Биологическая картина мира

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Содержание

Введение

1. Физическая картина мира

1.1 Явление самоиндукции

1.2 Трансформаторы

1.2.1 Понятие и применение трансформатора

1.2.2 Классификация трансформаторов

2. Химическая картина мира

2.1 Типы химических связей

2.2 Строение молекул

3. Биологическая картина мира

3.1 Факторы и движущие силы эволюционного процесса в биологии

4. Космологическая картина мира

4.1 Пульсары

Заключение

Введение

Человеку всегда было свойственно описывать окружающий мир, изучать и представлять его строение, рассказывать о своих представлениях об окружающем мире другим людям.

Естественнонаучной картиной мира называется часть общей научной картины мира, которая включает в себя представления о природе.

Создание единой естественнонаучной картины мира предполагает установление связей между науками. В структуре конкретных наук в их главных компонентах выражена собственная целостная картина природы, которая называется специальной (или локальной) картиной мира. Эти картины являются в какой-то степени фрагментами окружающего мира, которые изучаются методами данной науки (например, биологическая картина мира, химическая картина мира, физическая картина мира). Такие картины часто рассматривают как относительно самостоятельные фрагменты единой научной картины мира.

Научное знание представляет собой огромную массу взаимодействующих между собой элементов знаний. Существуют самые разнообразные формы описания этого взаимодействия слоев научных знаний.

В рамках картин мира осуществляется систематизация знаний соответствующей науки (или группы наук), они являются наглядным воплощением системы взаимодействующих элементов знаний - теорий (фундаментальных и прикладных), которые представляют собой развитые системы научных понятий и связей между ними.

В рамки картин мира вписываются известные научные факты. Картины мира обеспечивают целостность научной отрасли (науки), формируют нам методы научного познания и определяют стратегию научного поиска, ставят задачи эмпирических и теоретических исследований, наглядно отображают их результаты.

Раньше других возникла физическая картина мира как общая теоретическая основа для всех наук о неживой природе.

Биологическая картина мира в качестве теоретической основы наук о живой природе возникла лишь в XIX веке. Биологические науки долгое время были чрезвычайно обособлены друг от друга, менее взаимосвязаны, чем группа физико-химических наук. Объединение биологических наук произошло вместе с введением Ч. Дарвином основных понятий современной биологии (приспособление, наследственность и изменчивость, естественный отбор, борьба за существование, эволюция и др.). На их основе строится единая картина биологических явлений, связывающая все науки о природе в одну область наук и дающая возможность построения законченных биологических теорий.

Ядром единой естественнонаучной картины мира в целом является физическая картина мира, поскольку физика является фундаментальным базисом современного миропонимания. Многовековое развитие физики привело к созданию целостной естественнонаучной картины нашего мира и его развития.

1. Физическая картина мира

Физическая картина мира - это представление о мире и его процессах, выработанное физикой на основе эмпирического исследования и теоретического осмысления.

Физическая картина мира следует за ходом развития науки. Сначала она основывалась на механике атома (атомизм), затем - на механике сил (динамизм, энергетизм), а в наши дни - на представлении о неразрывной связи пространства и времени, а также силы и материи, на понимании совокупности условий микрофизики, статистического характера физических законов и двойственной природы материи. Физическая картина мира, развиваемая на основе этого физического учения, все сильнее теряла характер наглядности; качественные различия все более сводились к количественным. Современная физическая картина мира состоит из системы недоступных наблюдению уравнений, значение которых трудно для понимания; она не является более «картиной». Прежде всего стало совершенно абстрактным понятие материальной действительности. согласно Планку, прогрессирующее удаление физической картины мира от мира чувственного означает не что иное, как увеличивающееся приближение к реальной действительности (физическому миру, трансцендентному по отношению к переживаниям.

1.1 Явление самоиндукции

Около проводника с током возникает магнитное поле. А также переменное магнитное поле порождает ток (явление электромагнитной индукции). Рассмотрим электрическую цепь. При изменении силы тока в этой цепи произойдет изменение магнитного поля, в результате чего в этой же цепи возникнет дополнительный индукционный ток. Такое явление называется самоиндукцией, а ток, возникающий при этом, называется током самоиндукции.

Явление самоиндукции - это возникновение в проводящем контуре ЭДС, создаваемой вследствие изменения силы тока в самом контуре.

