Концепции современного естествознания

Принципиальные отличия квантовой механики от классической механики заключаются прежде всего в том, что:

- ее законы являются статистическими по своей природе

- ее предсказания имеют вероятностный характер

Резюмируем все вышесказанное:

- в классической механике можно точно вычислить значения координат и скорости объекта

- в квантовой механике можно вычислить лишь вероятность того или иного значения координат, скорости и энергии частицы в заданный момент времени

- состояние системы в классической механике задается координатами и скоростями всех материальных точек системы

- состояние объекта (или системы объектов) в квантовой механике задается волновой функцией объекта (или системы объектов)

- корпускулярные свойства света легче наблюдать, когда его длина волны достаточно мала

- волновые свойства человеческого тела затруднительно наблюдать ввиду его большой массы покоя

- если в данном квантовом состоянии физические величина Х не имеет определенного значения, это означает, что можно предсказать лишь вероятность того или иного результата измерения Х

- при взаимодействии макроскопического измерительного прибора с квантовым объектом, в процессе измерения изменяется состояние измеряемого квантового объекта.

Принцип дополнительности Бора (в узком квантовомеханическом смысле):

- результаты, полученные в разных экспериментах, не могут быть связаны в единую картину, но они необходимы для исчерпывающего описания квантового объекта

- все величины, характеризующие объект, можно разделить на такие группы, что измерение величин из одной группы делает невозможным или неточным измерение соответствующих величин из другой группы

- дополнительные физические величины всегда связаны тем или иным соотношением неопределенности

- дополнительными величинами являются: координаты и импульс; энергия и время

- при точном измерении физической величины невозможно измерить точно дополнительную ей величину (это следует из принципа неопределенности)

- принцип дополнительности отражает невозможность невозмущенных измерений (это следует из принципа неопределенности).

Принцип дополнительности Бора (в широком философском смысле):

- полное понимание свойств любого объекта исследования требует взгляда на него с разных, несовместимых, дополняющих друг друга точек зрения

- исследование реальности всегда сопровождается ее изменением, а результат исследования зависит от того как оно выполняется

- значение принципа дополнительности состоит в том, что он подчеркивает равноценность разных, в том числе несовместимых точек зрения

- однозначно, одним методом невозможно описать явление, объект или субъект - необходимо привлечь дополнительные представления

- никакое отдельное знание о предмете не может быть самодостаточным, требуется дополнение в лице других наук.

Примеры проявления принципа дополнительности (в широком смысле):

- культура как цельность ее научной и гуманитарно-художественной составляющей

- человек как цельность его биологического и социального начал

- естественнонаучная и гуманитарная культуры - это два, взаимодополняющих друг друга, способа постижения мира человека

- взаимоотношения между объектом исследования и исследователем являются одним из примеров принципа дополнительности

- биологическая и социальная сущности в человеке - это две, дополняющие друг друга, характеристики

- соотношения между хаосом и порядком в процессе самоорганизации материи являются одним из примеров действия принципа дополнительности

- анализ и синтез - два метода научного познания, которые связаны друг с другом по принципу дополнительности.

17. Принцип возрастания энтропии

Энергия (общая мера различных форм движения и взаимодействия всех видов материи): энергия тела(системы)-это способность тела(системы) совершать работу.

Различные виды энергии:

-механическая (энергия движения макроскопических тел)

-электрическая(энергия возникшая в результате движения электронов между атомами)

-химическая(энергия, вызываемая движением электронов внутри атомов)

-ядерная или атомная (энергия обусловленная взаимодействиями внутри атомов и ядер атомов)

-тепловая(энергия беспорядочного движения молекул и атомов)

Изолированные (закрытые) системы - это системы, которые не могут обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Если могут-то это открытые системы.

Необратимые процессы - это процессы, в которых невозможно вернуть систему в исходное состояние без вмешательства извне, т.е. такие процессы могут самопроизвольно протекать в одном определенном направлении.

Вечный двигатель первого рода - воображаемая машина, которая будучи раз запущена в ход, совершала бы работу неограниченно долгое время, не заимствуя энергию извне.

Вечный двигатель второго рода - воображаемая машина, которая целиком превращала бы в работу теплоту, извлекаемую ею из окружающих тел.

Первое начало термодинамики: теплота сообщаемая телу, расходуется на увеличение его внутренний энергии и на совершение этим телом работы.

Закон сохранения энергии (обобщающий первое начало термодинамики):суммарная энергия изолированной системы не изменяется. Из этого закона следует невозможность создания вечного двигателя первого рода.

Второе начало термодинамики. Этот закон термодинамики имеет как минимум три равноправные формулировки. Все они логически эквиваленты между собой и из любой формулировки второго начала математически выводятся две другие.

Первая формулировка 2 начала: Невозможна самопроизвольная передача тепла от холодного тела к теплому. Это же можно выразить следующим образом: теплообмен направлен от горячего к холодному. Этот закон говорит о направленности физических процессов.

Вторая формулировка 2 начала: Никакой двигатель не может преобразовать теплоту в работу со стопроцентной эффективностью. Эту же формулировку можно трактовать как невозможность создания вечного двигателя второго рода.

Прежде чем приведем третью формулировку, введем понятие энтропии.

Энтропия:

1) Энтропия-это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия, тем хаотичнее движении материальных частиц, составляющих систему. Соответственно, повышая упорядоченность системы, энтропия уменьшается.

2) Энтропия-это мера некачественности энергии. Чем больше энтропия системы (т.е. система хаотичней), тем меньше полезной работы та может произвести при заданном запасе энергии, т.к. энтропию можно рассматривать и как количественную меру той теплоты, которая не переходит в работу.

3) Энтропия-это мера необратимого рассеяния энергии.

