Основные понятия современного естествознания 
Чтобы устранить эти
трудности, немецкий физик М. Борн (1882—1970) в 1926 г. предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность, а амплитуда вероятности,
названная волновой функцией. Описание состояния микрообъекта с помощью волновой
функции имеет статистический, вероятностный характер: квадрат модуля волновой
функции (квадрат модуля амплитуды волн де Бройля) определяет вероятность
нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченном объеме.
Итак, в квантовой
механике состояние микрочастиц описывается принципиально по-новому — с помощью
волновой функции, которая является основным носителем информации об их
корпускулярных и волновых свойствах.
5. Поясните, что такое
Вселенная, каковы ее размеры, какие объекты ее составляют и какие модели
развития Вселенной Вам известны. Какие эмпирические подтверждения развития
Вселенной?
Слово «вселенная»
возникло как калька греческого термина «ойкумена», т. е. заселенная земля. Уже
здесь видна его первоначальная равнозначность выражению «весь свет» или «мир».
Но такое понимание вселенной давно устарело.
Размеры Вселенной:
Масса – 5,976*1024
кг;
диаметр – 12756 км;
плотность – 5,518 г/см3;
объем – 1,083*1012
км2;
площадь поверхности –
510,2 млн. км2.
Модель раздувающейся
Вселенной точно совпадает с общепринятым описанием наблюдаемого мира начиная с
10-30 с после начала расширения. Только в эти микроскопические доли
секунды отличие моделей. Как и модель Большого взрыва, модель инфляционной
Вселенной полагает, что Начало было 10-15 млрд. лет назад из сингулярного
(сверхорячего и чверхплотного) состояния и продолжается сейчас. Эти модели
объяснили и реликтивное излучение, и красное смещение в спектрах далеких
галактик, и первоначальное содержание легких элементов[6].
6. Дайте
представление о фазовых переходах, приведите примеры фазовых переходов разных
типов (родов). Что за явления – сверхтекучесть и сверхпроводимость?
Фазами называют различные
однородные части физико-химических систем. Однородным является вещество, когда
все параметры вещества одинаковы во всех его элементарных объемах, размеры
которых велики по сравнению с межатомными состояниями. Смеси различных газов
всегда составляют одну фазу, если во всем объеме они находятся в одинаковых
концепциях. Одно и то же вещество в зависимости от внешних условий может быть в
одном из трех агрегатных состояний – жидком, твердом или газообразном. В
зависимости от внешних условий система может находиться в равновесии либо в
одной фазе, либо сразу в нескольких фазах.
В окружающей нас природе
мы особенно часто наблюдаем фазовые переходы воды. При переходе воды в пар
происходит сначала испарение – переход поверхностного слоя жидкости в пар, при
этом в пар переходят только самые быстрые молекулы: они должны преодолеть
притяжение окружающих молекул, поэтому уменьшаются их средняя кинетическая
энергия и, соответственно, температура жидкости. наблюдается в быту и обратный
процесс – конденсация.
Во время фазового
перехода температура не меняется, но меняется объем системы. Фазовые переходы
бывают нескольких родов.
Изменения агрегатных
состояний вещества называются фазовыми переходами 1-го рода, если:
1)
температура
постоянна во время всего перехода;
2)
меняется объем
системы;
3)
меняется энтропия
системы.
Чтобы произошел такой
фазовый переход, нужно данной массе вещества сообщить определенное количество
тепла, соответствующего скрытой теплоте превращения.
Фазовые переходы 2-го ,
3-го и т.д. родов связаны с порядком тех производных термодинамического
потенциала, которые испытывают конечные изменения в точке перехода.
Явление о сверхтекучести,
открытое Капицей наблюдали и раньше, отмечая странное поведения гелия при
температуре около 2К, но только он подробно исследовал и описал его.
Атомы сверхтекучего гелия
ведут себя согласованно, как единое целое, беспорядка в этой системе нет, энтропия
равна нулю. Невозможно сообщить какой-то части сверхтекучего гелия тепло – все
его атомы одинаковы подтверждены воздействию. Невозможен и обмен энергией между
атомами – все они в наинизшем состоянии, и вязкость среды равна нулю.
Исследования в области
низких температур, первоначально имевшие чисто практическую направленность,
привели к многим крупным открытиям. В 1911 г. Камерлинг-Оннес обнаружил, что при температуре 7,2К сопротивление свинцового проводника внезапно снизилось в
миллионы раз и практически исчезло. Это странное явление получило название
сверхпроводимости. В одном из экспериментов в сделанном из чистого свинца
кольце был наведен ток в несколько сотен ампер. Через год оказалось, что ток
все еще продолжает идти в кольце, и величина его не изменилась, т.е.