Индуктивность контура зависит от его формы и размеров, от магнитных свойств окружающей среды и не зависит от силы тока в контуре.

ЭДС самоиндукции определяется по формуле:

Явление самоиндукции подобно явлению инерции. Так же, как в механике нельзя мгновенно остановить движущееся тело, так и ток не может мгновенно приобрести определенное значение за счет явления самоиндукции. Если в цепь, состоящую из двух параллельно подключенных к источнику тока одинаковых ламп, последовательно со второй лампой включить катушку, то при замыкании цепи первая лампа загорается практически сразу, а вторая с заметным запаздыванием.

При размыкании цепи сила тока быстро уменьшается, и возникающая ЭДС самоиндукции препятствует уменьшению магнитного потока. При этом индуцированный ток направлен так же, как и исходный. ЭДС самоиндукции может во многом раз превысить внешний ЭДС. Поэтому электрические лампочки очень часто перегорают при выключении света.

1.2 Трансформаторы

1.2.1 Понятие и применение трансформатора

Одним из главных положительных особенностей переменного тока является легкость преобразования переменного тока одного напряжение в переменный ток другого. Этот процесс осуществляется при помощи устройства под названием трансформатор.

Трансформатор - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более-индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Изобретателем трансформатора является русский ученый П. Н. Яблочков. В 1876г. Яблочков использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания изобретенных им электрических свечей. Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник. Трансформаторы с замкнутым сердечником, подобные применяемым в настоящее время, появились значительно позднее, в 1884г. С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току, который до этого времени не применялся.

Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.

Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформатор представляет собой сердечник из тонких стальных изолированных одна от другой пластин, на котором помещаются две, а иногда и больше обмоток из изолированного провода. Обмотка, к которой присоединяется источник электрической энергии переменного тока, называется первичной обмоткой, остальные обмотки - вторичными.

Если во вторичной обмотке трансформатора намотано в три раза больше витков, чем в первичной, то магнитное поле, созданное в сердечнике первичной обмоткой, пересекая витки вторичной обмотки, создаст в ней в три раза больше напряжение.

Применив трансформатор с обратным соотношением витков, можно так же легко и просто получить пониженное напряжение.

С допустимой для практики точностью можно считать, что отношение числа витков первичной обмотки ко вторичной равно отношению приложенного напряжения к выходному.

Это отношение, называемое коэффициентом трансформации. Обычно сокращают меньшее из чисел, и тогда коэффициент трансформации получают в виде отношения единицы к некоторому числу (1: 4; 1: 50) или, наоборот, некоторого числа к единице (4: 1; 50: 1).

В радиоаппаратуре трансформаторы используются в первую очередь в питающих устройствах, позволяющих питать приемники от осветительной сети переменного тока. Такие трансформаторы называются силовыми.

Кроме того, трансформаторы используются для понижения и повышения напряжения различной частоты в усилителях и радиоприемниках. Для низких (звуковых) частот эти трансформаторы изготовляются с сердечниками из листовой стали. Для токов сравнительно высокой частоты трансформаторы, как и катушки индуктивности, делаются или совсем без стальных сердечников или с сердечниками из магнетита, альсифера, карбонильного железа и других специальных металлов.

1.2.2 Классификация трансформаторов

Силовой трансформатор.

Силовой трансформатор- трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии.

Автотрансформатор.

Автотрансформатор - вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию- это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. Применение автотрансформаторов экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации не более 3-4. Существенным является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге -- меньшая стоимость.

Трансформатор тока

Трансформатор тока - трансформатор, питающийся от источника тока. Типичное применение - для снижения первичного тока до величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации. Номинальное значение тока вторичной обмотки 1А, 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, равен току первичной обмотки, деленному на коэффициент трансформации.

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения- трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение- преобразование высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях РЗ и А. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.

Импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор- это трансформатор, предназначенный для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса. Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности.

Разделительный трансформатор

Разделительный трансформатор- трансформатор, первичная обмотка которого электрически не связана с вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы предназначены для повышения безопасности электросетей. При случайных одновременных прикасаний к земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции. Сигнальные разделительные трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку электрических цепей.

Пик-трансформатор

Пик-трансформатор- трансформатор, преобразующий напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью.

Сдвоенный дроссель

Сдвоенный дроссель (встречный индуктивный фильтр) - конструктивно является трансформатором с двумя одинаковыми обмотками. Благодаря взаимной индукции катушек он при тех же размерах более эффективен, чем обычный дроссель. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.

