Основы естествознания

Под Вселенной Аристотель понимал всю существующую материю и все пространство. Пространство - то, что было (или могло быть) заполнено материей. Поэтому пространство и материя неразрывно связаны. Вся Вселенная представлялась конечной и ограничивалась сферой, за пределами которой не могло быть ничего материального, а значит, не могло быть и пространства. За пределами материальной Вселенной не существовало и времени, которое Аристотель просто и четко определил как меру движения и связал с материей, пояснив, что " нет движения без тела физического". Таким образом, в картине Мира Аристотеля была высказана (по-видимому, впервые) идея взаимосвязанности материи, пространства и времени. За пределами Вселенной, где уже нет ни материи, ни пространства, ни времени, помещается нематериальный (духовный) Божественный Мир.

В такой конечной шарообразной Вселенной обязательно должен существовать центр - точка, равноудаленная от периферии. Что же помещается в центре Вселенной - Земля или Солнце? Аристотель рассматривает обе эти возможности. Он рассуждает так. Допустим, что Солнце в центре Мира, а Земля обращается вокруг него. Измерим сегодня, когда Земля в точке 1, угловое расстояние между двумя звездами на небе. Этот угол есть б₁. Через полгода Земля переместится в противоположную от Солнца точку 2. Расстояние до выбранной пары звезд увеличится, значит, угол должен уменьшиться: б₂б₁.

Аристотель спрашивает: "Кто-нибудь наблюдал систематическое изменение угловых расстояний между звездами?"- И сам отвечает: "Никто и никогда!" Вывод - неверен исходный постулат: в центре Мира не Солнце, а Земля. Рассуждения Аристотеля кажутся безупречными. Действительно, никто, ни во времена Аристотеля, ни много веков спустя, не мог заметить изменений взаимного положения звезд на небе. Эти изменения столь малы (углы б₁ и б₂ различаются менее чем на одну угловую секунду), что их обнаружили лишь через 22 столетия после Аристотеля - в ХIХ в. (см.- о годичном параллаксе). Причина малости этой величины в том, что на самом деле расстояние до звезд (даже ближайших) в сотни тысяч раз больше размеров земной орбиты. В схеме Аристотеля слишком сильно не соблюдены масштабы.

Итак, в центре космологической модели Аристотеля находится Земля и связанный с ней материальный мир, состоящий из уже известных четырех стихий; в небе движутся небесные тела - Луна, Солнце и планеты, каждое из которых расположено на своей сфере. Материальная Вселенная Аристотеля замыкается сферой звезд. Аристотель делит материальный Мир на два принципиально разных мира: мир подлунный (все, что ниже Луны) и мир надлунный - Луна и выше. Эти миры различаются во многих отношениях. Они материальные, но "сделаны" из разной материи: подлунный мир состоит из "земных" стихий, а надлунный - из небесной стихии - эфира. Эти миры различаются не только по составу. Ими управляют разные законы. Движения тел в подлунном мире прямолинейные, они имеют конец и начало. В то же время небесные тела безостановочно движутся по кругу в течение всей истории их наблюдения человеком. Исходя из этого Аристотель, вслед за Платоном, заключил, что для небесных тел, которые не обладают ни легкостью, ни тяжестью, естественным движением является именно круговое, вечное, к тому же равномерное движение.

Фактически Аристотель создал нечто большее, чем космологическую модель, он создал всеохватывающее учение, картину Мира. В истории науки выделяют три основных вехи такого масштаба: картину Мира Аристотеля, картину Мира Ньютона и картину Мира Эйнштейна.

Интересно проследить, как с развитием науки меняются взгляды на одни и те же явления. Одно из основных положений картины Мира Ньютона утверждает полную эквивалентность земного и небесного - как в отношении свойств материи, из которой они состоят, так и в отношении физических законов, которые ими управляют. Принцип инерции, сформулированный учеником Галилея Торричелли, гласит, что тело, на которое не действуют силы, должно покоиться либо двигаться прямолинейно и равномерно. Ньютон постулировал существование специальной силы- силы тяготения, действующей между всеми массивными телами (закон всемирного тяготения). Соединение принципа инерции с постулатом существования силы тяготения позволило объяснить, почему траектории движения Луны вокруг Земли, Земли и других планет вокруг Солнца близки к круговым.

В теории Эйнштейна нет силы тяготения. В ней считается, что массивное тело (например, Земля) искривляет пространство вокруг себя. Космическое тело меньшей массы (например, Луна) движется по кратчайшей линии в искривленном пространстве - по так называемой геодезической линии. В результате круговое движение небесного тела в пространстве, искривленном присутствием большой массы, снова оказывается инерциальным, или, выражаясь языком Платона и Аристотеля, естественным.

Для современников Аристотеля его картина Мира была исключительной по полноте, логичности и увязанности с практическим опытом. Все дальнейшее развитие науки, как в Древней Греции и Риме, так и в средневековой Европе вплоть до эпохи Коперника, Галилея и Ньютона, осуществлялось в рамках учения Аристотеля.

Когда после Аристотеля (примерно столетие спустя) появилась революционная идея подлинного гелиоцентризма, высказанная Аристархом Самосским, эта идея была встречена крайне враждебно не только по религиозным соображениям, но и как противоречащая "здравому смыслу".

17. Геоцентрическая система Птолемея

Первой глобальной естественнонаучной революцией, преобразовавшей астрономию, космологию и физику, было создание последовательного учения о геоцентрической системе мира. Начало этому учению положил еще древнегреческий ученый Анаксимандр, создавший в 6-м в. до н.э. довольно стройную систему кольцевых мироустроений. Однако последовательная геоцентрическая система была разработана в 4-м в. до н.э. величайшим ученым и философом древности Аристотелем, а затем, в 1-м в. математически обоснована Птолемеем. Геоцентрическую систему мира обычно называют системой Птолемея, а естественнонаучную революцию - аристотелевской. Почему же мы называем это учение революционным.

