close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

код для вставкиСкачать
1. Эволюция научного метода и естественнонаучной картины мира
1 Научный метод познания
Естествознание – комплекс наук о природе, предметом рассмотрения которых являются: материя,
жизнь, человек, Земля, Вселенная. В соответствии с предметом естествознание можно условно разделить на ряд
блоков:
1. физика, химия, физхимия...
2. биология, ботаника, зоология, анатомия, физиология, генетика, эволюционное учение...
3. геология, метеорология, минералогия, география физическая,
4. астрономия с астрофизикой, астрохимией, космология, экология
5. антропология, психология, этология.
Предмет естествознания:
- различные формы движения материи в природе;
- лестница последовательных уровней организации материи и их взаимосвязи;
- основные формы всякого бытия — пространство и время;
- закономерная связь явлений природы как общего, так и специфического характера.
Цели естествознания:
- находить сущность явлений природы, их законы и на этой основе предвидеть или создавать новые явления;
- раскрывать возможности использования на практике познанных законов природы.
непосредственная цель — это познание законов природы, а значит, и истины, и конечная цель — содействие
практическому использованию этих законов.
Поскольку все науки и естествознание в целом находятся в развитии, то термин «современное» имеет
относительное значение. Можно поставить следующие условные рамки периодов становления естествознания:
до 1900 – классическое естествознание, 1900-1960 – неклассическое (квантовое), после 1960-70 годов –
постнеклассическое.
Основанием для принятия начала 60-х гг. как рубежа оформления постнеклассического, или современного,
естествознания служат расшифровка структуры ДНК и кодонов, создание теории регуляции активности генов,
разработка кварковой модели «элементарных» частиц, выход человека в околоземный космос. Имеет место
объединение принципов и методов отдельных наук, поворот к выбору общих объектов исследования. Так, живая
клетка и ее генные структуры исследуются методами радиографии, химии, физики, системного анализа,
кибернетики. Сформировалась космомикрофизика объединяющая интересы астрофизики и физики
элементарных частиц. К концу ХХ столетия фундаментальное значение приобретают исследования свойств
физического вакуума как формы существования и движения материи, изучение экстремальных состояний
вещества в центрах галактик, все большее развитие получают исследования объектов живой природы («умных»
генов, дефектов структуры ДНК и белков), процессов функционирования мозга и нервной системы,
исследования внутреннего мира человека. Наряду с дифференциацией наук, связанной с взрывообразным
ростом количества научной информации, имеет место и процесс интеграции наук.
Познание – сложный процесс деятельности человека по воспроизводству внешнего мира в виде познавательных
образов и активного их преобразования с целью создания картины действительности, необходимой для
удовлетворения практических потребностей.
Наука – система знаний об окружающем Мире, сфера исследовательской деятельности человека,
направленная на приобретение новых законов о природе. Начало науки идет от Аристотеля, который
выделил философию, науку и религию как самостоятельные формы познания.
Исторически наука разделена на две части: на естествознание и на гуманитарные науки. В основе
первой (системы наук) – окружающий материальный Мир (в том числе и живое, человек), а в основе второй –
духовный мир человека.
Искусственное отделение бытия от сознания, материи от духа привело к конфронтации двух
составляющих культуры, к отчуждению и даже идеологической борьбе между ними.
Цели науки – описание, объяснение, предсказание процессов и явлений действительности.
Критерии научности знания:
1)Объективность – независимость знания от личности учёного.
2)достоверность – обеспечивается рациональной критикой: неоднократные попытки поставить факт под
сомнение или его удостоверить остаются безуспешными.
3)точность – использование определённых формул и определение научного языка.
4)системность – данные разных наук должны дополнять друг друга.
Науковедение выделяет два принципа научности:
1. Принцип верификации (опытного подтверждения). Опыт – не только основа, но и критерий истинности
знаний.
2. Принцип фальсификации (сформулирован Поппером) Лишь те знания научны, которые в принципе
опровержимы.