4)Энтропия является мерой отсутствия порядка в системе, мерой ее бесструктурности, мерой отсутствия информации, необходимой для управления системой.

Третья формулировка 2 начала: В изолированной системе энтропия не может убывать. Это формулировка предполагает, что в закрытых системах энтропия может только возрастать и достигнув своего максимума в состоянии теплового равновесия системы, далее она не изменяется. Эта формулировка (энтропия возрастает) предполагает, что в закрытых системах предоставленных самим себе, первоначальный порядок спонтанно переходит в беспорядок и приводит к разрушению первоначальных структур.

Второе начало термодинамики называют также - законом рассеяния энергии.

Второе начало термодинамики (ее 3 формулировка) неприменима к открытым системам. В открытых системах энтропия может, как увеличиваться - при подводе тепла извне, так и уменьшаться - при теплоотдаче в окружающую среду.

Состояние живых систем (в частности организм) в любой момент времени характерно тем, что элементы системы постоянно разрушаются и строятся заново. Этот процесс называется биологическим обновлением. Для обновления элементов в живых организмах требуется постоянный приток извне веществ и энергии, а также отвод во внешнюю среду тепла и продуктов распада. Так как живые системы являются открытыми системами , то такой взаимообмен с окружающей средой происходит и поэтому живые организмы в процессе своего развития, непрерывно, за счет обмена веществ, создают из менее упорядоченных систем более упорядоченные и их энтропия уменьшается. В течении времени жизни организма его элементы постепенно подвергаются распаду и переходя к концу жизни энтропия организма возрастает.

Резюмируем вышесказанное:

1.Энтропия - физическая величина, поскольку она характеризует превращение энергии.

2.Энтропия может служить:

-мерой беспорядка и бесструктурности

-мерой некачественности энергии системы

-индикатором направления времени

-количественной мерой той теплоты, которая не переходит в работу.

3. Возможные формулировки второго начала термодинамики:

-с течением времени структуры в замкнутой системе разрушаются

-с течением времени энтропия замкнутой системы возрастает

-теплота самопроизвольно переходит только от горячего тела к холодному

-это закон рассеяния энергии

4. Закон роста энтропии применим лишь к замкнутым системам, и не противоречит выводам биологии (об уменьшении энтропии), имеющим дело с открытыми системами

5. В процессе развития организма (являющимся открытой системой), энтропия может и увеличиваться, и уменьшаться

6 . Энтропия незамкнутой системы (открытой системы) может, как возрастать, так и убывать

7. Качество любой формы энергии определяется легкостью ее превращения в другие формы энергии

8. Самая некачественная форма энергии это тепловая при низкой температуре

9. При воздействии на систему извне (т.е. система открыта), можно повысить совершенство системы, степень ее упорядоченности. При этом энтропия системы уменьшается

10. Выброс энергии с Земли в космическое пространство всегда был гораздо меньше, чем поступление ее от Солнца плюс производство на Земле.

18. Закономерности саморегуляции. Принципы универсального эволюционизма

Синергетика:

- область научных исследований коллективного поведения частей сложных систем, связанных с неустойчивостями и касающихся процессов самоорганизаций.

- является теорией самоорганизации в природных и социальных системах.

- междисциплинарная универсальная теория самоорганизации процессов самой разной природы. Возникла на стыке физики, биологии и других наук.

Самоорганизация:

- спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного действия многих подсистем.

- необратимый процесс спонтанного возникновения порядка и организации из хаоса и беспорядка в открытых неравновесных системах.

- при самоорганизации энтропия системы уменьшается за счет обмена энергией и веществом с окружающей средой.

Объектами исследования синергетики могут быть системы, которые удовлетворяют следующим необходимым условиям, т.е. системы должны быть:

- открытыми

- нелинейными

- диссипативными

- неравновесными

Нелинейные системы - это системы , для которых даже малые изменения в исходном состоянии приводят к быстронарастающему отклонению ее от исходного состояния. В этом проявляется неустойчивость системы.

Диссипативные системы - способные рассеивать (перераспределять) энергию. К диссипативным системам относится любой живой организм.

Неравновесные системы - системы в которых присутствуют неоднородность в пространстве того или иного макропараметра (например, наличие в системе перепадов температур, давления, концентрации химических веществ и др.) Признаками неравновесности системы является перетекание в ней потоков веществ, энергии и др.

Большинство реально существующих систем - это открытые неравновесные системы.

Процесс самоорганизации характеризуется переходом системы из одного состояния в принципиально новые более упорядоченные состояния. Для возникновения упорядочения в системах необходим приток энергии и ее диссипация в системе. За счет энергии поступившей извне возникает некая обобщенная движущая сила (например, перепад давления, перепад концентраций вещества и т.п.) Под действием этой силы система из равновесного или слаборавновесного состояния постепенно переходит к неравновесному состоянию, система становится нелинейной и возникшие флуктуации начинают играть все более заметную роль. В конце концов, наступает момент времени - точка бифуркации, когда система становится перед выбором одного из нескольких принципиально возможных состояний. Этот выбор возможных состояний носит непрогнозированный вероятностный характер.

После осуществления выбора, система становится более упорядоченной, по сравнению с исходной, а ее поведение прогнозируемой . Если движущая сила будет увеличиваться, то система может придти к новой точке бифуркации и т.д.

Точка бифуркации (точка ветвления) - критическое состояние системы, при котором она становится неустойчивой относительно флуктуаций и возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый более высокий уровень упорядоченности.

В масштабе Вселенной самоорганизация проявляется в эволюции космологических сильно неравновесных систем. Процессы самоорганизации имеют место и при формировании геологического облика Земли (геологическая эволюция).

Живой организм, биологический вид, популяция, экосистема и биосфера представляют собой открытые системы, далекие от равновесия, которые характеризуются определенной упорядоченностью.