Переход от исходного эгоцентризма, а затем племенного или этнического топоцентризма к геоцентризму представлял собой первый шаг на пути формирования его как объективной науки. Действительно, при этом непосредственная видимая полусфера неба, ограниченная горизонтом, была дополнена аналогичной небесной полусферой до полной небесной сферы. Соответственно и сама Земля, занимающая центральное положение в этой сферической Вселенной, стала считаться шарообразной. Пришлось, таким образом, признать не только возможность существования антиподов - обитателей диаметрально противоположных пунктов земного шара, но и принципиальную равноправность всех земных наблюдений мира. Вопрос же о наблюдениях, наблюдателях является весьма важным с точки зрения формирования объективной научной картины мира.

Интересно, что непосредственное подтверждение выводов о шарообразности Земли пришло значительно позже - в эпоху первых кругосветных путешествий и великих географических открытий, т.е. лишь на рубеже 15-го и 16-го веков, когда само геоцентрическое учение Аристотеля - Птолемея с его канонической системой идеальных равномерно вращающихся гомоцентрических (т.е. с единым центром) небесных сфер уже доживало свои последние годы.

Гиппарх, александрийский ученый, живший во 2 веке до н. э., и другие астрономы его времени уделяли много внимания наблюдениям за движением планет. Эти движения представлялись им крайне запутанными. В самом деле, направления движения планет по небу как бы описывают по небу петли. Эта кажущаяся сложность в движении планет вызывается движением Земли вокруг Солнца - ведь мы наблюдаем планеты с Земли, которая сама движется. И когда Земля "догоняет" другую планету, то кажется, что планета как бы останавливается, а потом движется назад. Но древние астрономы думали, что планеты действительно совершают такие сложные движения вокруг Земли.

Великий астроном и математик Клавдий Птолемей (87 - 165) сделал выбор в пользу геоцентрической модели Мира. Он завершил начатое Гиппархом математическое описание движений небесных тел и блестяще выполнил программу Платона - "с помощью равномерных и правильных круговых движений спасти явления, представляемые планетами". Он пытался объяснить устройство Вселенной с учетом видимой сложности движения планет. Считая Землю шарообразной, а размеры ее ничтожными по сравнению с расстоянием до планет и тем более звезд. Птолемей, однако, вслед за Аристотелем утверждал, что Земля - неподвижный центр Вселенной.

В основе системы мира Птолемея лежат четыре постулата:

I. Земля находится в центре Вселенной.

II. Земля неподвижна.

III. Все небесные тела движутся вокруг Земли.

IV. Движение небесных тел происходит по окружностям с постоянной скоростью, т. е. равномерно.

Так как Птолемей считал Землю центром Вселенной, его система мира была названа геоцентрической. Вокруг земли, по Птолемею, движутся (в порядке удаленности от Земли) Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн, звезды. Но если движение Луны, Солнца, звезд круговое, то движение планет гораздо сложнее. Каждая из планет, по мнению Птолемея, движется не вокруг Земли, а вокруг некоторой точки. Точка эта в свою очередь движется по кругу, в центре которого находится Земля. Круг, описываемый планетой вокруг движущейся точки, Птолемей назвал эпициклом, а круг, по которому движется точка около Земли, - деферентом. Птолемей построил геоцентрическую модель Мира (по сути дела - модель солнечной системы), которая позволила объяснить все наблюдаемые особенности движения планет, Солнца и Луны, а главное, стала мощным инструментом для предсказания (предвычисления) положений этих небесных тел. Главный труд Птолемея - "Большое математическое построение", по гречески "Мегале математикес синтаксеос",- еще в древности получил широкую известность под названием "Магисте синтаксеос" ("Величайшее построение"). Отсюда искаженный арабский вариант названия - "Ал Магесте", или "Альмагест", под которым этот 13-томный труд известен в современном мире. "Альмагест" - это подлинная энциклопедия астрономических знаний того времени, один из шедевров мировой научной литературы.



18. Гелиоцентрическая система Коперника. Законы Кеплера

Гелиоцентрическая система мира -- представление о том, что Солнце является центральным небесным телом, вокруг которого обращается Земля и другие планеты. Противоположность геоцентрической системе мира. Возникло в античности, но получило широкое распространение с конца эпохи Возрождения.

В этой системе Земля предполагается обращающейся вокруг Солнца за один звёздный год и вокруг своей оси за одни звёздные сутки. Следствием второго движения является видимое вращение небесной сферы, первого -- перемещение Солнца среди звёзд по эклиптике. Солнце считается неподвижным относительно звёзд.

Николай Коперник родился 19 февраля 1473 г. в Торуни, торговом городе на Висле. Отец будущего астронома, тоже Николай был богатым купцом, мать, Барабара, урождённая Ваченроде, - дочерью главы городского суда. Николай был в семье четвёртым, младшим ребёнком в семье. Когда ему исполнилось десять лет, отец умер во время эпидемии чумы, и заботу о детях взял на себя брат матери Лукаш Вачеронде, который в 1489 г. был избран вармийским епископом. В 1491 г. он определил Николая и его старшего брата Анджея в Краковский университет, где они проучились четыре года. После Кракова братья продолжили образование в Италии, куда Лукаш послал их для получения степени доктора церковного права.

