Концепция современного естествознания

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Контрольная работа

на тему: "Концепция современного естествознания"



Задание 1. Перечислите основные компоненты естествознания как системы естественных наук. Дайте их краткую характеристику

Ответ: Естествознание - область науки, изучающая совокупность естественных наук, взятая как целое.

Естествознание появилось более 3000 лет назад. Тогда не было разделения на физику, биологию, географию. Науками занимались философы. С развитием торговли и мореплавания началось развитие географии, а с развитием техники - развитие физики, химии.

Подразделения:

· Астрономия - наука о расположении, строении, свойствах, происхождении и развитии небесных тел и их систем, вплоть до Вселенной в целом.

· Биология - наука о жизни, одна из естественных наук, предметом которой являются живые существа и их взаимодействие с окружающей средой.

· Биофизика раздел физики и современной биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом.

· Биохимия - наука о химическом составе живых клеток и организмов и о химических процессах, лежащих в основе их жизнедеятельности.

· Генетика - наука о законах и механизмах наследственности и изменчивости.

· География - единый комплекс наук, изучающих географическую оболочку Земли и акцентирующихся на выявлении пространственно-временных закономерностей.

· Геология - комплекс наук о составе, строении, истории развития земной коры и размещении в ней полезных ископаемых.

· Радиобиология - это самостоятельная комплексная, фундаментальная наука, состоящая из многих научных направлений, изучающая действие ионизирующих и неионизирующих излучений на биологические объекты.

· Радиохимия, изучает химию радиоактивных веществ, законы их физико-химического поведения, химию ядерных превращений и сопутствующие им физико-химические процессы.

· Физическая химия - наука об общих законах, определяющих строение и химические превращения веществ при различных внешних условиях.

· Химия - одна из важнейших и обширных областей естествознания, наука о веществах, их свойствах, строении и превращениях, происходящих в результате химических реакций.

Задание 2. Охарактеризуйте александрийский период развития науки

Ответ: Естествознание в эллинистическую эпоху стало переходить из сферы отвлеченного, философского размышления о природе в сферу конкретных фактов и явлений (произошла систематизация накопленных знаний). В эту эпоху греческая математика, механика и астрономия наряду с другими отраслями знаний достигли своего наивысшего развития. Греческая наука перешла от рассмотрения мира в целом к дифференцированному знанию, из единой науки выделились и развились отдельные науки естественные и гуманитарные.

Почти каждый ученый эллинистической эпохи был связан с Александрией если не личным контактом, то научной перепиской. В Александрии жили и работали крупные ученые: геометр Евклид, географ и математик Эратосфен, астрономы Конон, Аристарх Самосский и позже Клавдий Птолемей. С Александрией были связаны математик Аполлоний Пергский, астроном Гиппарх и Архимед. Особую роль в эллинистическую эпоху сыграли Евклид и Архимед.

Среди четырех дисциплин, изучаемых в Мусейоне (Александрийский музей): литературы, математики, астрономии и медицины, - математика занимала особое место. В течение первого периода своего существования математическая школа отличалась интенсивной и блестящей деятельностью. Она началась с систематизации знаний, накопленных в классическую эпоху, - Евклид разработал начала геометрии, а Аполлоний создал общую теорию конических сечений.

Александрийские ученые получили широкую известность своими исследованиями по математике, астрономии, географии и физике. И хотя биология не принадлежала к числу популярных в Александрии наук, однако, и в ней можно найти, по крайней мере, два славных имени: это Герофил (расцвет его деятельности относится к 300-м годам до н.э.) и его ученик Эразистрат (250-е годы до н.э.).

На развитии биологии сказывался еще и тот немаловажный факт, что жизнь - живая природа в отличие от неживого мира - считалась священной. Анатомирование человеческого тела многим представлялось абсолютно недопустимым. Поэтому вскоре им и вовсе прекратили заниматься - вначале из-за морального осуждения, а затем под страхом нарушения законов.

Задание 3. Укажите основные законы механики Ньютона

Ответ: Первый закон Ньютона. Инерциальной называется та система отсчёта, относительно которой любая, изолированная от внешних воздействий, материальная точка сохраняет состояние равномерного прямолинейного движения.

Первый закон Ньютона гласит: инерциальные системы отсчёта существуют. ньютон электромагнетизм стехиометрический изменчивость

По сути, этот закон постулирует инерцию тел. Это может казаться очевидным сейчас, но это не было очевидно на заре исследований природы. Так, например, Аристотель утверждал, что причиной всякого движения является сила, т. е. у него не было движения по инерции.