К процессам самоорганизации относятся:

- кооперативное поведение насекомых

- эффекты самодостраивания (регенерация живых тканей)

- интуиция в процессе мышления

- вся жизнь на Земле, а также ее возникновение.

Примерами самоорганизации могут служить:

- ячейки Бенара : возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом температуры, т.е. равномерно подогреваемых снизу.

- реакция Белоусова-Жаботинского - класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и др.) изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды.

- лазер (переход лазера в режим генерации) : при накачке энергии лазер работает как обычная лампа, причем микроскопические ячейки, подобно антеннам, излучают свет независимо друг от друга. При определенном значении энергии антенны начинают работать самостоятельно в одной фазе, что приводит к мощному излучению. Таким образом, происходит скачкообразный переход к новому качественному состоянию.

- возникновение кристаллов в достаточно концентрированном растворе

Пороговый характер (внезапность) явлений самоорганизации:

К закономерностям самоорганизации в любой системе относится внезапность, быстрота формирования диссипативной структуры,т.к.развитие кризисной ситуации достигается быстрым переходом диссипативной системы на новый более высокий уровень упорядоченности.

При самоорганизации происходит ;

- синхронизация частей системы

- понижение энтропии системы

- повышение энтропии окружающей систему среды

Универсальный эволюционизм, его причины (положения):

- все существует в развитии

-развитие есть чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций)

- законы природы как принцип отбора допустимых состояний из всех мыслимых

- фундаментальная и неустранимая роль случайности и неопределенности

- непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации : прошлое влияет на настоящее и будущее, но не предопределяет его

- устойчивость и надежность природных систем, как результат их постоянного обновления

- эволюция Вселенной и ее структур обусловлены ее собственными законами, действующими объективно и познаваемыми рационально

- Вселенная существует и может существовать лишь в развитии

Приведем несколько положений, следующих из вышеизложенного :

- общие закономерности самоорганизации изучают синергетика, неравновесная термодинамика

- примерами самоорганизации систем могут служить:

а) возникновение кристаллов

б) генерация лазерного излучения

в) возникновение ячеек Бенара

г) колебательные реакции Белоусова-Жаботинского

д) популяции

е) планета Земля ( геологическая эволюция)

- в точке бифуркации:

а) система пребывает в критическом состоянии, переход из которого осуществляется скачком

б) неоднозначен выбор пути дальнейшего развития

- поведение системы вблизи точки бифуркации:

а) по мере приближения к точке бифуркации флуктуации в системе нарастают

б) элементы возникающие в точке бифуркации упорядоченной структуры формируются из флуктуаций, случайно возникших до точки бифуркации

- состояние, когда человек тяжело болен и имеются варианты развития: либо выздороветь либо умереть, либо болезнь примет хроническую форму - и есть точка бифуркации

- в ходе самоорганизации системы:

а) в системе происходит превращения хаоса в порядок и энтропия системы уменьшается

б) в окружающей среде системы увеличивается беспорядок и ее энтропия возрастает

19. Космология (мегамир)

Космология - это наука о Вселенной в целом, ее свойствах, структуре, эволюции.

Космологические представления Аристотеля:

- Вселенная ограничена сферой на которой находятся звезды. За этой сферой ничего нет. В центре Вселенной - земля.

- шарообразная Вселенная неоднородна: в подлунном мире все состоит из земли, воды, воздуха, огня; в надлунном мире вплоть до ограничивающей сферы все заполнено гипотетическим эфиром.

Геоцентрическая система Птолимея ( развитие идей Аристотеля):

В центре Вселенной сферическая Земля, а вокруг нее обращаются Луна, Солнце, планеты по сложной системе окружностей - «эпициклов», «деферентов», и, наконец, все это было заключено в сферу неподвижных звезд.

Гелиоцентрическая система Коперника: в центре мира неподвижное Солнце, вокруг которого обращаются планеты (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутоний)

Ньютоновская космология (в ее основе лежит система Коперника) : Вселенная - безграничная, бесконечная, однородная, неизменная.

Вселенная Эйнштейна: однородна, изотропна и равномерно заполнена материей, преимущественно в форме вещества.

Космологическая модель Фридмана: основана на уравнениях, выведенных из общей теории относительности и описывает нестационарную эволюцию Вселенной.

Выводы из модели Фридмана указывали на то, что материя в однородной и изотропной Вселенной не может находиться в покое - Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться. Если плотность материи меньше некоторого критического значения, то гравитационное притяжение будет слишком мало, чтобы остановить расширение. Если же плотность материи больше критической, то в какой-то момент в будущем из-за гравитации расширение Вселенной прекратиться и начнется сжатие. В этом случае Вселенную ожидает коллапс, в результате которого вновь образуется сгусток, возникнут условия для нового Большого Взрыва и последующего потом расширения. Следовательно, Вселенная может пульсировать между состояниями максимального расширения и коллапса. Это и есть модель пульсирующей Вселенной.

Наблюдаемая часть Вселенной (метагалактика) представляется с Земли:

- однородной и изотропной на больших масштабах (более 200 мегапарсек)

- сильно неоднородной на меньших масштабах

Спектральный анализ является одним из основных методов исследования Вселенной : он позволяет на основе анализа, пришедшего из космоса света, установить количественный и качественный состав небесных тел, их температуру, скорость движения по лучу зрения и т.п.

Химический состав Вселенной полученный на основе спектрального анализа более чем на 99 % - водород и гелий и в незначительных количествах все остальные элементы.