Получив степень доктора канонического права, 30-летний Коперник возвратился в Польшу и был избран каноником Вармии. Он жил в кафедральном соборе Успения богородицы во Фромборке. Коперник выбрал для жилья не слишком уютное место - северо-западную башню соборной стены. На верхнем этаже он и устроил свой кабинет. Оттуда был выход на широкую крепостную стену с хорошим обзором. По ней можно было пройти к соседней башне, на которой была подходящая площадка для наблюдений другой части неба. Коперник собственноручно изготовил из дерева угломерные астрономические инструменты. Фромборк с точки зрения погодных условий и географического не был благоприятным местом для наблюдений, тем не менее Коперник много наблюдал, о чём можно судить по его упоминаниям в его главном труде “О вращения небесных сфер”.

Цель наблюдений Коперника заключалась не в открытии новых небесных явлений. Астрономы Средневековья занимались тем, что измеряли положения светил и сравнивали свои данные с результатами расчётов по схемам Птолемея. Многие поколения астрономов подправляли систему птолемеевых эпициклов, чтобы предсказывать положения планет более точно. В результате точность оставляла желать лучшего, а Вселенная Птолемея усложнилась так, что стало ясно - Бог не мог создать мир таким несуразным.

Первоначально Коперник стремился сделать модель Птолемея более стройной и простой. В простоте, был он уверен, кроется истина.

Путь к упрощению подсказал сам Птолемей, на страницах “Альмагеста" отвергнувший вращение и обращение Земли вокруг Солнца. Но то, что было несуразно полторы тысячи лет назад, стало предметом раздумий Коперника.

Движение Земли просто объясняло многие явления: годовое движение Солнца по эклиптике, прецессию земной оси, “привязанность” Меркурия и Венеры к Солнцу, необычайную яркость Марса во время его противостоянии и, наконец, петлеобразное движение планет.

Тогда Коперник «принял на себя труд прочитать книги всех философов, которые только смог достать, желая найти, не высказывал ли когда кто-нибудь мнения, что у мировых сфер существуют движения, отличные от тех, которые предполагают преподающие в математических школах…». И он нашёл у Цицерона, что мнения о вращении Земли вокруг оси придерживались пифагорейцы Экфант и Гикет. Аристотель сообщал о её орбитальном движении согласно воззрениям пифагорейца Филолая. Коперник, к сожалению, не знал гелиоцентрической системы Аристарха Самосского, поскольку рассказ Архимеда о ней был опубликован в Европе после его смерти. Авторитет античных ученых укрепил Коперника в желании довести до конца гелиоцентрическую теорию.

Геоцентрические системы Евдокса и Птолемея не позволяли измерить расстояния до планет. В гелиоцентрической Коперника впервые появилась возможность рассчитать реальные пропорции Солнечной системы, пользуясь радиусом земной орбиты как астрономической единицей. Коперник понял, что если мы смотрим на планеты, находясь на движущейся Земле, то планеты кроме движений по своим орбитам получают дополнительное круговое движение. С Земли оно будет видно в форме эпицикла. Размер эпицикла равен диаметру орбиты нашей планеты. Поэтому чем дальше от нас планета, тем меньшим будет казаться её эпицикл, и по его угловым размерам можно будет судить о её удаленности. В системе Коперника «последовательность и величины светил, все сферы и даже само небо окажутся так связанными, что ничего нельзя будет переставить ни в какой части, не производя путаницы в остальных частях и по всей Вселенной».

Казалось бы, дело сделано, новая гипотеза строения мира готова, осталось только опубликовать её. Но сочинение “О вращениях небесных тел. Шесть книг” - заняло больше 20 лет упорного труда. Эта книга содержит описания астрономических приборов, а также новый, более точный, чем у Птолемея каталог неподвижных звёзд. В ней разбирается видимое движение Солнца, Луны и планет. Поскольку Коперник использовал только круговые равномерные движения, ему пришлось потратить много сил на поиски таких соотношений размеров системы, которые бы описывали наблюдаемые движения светил. После всех его усилий его гелиоцентрическая система оказалась ненамного точнее птолемеевской. Сделать точной её удалось только Кеплеру и Ньютону.

Книга «О вращениях небесных сфер» вышла весной 1543 г., когда её автор тяжело заболел.

Коперник умер 24 мая и был похоронен под плитами Фромборского кафедрального собора.

На пьедестале памятника Коперника в Варшаве высечены такие слова: «Остановивший Солнце, сдвинувший Землю». В них вся суть открытия Коперника. Ему удалось убедить людей в том, что они живут не в надежном неподвижном центре мира, а обитают на одной из планет, обращающейся вокруг Солнца. Нужно было обладать титаническим разумом и великой свободой мысли, чтобы сделать этот шаг - упразднить различие между земным и небесным.

19. Механическая картина мира

Основоположниками создания механической картины мира были такие ученые, как Кеплер, Галилей, Декар и Ньютон. В основу этой картины мира были положены законы Ньютона и атомизм древних греков. Основным понятием в механической картине мира было «движение», которое считалось фундаментальным законом миросоздания.

Открытия законов механики Ньютоном позволили сформировать стройную логическую систему НКМ, поэтому она получила название «механической». Согласно механической теории Ньютона, гравитационные силы связывают все тела природы, т.е. осуществляют общее взаимодействие.

Законы тяготения определяют отношение материи к пространству и всех материальных тел друг к другу. Тяготение создает реальное единство Вселенной. Это универсальный закон природы, на основе которого была предложена теория строения солнечной системы.

В МКМ материя была представлена в виде атомов, т.е. имела корпускулярное строение. Считалось, что взаимодействие между телами осуществляется по принципу дальнодействия, т.е. оно происходит на любом расстоянии, без каких-либо материальных посредников, мгновенно и с неограниченной скоростью.

Концепция дальнодействия тесно связана с пониманием пространства и времени, как особых средств вмещающих взаимодействующие тела. Пространство представлялось большим «черным ящиком», в котором вмещаются все тела в мире, и если бы тела исчезли, оно оставалось бы существовать самостоятельно. Время представлялось абстрактно, в образе текущей реки, существующее абсолютно независимо от материи и пространства. Жизнь и разум в МКМ не обладали никакой качественной спецификой. И если бы человек однажды исчез с лица земли, мир продолжал бы существовать.