Второй закон Ньютона - дифференциальный закон движения, описывающий взаимосвязь между приложенной к материальной точке силой и её ускорением. Один из трёх законов Ньютона.

Второй закон Ньютона утверждает, что в инерциальной системе отсчета (ИСО) ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе.

= .

Третий закон Ньютона объясняет, что происходит с двумя взаимодействующими телами. Возьмём для примера замкнутую систему, состоящую из двух тел. Первое тело может действовать на второе с некоторой силой F₁₂, а второе - на первое с силой F₂₁. Как соотносятся силы? Третий закон Ньютона утверждает: сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия. Подчеркнём, что эти силы приложены к разным телам, а потому вовсе не компенсируются.

Сам закон: тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной и той же прямой, равными по модулю и противоположными по направлению:

.

Задание 4. Укажите основные этапы создания учения об электромагнетизме

Ответ: Как и электричество, магнетизм в природе обнаружили древние греки. Примерно к 600 г. до н. э. им были известны свойства магнитного железняка (оксида железа); как обнаружилось, его куски могут действовать друг на друга на расстоянии. Примерно через 500 лет китайцы открыли поразительную способность магнитного железняка определенным образом ориентироваться в пространстве и создали первый примитивный компас. Правда, вначале его использование ограничивалось мистическими действами, и лишь через несколько столетий компас стал навигационным прибором.

В средние века открытое Фалесом странное явление тщательно изучал придворный медик английской королевы Елизаветы I Уильям Гильберт, который обнаружил, что способность электризоваться, присуща и многим другим веществам.

Дальнейшие исследования, проведенные в Англии и других странах Европы, показали, что некоторые вещества ведут себя как изоляторы. Французский ученый Шарль Дюфе установил, что существуют две разновидности электрических зарядов; теперь мы называем их положительными и отрицательными.

В XVIII-XIX вв. природа электричества частично прояснилась после экспериментов Бенджамина Франклина и Майкла Фарадея. Выяснилось, что электрические заряды одного знака отталкиваются, а заряды противоположных знаков притягиваются, и в том и другом случае электрические силы ослабевают с расстоянием в соответствии с законом "обратных квадратов", который Ньютон вывел ранее для гравитации.

Решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в 50-х годах XIX в. Джеймс Клерк Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой системе уравнений теории электромагнетизма - первой единой теории поля - невидимого воздействия, создаваемого материей, простирающегося далеко в пространство и способного влиять на электрически заряженные частицы, электрические токи и магниты.

В 1864 году Дж. К. Максвелл опубликовал первые из основных уравнений "классической электродинамики", описывающие эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами.

Задание 5. Какие гипотезы и постулаты лежат в основе квантовой механики?

Ответ: Основное уравнение квантовой механики - уравнение Шрёдингера, математический аппарат - теория матриц, теория групп, операторы, теория вероятностей.

История квантовой механики началась по существу с открытия в 1838 году катодных лучей Майклом Фарадеем. Дальнейшая формулировка в 1859 году задачи об излучении абсолютно чёрного тела Густавом Кирхгофом; предположения в 1877 году Людвигом Больцманом, о том, что энергетические состояния физической системы могут быть дискретными; формулировки в 1900 году квантовой гипотезы Максом Планком о том, что любая энергия поглощается или испускается только порциями, которые состоят из целого числа квантов с энергией е таких, что эта энергия пропорциональна частоте н с коэффициентом пропорциональности, определённым по формуле:

,

где h - постоянная Планка. Хотя Планк настаивал, что это предположение умозрительно и не относится к физической реальности энергии, в 1905 году для объяснения фотоэффекта Альберт Эйнштейн постулировал на основе квантовой гипотезы Планка, что свет сам по себе состоит из квантов, которые впоследствии назвали фотонами (1926 год). От простого постулирования Эйнштейна родился шквал обсуждений, теоретических работ и экспериментов, из которых возникла новая область физики: квантовая физика.

Математический аппарат нерелятивистской квантовой механики строится на следующих положениях:

· Состояния системы описываются ненулевыми векторами ш комплексного сепарабельного гильбертова пространства H, причем векторы ш₁ и ш₂ описывают одно и то же состояние тогда и только тогда, когда ш₂ = cш₁, где c - произвольное комплексное число. Каждой наблюдаемой однозначно сопоставляется линейный эрмитов оператор.

· Наблюдаемые одновременно измеримы тогда и только тогда, когда соответствующие им эрмитовы операторы коммутируют.

· Эволюция системы определяется уравнением Шредингера:

,

где - гамильтониан.

· Каждому вектору из пространства H отвечает некоторое состояние системы, любой линейный эрмитов оператор соответствует некоторой наблюдаемой.