сопротивление винца было равно нулю[7].
7. Какими методами
удалось изучить состав живой клетки и ее молекулярное строение? Каковы основные
положения и значение клеточной теории в развитии биологии?
За 3 мрд. лет на нашей
планете живое вещество развивалось в несколько миллионов видов, но все они – от
бактерий до высших животных – состоят из клеток. Клетка – организованная часть
живой материи: она усваивает пищу, способна существовать и расти, может
разделяться на две, каждая из которых содержит генетический материал,
идентичный исходной клетке.
В 1665 г. Гук издал книгу «Микрография, или некоторые физиологические описания мельчайших тел
посредством увеличительных стекол», где сообщил об открытии им клеточного
строения живого вещества (тогда же он впервые употребил термин «клетка»).
Фактически же Гук увидел только клеточные стенки, отличающиеся размерами и
толщиной. После Гука клетки, вернее, их оболочки, так как микроскопы были
несовершенны, обнаруживали у разных растений и в тканях животных.
Клеточная теория, или
цитология сложилась в течение ХIХ в. в результате микроскопических
исследований, когда появились более совершенные микроскопы (в последнее время
их все чаще называли биологией клетки).
Ботаник Маттис Шлейден
(1804-1881), изучая растительные ткани, установил, что они имеют клеточную природу.
Используя его обобщения, немецкий биолог Теодор Шванн (1810-1882),
исследовавший животные ткани, в своем классическом труде «Микроскопические
исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений» (1839)
впервые сформулировал основные положения о клеточном строении всех организмов и
образовании всех организмов и образовании клеток.
Было подробно изучено и
клеточное деление. Вирхов дополнил клеточную теорию Шлейдена и Шванна
утверждением: все клетки образуются в результате деления других клеток (1855).
Затем установили, что хранение и передача наследственных признаков
осуществляется с помощью клеточного ядра (Вирхов, Геккель). При большом
увеличении микроскопов в клетках открыли постоянные специализированные
структуры (органоиды, или органеллы) – пластиды и митохондрии.
В начале ХХ в. многие
биологи повторяли опыты австрийского естествоиспытателя Иоганна Менделя
(1822-1884), открывшего еще 1865 г. существование индивидуальных наследственных
факторов (генов). Все это способствовало развитию цитогенетики. Современная
клеточная теории исходит из единства расчлененности многоклеточного организма
на клетки и его целостности, основанной на взаимодействии клеток[8].
Открытие клетки
принадлежит английскому ученому Р. Гуку, который, просматривая под микроскопом
тонкий срез пробки, увидел структуры, похожие на пчелиные соты, и назвал их
клетками. Позже одноклеточные организмы исследовал голландский ученый Антони
ван Левенгук. Клеточную теорию сформулировали немецкие ученые М. Шлейден и Т.
Шванн в 1839 г. Современная клеточная теория существенно дополнена Р. Биржевым
и др.
Основные положения
современной клеточной теории:
Клетка - основная единица
строения, функционирования и развития всех живых организмов, наименьшая единица
живого, способная к самовоспроизведению, саморегуляции и самообновлению;
Клетки всех одноклеточных
и многоклеточных организмов сходны (гомологиины) по своему строению,
химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ;
Размножение клеток
происходит путем их деления, каждая новая клетка образуется в результате
деления исходной (материнской) клетки;
В сложных многоклеточных
организмах клетки специализированы по выполняемым ими функциям и образуют
ткани; из тканей состоят органы, которые тесно взаимосвязаны и подчинены
нервной и гуморальной регуляциям.
Эти положения доказывают
единство происхождения всех живых организмов, единство всего органического
мира. Благодаря клеточной теории стало понятно, что клетка - это важнейшая
составляющая часть всех живых организмов. Клетка - самая мелкая единица
организма, граница его делимости, наделенная жизнью и всеми основными
признаками организма. Как элементарная живая система, она лежит в основе
строения и развития всех живых организмов. На уровне клетки проявляются такие
свойства жизни, как способность к обмену веществ и энергии, авторегуляция,
размножение, рост и развитие, раздражимость.[9]
8.
Какие виды изменчивости Вам известны, в чем их сходства и отличия? Какая форма
изменчивости дает исходный материал для естественного отбора в природе?