Занятие наукой – это достаточно специфический род человеческой деятельности и этика науки изучает
специфику моральной регуляции в научной сфере.
Этика предполагает ответственность учебного использования результата научных исследований, при этом на
научные открытия не существует право собственности.
Критерием научного познания является истина — это знание, содержание которого не зависит от познающего
субъекта, оно обусловлено объектом познания, его свойствами и закономерностями.
Абсолютная истина – это объективная истина, которая содержит в себе полное и всестороннее значение
сущности предметов и явлений материального мира.
Относительная истина – ограниченное знание сущности предметов и явлений материального мира.
Абсолютная истина складывается из суммы относительных истин.
Псевдонаука:астрономия, алхимия, уфология, парапсихология, девиантная (отклоняющаяся от норм) наука –
это деятельность, которой занимаются обладатели учёных степеней и званий, в стенах призванных научных
учреждений, но с сознательным нарушением требований научного метода.
Псевдонаука является имитацией научной деятельности и имеет следующие отличительные признаки:
1. Фрагментарность
2. Не критический подход к научным данным
3. Отсутствие общих законов
4. Неверифицируемость, нефальцифицируемость данных и др.
Методология науки – наука о построении, формах и способах научного познания.
Методология (греч. – путь, учение) – способ достижения какой-либо цели, решение конкретной задачи,
совокупность приемов или операций практического или теоретического познания действительности.
В настоящее время одной из наиболее общепризнанных методологий научного исследования является
исторический диалектический материализм. Все категории диалектики применимы в методологии науки.
Философско-методологическая основа науки – теоретическое познание, обобщенные методы и приемы,
используемые наукой.
Гносеология – раздел теории познания, изучающий закономерности и возможности познания, вопросы
отношения знания к объективной реальности.
Метод («путь», «следование») – совокупность приемов и операций, необходимых для достижения желаемого
результата.
Научный метод – «инструмент», который исследователь прикладывает к предмету исследования,
руководствуясь определенной научной гипотезой.
Выделяются всеобщие методы (диалектика, метафизика), общенаучные методы (анализ-синтез,
индукция-дедукция), частно-научные методы (то, что используется в частных науках). Существует связь между
методом и формой научной информации о познавательном образе.
Методология научного познания тесно связана с формальной логикой, которая анализирует важнейшие
формы мышления (понятия, суждения, умозаключения), формулирует основные законы мышления, изучает
способы доказательства. Методология тесно связана с логикой, изучающей причины объективности, историзма,
восхождения от конкретного к абстрактному и т. д.
Чувственному и рациональному уровням психического восприятия соответствуют эмпирические и
теоретические уровни методов и форм научного познания.
Уровни методологического знания
В зависимости от общности методов можно выделить:
1. Уровень конкретных методик.
2. Уровень метода специальных наук и выявление их общетеоретических основ.
Уровень разработки методов познания, которые используются в разных науках и опираются на общие
закономерности. Научное знание независимо от его природы разделяется на эмпирические и
теоретические уровни, которые отличаются:
1. по объекту познания
2. эмпирические знания связаны с практикой, а теоретические не связаны
3. эмпирические знания носят функции обобщения и описания действительности, а теоретические
несут предсказание и объяснение действительности
Теория — «умозрение». Взаимосвязь этих знаний в том, что всякая теория строится на определенном
эмпирическом материале.
4. По уровню отражения действительности: эмпирические знания отражают внешние связи и явления, а
теоретические – сущность явлений разных порядков.
Эмпирический уровень познания
Эмпирическое исследование – деятельность, направленная на познание первичной опытной информации о
состоянии внешнего мира. Существенным признаком эмпирических исследований является взаимодействие
субъекта и объекта или наблюдения и предмета, который может быть непосредственным и опосредованным
(через посредника) различными экспериментальными средствами (приборы, установки).
Эмпирический уровень включает в себя непосредственно наблюдения явления, восприятие явлений
объективных действий, воздействие объекта на субъект или природы на человека.