Эти положения позволяют создать математический аппарат, пригодный для описания широкого спектра задач в квантовой механике.

Задание 6. Укажите основные стехиометрические законы

Ответ: Стехиометрия - раздел химии, в котором рассматриваются массовые или объемные соотношения между реагирующими веществами. Исключительное значение для развития химии имело установление основных стехиометрических законов.

В химии используются следующие стехиометрические законы: закон сохранения массы, закон постоянства состава вещества, закон эквивалентов, закон кратных отношений.

Закон сохранения массы. Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. Закон сохранения массы веществ (М.В. Ломоносов, 1748-1756 гг., А. Лавуазье, 1777 г.). Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, получившихся в результате реакции.

Закон сохранения массы веществ может быть объяснен с точки зрения атомно-молекулярного учения так: при химических реакциях атомы не исчезают и не могут возникать из ничего; общее число атомов остается постоянным до и после реакции. Например, при взаимодействии двухатомных молекул водорода и хлора должно образоваться столько молекул НС 1, чтобы число атомов водорода и хлора оставалось равным двум, т.е. две молекулы:

И поскольку атомы имеют постоянную массу, не меняется и масса веществ до и после реакции.

Закон сохранения массы веществ М.В. Ломоносов связывал с законом сохранения энергии (количества движения). Он рассматривал эти законы в единстве как всеобщий закон природы.

Таким образом, законы сохранения массы веществ и сохранения энергии - это две стороны единого закона природы - закона вечности материи и ее движения.

Взаимосвязь массы и энергии (она рассматривается в физике) выражают уравнением Эйнштейна:

E=mc2,

где E - энергия; m - масса; c - скорость света в вакууме.

Закон сохранения массы веществ дает материальную основу для составления уравнений химических реакций. Опираясь на него, можно проводить расчеты по химическим уравнениям.

Закон постоянства состава. (Ж.Л. Пруст, 1808 г.).

Каждое чистое вещество независимо от способа его получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав.

Атомно-молекулярное учение позволяет объяснить закон постоянства состава. Например, воду можно получить по любой из следующих реакций:

2Н₂+О₂=2Н₂О,

Са(ОН)₂=СаО+Н₂О,

CuSO₄*5Н₂О=CuSO₄+5Н₂О.

Химически чистая вода содержит 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода, независимо от способа ее получения, то есть на один атом кислорода приходится два атома водорода. Иной состав свидетельствует либо о наличии примесей, либо о том, что это другое вещество (например, Н₂О₂).

Закон эквивалентов. Химические элементы соединяются друг с другом в строго определенных количествах, соответствующих их эквивалентам. Понятие эквивалента было введено для сопоставления соединительной способности разных элементов. Эквивалентом химического элемента называют такую его массу, которая соединяется с 1,008 ч. м. (части массы) водорода или 8 ч. м. кислорода или замещает эти массы в соединениях.

Один и тот же элемент может иметь несколько эквивалентов. Так, эквивалент углерода в оксиде, углерода (IV) равен трем, а в оксиде углерода (II) - шести.

Понятие эквивалента можно распространяется и на сложные соединения - основания, кислоты и соли.

Эквивалентом сложного соединения называют массу этого соединения, содержащую эквивалент водорода (кислоты) или эквивалент металлической составной части (основания, соли).

Формулируется закон так: во всех химических реакциях взаимодействие различных веществ друг с другом происходит в соответствии с их эквивалентами, независимо от того, являются ли эти вещества простыми или сложными.

Закон кратных отношений. Закон кратных отношений - один из стехиометрических законов химии: если два вещества (простых или сложных) образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного вещества, приходящиеся на одну и ту же массу другого вещества, относятся как целые числа, обычно небольшие. Закон кратных отношений открыт в 1803 Дж. Дальтоном и истолкован им с позиций атомизма.

Задание 7. В чём заключается явление катализа?

Ответ: Катализ (от греч. кбфЬлхуйт, восходит к кбфблэейн - разрушение) - явление изменения скорости химической или биохимической реакции в присутствии веществ, количество и состояние которых в ходе реакции не изменяются (катализаторов).

Термин "катализ" был введён в 1835 году шведским учёным Йёнсом Якобом Берцелиусом.

Явление катализа распространено в природе (большинство процессов, происходящих в живых организмах, являются каталитическими) и широко используется в технике (в нефтепереработке и нефтехимии, в производстве серной кислоты, аммиака, азотной кислоты и др.). Большая часть всех промышленных реакций - это каталитические.