МКМ сыграла огромную роль в развитии науки и техники. С конца ХVЙЙ и до начала ХЙХ веков она рассматривалась в качестве универсальной. На ее основе были разработаны земная, небесная, и молекулярная механика. Использование законов механики в экспериментальной физике и на практике способствовало бурному развитию техники и положило начало научно- техническому прогрессу (НТП).

Вплоть до конца ХЙХ века на базе классической механики развивались все естественные науки. Но в ХЙХ веке стали накапливаться эмпирические данные, которые не укладывались в русло МКМ. Сокрушительный удар по принципам механики был нанесен открытием в области электричества, магнетизма, волновой теории света, тепловых явлений и т.д. Все это привело к пересмотру представлений о материи, движении, пространства и смене МКМ.

20. Электромагнитная картина мира

Во 2-ой половине ХIХ века Максвелл открыл существование электрических и магнитных полей, которые связаны между собой и способны превращаться в друг друга. Это открытие изменило представление о пространстве. Английский ученый Фарадей в 50-60 г.г. и 19 в. доказал, что всю нашу солнечную систему охватывают электрические и магнитные линии, которые он назвал электромагнитным полем. Появился новый тип физической реальности - поле. Значит пустого пространства нет. Это открытие изменило представление о материи. Материя была представлена в виде единого абсолютно непрерывного электромагнитного поля с силовыми точечными центрами, обладающими электрическими зарядами и волнообразными движениями в нем. Движение понималось как распространение колебаний в поле и описывались не законами механики, а законами электродинамики. Изменились взгляды и на взаимодействия между телами и Ньютоновское дальнодействие заменилось на близкодействие. Согласно принципу близкодействия любые взаимодействия между телами передаются полем, от точки к точке, непрерывно и с конечной скоростью. Пространство и время перестали быть самостоятельными, независимыми от материи сущностями, поэтому стало учитываться время, которое связано с процессами происходящими в электромагнитном поле.

Электромагнитная картина мира объясняла большой круг явлений, непонятных с точки зрения прежних МКМ. Главная ее заслуга, что она вскрыла материальное единство мира.

Однако дальнейшие научные открытия обнаружили противоречия между электромагнитной теорией и фактами. В 1897 году было открыто явление, свидетельствующее о делении атома и установлено, что одни химическое элементы могут превращаться в другие. На этой основе датский физик Нельсон Бор разработал эмпирическую модель атома, где устойчивость атомов можно было объяснить с использованием понятия кванта (квант - мельчайшая порция энергии), которое было введено немецким физиком Планком. Эти открытия меняли взгляды на материю, и это привело к пересмотру научной картины мира.

21. Современная картина мира

Современная естественная картина мира является результатом синтеза всех предыдущих картин и опирается на научные достижения современного естествознания. В конце XIX и начале XX вв. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия связанные со строением вещества и взаимосвязи вещества и энергии.

Окружающий материальный мир нашей вселенной по современным представлениям является однородным и изотропным т.е. все объекты природы имеют одинаковые свойства по всем направлениям.

Материя в мире находится как бы в двух измерениях: в форме вещества и в форме поля. Как вещество, так и поле состоят из элементарных частиц, которые взаимодействуют между собой и взаимопревращаются, т.е. каждый элемент материи обладает и свойствами частицы и свойствами волны. при взимопревращении каждая частица выделяет порцию энергии, которую ученые назвали квантом. Основным материальным объектом является квантовое поле. Оно постоянно меняется, переходит из одного состояния в другое при этом изменяется число и состав элементарных частиц.

Таким образом, частицы неотделимы от создаваемых ими полей, и каждое поле влияет на структуру частиц, обуславливая их свойства. В этой неразрывной связи частиц и полей проявляется единство прерывности и непрерывности в структуре материи. В квантовом поле существует 4 вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. В результате этих взаимодействий осуществляются все процессы и явления в природе и формирование всех материальных объектов.

Согласно теории относительности, пространство и время сливаются в единую, четырехмерную материальную среду. Квантово-полевая картина мира впервые включает в себя присутствие человека, т.е. человек влияет своей деятельностью на результаты эволюции Вселенной.

В современной естественнонаучной картине мира наблюдается теснейшая связь между всеми естественными науками, где масса и энергия взаимосвязаны, волновое и корпускулярное движение объединяются, т.е. характеризуют один и тот же объект, наконец вещество и поле взаимопревращаются. Здесь действуют квантовые закономерности.

Современная картина мира в настоящее время дорабатывается. Появление новых гипотез, развитие новых теорий могут способствовать пересмотру этой картины. Так в 1967 г. были открыты новые частицы тахионы, у которых скорость движения выше скорости движения света. Если это подтвердится, то стационарное состояние нашей Вселенной, построенное на постоянной скорости света потеряет свое значение и может измениться и вернутся. Сегодня в науке назревают ситуации, которые требуют новых подходов к исследованию и осмыслению.

22. Понятие «жизнь» ее основные свойства

В 60 - х гг. XX в. сов. ученый Волькенштейн дал следующее определение «жизни». Жизнь - живые тела, существующие на Земле, представляющие собой открытые саморегулирующие и самоорганизующие системы, состоящие из биополимеров и фосфорорганических соединений.

Живые организмы обладают рядом свойств:

1. Они имеют сложную упорядоченную структуру, уровень которой значительно выше, чем у неорганических соединений.

2. На поддержание своей высокой упорядоченности они используют поступление энергии из вне. Большинство живых организмов прямо или косвенно используют солнечную энергию.

