивости (при быстром вращении центробежные силы стремятся разорвать звезду). Некоторые звезды обладают скоростью вращения на поверхности 500-600 км/с. Для Солнца эта величина составляет около 2 км/с. По современным представлениям, жизненный путь одиночной звезды определяется ее начальной массой и химическим составом. Теория звездной эволюции утверждает, что в телах массой меньше чем семь-восемь сотых долей массы Солнца долговременные термоядерные реакции идти не могут.
33. Научная картина мира. Понятие «научная картина мира» активно используется в естествознании и философии с конца 20 века. Специальный анализ его содержания стал проводиться более или менее систематически с 60-х годов 20 века, но до сих пор понимание его не достигнуто. Вероятно, это связано с размытостью, неопределенностью самого понятия, занимающего промежуточное положение между философским и естественнонаучным уровнями обобщения. Результаты познания окружающего мира отражаются и закрепляются в сознании человека в виде знаний, умений, навыков, типов поведения и общения.
Совокупность результатов познавательной деятельности человека образует определенную модель, или картину мира. В истории человечества было создано и существовало большое количество разнообразных картин мира, каждая из которых отличалась своим видением мира и специфическим его объяснением. Однако самое широкое и полное представление о мире дает научная картина мира, которая включает в себя важнейшие достижения науки. Она представляет собой целостную систему представлений об общих свойствах, сферах, уровнях и закономерностях реальной действительности. Это особая форма систематизации знаний, качественное обобщение и мировоззренческий синтез различных научных теорий. Научная картина мира существует как сложная структура, включающая в себя в качестве составных частей общенаучную картину мира и картины мира отдельных наук (физическая, биологическая, геологическая и т. п.).
Последние в свою очередь включают в себя соответствующие многочисленные концепции — определенные способы понимания и трактовки каких-либо предметов, явлений и процессов объективного мира, существующие в каждой науке. В мировоззренческом и методологическом отношении научные картины мира выполняют функции связующего звена между философией и отдельными науками, специальными научными теориями. Научная картина мира включает в себя важнейшие достижения науки, создающие определенное понимание мира и места человека в нем. В нее не входят более частные сведения о свойствах различных природных систем, о деталях самого познавательного процесса.
При этом научная картина мира не является совокупностью общих знаний, она представляет целостную систему представлений об общих свойствах, сферах, уровнях и закономерностях природы. Научная картина мира в отличие от строгих теорий обладает необходимой наглядностью, характеризуется наличием абстрактно-теоретических знаний и образов, создаваемых с помощью моделей. Таким образом, научная картина мира – это особая форма систематизации знаний, преимущественно качественное обобщение и мировоззренческо-методологический синтез различных научных теорий.
Основой современной научной картины мира являются фундаментальные знания, полученные, прежде всего, в области физики Понятие научной картины мира является одним из основополагающих в естествознании. На протяжении своей истории оно прошло несколько этапов развития и формирования научных картин мира по мере доминирования какой-либо отдельной науки или отрасли наук, опирающейся на новую теоретическую, методологическую и другие системы взглядов, принятых в качестве основания решения научных задач. Подобная система научных взглядов и установок, разделяемая преобладающим большинством ученых, называется научной парадигмой.
Научная картина мира формируется на основе достижений естественных, общественных и гуманитарных наук. Но фундаментом этой картины, бесспорно, является естествознание. Значение естествознания для формирования научной картины мира настолько велико, что нередко научную картину миру сводят к естественнонаучной картине мира, содержание которой составляют картины мира отдельных естественных наук.
Естественнонаучная картина мира представляет собой систематизированное и достоверное знание о природе, исторически сформировавшееся в ходе развития естествознания. В эту картину мира входят знания, полученные из всех естественных наук, их фундаментальных идей и теорий. В то же время история науки свидетельствует, что большую часть содержания естествознания составляют преимущественно физические знания.