В практичной конструкции трансформатора производитель выбирает между двумя различными базовыми концепциями:

Стержневой

Броневой

Любая из этих концепций не влияет на эксплуатационные характеристики или эксплуатационную надёжность трансформатора, но имеются существенные различия в процессе их изготовления. Каждый производитель выбирает концепцию, которую он считает наиболее удобной с точки зрения изготовления, и стремится к применению этой концепции на всём объёме производства.

В то время как обмотки стержневого типа заключают в себе сердечник, сердечник броневого типа заключает в себе обмотки. Если смотреть на активный компонент (т. e. сердечник с обмотками) стержневого типа, обмотки хорошо видны, но они скрывают за собой стержни магнитной системы сердечника. Видно только верхнее и нижнее ярмо сердечника. В конструкции броневого типа сердечник скрывает в себе основную часть обмоток.

Основными частями конструкции трансформатора являются:

магнитная система (магнитный провод)

обмотки

система охлаждения

2. Химическая картина мира

От египетского слова «хеми», что означало Египет, а также «черный». Историки науки переводят этот термин как «египетское искусство». химия означает искусство производить необходимые вещества, в том числе и искусство превращать обыкновенные металлы в золото и серебро или их сплавы.

слово «химия» произошло от греческого термина «химос», который можно перевести как «сок растений». «химия» означает «искусство получения соков», но сок, о котором идет речь, может быть и расплавленным металлом. Химия может означать «искусство металлургии».

Основной проблемой химии является получение веществ с заданными свойствами. химия неорганическая органическая исследует свойства химических элементов и их простых соединений: щелочи, кислоты, соли. изучает сложные соединения на основе углерода - полимеры, в том числе, созданные человеком: газы, спирты, жиры, сахара.

2.1 Типы химических связей

Типы химических связей: ковалентная, ионная, водородная, металлическая

При образовании химической связи происходит перераспределение в пространстве электронных плотностей, первоначально принадлежавших разным атомам. Поскольку наименее прочно связаны с ядром электроны внешнего уровня, то этим электронам принадлежит главная роль в образовании химической связи.

Количество химических связей, образованных данным атомом в соединении, называют валентностью. Электроны, принимающие участие в образовании химической связи, называются валентными.

С энергетической точки зрения наиболее устойчивым является атом, на внешнем уровне которого содержится максимальное число электронов (2 и 8 электронов). Такой уровень называют завершенным. Завершенные уровни отличаются большой прочностью и характерны для атомов благородных газов, поэтому при обычных условиях они находятся в состоянии химически инертного одноатомного газа. У атомов других элементов внешние энергетические уровни незавершенные. В процессе хим. реакции осуществляется завершение внешних уровней, что достигается либо присоединением, либо отдачей электронов, а также образованием общих электронных пар. Эти способы приводят к образованию двух основных типов связи: ковалентной и ионной. Таким образом, при образовании молекулы каждый атом стремится приобрести устойчивую внешнюю электронную оболочку: либо двухэлектронную (дублет), либо восьми-электронную (октет). Эта закономерность положена в основу теории образования химической связи. Образование химической связи за счет завершения внешних уровней в образующих связь атомах сопровождается выделением большого количества энергии, то есть возникновение химической связи всегда протекает экзотермически, поскольку оно приводит к появлению новых частиц (молекул), обладающих при обычных условиях большей устойчивостью, а следовательно, они меньшей энергией, чем у исходных.

Одним из существенных показателей, определяющих, какая связь образуется между атомами, является электроотрицательность, то есть способность атомом притягивать к себе электроны от других атомов. Электроотрицательность атомов элементов изменяется постепенно: в периодах периодической системы слева направо ее значение возрастает а в группах сверху вниз - уменьшается.

Химическая связь, осуществляемая за счет образования общих (связывающих) электронных пар, называется ковалентной. Ковалентная связь, образованная атомами с различной электроотрицательностью, называется полярной. При ковалентной полярной связи электронная плотность от общей пары электронов смещена к атому с большей электроотрицательностью. Примерами могут служить молекулы Н2О, NH3, H2S, CH3Cl. Ковалентная (полярная и неполярная) связь в наших примерах образовалась за счет неспаренных электронов связывающихся атомов. Такой механизм образования ковалентной связи называется обменным. Другой механизм образования ковалентной связи - донорно-акцепторный. В этом случае связь возникает за счет двух спаренных электронов одного атома (донора) и свободной орбитали другого атома (акцептор).