Основные принципы катализа. Катализатор изменяет механизм реакции на энергетически более выгодный, то есть снижает энергию активации. Катализатор образует с молекулой одного из реагентов промежуточное соединение, в котором ослаблены химические связи. Это облегчает его реакцию со вторым реагентом. Важно отметить, что катализаторы ускоряют обратимые реакции, как в прямом, так и в обратном направлениях.

Задание 8. Перечислите основные свойства живого организма

Ответ: Живые организмы - главный предмет изучения в биологии. Для удобства рассмотрения все организмы распределяются по разным группам и категориям, что составляет биологическую систему их классификации.

Самое общее их деление на ядерные и безъядерные.

По числу составляющих организм клеток их делят на одноклеточные и многоклеточные. Формирование целостного многоклеточного организма - процесс, состоящий из дифференцировки структур (клеток, тканей, органов) и функций и их интеграции как в онтогенезе, так и в филогенезе.

Постулатами теории биологической эволюции являются три свойства живых организмов - индивидуальная изменчивость, наследственность и борьба за существование.

Свойства:

· В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение элементов в живом и неживом неодинаково. В живых организмах 98 % химического состава приходятся на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород.

· Важный признак живых систем - использование внешних источников энергии в виде пищи, света и др. Через живые системы проходят потоки веществ и энергии, вот почему они открытые. Основу обмена веществ составляют взаимосвязанные и сбалансированные процессы ассимиляции, т.е. процессы синтеза веществ в организме, и диссимиляции, в результате которых сложные вещества и соединения распадаются на простые и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Обмен веществ обеспечивает относительное постоянство химического состава всех частей организма.

· Существование каждой отдельно взятой биологической системы ограничено во времени; поддержание жизни связано с самовоспроизведением. Любой вид состоит из особей, каждая из которых рано или поздно перестанет существовать, но благодаря самовоспроизведению жизнь вида не прекращается. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур, которое обусловлено информацией, заложенной в нуклеиновой кислоте ДНК. Самовоспроизведение тесно связано с явлением наследственности: любое живое существо рождает себе подобных.

· Наследственность заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Она обусловлена относительной стабильностью, т.е. постоянством строения молекул ДНК.

Задание 9. Охарактеризуйте различные типы изменчивости

Ответ: Изменчивость - это возникновение индивидуальных различий. На основе изменчивости организмов появляется генетическое разнообразие форм, которые в результате действия естественного отбора преобразуются в новые подвиды и виды. Различают изменчивость модификационную, или фенотипическую, и мутационную, или генотипическую.

Модификационная изменчивость. Модификационная изменчивость не вызывает изменений генотипа, она связана с реакцией данного, одного и того же генотипа на изменение внешней среды: в оптимальных условиях выявляется максимум возможностей, присущих данному генотипу. Так, продуктивность беспородных животных в условиях улучшенного содержания и ухода повышается (надои молока, нагул мяса). В этом случае все особи с одинаковым генотипом отвечают на внешние условия одинаково (Ч. Дарвин этот тип изменчивости назвал определенной изменчивостью). Однако другой признак - жирность молока - слабо подвержен изменениям условий среды, а масть животного - еще более устойчивый признак. Модификационная изменчивость обычно колеблется в определенных пределах. Степень варьирования признака у организма, то есть пределы модификационной изменчивости, называется нормой реакции. Широкая норма реакции свойственна таким признакам, как удои молока, размеры листьев, окраска у некоторых бабочек; узкая норма реакции - жирности молока, яйценоскости у кур, интенсивности окраски венчиков у цветков и другое. Фенотип формируется в результате взаимодействий генотипа и факторов среды. Фенотипические признаки не передаются от родителей потомкам, наследуется лишь норма реакции, то есть характер реагирования на изменение окружающих условий. У гетерозиготных организмов при изменении условий среды можно вызвать различные проявления данного признака.

Свойства модификаций:

1) ненаследуемость;

2) групповой характер изменений;

3) соотнесение изменений действию определенного фактора среды;

4) обусловленность пределов изменчивости генотипом.

Генотипическая изменчивость. Генотипическая изменчивость подразделяется на мутационную и комбинативную. Мутациями называются скачкообразные и устойчивые изменения единиц наследственности - генов, влекущие за собой изменения наследственных признаков. Термин "мутация" был впервые введен де Фризом. Мутации обязательно вызывают изменения генотипа, которые наследуются потомством и не связаны со скрещиванием и рекомбинацией генов.

Классификация мутаций. Мутации можно объединять, в группы -классифицировать по характеру проявления, по месту или, по уровню их возникновения.