Из модели однородной изотропной Вселенной, при ее расширении должно наблюдаться удаление Галактик от Земли. Однако астрономы могут наблюдать только так называемое «красное смещение». Связь между «красным смещением» и скоростью удаления Галактик устанавливается с помощью эффекта Доплера (изменение частоты и длины волны излучения, регистрируемое приемником, в результате движение источника или движения приемника). Если источник света приближается к наблюдателю, то длина видимой им волны укорачивается, и он наблюдает так называемое фиолетовое смещение ( из всех видимых цветов гаммы светового спектра фиолетовому соответствуют самые короткие длины волн). Если же источник света удаляется, то происходит кажущееся смещение в сторону красной части спектра (удлинение волн).

В 1929 году Э.Хаббл с помощью телескопа оснащенного приборами спектрального анализа обнаружил, что свет, идущий от Галактик, которые он наблюдал, смещался в красную часть цветового спектра видимого света. Это говорило о том, что наблюдаемые Галактики удаляются, «разбегаются» от наблюдателя. Эффект «красного смещения» был использован Хабблом для измерения расстояния до галактик и скорости их удаления.

Закон Хаббла: Скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию до них. Т.е. чем дальше Галактика, тем она удаляется быстрее. Коэффициент пропорциональности в этом законе называется постоянной Хаббла.

В 1998 году появились наблюдения, которые убедительно показывают, что Вселенная расширяется не с замедлением, а с ускорением. Возраст Вселенной по современным оценкам 12-15 млрд. лет.

Модель «Большого Взрыва» (Г.Гамов, 1948 г.)

«Исходное начало» Вселенной было представлено сверхплотным и сверхгорячим состоянием.

Это состояние возникло в результате предыдущего сжатия всей материально-энергетической составляющей Вселенной.

Этому состоянию соответствовал чрезвычайно малый объем.

Состояние Вселенной, когда все вещество Вселенной в начальный момент сосредоточенно в крайне небольшом объеме с бесконечно высокой плотностью, называется сингулярным.

Энергия - материя, которая достигнув некоторого предела плотности и температуры в этом сингулярном состоянии, взорвалась, произошел Большой Взрыв (речь идет не о обычном взрыве).

Большой Взрыв придал определенную скорость движения всем фрагментам исходного физического состояния до Большого Взрыва.

Поскольку исходное состояние было сверхгорячим, то расширение должно сохранить остатки этой температуры, по всем направлениям расширяющейся Вселенной, в виде так называемого реликтового излучения.

В 1964 г. Было обнаружено реликтовое излучение. Излучение этого фона дали температуру 2,7 К, что достаточно близко к предсказанной Гамовым 10 К.

Обнаруженное реликтовое излучение является подтверждением модели Большого Взрыва.

Последовательность стадий эволюции Вселенной : инфляционное расширение - рождение вещества - формирование звезд первого поколения - образование элементов тяжелее гелия.

Антропный принцип - устанавливает зависимость человека, как сложной системы и космического существа, от физических параметров Вселенной (в частности, от фундаментальных физических постоянных - постоянной Планка, скорости света, массы протона и электрона и др.). Физические расчеты показывают, что если бы изменилась хотя бы одна из фундаментальных постоянных (при неизменности других параметров и сохранении всех физических законов), то стало бы невозможным существование тех или иных физических объектов - ядер, атомов и т.д. Например, если уменьшить массу протона на 30% , то в нашем физическом мире отсутствовали бы любые атомы, кроме атома водорода, а тем самым отсутствовала бы сама жизнь.

Согласно антропному принципу: факт существования во Вселенной сложно устроенного наблюдателя (человека разумного) накладывает сильные ограничения на параметры.

Антропный принцип применяется в слабом и сильном вариантах:

- слабый антропный принцип: фундаментальные константы таковы, какими их видит наблюдатель. Т.е. на свойства Вселенной накладываются ограничения наличием нашей разумной жизни. То, что наблюдают астрономы, зависит от присутствия наблюдателя.

- сильный антропный принцип : свойства Вселенной должны быть такими, чтобы в ней обязательно была жизнь. Т.е. значения фундаментальных констант находятся в таких пределах, чтобы существовал наблюдатель.

Согласно космологическим моделям:

- происхождение легких химических элементов (вплоть до железа) связано с термоядерными реакциями внутри звезд (в недрах стабильных звезд).

- образование тяжелых химических элементов (тяжелее железа) происходит в результате взрыва звезд.

Резюмируем некоторые положения:

- модель расширяющейся Вселенной подтверждается открытием Хабблом пропорциональности между скоростью разбегания галактик и расстоянием до них

- модель Большого Взрыва подтверждается обнаружением реликтового излучения (т.е. микроволнового фонового излучения)

- оба вышеприведенных наблюдательных факта свидетельствуют и в пользу конечного возраста Вселенной

- сменится ли расширение Вселенной ее сжатием, в модели Фридмана зависит только от средней плотности материи во Вселенной

- в последние годы 20 века и начала 21 века экспериментально обнаружено, что Вселенная расширяется с ускорением

- наиболее общепринятой моделью Вселенной в современной космологии является модель однородной, изотропной горячей нестационарно расширяющейся Вселенной

- современная космология строит модели Вселенной на основе общей теории относительности Эйнштейна

- согласно модели Большого Взрыва: все вещество Вселенной в начальный момент было сосредоточено в небольшом объеме (бескончно малом) с бесконечно высокой плотностью. Такое состояние Вселенной называется сингулярностью.

20. Геологическая эволюция

Земля:

- третья по дальности от Солнца планета

- находится от Солнца на расстоянии 1 а.е.= 150 млн.км

- форма Земли слегка сплюснутый шар - эллипсоид

- средний радиус Земли 6371 км

- средняя плотность земного вещества 5,5 кг/м куб

- наклон оси Земли к плоскости орбиты 66,5 град

В начале 20 века было открыто явление радиоактивности. Это позволило разработать метод определения абсолютного возраста геологических объектов (и любых веществ). Метод получил название изотопного (радиоактивного) датирования. С помощью этого метода установлен возраст Земли. Земля возникла примерно 4,5 млрд. лет назад.