Ионная связь возникает между атомами, электроотрицательность которых резко различается. Химическая связь, осуществляемая за счет электростатического притяжения между ионами, называется ионной связью. Соединения, образованные путем притяжения ионов называются ионными. Ионные соединения состоят из отдельных молекул только в парообразном состоянии. В твердом (кристаллическом) состоянии ионные соединения состоят из закономерно расположенных положительных и отрицательных ионов. Молекулы в этом случае отсутствуют. Ионные соединения образуют резко различные по величине электроотрицательности элементы главных подгрупп I и II групп и главных подгрупп VI и VII групп. Ионных соединений сравнительно немного. Например, неорганические соли: NH4Cl (ион аммония NH4 + и ион хлора Cl-), а также соли-образные органические соединения: алкоголяты соли карбоновых кислот, соли аминов. При ионной связи связующие электронное облако практически полностью принадлежит одному из атомов. Металлическая связь существует в металлах в твердом и жидком состоянии. В соответствии с положением в периодической системе атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов (1-3 электрона) и низкую энергию ионизации (отрыва электрона). Поэтому валентные электроны слабо удерживаются в атоме, легко отрываются и имеют возможность перемещаться по всему кристаллу. В узлах кристаллической решетки металлов находятся свободные атомы, положительно заряженные коны, а часть валентных электронов, свободно перемещаясь в объеме кристаллической решетки, образует «электронный газ», обеспечивающий связь между атомами металла. Связь, которую осуществляют относительно свободные электроны между ионами металлов в кристаллической решетке, называется металлической связью. Металлическая связь возникает за счет обобществления атомами валентных электронов. В случае металлической связи электроны, осуществляющие связь, перемещаются по всему куску металла. Этим определяются общие признаки металлов: металлический блеск, хорошая проводимость теплоты и электричества, ковкость, пластичность и т. д. Общим химическим свойством металлов является их относительно высокая восстановительная способность.

Водородные связи могут образовываться между атомом водорода, связанным с атомом электроотрицательного элемента, и электроотрицательным элементом, имеющим свободную пару электронов (О, F, N). Водородная связь обусловлена электростатическим притяжением, которому способствуют малые размеры атома водорода, и отчасти, донорно-акцепторным взаимодействием. Водородная связь может быть межмолекулярной и внутримолекулярной. Водородная связь гораздо более слабая, чем ионная или ковалентная, но более сильная, чем межмолекулярное взаимодействие. Водородные связи обуславливают некоторые физические свойства веществ (например, высокие температуры кипения). Особенно распространены водородные связи в молекулах белков, нуклеиновых кислот и других биологически важных соединений, обеспечивая им определенную пространственную структуру (организацию). Химические реакции любые химические явления природы.

При химической реакции происходит разрыв одних и образование других химических связей. В результате реакции из одних химических веществ получаются другие вещества.

Реакции соединения - химические реакции, в которых из двух или нескольких менее сложных по элементному составу веществ получается более сложное вещество. C + O2 = CO2; Na2O + CO2 = Na2CO3;

Реакции разложения - химические реакции, в которых из одного сложного по элементному составу вещества получаются два или несколько менее сложных веществ.

2Ag2O 4Ag + O2;

CaCO3 CaO + CO2;

Реакции замещения - химические реакции, в которых атомы или группы атомов одного из исходных веществ замещают атомы или группы атомов в другом исходном веществе.

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu; 2NaI + Cl2 = 2NaCl + I2;

Реакции обмена - химические реакции, в которых исходные вещества как бы обмениваются своими составными частями. Ba (OH) 2 + H2SO4 = BaSO4 + 2H2O; HCl + KNO2 = KCl + HNO2;

2.2 Строение молекул

Физические и химические свойства молекул определяются их строением. Поэтому многие свойства могут быть предсказаны на основании структурной формулы. К таким свойствам относятся размеры, форма, до некоторой степени конфирмация молекул (т. е. взаимное расположение отдельных атомов) при нахождении вещества в растворе и, наконец, реакционная способность. В этом разделе сведены параметры, на основании которых можно прогнозировать свойства соединений. Здесь также представлена пространственная структура одного из органических соединений - L-дигидроксифенилаланина [L-дофа (L-Dopa) ], промежуточного продукта в биосинтезе катехоламинов. Подобные пространственные структуры приводятся и в последующих разделах книги.