Докажите, что естественный отбор является направляющим фактором эволюции
Определенные виды
изменчивости являются периодическими. Они-то и есть «вибрации», которые
определяют уровни бытия в их иерархии. Во Вселенной все суть живое, не считая
«периферии» - нижнего края шкалы «водородов». Соответственно, и все по-своему
разумно. Степень «разумности» определяется частотой «вибраций».
Изменчивость -
способность организмов приобретать новые признаки и свойства в процессе
онтогенеза.
Изменчивость бывает
ненаследственной и наследственной.
Ненаследственные, или
модификационные (от лат. modificatio - изменение), изменения не связаны с
изменением генов, хромосом, генотипа в целом и возникают под влиянием факторов
среды. Эти изменения в большинстве случаев носят массовый характер и по
наследству не передаются. Это означает, что одинаковые изменения возникают у
всех особей, подвергающихся действию определенного фактора. Если фактор,
вызвавший данное изменение, перестает действовать, то изменение (например,
загар, появляющийся под яркими лучами солнца) может исчезнуть.
Развитие каждого
организма, формирование признаков определяются его генотипом. Но и факторы
внешней среды - температура, влажность, освещенность, количество и качество
пищи - оказывают большое влияние на развитие организма. Будет ли корова
высокоудойной, зависит как от ее генотипа, так и от ухода и кормления. Сиамские
котята, растущие на холоде, темнее котят, живущих в теплом помещении.
Главный фактор,
определяющий развитие того или иного признака у организма, - генотип. Однако
степень проявления признака зависит и от внешних факторов среды. Например, в
соответствии с генотипом высокорослый горох может достичь высоты 180 см. Но для этого необходима хорошая освещенность, влажность, плодородная почва. При отсутствии
оптимальных условий растение остается низкорослым. Следовательно, фенотип
формируется под влиянием как генотипа, так и условий среды обитания.
Различные признаки одного
и того же организма изменяются в разной степени под влиянием факторов среды
обитания: одни сильнее, а другие слабее. Например, удои молока у коров
увеличиваются при хорошем кормлении и уходе, но жирность его при этом почти не
изменяется.
Любой признак может
изменяться лишь в определенных пределах. Пределы модификационной изменчивости
признака называют его нормой реакции. Норма реакции у одних признаков узкая, у
других широкая. Узкая норма реакции, или небольшие границы изменчивости,
характерна для качественных признаков, таких, как цвет глаз, рисунок на пальцах
у человека, а широкая норма реакции - для количественных признаков, таких, как
рост, масса семян у растений. Причем чем шире норма реакции признака, тем
больше у организма возможностей для приспособления к условиям среды обитания.
Так, генотипы большинства особей одной популяции сходны. Однако особи сильно
различаются по фенотипу. Например, деревья различаются по высоте, размеру кроны
и т. д. Это связано с тем, что растения со сходным генотипом развиваются в
условиях разной влажности, освещенности, состава почвы.
Все листья одного дерева
имеют одинаковый генотип, однако они отличаются по фенотипу, например по
размерам. Частота встречаемости листьев разного размера неодинакова.
Как показали наблюдения,
наиболее часто встречаются листья со средним выражением признака. Объясняется
это тем, что листья развиваются в различных условиях. Мелкие листья формируются
в неблагоприятных условиях, например при плохой освещенности и недостаточной
влажности и т.д. Самые крупные листья развиваются в наиболее благоприятных
условиях. Однако как очень благоприятные, так и совсем неблагоприятные условия
среды в природе наблюдаются редко. Растения, как правило, испытывают различные
воздействия: одни благоприятствуют развитию признака, другие - угнетают его.
Поэтому большинство особей оказывается примерно в сходных условиях и обладает
средней степенью выраженности признака. Чем разнообразнее условия среды, а,
следовательно, и сочетание ее факторов, тем шире модификационная изменчивость.
Естественный
отбор – направляющий фактор эволюции. Естественный отбор – это дифференциальное выживание и
размножение особей, которые отличаются друг от друга генетически
детерминированными признаками. Более приспособленные к данным условиям среды особи оставляют больше
потомков, чем менее приспособленные. Мы можем измерить относительную приспособленность
особи долей ее потомков среди особей следующего поколения и, следовательно, частотой
ее аллелей, которые вошли в генофонд следующего поколения.