Методы получения первичной информации:
1. наблюдение
2. эксперимент
3. измерение.
4. Эксперимент – чувственно-предметная деятельность нации (опыт, воспроизведение, проверка
гипотез).
1)эксперимент – активное целенаправленное строго контролируемое воздействие исследование на научный
объект в контрольных условиях. Тесно связан с наблюдением, измерением.
2)наблюдение – преднамеренное и целенаправленное изучение объекта, опирающееся на чувственную
способность человека, то есть на ощущение и восприятие.
3)измерение – определённое количественное значение, свойств, сторон, изучаемого объекта или явления с
помощью специальных технических устройств, а также проведения сравнения между изучаемым объектом и
известным объектом принятым за единицу сравнения(стандарт)
Результаты эмпирического исследования обрабатываются с использованием различных способов
обработки информации (методы, классификации, систематизации, группировки и т. д.), в итоге вырабатываются
эмпирические данные – первичный, “сырой” материал, полученный в ходе эмпирического исследования.
Эмпирические знания являются основной познавательной формой. Главные требования к
эмпирическим знаниям – достоверность, результативность – зависят от уровня экспериментальных
возможностей. Эмпирические данные не должны быть независимы от теории, но выражены на языке данной
теории. Зависят от уровня развития теории, в которой эти данные анализируются.
Результативность ограничена двумя уровнями:
- уровнем развития практики
- уровнем развития теории.
Факт – это то, что произошло, имело место. В принципе, не важно, зафиксирован факт или нет. Факты
фиксирует человек. В этом проявляются отношения субъекта и объекта.
Факты – специфические проявления. Они могут быть как предметными формами материи, так и
социальным действием личности.
Факт – нечто случайное, единичное, индивидуализированное, поскольку в фактах фиксируется не весь
процесс, а какой-то фрагмент, потому при обращении к фактам надо быть осторожными, т. к. всегда возникают
издержки, отдельные разрозненные факты, которые субъект может принять за всю их сумму и таким образом
отождествить частное, случайное с целым, закономерным. Произвольная выборка фактов для сопоставления с
какой-либо гипотезой может исказить реальное положение дела. Можно посчитать факт за истину или видимые
проявления принять за сущность яви. Фиксация факта связана с наличием экспериментально-измерительных
средств, методик, достоверных источников. Факты относительны, факт и закон – соотносительные
познавательные формы, поэтому факты являются формой проявления и сущности закона. Обобщение фактов
имеет смысл при создании закона, не факты нужно приспосабливать к законам, а закон должен выводить
(предсказывать) факты.
Эмпирический закон является высшей формой эмпирического знания. (Законы Ома, Ньютона) Цель
познания и практики – обнаружение и использование законов. Закон – необходимая, универсальная, всеобщая
относительно устойчивая и повторяющаяся связь между явлениями. Закон – форма всеобщности.
Основные группы законов:
– специфические (частные)
– общие
– всеобщие (универсальные).
Между ними существует глубокое диалектическое взаимоотношение (взаимосвязь). Общие действуют
через частные, а частные – это проявление общих. Законы носят объективный характер. Познание законов –
задача науки, основа преобразования природы и общества.
Различают эмпирические и теоретические законы. Эмпирический закон является заготовкой для
теоретического, но он ограничен, так как не дает фундаментального и всеобщего обоснования. Эмпирический
уровень – необходимый первичный уровень постижения мира, на этом уровне еще не раскрываются и не
обосновываются связи и отношения между предметами исследования – всеобщность и причинность связей.
Ограничение эмпирического уровня в том, что он не позволяет построить модель, которая могла бы дать
всестороннее объяснение реальности.
Методы теоретического исследования
Переход от эмпирического к теоретическому уровню представляет собой скачок в развитии познания. В
силу своей специфичности теоретический уровень имеет свои собственные формы отражения
действительности и методы.
Теоретический уровень:
1)анализ – процедура мысленного или реального разложения объекта на составные элементы с целью
определения их свойств.