Атмосфера Земли

Окружающая Землю атмосфера условно делится на несколько слоев. Приведем их в порядке от Земли и выше.

Тропосфера - высота примерно 11 км, содержит ѕ всего воздуха атмосферы.

Стратосфера - находится над Землей на высоте 11-50 км. Это самый спокойный слой атмосферы. Там не бывает ветров, разреженный воздух и там предпочтительней летать самолетом.

Мезосфера - 50-80 км над Землей. Именно в этом слое сгорают метеориты.

Термосфера - слой очень разреженного воздуха на высоте 80-480 км над Землей. Этот слой включает в себя ионосферу - слой электрически заряженных частиц, от которого отражаются радиоволны, исходящие от Земли.

Экзосфера - верхний слой почти не содержащий воздуха.

Внутри атмосферы находится тонкий слой газа - озон. Озон - разновидность кислорода. Он поглощает испускаемые Солнцем ультрафиолетовые лучи. Если бы не было озонового слоя излучение, достигнув Земли ,убило бы все живое.

Химический состав атмосферы: азот - 78%, кислород - 21%, аргон - 0,9%, водяной пар - 0,1% и далее по нисходящей: метан - 0,0006%, углекислый газ - 0,00003 %, аммиак - 0,00001 % и т.д.

Внутреннее строение Земли

Не имея прямой информации о глубинах Земли (самая глубокая буровая скважина имеет глубину около 12 км), используются данные, которые дают геофизические исследования. Свойства глубоких частей планеты известны по наблюдениям за тем, с какой скоростью и в каком направлении распространяются в Земле ударные волны, возникающие при землетрясениях (их называют еще сейсмическими волнами). Сейсмические волны бывают различных типов: продольные, поперечные и поверхностные. Сквозь разные вещества эти волны двигаются с разной скоростью, их удается «уловить» и записать с помощью сейсмографов. Некоторые типы волн не распространяются через жидкие среды. Установлено, что они не проходят через внешнюю часть ядра, указывая тем самым на его жидкое состояние. Исследуя границы изменения скоростей сейсмических волн , удалось установить внутреннее строение Земли. Приведем установленные слои в порядке от поверхности Земли вглубь:

Земная кора - верхний слой горных пород, выходящий на поверхность Земли. Толщина Земной коры на континентах до70 км, а в океанах - всего 6 км. Температура у основания порядка 1000 град.С.

Мантия - это слой горных пород. Температура у основания порядка 3700 град.С. Вещество мантии (магма) находится в состоянии одновременно напоминающем и твердое. И жидкое. Мантия не находится в покое. В ней происходит круговорот веществ. Нагретые в глубине массы вещества поднимаются вверх к земной коре. Там они остывают и опускаются. Возникают гигантского масштаба вертикальные кольцеобразные течения. Вместе с верхней частью мантии земная кора образует слой толщиной около ста километров под океанами и еще больше под материками - литосферу.

Под литосферой находится узкий слой - астеносфера, находящийся частично в расплавленном состоянии таком, что его вязкость гораздо меньше, чем вязкость остальной части мантии. Толщина слоя мантии около 2900 км.

Внешнее ядро состоит из расплавленного железа. Температура у основания порядка 2200 град.С Толщина внешнего ядра около 2200 км.

Внутреннее ядро - твердый железоникелевый шар. Температура порядка 4500 град. С. Радиус ядра около 1055 км.

Химический состав земной коры: кислород - 47%, кремний - 28 %, алюминий - 8%, железо - 5%, кальций - 3,6 %, натрий - 2,8% , калий - 2,6 %, магний - 2%.

Тектоника литосферных плит.

Перенос тепла из центра Земли вызывает перемещение магмы (вещества мантии). Горячая магма из глубины мантии поднимается , охлаждается, а затем вновь погружается, замещаясь новым горячим веществом. Это классический пример конвективной ячейки. Можно сказать, что магма бурлит так же, как вода в чайнике: и в том, и в другом случае тепло переносится в процессе конвекции.

Наверху конвективных ячеек земной мантии плавают породы, составляющие твердую поверхность Земли - так называемые литосферные плиты. Эти плиты перемещаются по слою, называемом - астеносфера. Таким образом, по поверхности Земли движутся не континенты, а литосферные плиты. Континенты и океаны это лишь попутные пассажиры.

Механизм движущий литосферные плиты это непрерывно движущиеся конвективные ячейки магмы, увлекающие плиты в движение. Со временем плиты сдвигаются, вызывая их столкновение и растрескивание , вплоть до образования новых плит или исчезновение старых. Именно благодаря этому медленному, но непрерывному перемещению литосферных плит поверхность нашей планеты все время находится в динамике, постоянно изменяясь. Так, 175 млн. лет назад все сегодняшние континенты входили в один суперконтинент - Пангею. Там, где литосферные плиты сталкиваются , там отмечаются активные вулканы и землятресения. Литосферные плиты движутся со скоростями порядка нескольких сантиметров в год. Впервые концепцию движения материков предложил А.Вегенер в 1915 году.

Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли устроено примерно так же, как если бы внутри ее находился мощный прямоугольный магнит в виде бруска, помещенный под небольшим углом к оси вращения Земли. Основная гипотеза о происхождении магнитного поля Земли связана с движением электропроводящего вещества в жидком ядре Земли, создающее своеобразное гидромагнитное динамо.

Околоземное космическое пространство, которое контролируется магнитным полем Земли называется магнитосферой. Магнитосфера формируется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев атмосферы и магнитного поля Земли. В итоге плазма солнечного ветра и солнечные корпускулярные потоки, как бы огибают земную магнитосферу. Магнитное поле Земли защищает живые организмы ( и человека) от губительных воздействий космических частиц. К этим частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле Земли через магнитосферу изменяет траектории их движения, направляя частицы вдоль линий поля прочь от Земли.