Мутации по характеру проявления бывают доминантными и рецессивными. Мутации нередко понижают жизнеспособность или плодовитость. Мутации, резко снижающие жизнеспособность, частично или полностью останавливающие развитие, называют полулетальными, а несовместимые с жизнью - летальными. Мутации подразделяют по месту их возникновения. Мутация, возникшая в половых клетках, не влияет на признаки данного организма, а проявляется только в следующем поколении. Такие мутации называют генеративными. Если изменяются гены в соматических клетках, такие мутации проявляются у данного организма и не передаются потомству при половом размножении. Но при бесполом размножении, если организм развивается из клетки или группы клеток, имеющих изменившийся - мутировавший - ген, мутации могут передаваться потомству. Такие мутации называют соматическими.

Мутации классифицируют по уровню их возникновения. Существуют хромосомные и генные мутации. К мутациям относится также изменение кариотипа (изменение числа хромосом). Полиплоидия - увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору. В соответствии с этим у растений различают триплоиды (Зп), тетраплоиды (4п) и т.д. В растениеводстве известно более 500 полиплоидов (сахарная свекла, виноград, гречиха, мята, редис, лук и др.). Все они выделяются большой вегетативной массой и имеют большую хозяйственную ценность.

Хромосомные мутации связаны с изменением структуры хромосом. Существуют следующие виды перестроек хромосом: отрыв различных участков хромосомы, удвоение отдельных фрагментов, поворот участка хромосомы на 180° или присоединение отдельного участка хромосомы к другой хромосоме. Подобное изменение влечет за собой нарушение функции генов в хромосоме и наследственных свойств организма, а иногда и его гибель.

Генные мутации затрагивают структуру самого гена и влекут за собой изменение свойств организма (гемофилия, дальтонизм, альбинизм, окраска венчиков цветков и т.д.). Генные мутации возникают как в соматических, так и в половых клетках. Они могут быть доминантными и рецессивными. Первые проявляются как у гомозигот так и у гетерозигот, вторые - только у гомозигот. У растений возникшие соматические генные мутации сохраняются при вегетативном размножении. Мутации в половых клетках наследуются при семенном размножении растений и при половом размножении животных. Одни мутации оказывают на организм положительное действие, другие безразличны, а третьи вредны, вызывая либо гибель организма, либо ослабление его жизнеспособности (например, серповидноклеточная анемия, гемофилия у человека).

При выведении новых сортов растений и штаммов микроорганизмов используют индуцированные мутации, искусственно вызываемые теми или иными мутагенными факторами (рентгеновские или ультрафиолетовые лучи, химические вещества). Затем проводят отбор полученных мутантов, сохраняя наиболее продуктивные. В нашей стране этими методами получено много хозяйственно перспективных сортов растений: неполегающие пшеницы с крупным колосом, устойчивые к заболеваниям; высокоурожайные томаты; хлопчатник с крупными коробочками и др.

Свойства мутаций:

1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно.

2. Мутации наследственны, то есть стойко передаются из поколения в поколение.

3. Мутации ненаправленные - мутировать может любой локус, вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков.

4. Одни и те же мутации могут возникать повторно.

5. По своему проявлению мутации могут быть полезными и вредными, доминантными и рецессивными.

Способность к мутированию - одно из свойств гена. Каждая отдельная мутация вызывается какой-то причиной, но в большинстве случаев эти причины неизвестны. Мутации связаны с изменениями во внешней среде. Это убедительно доказывается тем, что путем воздействия внешними факторами удается резко повысить их число.

Комбинативная изменчивость. Комбинативная наследственная изменчивость возникает в результате обмена гомологичными участками гомологичных хромосом в процессе мейоза, а также как следствие независимого расхождения хромосом при мейозе и случайного их сочетания при скрещивании. Изменчивость может быть обусловлена не только мутациями, но и сочетаниями отдельных генов и хромосом, новая комбинация которых при размножении приводит к изменению определенных признаков и свойств организма. Такой тип изменчивости называют комбинативной наследственной изменчивостью. Новые комбинации генов возникают:

1) при кроссинговере, во время профазы первого мейотического деления;

2) во время независимого расхождения гомологичных хромосом в анафазе первого мейотического деления;

3) во время независимого расхождения дочерних хромосом в анафазе второго мейотического деления;

4) при слиянии разных половых клеток.

Сочетание в зиготе рекомбинированных генов может привести к объединению признаков разных пород и сортов.

В селекции важное значение имеет закон гомологических рядов наследственной изменчивости, сформулированный советским ученым Н.И. Вавиловым.

