Концепции современного естествознания

Размещено на http://www.allbest.ru/

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

Вариант№52

Вопрос 1

Классификация систем. Материальные и абстрактные системы. Какие из них являются объектом исследования естествознания? Система и окружающая среда. Взаимосвязь системы с окружающей средой. Введите основные понятия (изолированная система, закрытая система, открытая система). Что такое «динамическая система»? Поясните, почему любая живая система является открытой динамической системой?

Классификация систем

В рамках системного подхода была создана общая теория систем, которая сформулировала принципы, общие для самых различных областей знания. Она начинается с классификации систем и дается по нескольким основаниям. В зависимости от структуры системы делятся на дискретные, жесткие и централизованные. Дискретные (корпускулярные) системы состоят из подобных друг другу элементов, не связанных между собой непосредственно, а объединенных только общим отношением к окружающей среде, поэтому потеря нескольких элементов не наносит ущерба целостности системы. Жесткие системы отличаются повышенной организованностью, поэтому удаление даже одного элемента приводит к гибели всей системы. Централизованные системы имеют одно основное звено, которое, находясь в центре системы, связывает все остальные элементы и управляет ими. По типу взаимодействия с окружающей средой все системы делятся на открытые и закрытые. Открытыми являются системы реального мира, обязательно обменивающиеся веществом, энергией или информацией с окружающей средой. Закрытые системы не обмениваются ни веществом, ни энергией, ни информацией с окружающей средой. Это понятие является абстракцией высокого уровня и, хотя существует в науке, реально не существует, так как в действительности никакая система не может быть полностью изолирована от воздействия других систем. Поэтому все известные в мире системы являются открытым. По составу системы можно разделить на материальные и идеальные. К материальным относится большинство органических, неорганических и социальных систем (физические, химические, биологические, геологические, экологические, социальные системы). Также среди материальных систем можно выделить искусственные технические и технологические системы, созданные человеком для удовлетворения своих потребностей. Идеальные или абстрактные системы представляют собой отражение материальных систем в человеческом и общественном сознании. Примером идеальной системы является наука, которая с помощью законов и теорий описывает реальные материальные системы, существующие в природе.

Изолированная система (замкнутая система) --которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Динамическая система -- множество элементов, для которого задана функциональная зависимость между временем и положением в фазовом пространстве каждого элемента системы. Данная математическая абстракция позволяет изучать и описывать эволюцию систем во времени.

Живая система -- единство, состоящее из самоорганизующихся, самовоспроизводящихся элементов, активно взаимодействующих с окружающей средой, имеющее специфические признаки присущие живым существам.

Объектом исследования естествознания являются материальные системы. В соответствии с системным подходом в природе все взаимосвязано, поэтому можно выделить такие системы, которые включают элементы как живой, так и неживой природы. Естественные науки, начиная изучение материального мира с наиболее простых, непосредственно воспринимаемых человеком материальных объектов, переходят постепенно к изучению сложнейших структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повседневного окружения. Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы материальных систем, но и раскрывает их связи и соотношения.

Любая живая система является открытой динамической системой потому что взаимодействует с окружающим миром обмениваясь веществом энергией или информацией и является системой реального мира.

Вопрос 2

Начальная стадия эволюции Вселенной. Модель «Большого взрыва» (или модель «Горячей Вселенной»). В чем сущность гипотезы «Большого взрыва», предложенной Г. Гамовым (1948 г.). Понятие о космологической сингулярности. Экспериментальное подтверждение модели «Большого взрыва» (эффект красного смещения и реликтовое излучение), внесите пояснения.

Представление о развитии Вселенной закономерно привело постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее 134 конца (смерти). В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причин и процесса рождения самой Вселенной. Из всей совокупности современных космологических теорий только теория Большого взрыва Г. Гамова смогла к настоящему времени удовлетворительно объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты модели Большого взрыва сохранились до сих пор, хотя и были позже дополнены теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейн-хардтом и дополненной советским физиком А.Д. Линде. В 1948 г. выдающийся американский физик русского происхождения Г. Гамов выдвинул предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном крохотном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью -- точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. В этом состоянии теряют смысл понятия пространства и времени, поэтому бессмысленно спрашивать, где находилась эта точка. Также современная наука ничего не может сказать о причинах появления такого состояния. Тем не менее, согласно принципу неопределенности Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры. Ни в какой электронный микроскоп разглядеть ее было бы невозможно. Долгое время ничего нельзя было сказать о причинах Большого взрыва и переходе Вселенной к расширению. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной.

Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Допплера -- изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. Согласно последним измерениям увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек. В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная -- это мир галактик, что наша Галактика -- не единственная в ней, что существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются. Таким образом, в естествознании появилась концепция расширяющейся Вселенной. Какое же будущее ждет нашу Вселенную? Фридман предложил три модели развития Вселенной. В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой модели пространство искривляется, замыкаясь на себя, образуя сферу. Во второй модели Вселенная расширялась бесконечно, а пространство искривлено как поверхность седла и при этом бесконечно. 133 А В третьей модели Фридмана пространство плоское и тоже бесконечное. По какому из этих трех вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлетающегося вещества. Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяготения не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной модели Вселенной называют открытой Вселенной. Если же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности (точечный объем с бесконечно большой плотностью). Такой вариант модели назван осциллирующей, или закрытой, Вселенной. В граничном случае, когда силы гравитации точно равны энергии разлета вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю. Через несколько десятков миллиардов лет после начала расширения Вселенной наступит состояние, которое можно назвать квазистационарным. Теоретически возможна и пульсация Вселенной. Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения пространства замкнутой конечной Вселенной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности раздувающегося мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения. Когда Э. Хаббл показал, что далекие галактики разбегаются друг от друга со все возрастающей скоростью, был сделан однозначный вывод о том, что наша Вселенная расширяется. Но расширяющаяся Вселенная -- это изменяющаяся Вселенная, мир со всей своей историей, имеющий начало и конец. Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не менее 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным временем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет. Таков приблизительный возраст нашей Вселенной.

В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель горячей Вселенной, или «Большого Взрыва», основы которой были заложены в трудах Дж. Гамова и его сотрудников в конце 40-х гг. XX в. В соответствии с этой концепцией Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой.

Ключ к пониманию ранних этапов эволюции Вселенной -- в гигантском количестве теплоты, выделившейся при Большом Взрыве. В простейшем варианте теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала (сначала быстро, а затем все медленнее) от очень большой до довольно низкой, обеспечивавшей возникновение условий, благоприятных для образования звезд и галактик. На протяжении около 1 млн лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и, следовательно, космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы -- это реликты эпохи, наступившей через 1 млн лет после Большого Взрыва.

Модель горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение после открытия в 1965 г. реликтового излучения -- микроволнового фонового излучения с температурой около 3 К. Косвенным подтверждением этой модели служит также наблюдаемое обилие гелия, превышающее повсеместно 22% по массе, а также обнаруженное в межзвездном газе неожиданно высокое содержание дейтерия, происхождение которого можно объяснить лишь ядерными реакциями синтеза легких элементов в горячей Вселенной. Зная современную температуру реликтового излучения, можно провести экстраполяцию в прошлое, используя хорошо известные и проверенные законы механики, термодинамики, статистической, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц и др.*

Возможность установить процессы, происходившие в первые секунды и минуты существования Вселенной, безусловно, следует рассматривать как блестящее достижение современного естествознания. Моделирование первой секунды существования Вселенной приближает нас к главной загадке природы -- самому акту «сотворения мира»! Первые секунды Вселенной -- это время таинственных состояний вещества и неведомых сил природы. Конечно, здесь следует быть осторожным. Наши представления об этом отрезке времени основаны во многом на гипотезах и гипотетических экстраполяциях, теоретическом моделировании, во многом спорных и умозрительных.

система естествознание вселенная жизнь

Вопрос 3

Что такое жизнь? Сущность жизни. Основные свойства живого. Отличие живого от неживого. Переходные формы от неживого к живому (вирусы). Причины многообразия живого

Жизнь -- активная форма существования материи, в некотором смысле высшая по сравнению с её физической и химической формами существования; совокупность физических и химических процессов, протекающих в клетке, позволяющих осуществлять обмен веществ и её деление (вне клетки жизнь не существует, вирусы проявляют свойства живой материи только после переноса генетического материала в клетку). Приспосабливаясь к окружающей среде, живая клетка формирует всё многообразие живых организмов. Основной атрибут живой материи -- генетическая информация, используемая для репликации.

Более или менее точно определить понятие «жизнь» можно только перечислением качеств, отличающих её от не жизни. На текущий момент нет единого мнения относительно понятия жизни, однако учёные в целом признают, что биологическое проявление жизни характеризуется: организацией, метаболизмом, ростом, адаптацией, реакцией на раздражители и воспроизводством. Также можно сказать, что жизнь является характеристикой состояния организма.