Формирование прото-Земли из планетозималей

Вселенная образовалась в результате Большого Взрыва. По мере эволюции Вселенная остывала. Новообразованные атомы собирались в гигантские облака пыли и газа. Частицы пыли сталкиваясь друг с другом, сливались в единое целое. Гравитационные силы притягивали маленькие объекты к более крупным. Материя распределялась по пространству не равномерно. Более плотные области, благодаря гравитационным силам, притягивали к себе все больше пыли и газа. Постепенно пылинки собирались в тела километрового размера, называемые планетозималями, которые на последней стадии формирования планеты сгребают почти всю пыль. Вначале рост тела происходит в силу случайности, но чем больше становится планетозималь, тем сильнее ее гравитация, тем интенсивней она поглощает своих маломассивных соседей. Когда масса планетозималей становится сравнимой с массой Луны, их гравитация возрастает настолько, что они встряхивают окружающие тела и отклоняют их в стороны еще до столкновения. Этим они ограничивают свой рост. Так возникают «олигархи» - зародыши планет со сравнимыми массами, конкурирующие друг с другом за оставшиеся планетозимали. Таким же образом образовалась наша планета и в ней образовалось ядро, которое стремительно сжималось. Из-за ядерных реакций и распада радиоактивных элементов в недрах Земли выделялось так много тепла, что образующие ее горные породы расплавились. Более легкие вещества, богатые кремнием, отделились в земном ядре от более плотного железа и никеля и образовали первую земную кору. Спустя примерно миллиард лет, когда Земля существенно охладилась, Земная кора затвердела и превратилась в прочную внешнюю оболочку нашей планеты, состоящую из твердых горных пород. Остывая, Земля выбрасывала из своего ядра множество различных газов. Обычно это происходило при извержении вулканов. Легкие газы, такие, как водород или гелий, большей частью улетучивались в космическое пространство. Однако сила притяжения Земли была достаточно велика, чтобы удержать у ее поверхности более тяжелые газы. Они-то и составили основу земной атмосферы. Часть водяных паров из атмосферы сконденсировались и на Земле. Возникли океаны. Теперь наша планета была готова к тому, чтобы стать колыбелью жизни.

21. Происхождение жизни (эволюция и развитие живых систем)

Гипотезы происхождения жизни:

креационизм - происхождение мира, жизни и человека есть результат божественного творения, отрицающая изменение видов и их историческое развитие

гипотеза стационарного состояния - жизнь никогда не возникала, а существовала всегда

гипотеза панспермии - земная жизнь имеет космическое происхождение, т.е. появление жизни на Земле - это перенос с других планет, зародивших жизнь

концепция постоянного самозарождения (вплоть до XIX века была единственной концепцией, альтернативной креационизму) - жизнь возникла и возникает неоднократно из неживого вещества

гипотеза биохимической эволюции (абиогенеза) - (теория А.И.Опарина) - жизнь на Земле возникла в результате самоорганизации из неорганических веществ

- зарождение жизни на Земле - это результат абиогенного синтеза

- жизнь возникла в специфических условиях древней земли, в результате физико-химических процессов

В процессе возникновения жизни на Земле различают несколько основных этапов. Первый из них - абиогенный синтез низкомолекулярных органических веществ (соединений) из неорганических в условиях первобытной Земли.

В процессе возникновения жизни на Земле различают несколько основных этапов. Их последовательность в процессе эволюции (от более раннего к более позднему):

абиогенный синтез низкомолекулярных органических соединений (мономеров) из неорганических

концентрирование органических соединений и образование биополимеров

возникновение самовоспроизводящихся молекул

возникновении фотосинтеза

Гипотеза голобиоза (методологический подход в вопросе происхождения жизни) - основана на идее первичности структур клеточного типа, способных к обмену веществ при участии ферментных белков.

Гипотеза генобиоза (методолгический подход в вопросе происхождения жизни) - основана на идее первичности молекулярной системы со свойствами генетического кода

Организмы, питающиеся готовыми органическими соединениями, называются гетеротрофами

Организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических за счет энергии Солнца или энергии неорганических соединений, называются автотрофами

Фактор, способствующий выходу первых организмов из воды на сушу - понижение температуры Земли, появление озонового слоя

Первичная атмосфера Земли в абиогенный период возникновения жизни:

- первичная атмосфера Земли состояла из водяных паров, углекислого газа с небольшой примесью других газов (СО2, СО, H2S, NH3, CH4)

- в первичной атмосфере отсутствовал газообразный кислород (О2)

Соответствие между содержанием понятия и термином:

автотроф - организм, способный синтезировать органические вещества из неорганических

прокариот - одноклеточный организм, не имеющий оформленного ядра

коацерват - белковый комплекс, отделенный от воды липидной оболочкой

биогенез - теория, утверждающая, что все живое происходит только от живого

эволюция - необратимое развитие органического мира

Аэроб -- организм, который для процессов синтеза энергии нуждается, в свободном молекулярном кислороде. К аэробам относятся: подавляющее большинство животных, все растения, а также значительная часть микроорганизмов.

Анаэроб -- организм, получающий энергию при отсутствии кислорода.

22. Эволюция живых систем

Эволюция, ее атрибуты: самопроизвольность, необратимость, направленность

Дарвинизм

Генофонд

Борьба за существование

Синтетическая теория эволюции, ее положения:

- элементарная эволюционная структура - популяция

- элементарный наследственный материал - генофонд популяции

- элементарное явление эволюции - изменение генофонда популяции

- элементарные эволюционные факторы: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор; их эволюционное значение

- единственный направляющий фактор эволюции - естественный отбор

Биологическая эволюция - самопроизвольное, необратимое и направленное историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, образованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом.