Он гласит: внутри разных видов и родов, генетически близких (т. е. имеющих единое происхождение), наблюдаются сходные ряды наследственной изменчивости. Такой характер изменчивости выявлен у многих злаков (рис, пшеница, овес, просо и др.), у которых сходно варьируют окраска и консистенция зерна, холодостойкость и иные качества. Зная характер наследственных изменений у одних сортов, можно предвидеть сходные изменения у родственных видов и, воздействуя на них мутагенами, вызывать у них подобные полезные изменения, что значительно облегчает получение хозяйственно ценных форм. Известны многие примеры гомологической изменчивости и у человека; например, альбинизм (дефект синтеза клетками красящего вещества) обнаружен у европейцев, негров и индейцев; среди млекопитающих - у грызунов, хищных, приматов; малорослые темнокожие люди - пигмеи встречаются в тропических лесах экваториальной Африки, на Филиппинских островах и в джунглях полуострова Малакки; некоторые наследственные дефекты и уродства, присущие человеку, отмечены и у животных. Таких животных используют в качестве модели для изучения аналогичных дефектов у человека. Например, катаракта глаза бывает у мыши, крысы, собаки, лошади; гемофилия - у мыши и кошки, диабет - у крысы; врожденная глухота - у морской свинки, мыши, собаки; заячья губа - у мыши, собаки, свиньи и т. д. Эти наследственные дефекты - убедительное подтверждение закона гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И. Вавилова.

Изменчивость (биологическая), разнообразие признаков и свойств у особей и групп особей любой степени родства. Изменчивость присуща всем живым организмам, поэтому в природе отсутствуют особи, идентичные по всем признакам и свойствам. Термин "Изменчивость" употребляется также для обозначения способности живых организмов отвечать морфофизиологическими изменениями на внешние воздействия и для характеристики преобразований форм живых организмов в процессе их эволюции.

Изменчивость можно классифицировать в зависимости от причин, природы и характера изменений, а также целей и методов исследования.

Различают изменчивость: наследственную (генотипическую) и ненаследственную (паратипическую); индивидуальную и групповую; прерывистую (дискретную) и непрерывную; качественную и количественную; независимую изменчивость разных признаков и коррелятивную (соотносительную); направленную (определенную, по Ч. Дарвину) и ненаправленную (неопределенную, по Ч. Дарвину); адаптивную (приспособительную) и неадаптивную. При решении общих проблем биологии и особенно эволюции наиболее существенно подразделение изменчивости, с одной стороны, на наследственную и ненаследственную, а с другой - на индивидуальную и групповую. Все категории изменчивости могут встречаться в наследственной и ненаследственной, групповой и индивидуальной изменчивости.

Наследственная изменчивость обусловлена возникновением разных типов мутаций и их комбинаций в последующих скрещиваниях. В каждой достаточно длительно (в ряде поколений) существующей совокупности особей спонтанно и ненаправленно возникают различные мутации, которые в дальнейшем комбинируются более или менее случайно с разными уже имеющимися в совокупности наследственными свойствами. Изменчивость, обусловленную возникновением мутаций, называют мутационной, а обусловленную дальнейшим перекомбинированием генов в результате скрещивания - комбинационной. На наследственной изменчивости основано все разнообразие индивидуальных различий, которые включают:

а) как резкие качественные различия, не связанные друг с другом переходными формами, так и чисто количественные различия, образующие непрерывные ряды, в которых близкие члены ряда могут отличаться друг от друга сколь угодно мало;

б) как изменения отдельных признаков и свойств (независимая изменчивость), так и взаимосвязанные изменения ряда признаков (коррелятивная изменчивость);

в) как изменения, имеющие приспособительное значение (адаптивная изменчивость), так и изменения "безразличные" или даже снижающие жизнеспособность их носителей (неадаптивная изменчивость).

Все эти типы наследственных изменений составляют материал эволюционного процесса. В индивидуальном развитии организма проявление наследственных признаков и свойств всегда определяется не только основными, ответственными за данные признаки и свойства генами, но и их взаимодействием со многими другими генами, составляющими генотип особи, а также условиями внешней среды, в которой протекает развитие организма.

В понятие ненаследственной изменчивости входят те изменения признаков и свойств, которые у особей или определенных групп особей вызываются воздействием внешних факторов (питание, температура, свет, влажность и т.д.). Такие ненаследственные признаки (модификации) в их конкретном проявлении у каждой особи не передаются по наследству, они развиваются у особей последующих поколений лишь при наличии условий, в которых они возникли. Такая изменчивость называется также модификационной. Например, окраска многих насекомых при низкой температуре темнеет, при высокой - светлеет; однако их потомство будет окрашено независимо от окраски родителей в соответствии с температурой, при которой оно само развивалось. Существует еще одна форма ненаследственной изменчивости - так называемые длительные модификации, часто встречающиеся у одноклеточных организмов, но изредка наблюдаемые и у многоклеточных. Они возникают под влиянием внешних воздействий (например, температурных или химических) и выражаются в качественных или количественных отклонениях от исходной формы, обычно постепенно затухающих при последующем размножении. Они основаны, по-видимому, на изменениях относительно стабильных цитоплазматических структур.