Сущность жизни

Вопросы о происхождении и сущности жизни стали предметом интереса человека очень давно. Они наряду с вопросами о происхождении Вселенной и человека составляют фундамент нашего мировоззрения. Необходимо отметить, что на самом деле это не два вопроса, а один, сформулированный в двух своих аспектах. И действительно, невозможно узнать, как появилась жизнь на Земле, если не знать, что это такое. В то же время нельзя ответить на вопрос, что такое жизнь, не рассматривая вопрос о ее происхождении. При попытке определить сущность жизни на научном уровне возникают значительные трудности, поскольку есть признаки, общие как для живой, так и для неживой природы, при этом выделить какой-либо существенный и единственный критерий жизни современной науке пока не удалось. Определение жизни. В современной науке жизнь и живое являются объектом исследования многих естественно-научных дисциплин, начиная с биологии и смежных с нею отраслей научного знания и завершая философией, математикой, рассматривающих абстрактные модели феномена живого, а также физикой, определяющей жизнь с позиций физических закономерностей. Ключевым вопросом многих из этих исследований является вопрос о сущности жизни, рассматриваемый различными естественно-научными направлениями и философскими школами по-разному. Долгое время в науке существовало два основных подхода к решению этого вопроса -- механицизм и витализм. Механистический материализм, характерный для классической науки Нового времени, не признавал качественной специфики живых организмов и представлял жизненные процессы как результат действия химических и физических процессов. Механизм и его более поздняя разновидность -- редукционизм всякий раз беспомощно останавливались перед проблемой сущности жизни так как механицизм отождествлял живые организмы со сложными машинами. Противоположной точкой зрения выступал витализм (от лат. vitalis -- жизненный), который объяснял качественное отличие живого от неживого наличием в живых организмах особой «жизненной силы», отсутствующей в неживых предметах и не подчиняющейся физическим законам. Большинство ученых убеждено, что жизнь представляет собой особую форму существования материального мира. До конца 1950-х гг. в научной и философской литературе общепринятым было знаменитое определение Ф. Энгельса, согласно которому жизнь есть способ существования белковых тел, состоящий в постоянном самообновлении их химических составных частей. Но постепенно стало очевидным, что субстратная основа жизни не сводится только к белкам, а функциональная -- к присущему белковым телам обмену веществ. Также ученым удалось точно установить, что качественное Отличие живого от неживого заключено в структуре их соединений, в строении и связях, особенностях функций, характеристике и организации протекающих в организме процессов. Кроме того, жизнь отличается динамичностью и лабильностью. Но при этом можно говорить о полном тождестве химических элементов, входящих в состав живого и неживого. На основании новых данных во второй половине XX в. появились новые определения жизни. Например, определение канадского биолога Г. Селье, в соответствии с которым жизнь понимается как процесс непрерывной адаптации организмов к постоянно изменяющимся условиям внешней и внутренней среды. При этом организм оказывается способным поддерживать стабильность всех своих структур и функций, несмотря на воздействие различных внешних факторов. Современная биология в вопросе о сущности жизни все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом акцент делается на то, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни. Таково определение жизни Б.М. Медникова. Он называет жизнью активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфических структур, обладающих следующими свойствами: наличие генотипа и фенотипа; репликация генетических программ матричным способом; неизбежность ошибок на микроуровне при репликации, приводящих к мутациям; многократное усиление этих изменений в ходе формирования фенотипа и их селекция со стороны факторов внешней среды. В этом определении акцент сделан на то, что жизнь связана с воспроизведением характерной для каждого вида упорядоченности. При этом организм воспроизводит себя и поддерживает свою целостность за счет использования элементов окружающей среды с более низкой упорядоченностью. Чужая упорядоченность организму не нужна, так как это будет означать воспроизведение чуждых для него структур, что приведет к гибели данного организма. Именно это происходит, когда в клетку проникает вирус, заставляющий ее развиваться по его генетической программе. Так возникают болезни, могущие привести к гибели всего организма. Поэтому любой организм имеет иммунную систему, защищающую его от проникновения «чужаков». Очевидным фактом в вопросе сущности жизни является то, что живые организмы существенно отличаются от неживых систем. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства. Живым организмам присущи определенные специфические свойства. Часто эти свойства в той или иной степени характерны и для неживой природы, что подчеркивает единство эволюционных процессов. Однако проявление этих свойств и их совокупность не схожи у живых и неживых объектов. Именно совокупность и характер проявления свойств как раз и определяют сущность жизни. Поэтому для того, чтобы понять сущность жизни, необходимо, прежде всего, установить путем сравнительного анализа, что такое живое и чем оно отличается от неживого.