Эффективность
естественного отбора зависит от его интенсивности и запаса наследственной
изменчивости, накопленного в популяции. Интенсивность отбора определяется тем, какая доля особей
доживает до половой зрелости и участвует в размножении. Чем меньше эта доля,
тем больше интенсивность отбора. Если, например, из 10 000 особей в каждом
поколении выживают и размножаются только 100 самых крупных, то средний размер
особей в этой популяции растет гораздо быстрее, чем в случае более мягкого
отбора, когда, например, половина всех особей в популяции участвует в
размножении[10].
Биосфера не раз
переходила в новое эволюционное состояние. Это было, например, в кембрии, когда
появились крупные организмы с кальциевыми скелетами, или в третичное время
-15-80 млн. лет тому назад, когда возникли леса и степи, а с ними и крупные
млекопитающие и сейчас, за последние 10-20 тыс. лет, когда человек, выработав в
социальной среде научную мысль, создает в биосфере новую геологическую силу.
Биосфера тем самым переходит в новое эволюционное состояние - ноосферу.
Проявления научной мысли воздействует посредством создаваемых им орудиями на
косную, содержащую его среду биосферу, создавая ноосферу - царство разума.
В развитии учений о
происхождении жизни существенное место занимает теория, утверждающая, что все
живое происходит только от живого - теория биогенеза. Эту теорию в середине XIX
века противопоставляли ненаучным представлениям о самозарождении организмов
(червей, мух и др.). Однако как теория происхождения жизни биогенез
несостоятелен, поскольку принципиально противопоставляет живое неживому,
утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни.
Абиогенез - идея о
происхождении живого из неживого - исходная гипотеза современной теории
происхождения жизни.
В 1924 г. известный биохимик А.И.Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в
земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд. лет назад состояла из аммиака, метана,
углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические
соединения, необходимые для возникновения жизни. Предсказание академика Опарина
оправдалось. В 1955 г. американский исследователь С.Миллер, пропуская
электрические заряды через смесь газов и паров, получил простейшие жирные
кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таким
образом в середине XX века был экспериментально осуществлен абиогенный синтез
белковоподобных и др. органических веществ в условиях, воспроизводящих условия
первобытной Земли.
М. Эйгеном на основе
неравновесной термодинамики и теории информации разработана концепция
самоорганизации материи. Эйген ограничивается моделированием добиологической
эволюции макромолекул, но развитые им идеи и методы имеют более общее
принципиальное значение. Так же как и работы школы Пригожина, работы Эйгена
вышли за рамки частных наук и имеют общенаучное методологическое значение.
Согласно теории Эйгена,
самоорганизация не является очевидным свойством материи, которое обязательно
проявляется при любых обстоятельствах. Должны быть выполнены определенные
внутренние и внешние условия, прежде чем такой процесс станет неизбежным.
Самоорганизация начинается с флуктуации. Для возникновения процесса
самоорганизации необходимы инструктивные свойства системы на микроуровне[11].
Список литературы
1.
Бернс Дж. О.
Гигантские структуры Вселенной // В мире науки, 1986, № 1.
2.
Девис П.
Суперсила – М.: Мир, 2002.
3.
Дубнищева Т.Я.
Концепции современного естествознания. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА»,
2005.
4.
Найдыш В.М. Концепции
современного естествознания. Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1999.
5.
Карпенков С.Х.
Основные концепции естествознания. М.: ЮНИТИ, 1998.
6.
Эйген М., Винклер
Р. Игра жизни. – М.: Наука, 2002.
[1] Эйген М., Винклер Р. Игра жизни. –
М.: Наука, 1979. С.22.
[2] Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания.
Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2000. С. 195-202.
[3] Карпенков С.Х. Основные концепции
естествознания. М.: ЮНИТИ, 1998. С. 143-144.
[4] Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания.
Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2000. С. 306-309.
[5] Карпенков С. Х. Концепции
современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Академический проект,
2001. –356с.
[6] Бернс Дж. О. Гигантские структуры
Вселенной // В мире науки, 1986, № 1. С. 15.
[7] Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания.
Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2000. С. 359-363.
[8] Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания.
Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2000. С. 134-135.
[9] Найдыш В.М. Концепции
современного естествознания. Учебное пособие. М.: Высшая школа,1999. –226с.
[10] Карпенков С.Х. Основные концепции
естествознания. М.: ЮНИТИ, 1998. С. 151-156.
[11] Карпенков С.Х. Основные концепции
естествознания. М.: ЮНИТИ, 1998. С. 300-302.
Страницы: 1, 2
|