Между ненаследственной и наследственной изменчивостями существует тесная связь. Ненаследственных (в буквальном смысле) признаков и свойств нет, так как ненаследственные изменения являются отражением наследственно обусловленной способности организмов отвечать определенными изменениями признаков и свойств на воздействия факторов внешней среды. При этом пределы ненаследственных изменений определяются нормой реакции генотипа на условия среды.

Наследственную и ненаследственную изменчивости изучают как внутри отдельных совокупностей живых организмов, когда исследуют различия признаков отдельных особей (индивидуальная изменчивость), так и при сравнении между собой различных совокупностей особей (групповая изменчивость); в основе любых межгрупповых различий также лежит индивидуальная изменчивость. Даже в пределах близкородственных групп нет абсолютно идентичных особей, которые не различались бы по степени выраженности каких-либо наследственных или ненаследственных признаков и свойств. Ввиду сложности организации живых систем, даже у генотипически идентичных (например, однояйцевые близнецы) и развивающихся в практически одинаковых условиях особей всегда можно обнаружить хотя бы незначительные морфофизиологические различия, связанные с неизбежными флуктуациями условий среды и процессов индивидуального развития. Групповая изменчивость включает различия между совокупностями любых рангов - от различий между небольшими группами особей в пределах популяции до различий между царствами живой природы (животные - растения).

В сущности, вся систематика организмов построена на сравнительном анализе групповой изменчивости. Для изучения пусковых механизмов эволюционного процесса особое значение имеют различные формы внутривидовой групповой изменчивости. Большинство видов распадается на подвиды или географические расы. В случае полной изоляции географических форм они могут резко различаться по одному или нескольким признакам. Популяции, населяющие обширные территории и не разделенные резкими изолирующими барьерами, могут (благодаря перемешиванию и скрещиванию) постепенно переходить друг в друга, образуя количественные градиенты по тем или иным признакам (клинальная изменчивость). Географическая, в том числе и клинальная, изменчивость в природных условиях - результат действия изоляции, естественного отбора и других факторов эволюции, приводящих к разделению исходной группы особей в ходе исторического формирования вида на две или несколько групп, различающихся по численным соотношениям генотипов.

В некоторых случаях различия между группами особей в пределах вида не связаны с различиями их генотипического состава, а обусловливаются модификационной изменчивость (различными реакциями сходных генотипов на разные внешние условия). Так называемая сезонная изменчивость обусловлена влиянием на развитие соответствующих поколений разных погодных условий (например, у некоторых насекомых и травянистых растений, дающих два поколения в год, весенние и осенние популяции различаются рядом признаков). Иногда сезонные формы могут быть результатом отбора разных генотипов (например, рано- и поздноцветущие формы трав на сенокосных лугах: в течение многих поколений устранялись особи, цветущие летом, во время сенокоса). Большой интерес представляет экологическая изменчивость - различия между группами особей одного вида, растущими или живущими в разных местах (возвышенности и низменности, заболоченные и сухие участки и т.д.). Часто такие формы называются экотипами. Возникновение экотипов также может быть результатом как модификационных изменений, так и отбора генотипов, лучше приспособленных к местным условиям.

Наследственной изменчивостью обусловлены различные формы внутрипопуляционного полиморфизма. В некоторых популяциях наблюдается сосуществование двух или более ясно различимых форм (например, у двухточечной божьей коровки почти во всех популяциях встречаются черная форма с красными пятнами и красная форма с черными пятнами). В основе этого явления могут лежать разные эволюционные механизмы: неодинаковая приспособленность сосуществующих форм к условиям различных сезонов года, повышенная жизнеспособность гетерозигот, в потомстве которых постоянно выщепляются обе гомозиготные формы или другие, еще недостаточно изученные механизмы.

Таким образом, и групповая, и индивидуальная изменчивости включают изменения как наследственной, так и ненаследственной природы.