Очевидные отличия живого от неживого заметны уже в молекулярном составе. «Живые» молекулы устроены гораздо сложнее и в них обязательно наличие высокоупорядоченных макромолекулярных органических соединений. Это биополимеры, более известные как белки и нуклеиновые кислоты. Даже простейшее живое существо - вирус не имея клетки, имеет внутри своей оболочки молекулу нуклеиновой кислоты.

Еще одним признаком живого является наличие обмена веществ, то есть системы получения энергии (питание, дыхание и т.п.) и её переработки для собственного роста и размножения.

Следующей особенностью живого организма является способность размножаться. Она обеспечивает бессмертие виду в целом. При этом от родителей к детям передается наследственная информация, что обеспечивает похожесть особей внутри вида. И хотя не живые кристаллы тоже размножаются и растут, у них нет других признаков живых организмов, поэтому они не относятся к живым видам.

С этим признаком неразрывно связана способность живых организмов не только к индивидуальному развитию, но и к видовой эволюции, которая ведет к совершенству.

Обязательным свойством живых организмов есть их способность приспосабливаться к меняющимся условиям жизни, регулировать собственные ощущения в зависимости от среды. Например, впадать в спячку, менять цвет и густоту шерсти, становится всеядным, отклоняться в сторону солнечного света. У неживых объектов тоже может измениться, например, цвет, но это простая химическая реакция, которая происходит под влиянием влажности или температуры.

Также живой организм имеет органы раздражения и реагирует на внешнюю среду. Живой организм способен менять внешнюю среду или обмениваться с ней информацией: атаковать, убегать, прикинуться мертвым, кричать, поднимать шерсть дыбом, выделять смолу и т.п. У высших живых организмов довольно сложные способы обмена информацией.

Наличие у организма всех этих признаков говорит о том, что он живой. Однако современная наука отмечает и переходные формы от неживого к живому. Именно к такой форме относят вирусы. Они имеют только наследственный аппарат, но все другие признаки живого организма они приобретают, только проникнув в клетки организма-хозяина.

Переходные формы от неживого к живому (вирусы)

Согласно одному из определений вирусы представляют собой форму жизни, согласно другому вирусы являются комплексами органических молекул, взаимодействующими с живыми организмами. Вирусы характеризуют как «организмы на границе живого». Вирусы похожи на живые организмы в том, что они имеют свой набор генов и эволюционируют путём естественного отбора, а также в том, что способны размножаться, создавая собственные копии путём самосборки. Вирусы имеют генетический материал, однако лишены клеточного строения, а именно эту черту обычно рассматривают как фундаментальное свойство живой материи. У вирусов нет собственного обмена веществ, и для синтеза собственных молекул им необходима клетка-хозяин. По этой причине они не способны размножаться вне клетки. От роста кристаллов размножение вирусов отличается тем, что вирусы наследуют мутации и находятся под давлением естественного отбора. Самосборка вирусных частиц в клетке даёт дополнительное подтверждение гипотезы, что жизнь могла зародиться в виде самособирающихся органических молекул.

Причины многообразия живого

Вопрос о происхождении современного многообразия живых существ был поставлен давно. Эволюционная теория объясняет происхождение видов как результат длительного естественного отбора на основе наследственной изменчивости.

Одноклеточные животные состоят только из одной клетки. К ним относятся амеба, инфузория-туфелька, эвглена зеленая и др.

Многоклеточные животные состоят из большого количества клеток, различающихся по строению и функциям. В то же время все клетки многоклеточного организма функционируют как единое целое, что обеспечивается с помощью нервной системы и гуморальной регуляции.

Одновременное существование в природе одноклеточных и многоклеточных организмов обусловлено тем, что биологический прогресс возможен как для видов с высокой организацией, так и для сравнительно просто устроенных. Процветание определяется наличием экологической ниши, позволяющей виду успешно вести борьбу за существование с другими видами, и способностью вида успешно приспосабливаться к новым условиям среды. Большая скорость размножения одноклеточных способствует их многочисленности и наследственной изменчивости, дающей материал для отбора.

Список используемой литературы

1. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник.-Изд.3-е, перераб. и доп.- М:.Альфа-М ; ИНФРА-М, 2009.- 704 с

2. Садохин А.П. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: ИНИТИ-ДАНА, 2008.- 447 с

Размещено на Allbest.ru