Дарвинизм -- материалистическая теория эволюции (исторического развития) органического мира Земли, основанная на воззрениях Ч. Дарвина.

Основными факторами эволюции по Ч.Дарвину являются:

- наследственная изменчивость - изменения, которые возникают у каждого организма независимо от внешней среды и передаются потомкам.

- борьба за существование - совокупность разнообразных взаимоотношений между организмом и окружающими его факторами живой и неживой природы.

- естественный отбор - выживание более приспособленных особей и гибель менее приспособленных к конкретным условиям среды.

Генофонд -- совокупность всех генных вариаций (аллелей) определённой популяции. Можно также говорить о едином генофонде вида, так как между разными популяциями вида происходит обмен генами. Каждая популяция характеризуется определенной совокупностью генов, которую называют генофонд.

Синтетическая теория эволюции (СТЭ) возникла как синтез теории эволюции Ч.Дарвина и генетики. СТЭ также опирается на палеонтологию, систематику, молекулярную биологию и другие естественные науки.

Положения СТЭ:

- элементарная эволюционная структура - популяция

- элементарный наследственный материал - генофонд популяции

- элементарное явление эволюции - изменение генофонда популяции

Основная движущая сила эволюции - естественный отбор. Он имеет 2-е предпосылки:

- гетерогенность особей;

- избыточная численность потомства.

Согласно СТЭ выделяют 3 основных фактора эволюции:

- мутационный процесс. Значение фактора: приводит к появлению элементарного эволюционного материала;

- изоляция - возникновение любых барьеров, препятствующих свободному скрещиванию. Значение фактора: нарушение свободного скрещивания, что ведет к закреплению различий между популяциями одного вида;

- популяционные волны - колебание численности особей, составляющих популяцию. Значение фактора: популяционные волны подставляют под действие естественного отбора редкие мутации и, наоборот, уничтожают наиболее часто встречающиеся, что ведет к смене генотипа популяции.

Синтетическая теория эволюции структурно состоит из микро- и макроэволюции

Микроэволюция изучает эволюционные изменения, происходящие в генофондах популяций за сравнительно небольшой промежуток времени

Особенности микроэволюции:

- она доступна для непосредственного наблюдения

- эволюционные изменения происходят в генофондах популяций

- эволюционные изменения происходят за сравнительно небольшой период

Фактор микроэволюции, который обязательно приводит к нарушению свободы скрещивания и генетической разнообразности организмов одного вида - это изоляция

Макроэволюция изучает эволюционные преобразования за длительный исторический период, основные направления развития жизни на Земле в целом.

Особенности макроэволюции:

- она ведет к образованию новых классов, отрядов

- эволюционные преобразования происходят в течение длительного исторического периода

Случайные изменения в геноме называются мутациями.

Естественный отбор -- процесс, приводящий к выживанию и преимущественному размножению более приспособленных к данным условиям среды особей, обладающих полезными наследственными признаками. В соответствии с теорией Дарвина и современной синтетической теорией эволюции, основным материалом для естественного отбора служат случайные наследственные изменения -- мутации и их комбинации. Естественный отбор действует на уровне фенотипа (организма).

В настоящее время известны три формы естественного отбора: дизруптивный, движущий и стабилизирующий.

Движущий отбор -- форма естественного отбора, которая действует при направленном изменении условий внешней среды. В этом случае особи с признаками, которые отклоняются в определённую сторону от среднего значения, получают преимущества. При этом иные вариации признака (его отклонения в противоположную сторону от среднего значения) подвергаются отрицательному отбору. Движущий отбор осуществляется при изменении окружающей среды или приспособлении к новым условиям при расширении ареала. Он сохраняет наследственные изменения в определённом направлении, перемещая соответственно и норму реакции. Например, при освоении почвы, как среды обитания у различных неродственных групп животных конечности превратились в роющие. Для движущего отбора характерно возникновение новых генотипов, соответствующих наиболее приспособленным фенотипам

Стабилизирующий отбор -- форма естественного отбора, при котором действие направлено против особей, имеющих крайние отклонения от средней нормы, в пользу особей со средней выраженностью признака. Благодаря этой форме естественного отбора глаз и количество пальцев на конечностях позвоночных в течение длительного времени остается постоянным. В результате действия стабилизирующего отбора в популяции становится преобладающим оптимальный для конкретных условий фенотип.

Дизруптивный (разрывающий) отбор -- форма естественного отбора, при котором условия благоприятствуют двум или нескольким крайним вариантам (направлениям) изменчивости, но не благоприятствуют промежуточному, среднему состоянию признака. В результате может появиться несколько новых форм из одной исходной. Дизруптивный отбор способствует возникновению и поддержанию полиморфизма популяций, а в некоторых случаях может служить причиной образования двух новых видов из одного вида-предшественника.

Естественный отбор действует на целостную живую систему.

23. Генетика и эволюция

Свойства генетического материала: дискретность, непрерывность, линейность, относительная стабильность

Изменчивость: наследственная (генотипическая, мутационная)

Изменчивость: наследуемая (фенотипическая, модификационная)

Свойства мутаций: случайность, внезапность, ненаправленность, неоднократность и наследуемость

Генетика - наука о законах и механизмах наследственности и изменчивости.

Ген - структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства. Ген -- материальный носитель наследственной информации, участок ДНК, несущий какую-либо целостную информацию -- о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК.

Совокупность всех генов организма, локализованных в его хромосомах - это генотип

Аллельные гены (от греческого слова - другой) - пара генов, определяющих альтернативные варианты одного и того же признака

Организм, генотип которого содержит разные аллели одного гена, называется гетерозиготным. Если организм содержит одинаковые аллели одного гена, то он называется гомозиготным.