Независимой изменчивости признаков противопоставляют коррелятивную изменчивость - взаимосвязанное изменение различных признаков и свойств: связь между ростом и весом особей (положительная корреляция) или темпом клеточного деления и величиной клеток (отрицательная корреляция). Корреляции могут быть обусловлены чисто генетическими причинами (плейотропия) или взаимозависимостями процессов становления определенных признаков и свойств в индивидуальном развитии особей (онтогенетические корреляции), а также сходными реакциями разных признаков и свойств на одни и те же внешние воздействия (физиологические корреляции). Наконец, корреляции могут отражать историю происхождения популяций из смеси двух или более форм, каждая из которых привносит не отдельные признаки, а комплексы взаимосвязанных признаков и свойств (исторические корреляции). Изучение коррелятивной изменчивости имеет важное значение в палеонтологии (например, при реконструкции вымерших форм по отдельным ископаемым остаткам), в антропологии (например, при восстановлении черт лица на основе изучения черепа), в селекции и медицине.

Основные методы изучения изменчивости - сравнительно-описательный и биометрический. Совокупность этих методов позволяет исследовать как паратипическую, так и генотипическую компоненты общей фенотипической изменчивости. Так, первую можно изучать, сравнивая генотипически идентичные клоны и чистые линии, развивающиеся в разных условиях. Сложнее выделить чисто генотипическую изменчивость из общей фенотипической. Это возможно сделать на основе биометрического анализа. В медицинской генетике для тех же целей используется определение процента конкордантности (совпадения) тех или иных признаков у одно- и разнояйцевых близнецов.

Наследственность и изменчивость живых организмов иногда противопоставляют как "консервативное" и "прогрессивное" начала. В действительности же они теснейшим образом связаны. Отсутствие полной стабильности генотипа обусловливает мутационную и (в ходе дальнейших скрещиваний и расщеплений) комбинационную изменчивость, то есть в целом - генотипическую изменчивость. Паратипическая (ненаследственная) изменчивость - результат лишь относительной стабильности генотипа при определении им в онтогенезе нормы реакции при развитии признаков и свойств особей. Из этого следует возможность экспериментальных воздействий как на наследственную, так и на ненаследственную изменчивость. Первую можно усилить воздействием мутагенных факторов (излучения, температура, химические вещества). Размах и направление комбинационной изменчивости можно контролировать с помощью искусственного отбора. На ненаследственную изменчивость можно воздействовать, изменяя условия среды (питание, свет, влажность и т.д.), в которых протекает развитие организма.

Четкое представление о категориях и формах изменчивости необходимо при построении эволюционных схем и теорий, так как явления наследственности и изменчивости лежат в основе эволюционного процесса, а также в практической селекции растений и животных, при изучении ряда проблем медицинской географии и популяционной антропологии.

Задание 10. Дайте классификацию вещества биосферы на основе учения Вернадского о биосфере

Ответ: Биосфера - совокупность частей земной оболочки (лито-, гидро- и атмосфера), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности. Термин "биосфера" был предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году. В буквальном переводе термин "биосфера" обозначает сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831-1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Большой вклад в развитие учения о биосфере внёс Вернадский.

В.И. Вернадский о биосфере и "живом веществе". Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В.И. Вернадский определяет как совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В.И. Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.

Это воздействие сказывается прежде всего в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.

По мнению В.И. Вернадского, в прошлом не придавали значения двум важным факторам, которые характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности:

В книге "Химическое строение биосферы Земли и её окружения" В.И. Вернадский говорит о следующих типах вещества, слагающих биосферу:

1. Вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности и называется живым веществом (закон физико-химического единства живого вещества В.И. Вернадского). Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4-3,6*1012 т (в сухом весе). Если её распределить по всей поверхности планеты, то получится слой всего в полтора сантиметра. По В.И. Вернадскому эта "пленка жизни", составляющая менее 10-6 массы других оболочек Земли, является "одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты". На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород.

2. Биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое жизнью (каменный уголь, битумы, известняк нефть и т. д.)

3. Косное вещество - в образовании которого жизнь не участвует; твердое, жидкое и газообразное.

4. Биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.

5. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

6. Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.

7. Вещество.



Использованная литература

1. Боресков Г.К. Катализ. Вопросы теории и практики. Новосибирск: 1987.

2. Ващекин Н.П. Концепции современного естествознания. - М.: МГУК, 2000 г.

3. МЭИ Концепция современного естествознания. - М. 2007 г.

4. Потеев М.И. Концепции современного естествознания, Санкт-Петербург, Питер, 1999 г.

5. Т.Л. Богданова. Биология. Задания и упражнения. Пособие для поступающих в ВУЗы. - М., 1991.

6. Югай Г.А. Общая теория жизни. - М., Мысль, 1985 г.

Размещено на Allbest.ru

...