Длина связей

Для обозначения расстояний между атомами в молекуле используется понятие ковалентный радиус. Длина простой связи является величиной аддитивной: она примерно равна сумме ковалентных радиусов двух атомов. Двойная связь на 10-20% короче простой связи. В последнее время атомные радиусы и расстояние между атомами принято выражать в пикнометрах (пм, 1 пм = 10-12 м). Ранее длину связей представляли в ангстремах (?, 1?=100 пм).

Поляризация связей

В зависимости от положения в периодической системе химические элементы обладают различной способностью притягивать дополнительные электроны. Такое свойство - электроотрицательность - выражается в условных единицах. У элементов, представленных на схеме, электроотрицательность меняется в пределах от 2 до 4. Чем выше это число, тем большей способностью притягивать электроны обладает химический элемент. При взаимодействии двух различных атомов пара электронов смещается в сторону более электроотрицательного атома, образуя поляризованную ковалентную связь. Мерой поляризуемой химической связи является величина дипольного момента единица измерения: Дебай, 1. Д = 3, 3· 10-30 Кл•м.

Среди важных в биохимическом отношении элементов наиболее электроотрицательным является кислород, а наиболее поляризованной - двойная связь карбонильной группы С=О. Образующийся на углеродном атоме частичный положительный заряд облегчает часто встречающееся в биохимических реакциях нуклеофильное замещение по карбонильной группе.

Водородные связи

Особый тип не ковалентной связи - водородная связь - имеет в биохимии исключительно важное значение. В образовании водородной связи принимают участие атомы водорода ОН-, NH- и SH-гpупп (так называемых доноров водородной связи), которые взаимодействуют со свободной парой электронов атомов-акцепторов (например, О, N или S). Энергия водородной связи составляет 10-40 кДж/моль, что значительно меньше энергии ковалентной связи (>400 кДж/моль). Однако многочисленные водородные связи вносят существенный вклад в стабилизацию структуры многих макромолекул. Например, L-дофа может образовывать две внутримолекулярные водородные связи. На шаро-стержневой модели L-дофа водородные мостики указаны штрихами.

Эффективные атомные радиусы

Размеры атома или иона определяются его электронной оболочкой. Однако оболочка не ограничена определенной поверхностью, поэтому эффективный радиус атома задается ван-дер-ваальсовым радиусом. Этот радиус определяется на основании наименьшего энергетически выгодного расстояния между двумя атомами, не связанными ковалентной связью. На таком расстоянии энергия взаимодействия, определяемая силами притяжения и отталкивания, достигает минимального значения. Это расстояние соответствует сумме ван-дер-ваальсовых радиусов двух атомов. Форма и величина молекул в наиболее наглядном виде демонстрируется с помощью ван-дер-ваальсовой модели, где каждый атом занимает часть (сегмент) сферы соответствующего радиуса.

3. Биологическая картина мира

Биологическая картина мира является одной из фундаментальных дисциплинарных онтологий, которое имеет значение как сама по себе, так и в составе возможных групп, сформированных из близких к ней специальных картин мира. Она тесным образом взаимодействует с химической и физической картинами мира, кроме того, биологическая картина мира имеет естественное продолжение в дисциплинарных онтологиях экологии и медицинских наук.

Успехи биологических наук в последние десятилетия XX столетия были столь значительны, что многие ученые, начиная с этого времени, рассматривают биологию в качестве лидера естествознания.

3.1 Факторы и движущие силы эволюционного процесса в биологии

Эволюция - не хаотичный процесс. Эволюция связана с выработкой новых приспособлений, образованием новых видов, прогрессивным развитием живой природы. Естественный отбор - это единственный фактор, который, действуя в гетерогенной популяции, направляет эволюционный процесс. Предпосылкой естественного отбора, по Ч. Дарвину, является борьба за существование. С современной точки зрения, именно через борьбу за существование осуществляется механизм действия естественного отбора.

Борьба за существование. Ч. Дарвин считал главной причиной борьбы за существование противоречие между тенденцией организмов к размножению в геометрической прогрессии и ограниченностью средств существования (пища, территория). Однако углубленное изучение этого процесса показало, что борьба за существование - явление многогранное. Взаимоотношения различных форм в каждом конкретном случае по-своему переплетаются, сменяются или незаметно переходят друг в друга. Эти сложные взаимоотношения невозможно свести к трем дарвиновским формам борьбы за существование. В современном понимании борьба за существование - это любые противоречивые взаимоотношения особей, направленные на их развитие и размножение.