34. За один календарный год в мире при перепашке полей, строительных и других работах перемещается более 4000 куб. км почвы и грунта, извлекается из недр земли 120 млрд. тонн руд, горючих ископаемых, строительных материалов, выплавляется 800 млн. тонн различных металлов. В то же время в конечном продукте содержится не более 5 - 7% от количества сырья, запущенного в производство, а 93 - 95% идет в отходы, загрязняя атмосферу и природные водоемы. Общая площадь разрушенных и деградированных почв за всю историю человечества составляет примерно 20 млн. кв. км, что больше совокупной площади, используемой сегодня в мире в сельскохозяйственных целях.
Отсутствие элементарных представлений о допустимых нагрузках на природные системы породило парниковый эффект. Кроме того, человечество столкнется еще с одной угрозой своему существованию. Это нарастающая интенсивность мутагенеза и рост генетической неполноценности человечества. Показатели этих процессов опасно возрастают. Какое-то количество неполноценных детей всегда присутствует среди новорожденных - это цена генетического разнообразия.
Сегодня каждый 500-й или 700-й ребенок в силу естественных мутаций и структуры генофонда рождается с заметными отклонениями от нормы. К числу подобных явлений относится загрязнение мирового океана, которое происходит сегодня в огромных масштабах. В реки, озера, моря и океаны планеты ежегодно сбрасывается до 7000 млрд. куб. метров неочищенных сточных вод, которые содержат около 300 млн. тонн железа; 6,5 тонн фосфора; 2,3 млн. тонн свинца; 7000 тонн ртути и множество других токсичных веществ.
Закономерно, что это приводит к сокращению океанской биоты, а, следовательно, и к сокращению пищевых ресурсов человека.Не менее грозным предупреждением становится сокращение площадей тропических лесов, которые наряду с северной тайгой являются легкими планеты - они вырабатывают основную массу кислорода, необходимого для жизни животного мира.
Глобальные изменения климата происходят не только из-за парникового эффекта и вырубки лесов, но также и из-за уменьшения поверхности озонового слоя, что пропорционально увеличивает интенсивность ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли.
Все эти факторы носят природный характер, но вызваны человеческой активностью. Ощутимыми они станут через два-три поколения, то есть к середине следующего столетия. Но есть два фактора, отрицательный эффект которых может проявиться уже в ближайшем будущем - в начале XXI века.Первый - это знаменитая проблема Мальтуса - несоответствие растущих потребностей все увеличивающегося человечества и уменьшающегося запаса ресурсов оскудевающей планеты. Если Мальтуса беспокоило только несоответствие роста населения росту производства пищи, то теперь ситуация стала значительно сложнее. К этой проблеме, обозначенной Мальтусом, добавляется много новых.
Происходит стремительное опустошение запасов углеродного топлива. Как кошмар, перед человечеством вырисовывается перспектива неминуемого исчерпания запасов угля, нефти, газа. И все это - на фоне демографического взрыва, принявшего угрожающий характер.
Вторая проблема, не менее грозная, чем проблема Мальтуса, почти не обсуждается даже специалистами. Это проблема потери возможной устойчивости (стабильности) биосферы как целостной системы, частью которой является человечество. Результатом потери стабильности нынешнего квазиравновесного состояния будет переход биосферы (как и всякой нелинейной системы) в новое и неведомое нам состояние квазиравновесия, в котором человеку просто может не оказаться места. Биосфера, как саморегулирующаяся система, до поры до времени могла компенсировать изменяющиеся внешние нагрузки. На протяжении миллиардов лет удерживались параметры биосферы в том узком интервале их значений, в котором только и мог возникнуть наш биологический вид. И это регулирование обеспечивалось несмотря на то, что за время существования планеты биосфера Земли неоднократно подвергалась дополнительным внешним нагрузкам - колебания солнечной активности, падение метеоритов, интенсивный вулканизм и т.д.
35. Экология рассматривает взаимодействие живых организмов и неживой природы. Это взаимодействие, во-первых, происходит в рамках определенной системы (экологической системы, экосистемы) и, во-вторых, оно не хаотично, а определенным образом организовано, подчинено законам.