3. Они имеют постоянный химический состав: основными биогенными элементами являются - водород, углерод, кислород, азот. На их долю приходится 96% от массы живых организмов. Кроме того, все живые организмы построены из

4-х основных групп органических веществ, нуклеиновых кислот, белков, жиров, углеводов.

4. Они реагируют на изменение условий окружающей среды, т.е. обладают раздражимостью.

5. Все живое размножается. При размножении живые организмы передают потомкам заложенную в них информацию необходимую для их роста и развития.

6. Живые организмы в процессе роста и развития не только изменяются, но и усложняются.

7. Живые организмы хорошо приспосабливаются к среде обитания и соответствуют своему образу жизни.

8. У живых организмов есть прошлое.

Строгой границы между живой и неживой природой не существует, т.к. имеются переходные формы. К ним относятся вирусы, вне клетки живого организма они не обладают не одним признаком живого, потому что не имеют своих ферментов и только попадая в живую клетку и используя ферменты этой клетки они начинают делиться и питаться, т.е. переходят на уровень живых организмов.

23. Возникновение жизни на Земле

Большинство современных ученых убеждены, что возникновение жизни на Земле есть естественный результат эволюции материи. Этот процесс прежде всего связан с геологической эволюцией планеты. Жизнь на Земле носит название углеродной или органической, т.к. основу живых организмов составляет углерод, который обладает уникальными свойствами - образовывать сложные молекулы с разнообразным строением.

Современная теория происхождения жизни основана на идеи о том, что биологические молекулы возникли из неорганических соединений, т.е. без участия живых организмов.

Основные положения естественнонаучной теории о происхождении жизни следующие:

1. Органические вещества сформировались из неорганических под действием физических факторов среды (определенной температуры и давления) в водах первичного океана.

2. Взаимодействуя между собой в воде, они образовали все более сложные вещества, в результате чего возникли ферменты и самовоспроизводящие системы в виде свободных генов.

3. Свободные гены соединяясь со сложными органическими соединениями превращались в высокомолекулярные структуры, которые покрывались белково-липидной оболочкой за счет которой изолировались от раствора и друг от друга.

Так возникла клетка, которая является основной элементарной единицей всего живого, способная к обмену веществ, размножению и т.д. Далее живые организмы развивались в результате биологической эволюции.

С момента возникновения они попадали под воздействие естественного отбора, который и обеспечивал их приспособляемость к условиям существования. Приобретенные полезные признаки закреплялись отбором. Первые простейшие организмы использовали для питания готовые органические вещества, находящиеся в воде в виде растворов, т.е. по типу питания они относились к гетеротрофным. По мере увеличения их численности запасы органических веществ уменьшались, и организмы стали искать способы синтеза органических веществ самостоятельным путем. Некоторые из них стали использовать энергию простых окислительно-восстановительных реакций, так появился хемосинтез. Хемосинтезирующие бактерии были первыми автотрофными организмами на Земле.

Следующим важным этапом биологической эволюции было создание пигментных систем, с помощью которых они могли использовать энергию Солнца, т.е. появился фотосинтез.

Первый организм, использующий свет как источник энергии в качестве источника водорода использовали воду, в результате чего стал выделяться свободный кислород. Накапливаясь в верхних слоях атмосферы кислород сформировал озоновый слой, который защитил поверхность Земли от ультрафиолетового излучения Солнца губительно действующее на все живое. Живые организмы, находящиеся под защитой воды смогли выйти на сушу и распространится по всей поверхности Земли.

24. Характеристика уровней организации живой материи (молекулярный, клеточный, тканевый, органный)

Мир живого довольно разнообразен и имеет довольно сложную структуру. Он состоит из нескольких уровней, но на всех уровнях проявляются все свойства живого. Каждый из уровней характеризуются своими особенностями, и связь между этими уровнями осуществляются благодаря обмену веществ и энергии.

1. Молекулярный уровень - представлен молекулами нуклеиновых кислот, белками, жирами, углеводами и биологически активными веществами (витамины, ферменты). Изучает - молекулярная биология. Все биологические молекулы синтезируются из низкомолекулярных соединений. В состав живых клеток входит до 100 элементов. Биологические молекулы в организме непрерывно превращаются за счет химических реакций и ферментов. Нуклеиновые кислоты выполняют основную роль в передачи генетической информации и информацию о составе белков данного организма. Они входят в состав ферментов, витаминов и др. биологически активных веществ. Белки выполняют роль строительного материала живых организмов, входят в состав всех клеток и биологически активных веществ. Углеводы и жиры являются энергетическим материалом, на этом уровне происходит превращение световой энергии в химическую и химическую в биологическую. Биологические молекулы обеспечивают преемственность между молекулярными и др. уровнями живых материй.

2. Клеточный уровень - изучает наука цитология и он представлен клетками, которые существуют и в качестве самостоятельных организмов и в качестве элементов многоклеточных организмов. Главным элементом этого уровня является то, что с клетки начинается жизнь. На этом уровне происходит разграничение процессов жизнедеятельности в пространстве и во времени. Специфичность клеточного уровня определяется специализацией клеток.

3. Тканевый уровень - изучает наука гистология и представлен тканями, состоящими из однотипных клеток. У живых различают следующие ткани: мышечную, соединительную, нервную, защитную, кровь и лимфа. На этом уровне происходят все физические процессы живого организма (дыхание, пищеварение, выделение).

4. Органный уровень - изучает наука анатомия. На этом уровне происходят все физиологические процессы живого организма: дыхание, пищеварение, кровообращение, выделение.

25. Характеристика уровней организации живой материи (организменный, популяционный, видовой, экосистемный, биосферный)

1. Организменный уровень - отражает индивидуальность отдельных особей, на этом уровне происходит реализация генетической информации. Создаются структурные и функциональные особенности, присущие данному виду.