Ареной борьбы за существование является экосистема, где проявляются все противоречия между организмами: борьба за пищу, воду, территорию, свет, за партнера при спаривании и т. п.

Известны две основные формы борьбы за существование: прямая борьба и конкуренция.

Прямая борьба проявляется в непосредственном столкновении организмов друг с другом. Она может быть внутри- и межвидовой, активной и пассивной. Межвидовые взаимоотношения могут быть выражены в форме хищник-жертва, паразит-хозяин (рис. 4. 7).

Прямая борьба является причиной появления у растений ряда приспособлений, таких как колючки, плотная кутикула, длинные корни и др. У животных совершенствуются поведенческие реакции (скрытый образ жизни), способность защищаться от паразитов (приобретение иммунитета), морфологическая и физиологическая организация (развивается способность к быстрому бегу, обостряется слух, зрение, обоняние). Важно отметить, что в результате борьбы за существование эволюционируют оба звена. Например, всякое совершенствование жертвы влечет за собой изменение у хищников тех признаков, которые связаны с поиском жертвы, и наоборот.

Конкуренция - это взаимоотношения между живыми организмами, соревнующимися за одни и те же жизненные средства, за возможность размножения и т. д. В основе этого процесса лежат различия между особями, дающие им возможность победить, т. е., в конечном итоге, сохранить потомство и собственную жизнь. Конкуренция играет важную роль в эволюционном процессе, так как именно в состязаниях проявляются противоречия между организмами. Выделяют три разновидности конкуренции: трофическую, топическую и репродуктивную.

Трофическая конкуренция обусловлена потребностями в одинаковой пище при ее недостатке. Она происходит между особями как одного (например, загущенные посевы пшеницы), так и разных (например, культурные растения - сорняки) видов (рис. 4. 8). У животных внутривидовая конкуренция может завершаться ка-анимализмом. Трофическая конкуренция является важной причиной совершенствования морфофизиологических признаков и поведенческих реакций, связанных с добыванием или использованием пищи.

Топическая конкуренция происходит между организмами на фоне действия общих абиотических факторов. Например, зимой выживают животные, имеющие более теплый мех или более благоустроенные норы. А в жаркую погоду преимущество получат те растения, которые более экономично расходуют влагу или испаряют меньше воды. На приспособленность организмов и неблагоприятным условиям влияют и биотические факторы. Например, белая окраска зайца-беляка или куропатки воз 7 никла в процессе эволюции не как приспособление к снежному покрову, а как защита от общих врагов (лисы, совы).

Таким образом, в результате топической конкуренции у организмов вырабатывается ряд приспособлений к неблагоприятным условиям среды.

Репродуктивная конкуренция выражается в борьбе за воспроизведение потомства. У растений эта форма борьбы ведет к совершенствованию опыления, оплодотворения, распространения семян и плодов, обеспечения зародышей запасом питательных веществ и др. У животных наблюдается усиление вторичных половых признаков (яркое оперение, сильные запахи, брачное поведение и пр.) (рис. 4. 9).

Мерилом борьбы за существование служит соотношение между числом родившихся особей и числом особей, которые достигли половой зрелости (приняли участие в размножении). Но это ни что иное, как естественный отбор - дифференциальное размножение особей в популяциях.

Естественный отбор. Ч. Дарвин определил естественный отбор как сохранение особей с полезными и гибель особей с вредными индивидуальными уклонениями - «переживание наиболее приспособленных». Однако эта формулировка недостаточно полно отражает некоторые генетические последствия отбора. Первичный отбор, опираясь на фенотипы, обеспечивает воспроизведение одних генотипов и устранение других. В процессе отбора важны не столько выживание или гибель особей, а вклад каждой особи в генофонд популяции. А больший вклад внесет та особь, которая оставит более многочисленное потомство. Отсюда под естественным отбором следует понимать избирательное (дифференциальное) воспроизведение разных генотипов (или генных комплексов).

Механизм действия естественного отбора, по современным представлениям, можно представить следующим образом.