Экосистемой называют совокупность продуцентов, консументов и детритофагов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени.Таким образом, для естественной экосистемы характерны три признака:экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов;в рамках экосистемы осуществляется полный цикл, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие; экосистема сохраняет устойчивость в течение некоторого времени, что обеспечивается определенной структурой биотических и абиотических компонентов.
Примерами природных экосистем являются озеро, лес, пустыня, тундра, суша, океан, биосфера. Как видно из примеров, более простые экосистемы входят в более сложно организованные. При этом реализуется иерархия организации систем, в данном случае экологических.
Таким образом, устройство природы следует рассматривать как системное целое, состоящее из вложенных одна в другую экосистем, высшей из которых является уникальная глобальная экосистема - биосфера. В ее рамках происходит обмен энергией и веществом между всеми живыми и неживыми составляющими в масштабах планеты.
Грозящая всему человечеству катастрофа состоит в том, что нарушен один из признаков, которым должна обладать экосистема: биосфера как экосистема деятельностью человека выведена из состояния устойчивости. В силу своих масштабов и многообразия взаимосвязей она не должна от этого погибнуть, она перейдет в новое устойчивое состояние, изменив при этом свою структуру, прежде всего неживую, а вслед за ней неизбежно и живую. Человек как биологический вид меньше других имеет шанс приспособиться к новым быстро изменяющимся внешним условиям и скорее всего исчезнет первым. Поучительным и наглядным тому примером является история острова Пасхи.
На одном из полинезийских островов, носящем название острова Пасхи, в результате сложных миграционных процессов в VII веке возникла замкнутая изолированная от всего мира цивилизация. В благоприятном субтропическом климате она за сотни лет существования достигла известных высот развития, создав само-бытную культуру и письменность, до наших дней не поддающуюся расшифровке. А в XVII веке она без остатка погибла, уничтожив вначале растительный и животный мир острова, а затем погубив себя в прогрессирующей дикости и каннибализме. У последних островитян не осталось уже воли и материала, чтобы построить спасительные "ноевы ковчеги" - лодки или плоты.
В память о себе исчезнувшее сообщество оставило полупустынный остров с гигантскими каменными фигурами - свидетелями былого могущества.
Итак, экосистема является важнейшей структурной единицей устройства окружающего мира. Как видно из рис. 1 (см. приложение), основу экосистем составляют живое вещество, характеризующееся биотической структурой, и среда обитания, обусловленная совокупностью экологических факторов. Рассмотрим их более подробно.
37. Поток вещества - перемещение последнего в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам (через консументы или без них).Поток энергии - переход энергии в виде химических связей органических соединений (пищи) по цепям питания от одного трофического уровня к другому (более высокому). Следует указать, что в отличие от веществ, которые постоянно циркулируют по разным блокам экосистемы и всегда могут вновь входить в круговорот, поступившая энергия может быть использована только один раз. Как универсальное явление природы, односторонний приток энергии обусловлен действием законов термодинамики.
Согласно первому из них: энергия может переходить из одной формы (энергия света) в другую (потенциальную энергию пищи), но она никогда не создается вновь и не исчезает бесследно. Второй же закон термодинамики утверждает, что не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потери некоторой ее части, По этой причине не может быть превращений, например, пищи в вещество, из которого состоит тело организма, идущих со 100% эффективностью. Таким образом, функционирование всех экосистем определяется постоянным притоком энергии, которая необходима всем организмам для поддержания их существования и самовоспроизведения. В соперничестве с другими экосистемами выживает (сохраняется) тз них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное ее количество наиболее эффективным способом. Наилучшими шансами на самосохранение обладает система, в наибольшей степени способствующая поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации.