2. Популяционный уровень - растения и животные не существуют изолированно друг от друга, а объединены в популяции, которые характеризуются определенным генофондом. В популяциях начинаются элементарные эволюционные преобразования и вырабатываются признаки для приспособления к изменившимся внешним условиям.

3. Видовой уровень - определяется видами растений, животных и микроорганизмов, которые существуют в природе в качестве живых звеньев. В состав одного вида входят несколько популяций. Все они находятся в самых разных местах обитания. Вид является единицей классификации живых существ. Сообщество организмов, разновидовой принадлежности образуют биоценоз.

4. Экосистемный уровень - происходит вещественный и энергетический круговороты, связанные с жизнедеятельностью организмов.

5. Высшей формой организации живой материи является Биосферный уровень - он представляет биосферу, где осуществляется объединение всех круговоротов в один глобальный круговорот. Биосферный уровень включает всю совокупность живых организмов, биогенное вещество, биокосное вещество, косное вещество.

26. Клетка - основная форма организации живых систем

Все живые организмы на земле состоят из однородных структур - клеток. Современная биология рассматривает клетку как наименьшую элементарную единицу живой системы.

Элементарной единицей она названа потому, что в природе нет более мелких систем, которым были бы присущи все без исключения признаки живого.

Клетка обладает всеми свойствами живой системы: она осуществляет обмен веществ и энергии, растет, размножается и передает по наследству свои признаки, реагирует на внешние раздражители и способна двигаться, т.е. на уровне клетки происходят все физиологические и биохимические процессы в организме. Она является низшей ступенью организации, обладающей всеми этими свойствами.

Клетка, по существу, представляет собой самовоспроизводящуюся химическую систему. Роль барьера между данной химической системой и ее окружением выполняет плазматическая мембрана, т.е. оболочка. Она помогает регулировать обмен между внутренней и внешней средой и, таким образом, служит границей клетки. Функции в клетке распределены между различными органоидами, такими, как клеточное ядро, митохондрии, рибосомы и т.д. Клетки существуют и как самостоятельные организмы (бактерии, простейшие, водоросли) так и в составе многоклеточных организмов. Клетки различаются по строению и форме клетки одного типа образуют ткани, входящие в состав органов.

Каждая живая клетка обладает сложными механизмами для преобразования энергии, которую она использует для протекания жизненных процессов.

Главным источником на Земле является энергия солнечного света. Эту энергию преобразуют зеленые растения в химическую в форме определенных молекулах (глюкозу).

Следующий этап преобразования энергии на нашей планете совершает во всех клетках растений и животных при дыхании. В процессе дыхания химическая энергия углеводов и др. молекул в результате окисления преобразуется в биологически полезную энергию в форме АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).

На 3-ем этапе энергия в виде АТФ используется клетками для совершения разнообразных видов работ для мышечного сокращения, для синтеза сложных макромолекул, для передачи нервных импульсов и для множества других жизненных функций.

В конечном итоге при осуществлении всех биологических функций остаток энергии бесполезной для организмов рассеивается в окружающей среде в форме тепла.

Клетки состоят, как из органических, так и неорганических соединений. Неорганическими являются вода и минеральные вещества. К органическим соединениям относятся белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводы. В клетках тела человека белки составляют 10-20%, нуклеиновые кислоты - 1-2%, липиды 1-5%, углеводы 0,2-0,3%, минеральные вещества 3-5 % и вода 75-85%.

27. Воспроизводство клеток

Развитие, рост и становление типичной структуры организма осуществляется благодаря одной или группы исходных клеток. В процессе жизнедеятельности часть клеток изнашивается, стареет и погибает. Для поддержания структуры и нормального функционирования организм должен производить новые клетки на смену старым. Единственным способом образования новых клеток является их размножение. Размножение происходит путем деления клеток, и каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки. Одноклеточные организмы размножаются простым делением надвое, множественным делением путем образования спор или почкованием. Большинство многоклеточных организмов состоит из двух видов клеток - половых и соматических, следовательно, существует и два способа деления клеток митоз и мейоз.

Соматические клетки размножаются путем простого деления, перед которым количество хромосом в клетке удваивается путем самовоспроизведения, и в результате образуются две дочерние клетки, идентичные с материнской, имеющий диплоидный набор хромосом за счет этого происходит рост (в молодом возрасте) и обновление клеток в течении всей жизни. Считается, что клеточное обновление организма человека происходит примерно каждые 7 лет. В разных тканях процесс обновления происходит с разной скоростью. Наиболее интенсивно обновление происходит кровяных клеток, клеток стенок желудка и кишечника.

Половые клетки (гаметы) делятся путем сложного деления мейоза, в результате чего из одной клетки получается 4 дочерних, каждая из которых содержит вдвое меньше хромосом, чем исходные, т.е. гаплоидный набор. Следовательно, клетка переходит из диплоидного состояния в гаплоидное.

28. Механизм передачи наследственности

Воспроизводство всех живых организмов на Земле осуществляется путем передачи наследственных признаков своему потомству. Передача наследственной информации осуществляется через половые клетки (а при бесполом размножении через соматические). Генетическая информация закодирована в молекулах ДНК. ДНК содержится в ядре клеток в виде хромосом. Хромосомы состоят из двух нитей или цепей, закрученных одна вокруг другой по спирали. В хромосомах расположены гены. Гены являются единицей наследственности. Число генов очень велико, у человека их десятки тысяч. Гены отвечают за развитие отдельного элементарного признака у всех организмов одного и того вида. Каждый ген расположен в одном и том же месте строго определенной хромосомы. Каждая клетка человека тела содержит 46 хромосом. Почти все хромосомы в наборе представлены парами, в каждую из 22-х пар входят одинаковые идентичные хромосомы, а 23-я пара является половыми хромосомами: у женщин она состоит из одинаковых хромосом ХХ, а у мужчин - YX. В гаплоидном наборе хромосомы имеется только один ген., ответственный за развитие данного признака. В диплоидном наборе хромосом (в соматических клетках) содержатся две гомологичные хромосомы и соответственного два гена, определяющие развитие одного какого-то признака.