Любая популяция является гетерогенной по генотипу и фенотипу (рис. 4. 10). Это обусловливает неравнозначность организмов в борьбе за существование. В ходе борьбы особи, фенотипы которых более конкурентоспособны, сохраняются и дают потомство. В результате преимущественного размножения одних организмов и гибели других популяция изменяется в сторону более ценного генотипа. Если его фенотип и в следующем поколении в конкретных условиях окажется адаптивно полезным, то он снова будет сохранен в процессе отбора. Если же изменения признаков не будут способствовать выживанию особей, то отбор такие формы будет элиминировать и популяция сохранит старую структуру. В популяциях может возникнуть одновременно несколько полезных признаков. Сохраняя их, отбор приведет к увеличению многообразия особей (генотипов) популяции. Таким образом, естественный отбор дифференцирует размножение определенных фенотипов в популяциях, изменяет соотношение их генотипов.

Выделяют две формы естественного отбора:

Стабилизирующий отбор сохраняет в популяции среднюю ранее сформировавшуюся норму признака. Он действует в относительно постоянных условиях среды и направлен против крайних вариантов изменчивости в популяциях (рис. 4. 11). Показателен эксперимент, проделанный самой природой. После снегопада и сильных ветров в Северной Америке было найдено 136 оглушенных домовых воробьев; 72 из них выжили, а 64 погибли. У погибших были очень длинные или очень короткие крылья. Воробьи, имеющие средние размеры крыльев, выжили, что способствовало сохранению вида. Действием этой формы отбора можно объяснить существование реликтовых форм (гаттерия, секвойя, латимерия и др.). Дарвиновское представление отбора, ведущее к образованию нового

вида, получило название движущего отбора. Его суть заключается в том, что при постоянном изменении в определенном направлении условий среды происходит смещение нормы реакции организма в сторону изменчивости признака (рис. 4. 12, 4. 13). Такой отбор способствует закреплению новой формы взамен старой, пришедшей в несоответствие с изменившейся средой.

Классическим примером движущего отбора является «промышленный механизм» бабочек. В промышленных городах Англии за 100 лет ночные бабочки березовой пяденицы изменили окраску. Преимущество получили механические формы - особи с темной окраской, так как птицы их не замечают на темных стволах деревьев (рис. 4. 14). Значение движущего отбора в эволюции заключается в выработке у живых организмов приспособлений к окружающей среде.

Главной направляющей силой эволюционного процесса является естественный отбор, который, действуя в гетерогенной популяции.

4. Космологическая картина мира

биологическая картина мир

Современная космология становится лидером физических наук. Ее стремительное развитие приводит к настолько сильным преобразованиям научной картины мира, что нередко говорят о новой революции в науке о Вселенной. Действительно, динамизм ситуации в космологии на рубеже XX-XXI веков вполне сравним с тем, который был характерен столетие назад для физики. Познание Вселенной подвело к пределам применимости известных фундаментальных теорий. Вселенная в современной картине мира выступает не как ставшее бытие, а как поток становления, порождающий такие фундаментальные объекты природы, как элементарные частицы, из которых формируется наблюдаемая иерархия уровней организации Вселенной.

4.1 Пульсары

Пульсары - это очень маленькие, очень плотные, быстровращающиеся звёзды, формирующиеся в момент коллапса ядра большой и массивной звезды, во время которого давление в ядре уже не может противостоять силе тяжести. Внешние слои звёзды, в это же время раздираются взрывом сверхновой. После обнаружения первых пульсаров, пульсар был обнаружен и в Крабовидной туманности. Масса пульсара сравнима с массой нашего Солнца, но его радиус составляет около 10 километров, что соответствует плотности в миллиарды тонн на чайную ложку вещества.

Подобные ультра плотные звёзды называются нейтронными потому, что при такой высокой плотности (сравнимой с плотностью атомного ядра), материя состоит в основном из нейтронов. Ядра нейтронных звёзд могут быть даже более плотными, чем атомное ядро и содержать гипероны - частицы похожие на нейтроны и протоны, но только более тяжёлые. При ещё большей плотности, материя должна превращаться в смесь из «верхнего», «нижнего» и «странного» кварка, которые составляют нейтроны, протоны и гипероны. Если вблизи центра плотность этих звёзд становится достаточно высокой, то некоторые из таких звёзд могут иметь кварковые ядра, а сами звёзды, могут быть названы «гибридными звёздами». Возможно, также, что существуют звёзды, целиком состоящие из странного кварка, хотя для того, чтобы убедиться в этом, наших знаний о свойствах кварков недостаточно. В большинстве случаев, (для краткости), мы будем использовать термин «нейтронная звезда», но помня о том, что возможно существование и гораздо более необычных объектов.