2)синтез-операция с соединением выделенных с помощью анализа элементов изучаемого объекта в единое
целое.
3)индукция-метод получения знания, при котором общий вывод делается на основе обобщенных частных
предпосылок.
4)дедукция-метод движения знания от общего к частному.
5)аналогия – метод, при котором наличие сходства, признаков не тождественных объектов, позволяет сделать
предположение их сходства и в других признаках.
6)абстрагирование – метод, при котором отбрасываются ненужные несущественные дополнения и делают
общий вывод, отражающий суть происходящего процесса или явления.
7)моделирование – метод замещения изучаемого объекта подобных ему по ряду интересующих исследования
свойств и характеристик.
Гипотеза – научные предположения, объясняющие причины данной совокупности явления.
Закон – существенное необходимое устойчиво-повторяющаяся связь явлений, то есть нечто общее для того или
иного фрагмента реальности.
Требования к научным гипотезам: соответствие эмпирическим фактам, проверяемость (принципы
верификации и фальсификации), научная теория. Следует помнить, что существует область применимости
теории, принцип соответствия как способ преемственности научных знаний.
Средства и приемы построения теории следующие:
1. Абстрагирование – мысленное отбрасывание тех свойств и связей, которые не существенны для цели
исследования
2. Идеализация – мысленное конструирование таких объектов, которых не существует в
действительности, но с помощью которых можно изучать отношения между реальными объектами, событиями
С помощью абстрагирования и идеализации проводят мысленный эксперимент.
Теория (греч. – умозрение (умозреть с помощью мышления)) – важнейший элемент теоретического
познания, высшая форма научного знания. Природу теории можно понять исходя из трех уровней понимания:
– общее понимание теории как способа организации знаний, системы связи, достоверности,
обоснованности положений, опосредованно – идеализированного отображения действительности;
– тип теории: с помощью этого уровня фиксируется то общее, что присуще теориям отдельных наук
(естествознание, история, математика);
– индивидуальная теория: с помощью этого уровня фиксируется существование большого разнообразия
конкретных теорий (общенаучных, естественнонаучных).
Структура теории
Внутренняя структура включает эмпирический базис (основу), теоретический базис, формальнологический аппарат, т. е. определенные правила, выводы, математический формализм, логические критерии
истинности, логически возможные средства, которые допускают эмпирическую проверку.
Внешняя структура образует структурную систему взаимоотношений теории с другими
познавательными формами.
Логическое и историческое рассмотрение теории показывает, что более общие теории включают в себя
предшествующие частные теории, как частный предельный случай (принцип соответствия).
Вопрос – форма познания, которая выражает требование найти неизвестное, получить информацию о
каком-либо объекте. Постановка вопроса и поиск ответа на него – особая форма развития познания.
Проблема – вопрос, который не разрешен в рамках данной теории. Проблема возникает в случае
множества решений и существует необходимость выбора одного из них. Неизвестное – важнейший элемент
проблемы.
Гипотеза – предположительное суждение о закономерной (причинной) связи явлений. Роль гипотезы
связана с двумя обстоятельствами:
1. Гипотеза выступает как форма перехода знаний от эмпирических к теоретическим. Факты – гипотеза
– теория.
2. Гипотеза в широком смысле представляет собой прорыв в неизвестное и является передним краем
науки.
Связь методологии с формальной логикой
Основу формальной логики составляют:
1. Понятие – одна из форм отражения мира в мышлении, с помощью которой познается сущность
явления.
2. Суждение – высказывание, мысль.
3. Умозаключение – умственное действие на основе индивидуального сознания, определенные нормы,
выводы.
Методы:
Аксиоматический метод – способ построения научной теории в виде аксиом, путем дедукции.
Дедукция – умозаключение от общего к частному.
Индукция – умозаключение от фактов к гипотезе.
Анализ (разложение) – расчленение мысли на отдельные элементы. Анализ связан с синтезом.
Синтез – метод познания (соединение).