Цепи питания, начинающиеся с фотосинтезирующих организмов, называют цепями выедания (или пастбищными), а цепи, которые начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных - детритными цепями. Место каждого звена в цепи питания называют трофическим уровнем, он характеризуется различной интенсивностью протекания потока веществ и энергии. Первый трофический уровень - это всегда продуценты; растительноядные консументы относятся ко второму трофическому уровню; плотоядные, живущие за счет растительноядных форм - к третьему; потребляющие других плотоядных - соответственно к четвертому и т.д.
Поэтому различают консументов первого, второго, третьего и четвертого порядков, занимающих разные уровни в цепях питания. Очевидно, что основную роль при этом играет пищевая специализация консументов. Виды с широким спектром питания могут включаться в цепи питания на разных трофических уровнях. В рацион, например, человека входит как растительная пища, так и мясо травоядных и плотоядных животных. Поэтому он выступает в разных пищевых цепях в качестве консумента первого, второго или третьего порядков. Так как при передаче энергии с одного уровня на другой происходит ее потеря, цепь питания не может быть длинной. Обычно она состоит из 4-6 звеньев. Таким образом, можно сделать вывод о том, что пищевая цепь - основной канал переноса энергии в экосистемах. Благодаря сложности трофических связей выпадение какого-то одного вида нередко почти не сказывается на экосистеме.
| Философия и методология науки | |
|
Национальный Университет Узбекистана имени М. Улугбека Философский факультет Институт философии и права АН РУз. Учебно методический центр. Философия и ... Источником космической эволюции Э. Янч называет нарушение симметрии, выражающееся в преобладании вещества над антивеществом, повлекшее за собой возникновение различного рода сил ... Здесь невозможно даже в самом общем плане проанализировать все научные подходы, гипотезы, теории, учения о Начале Вселенной природе Большого взрыва, образовании элементарных частиц ... |
Раздел: Рефераты по философии Тип: учебное пособие |
| Концепции современного естествознания | |
|
1. Естествознание - предмет и характеристика. Особенности курса КСЕ концепции современного естествознания Концепции - суть, основные представления ... Старое представление о почти не меняющейся Вселенной, которая, может быть, всегда существовала и будет существовать вечно, сменилось картиной динамической, расширяющейся Вселенной ... Естественнонаучная картина мира: физическая картина мира (механическая, электромагнитная, современная - квантово-релятивистская) |
Раздел: Рефераты по биологии Тип: шпаргалка |
| Философия | |
|
1. Понятия "наука", "научное знание". 2. Основные критерии научного знания. 3. Основные функции науки. 4. Специфика научного знания. 5. Дифференциация ... В рамках новой картины мира произошли революции в частных науках в космологии (концепция не стационарной Вселенной), в биологии (развитие генетики), и т.д. Таким образом, на ... Но определяющее значение в его утверждении как принципа построения современной общенаучной картины мира сыграли три важнейших концептуальных направления в науке XX века: во-первых ... |
Раздел: Рефераты по философии Тип: шпаргалка |
| Концепции современного естествознания | |
|
СМОЛЕНСКИЙ ИНСТИТУТ БИЗНЕСА И ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСТВА Сычев М.М. КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ СОДЕРЖАНИЕ Введение. Две культуры как отражение ... В механической и электромагнитной картинах мира микрочастицы представлялись неизменными, их скорость, координату, энергию можно было определить абсолютно точно в любой заданный ... Только живые организмы способны улавливать рассеянную в окружающем пространстве энергию электромагнитного поля и консервировать ее в виде внутренней энергии веществ самих ... |
Раздел: Рефераты по биологии Тип: учебное пособие |
| Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной | |
|
Сочинский Государственный Университет Туризма и Курортного Дела Реферат: На тему: Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной Выполнил Голиков А ... Развитие науки шло от геоцентрических космологии Птолемея и его предшественников через гелиоцентрическую космологию Коперника и Галилея к современной картине мира, согласно которой ... Если бы это произошло, то Вселенная оказалась бы в нестабильном состоянии с энергией, превышающей ту, которую она имела бы при нарушении симметрии. |
Раздел: Рефераты по астрономии Тип: реферат |