Некоторые нейтронные звёзды наблюдаются как пульсары потому, что у них есть очень сильное магнитное поле, замечаемое с Земли в виде электромагнитных волн, пучком излучаемых с полюсов нейтронной звезды. Из-за вращения звезды, получающийся «луч» несётся сквозь космос, превращаясь в космический маяк. Вообразите себе луч маяка, приходящего к вам с каждым поворотом его прожектора. В этом случае вы бы видели по одному импульсу света за один его оборот. Точно также мы видим и радиоимпульсы, излучаемые пульсаром - во время очередного прохождения пучка электромагнитных волн по Земле, происходящего каждый оборот. Поэтому объекты, наблюдаемые таким образом, и называются пульсарами. Следует отметить, что время от времени, радиоимпульсы могут рассеиваться межзвёздным газом и пылью, из-за чего они могут непредсказуемо появляться и исчезать.

С того момента, как Энтони Хьюиш и Джослин Белл обнаружили первые известные пульсары, по электромагнитному излучению, воспринимаемому наземными радиотелескопами, было открыто ещё несколько тысяч других. Частота вращения известных пульсаров лежит в диапазоне от одного оборота за несколько секунд, до сотен оборотов за одну секунду. Наибольшая наблюдаемая частота вращения составляет 642 оборота в секунду! Полагается, что в нашей Галактике есть сто тысяч быстровращающихся пульсаров, большая часть из которых ещё не обнаружена. (Не обнаружена из-за того, что либо излучение пульсара проходит мимо Земли, либо импульсы размываются космическими облаками или пылью, или же из-за того, что вращающаяся нейтронная звезда не обладает магнитным полем, необходимым для того, чтобы мы могли зарегистрировать её излучение).

Einstein@Home - это одно из самых мощных средств, позволяющих искать гравитационные волны от неизвестных ранее, плотных вращающихся звёзд. Поскольку гравитационные волны не излучаются узконаправленным пучком (а они излучаются во всех направлениях, хотя и не равномерно), распространяются не в виде импульсов и могут быть не связаны с уже известными источниками радиоимпульсов, для их источников можно изобретать новые имена. Например, их можно назвать «гравитационно-волновыми пульсарами», «GWENs» - Gravitational-Wave Emitting Neutron Stars, или «гравитары». Но для простоты, в данном отчёте для обозначения подобных источников будет использоваться термин «пульсар».

Обнаружение гравитационных волн, идущих от пульсаров, даст нам новый способ открытия и поиска нейтронных звёзд и уникальную возможность понимания природы материи высокой плотности.

Заключение

Один из старинных девизов гласит: “знание есть сила” Наука делает человека могущественным перед силами природы. Великие научные открытия (и тесно связанные с ними технические изобретения) всегда оказывали колоссальное (и подчас совершенно неожиданное) воздействие на судьбы человеческой истории. Такими открытиями были, например, открытия в ХVII в. законов механики, позволившие создать всю машинную технологию цивилизации; открытие в ХIХ в. электромагнитного поля и создание электротехники, радиотехники, а затем и радиоэлектроники; создание в ХХ в, теории атомного ядра, а вслед за ним - открытие средств высвобождения ядерной энергии; раскрытие в середине ХХ в. молекулярной биологией природы наследственности (структуры ДНК) и открывшиеся вслед возможности генной инженерии по управлению наследственностью. Большая часть современной материальной цивилизации была бы невозможна без участия в ее создании научных теорий, научно-конструкторских разработок, предсказанных наукой технологий и др.

В современном мире наука вызывает у людей не только восхищение и преклонение, но и опасения. Часто можно услышать, что наука приносит человеку не только блага, но и величайшие несчастья. Загрязнения атмосферы, катастрофы на атомных станциях, повышение радиоактивного фона в результате испытаний ядерного оружия, “озонная дыра” над планетой, резкое сокращение видов растений и животных - все эти и другие экологические проблемы люди склонны объяснять самим фактом существования науки. Но дело не в науке, а в том, в чьих руках она находится, какие социальные интересы за ней стоят, какие общественные и государственные структуры направляют ее развитие.

Размещено на Allbest.ru

...