Информацию о том, каким должен быть организм в целом и в деталях, какие белки должны вырабатываться при построении организма, несут гены. Белки производятся в специальных клеточных структурах - рибосомах. Белки строятся из аминокислот, находящихся в цитоплазме. Аминокислоты приносят в рибосомы специальные молекулы - транспортные РНК. Структура белка определяется порядком расположения аминокислот. Инструкцию о том, как расположится аминокислотам, поставляет в рибосомы из клеточного ядра матричная РНК. Молекула матричной РНК проникает через мембрану ядра рибосомы. Там, в рибосомах, происходит расшифровка кода с языка нуклеотидов на язык аминокислот. Из рибосомы выходит цепочка аминокислот, образующая соответствующий белок, а от того, такие белки синтезируют в клетке, зависят и все ее структурные и функциональные особенности. Таким образом, молекулы РНК являются посредниками при передаче информации от ДНК к месту синтеза белка. Наследственность, как следует из принципа передачи генетической информации, имеет вполне определенный механизм. Процесс передачи наследственной информации состоит из 3-х этапов: репликация, транскрипция и трансляция.

Репликация - это удвоение (деление) хромосом, т.е. раскручивание на 2 цепи, предшествующее делению клеток.

Транскрипция - это процесс синтеза на одной из раскрученных цепей молекулы ДНК - молекулы матричной информационной РНК, на которой формируется генетическая информация о составе белка данного организма.

Трансляция - это доставка определенных аминокислот в особые органоиды клетки - рибосомы, в которых на основе генетического кода информационной РНК происходит синтез белка, свойственного только данному организму.

Структура макромолекул ДНК дает основу для практически бесконечного количества комбинаций, контролирующих включения аминокислот в белковую молекулу. На основе такого разнообразия комбинаций может возникать, практически бесконечное число наследственных изменений что обеспечивает эволюцию и разнообразие органического мира. Наследственность обеспечивает преемственность живого на Земле, а изменчивость - многообразие форм жизни. И то и другое связаны неразрывно.

29. Синергетика как новое направление в науке

В конце ХХ в. ученые пришли к выводу, что все существующие в мире системы имеют сложную структуру, т.е. состоят из подсистем и отдельных элементов. Для того чтобы система работала, сложено, все подсистемы должны быть взаимосвязаны между собой. Изучением таких систем стала заниматься новая наука, которую назвали синергетикой.

Синергетика - слово греческого происхождения и означает кооперативить, согласованность и взаимность. Системами в природе является все объекты от атомов до Вселенной, от молекул до социальных систем.

Синергетика - это научное направление, в рамках которого изучается поведение систем и подсистем разных типов и уровней. Она основана на представлении о самоорганизации, т.е. спонтанном образовании систем, механизмах их перехода от хаоса к порядку. Синергетика раскрывает, каким образом и почему хаос может выступать в качестве созидающего начала. Как из хаоса может развиваться новая, более сложная организация. Она открывает новые принципы построения сложных развивающихся структур, как из простых появляются сложные более упорные системы. Также она показывает пути управления сложными системами и раскрывает закономерности эволюционных процессов.

Объекты синергетики должны удовлетворять следующим требованиям:

1) Системы должны быть открытыми;

2) Они должны быть неравновесными;

3) Выход системами из критического состояния в качественно новое состояние должно происходить «скачком».

Общий смысл синергетики состоит в том, что процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции имеют объективный характер и во всех системах они происходят одинаково, т.е. имеют единый алгоритм. Новизна синергетического подхода состоит в том, что хаос выступает и как разрушитель и как созидатель, потому что хаос считают, что хаос просто это нарушение порядка, поэтому через него может осуществляться конструктивное развитие систем, так как основополагающий системный фактор состоит не в хаотичности, а во взаимодействии и динамики, т.е. развитии.



30. Понятие и свойства самоорганизующих систем

Самоорганизующими называются системы, которые при изменении внешних или внутренних условий находят пути для своего сохранения или развития и эволюции. Примерами самоорганизационных систем могут служить живая клетка, популяция, человеческий коллектив, робот, машина, биосфера и т.д.

Самоорганизующие системы имеют следующие свойства:

· Они сохраняют состояние термодинамического равновесия.

· Их упорядоченность обеспечивается использованием информации.

· Системы реагируют на внешние условия.

· Они обладают функциональной активностью, которая выражается в противодействии несоответствующими внешним условиям.

· Самоорганизационные системы обладают выбором поведения - им нельзя навязать путь развития, поведение их непредсказуемо случайно и зависит от предыстории.

· Порядок в системе поддерживается за счет потока энергии вещества и информации извне.

· Они действуют целенаправленно и ведут себя как единое целое.

· Самоорганизация выступает как источник эволюции систем, т.к. она служит началом процесса возникновения новых более качественных и более сложных структур.

31. Условия протекания самоорганизующих процессов

Для того чтобы в системе шла самоорганизация, должны выполняться следующие условия: Они должны быть открытыми, нелинейными и диссипативными.

Открытыми называются системы, которые постоянно обмениваются с окружающей средой энергией, веществом или информацией. Открытые системы всегда подвержены колебаниям т.к. изменения в окружающей среде могут вывести систему из состояния равновесия, которое и приводит систему в состояние хаоса. Хаос начинается если параметры системы достигают определенного критического значения. Далее хаос может быть началом формирования новых структур, но весь этот процесс носит случайный и неопределенный характер. Открытый характер большинства природных систем указывает на то, что в мире доминирует не равновесие и стабильность, а неустойчивость и неравновесность. Они и создают условия многовариантности путей выбора развития системы.