Фенотип - это совокупность внешних и внутренних признаков организма. Фенотип зависит от генотипа.

Доминантный ген - ген, выраженный в фенотипе независимо от присутствия в геноме другого аллеля этого гена.

Рецессивный ген - ген, который может подавляться воздействием доминантного гена и не проявляется в фенотипе. Рецессивный ген способен обеспечить проявление определяемого им признака только в том случае, если находится в паре с соответственным рецессивным геном.

Хромосома - нуклеопротеидная (состоит из белка и ДНК) структура в ядре эукариотической клетки. Становится заметной во время деления. Клетки организмов различных видов имеют разное число хромосом. Клетки прокариот содержат только одну кольцевую хромосому.

Свойства генетического материала:

- дискретность (наличие обособленных групп сцепления - хромосом),

- непрерывность (физическая целостность хромосомы),

- линейность (одномерность «записи» генетической информации),

- относительная стабильность (передача потомству с небольшими изменениями).

Свойство организмов приобретать новые признаки, а также различия между особями в пределах вида - это проявление изменчивости.

Ненаследственная (модификационная) изменчивость характеризуется следующими особенностями:

- кратковременностью

- является групповой

- групповым характером изменений

- не наследуется

Наследственная изменчивость характеризуется особенностями:

- необратима

- сопровождается изменением генотипа.

Мутации - стойкое (то есть такое, которое может быть унаследовано потомками данной клетки или организма) изменение генотипа, происходящие под влиянием внешней или внутренней среды. Процесс возникновения мутаций получил название мутагенеза.

Свойства мутаций:

- возникают внезапно, скачкообразно

- связаны с изменением генотипа

- случайны, ненаправлены

- наследственны

- являются материалом для естественного отбора.

Популяционная генетика - наука, изучающая распределение частот аллелей и их изменение под влиянием движущих сил эволюции. Изучает динамику генетического состава популяций, генетическое строение популяций.

Факты, доказывающие существование генов:

- независимое комбинирование генов при скрещивании,

- ген можно выделить из хромосомов и определить его структуру,

- способность гена изменяться (мутировать),

- замена гена приводит к появлению нового признака.

24. Экосистемы (многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости биосферы)

Элементы экосистем (биотоп, биоценоз)

Биотическая структура экосистем: продуценты, консументы, редуценты как компоненты круговорота, обеспечивающего цельность экосистем

Биоразнообразие как основа устойчивости живых систем

Виды природных экосистем (озеро, лес, пустыня, тундра,…, океан, биосфера)

Энергетические потоки в экосистемах, правило 10%

Экологические факторы: биотические и абиотические факторы, антропогенные факторы

Формы биотических отношений (хищник - жертва, паразитизм, нейтрализм)

Экосистема или экологическая система - природный комплекс (биокосная система), образованный живыми организмами (биоценоз) и средой их обитания (косной, например атмосфера, или биокосной -- почва, водоём и т. п.), связанными между собой обменом веществ и энергии.

Для экосистемы характерны три основных отличительных признака:

- осуществление полного цикла трансформации вещества, от создания органического вещества до его разложения на неорганические составляющие

- экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов

- относительная устойчивость, обусловленная структурой абиотических и биотических компонентов

Биогеоценоз -- система, включающая сообщество живых организмов и тесно связанную с ним совокупность абиотических факторов среды в пределах определенной территории, связанные между собой круговоротом веществ и потоком энергии. Представляет собой устойчивую саморегулирующуюся экологическую систему, в которой органические компоненты (животные, растения) неразрывно связаны с неорганическими (вода, почва).

Биоценоз - исторически сложившаяся совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма (биотоп) и характеризующихся определёнными отношениями как между собой, так и с абиотическими факторами окружающей среды.

Биотоп - -- относительно однородный по абиотическим факторам среды участок суши или водоёма, заселённый живыми организмами (занятое одним биоценозом).

Устойчивость живых систем

Одним из свойств биогеоценозов является способность к саморегуляции, то есть к поддержанию своего состава на определенном стабильном уровне. Это достигается благодаря устойчивому круговороту веществ и энергии. Устойчивость же самого круговорота обеспечивается несколькими механизмами:

-достаточность жизненного пространства, то есть такой объем или площадь, которые обеспечивают один организм всеми необходимыми ему ресурсами;

- богатство видового состава. Чем он богаче, тем устойчивее цепи питания и, следовательно, круговорот веществ;

- многообразие взаимодействия видов, которые также поддерживают прочность трофических отношений;

- средообразующие свойства видов, то есть участие видов в синтезе или окислении веществ.

Все виды, населяющие экосистему связаны между собой трофическими связями. Перенос вещества и энергии в экосистеме происходит по трофическим цепям. Чем шире биоразнообразие в экосистеме, тем она устойчивее. Движущей силой потоков веществ и энергии в биосфере являются излучение солнца и деятельность продуцентов.

Организм, состоящий в трофической цепи находится в ней на определенном трофическом уровне. Трофический уровень -- это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней. Зеленые растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные животные -- второй (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающие травоядных, -- третий (уровень вторичных консументов), а вторичные хищники -- четвертый (уровень третичных консументов). Органическое вещество перерабатывается в неорганическое и возвращается обратно к продуцентам, благодаря работе редуцентов. Таким образом, поток вещества в стабильной природной экосистеме, в отличие от потока энергии, является замкнутым. Плотоядные консументы называются хищниками.

Трофическую структуру обычно изображают в виде экологических пирамид. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень -- уровень продуцентов, а следующие этажи пирамиды образованы последующими уровнями -- консументами различных порядков. Различают три способа построения экологических пирамид:

...