В связи с этим процессы в самоорганизующих системах носит нелинейный характер, нелинейные системы описываются уравнениями, которые имеют 2 и более качественно различных решения. Это означает, что множеству решений нелинейного уравнения соответствует множество путей развития системы. Развитие осуществляется через случайный выбор, который происходит, в точке бифуркации.

Точка бифуркации - критическое состояние системы, при котором система становится неустойчивой относительно флуктуаций и возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности. Флуктуация (от лат. - колебание) - термин, характеризующий любое колебание или любое периодическое изменение.

Процесс происходит в нелинейных системах, и носит пороговый характер, т.е. при плавном изменении внешние условия поведения системы изменяются скачком, после которого система в прежнее состояние вернутся не может.

Нелинейные системы, являясь открытыми и неравновесными, сами создают и поддерживают неоднородность среды, при этом между системой и средой могут возникать отношения обратной положительной связи. Система влияет на среду, в среде появляются другие условия, которые в свою очередь вызывают изменения в системе, при этом системы начинают самоорганизацию. Таким образом, самоорганизационные системы путем многократного контроля настраиваются на внешние факторы, достигают равновесия с условиями среды существования и тем самым сохраняют себя.

Открытые неравновесные системы в процессе взаимодействия с внешней средой могут приобретать особое динамическое состояние, которое называют диссипацией. Диссипация - это рассеивание энергии, т.е. переход энергии упорядочного движения в энергию хаотического движения. Рассеивая энергию системы, производят энтропию. Для того чтобы её снизить, необходим дополнительный приток энергии из внешней среды, но в таком состоянии система поглощает только часть энергии, определенного качества. Если в данном случае при этом в системе возникает несколько структур, то реализуется, та при которой наблюдается минимальный рост энтропии и которая способна в максимальной форме поглощать энергию.

История развития природы - это история образования все более и более сложных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях её организации во Вселенной - от элементарных частиц до образования Галактики. В биологии - от низших и простейших к высшим и сложным вплоть до человека и общества.

32. Значение химии и способы решения химических проблем

Что такое химия? Химия является высокоупорядоченной - постоянно развивающейся системой знаний о веществах, имеющей определенное социальное назначение и свое место в ряду других наук.

Система представляет собой совокупность элементов или частей, выступающих как единое целое, в которой существует их взаимное влияние и взаимное качественное преобразование. Под системой химии подразумевается объединение всех химических знаний в концептуальные системы, которые находятся между собой в отношениях иерархии, т.к. каждая концептуальная система - это определенный уровень знаний

Рассмотрим системообразующие основы химии. Системообразующим началом в химии может являться только какое-то ее наиболее общее основание, не изменяющееся при любых изменениях ее теории и методов.

Зачем была нужна химия человечеству? Чтобы получить из природных веществ необходимые человеку металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и лекарства, взрывчатые вещества и горючесмазочные материалы, каучуки и пластмассы, химические волокна и материалы с заданными электрофизическими свойствами (полупроводники, изоляторы, сверхпроводники).

Поэтому все химические знания, приобретаемые за многие столетия, объединяет одна главная задача химии - задача получения веществ с необходимыми свойствами. Для ее реализации надо уметь из одних веществ производить другие и знать от чего зависят свойства, т.е. осуществлять качественное превращение веществ.

Эта проблема возникла в древности, и не теряет своего значения в наши дни. Таким образом, вся история химии, все ее развитие является закономерным процессом смены способов решения ее основной проблемы.

Свойства веществ зависят от четырех факторов: от его элементного и молекулярного состава; от структуры его молекул; от термодинамических и кинетических условий, в которых вещества находятся в процессе химических реакций; от высоты химической организации вещества.

Поэтому основная проблема химии имеет только четыре общих способа решения:

на первом уровне с учетом одного фактора - изменения состава - учение о составе;

на втором уровне с учетом двух факторов - изменение состава и структуры - структурная химия;

на третьем уровне - с учетом многих факторов (состава, структуры, кинетических, термодинамических факторов) - учение о химических процессах;

на четвертом уровне - с учетом самоорганизации реакторной системы - эволюционная химия.

Строго последовательное закономерное появление четырех способов решения основной проблемы химии послужило причиной строгой упорядоченности построения системы химии, которую следует считать логикой этой науки.

33. Основные законы понятия химии

Химия - наука о веществах, закономерностях их превращений (физических и химических свойствах) и применении. В настоящее время известно более 100 тыс. неорганических и более 4 млн.органических соединений.

Химические явления: одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных составом и свойствами, при этом состав ядер атомов не изменяется.

Физические явления: меняется физическое состояние веществ (парообразование, плавление, электропроводность, выделение тепла и света, ковкость и др.) или образуются новые вещества с изменением состава ядер атомов.

Атомно - молекулярное учение.

1.Все вещества состоят из молекул. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

2.Молекулы состоят из атомов. Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Различным элементам соответствуют различные атомы.

3.Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении; между ними существуют силы притяжения и отталкивания.

Химический элемент - это вид атомов, характеризующийся определенными зарядами ядер и строением электронных оболочек. В настоящее время известно 117 элементов: 89 из них найдены в природе (на Земле), остальные получены искусственным путем. Атомы существуют в свободном состоянии, в соединениях с атомами того же или других элементов, образуя молекулы. Способность атомов вступать во взаимодействие с другими атомами и образовывать химические соединения определяется его строением. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него, образуя электронейтральную систему, которая подчиняется законам, характерным для микросистем.

...