Моделирование (модель, мера, образец) – это теоретический образ, используемый в качестве
“заместителя” и “представителя” какого-либо процесса, явления или объекта.
Широко распространенным методом является глобальное моделирование, математическое, аналоговое,
машиностроительное моделирование.
Перечисленные методы исследования используются в совокупности, комплексе.
Итоги:существует эмпирический и теоретический уровни познания. Методы научного познания: наблюдение,
измерение, индукция, дедукция, анализ, синтез, абстрагирование, моделирование, эксперимент, гипотеза.
Общенаучные методы применяются в различных научных областях и их классификация связана с понятием
уровня научного познания
2. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
Английский физик и философ Ч. Сноу утверждал, что в мире возникают две культуры - естественников
и гуманитариев (от латинского homo - человек, гуманитарное знание - знание о человеке). Пропасть между
ними все время углубляется и расширяется, поскольку духовное и физическое необъединимы. По мнению Ч.
Сноу, представители "двух культур" - научно-технической и художественно-гуманитарной, разделены настолько
в современном мире, что не понимают друг друга (вспомним дискуссии между "физиками" и "лириками" в
нашей печати 60-х годов).
Культура – совокупность социально-значимой информации, определяющей: деятельность, поведение и общение
людей и представленной различными формами, то есть результат человеческой деятельности.
К естественнонаучной культуре относится информация, создаваемая в процессе научного познания природой
в гуманитарной культуре – информация, получаемая в процессе познания человека (нормы, идеалы,
гуманитарные ценности).
Взаимосвязь двух культур основана на следующем:
1) они имеют общую культурную основу
2) имеют взаимную координацию в общей системе духовной деятельности
3) является элементами единой системы знаний
4) стимулируют появление новых междисциплинарных отраслей знаний, на стыке естественных и
гуманитарных наук.
В современной науке все научные дисциплины делятся на 2 группы:
1) естественные науки: физика, химия, биология, геология, экология, астрономия.
Общим языком естественных наук является математика. Общие тенденции для естественных наук является
интеграция.
Естествознание – это система наук о природе, для него характерны следующие функции:
1.объяснительная – объясняет законы природы и явления.
2.описательная - не только объяснить, но и описать те явления с которыми работают.
3.прогностическая – прогнозирование явлений
4.мировоззренческая – направлена на выработку естественно- научной картины мира.
5.систематизирующая – систематизация собранного материала.
6.производственно-практическая – реализующая связь теории с практикой.
2) общественные науки, они имеют дело с той частью бытия, которые включают все проявления соц жизни:
мысли, деятельность, ценности, соц организации и т.д.
-социальные научные дисциплины (экономика, социология, политология, демография и т.д.)
-гуманитарные науки (дисциплины) (философия, история, культурология, правоведение и т.д.).
Гуманитарные науки
Гуманитарно-художественная культура, её основные отличия от научно-технической:
- субъективность знания
- нестрогий образный язык
- интерес к индивидуальным свойствам изучаемых предметов
- сложность (или невозможность) верификации и фальсификации
Наука, философия, религия, искусство – способы познания мира.
Искусство – особая форма познания, осмысления, оценки, интерпретации окружающего мира. Смысл
искусства – воспроизводство тех или иных сторон реальности для постижения истины. Предмет искусства –
этические, эстетические вопросы, личные переживания человека и т. д. Наука и искусство различаются
предметом, языком, фактами, методами. Предмет искусства – это этические, эстетические вопросы, личные
переживания человека и т. д.
Философское осмысление является метауровнем по отношению к научной рефлексии мира. Можно
проследить тесную взаимосвязь науки и философии (информация, энергия, виртуальная реальность сперва
появились в науке, затем в философии).
3. Развитие научных исследовательских программ и картин мира (история естествознания, тенденции
развития)
Научная (исследовательская) программа (по Лакатосу) является структурно-динамической единицей его
модели науки; совокупность и последовательность теорий, связанных непрерывно развивающимся основанием,
общностью основополагающих идей и принципов.
Проблема роста научного знания всегда занимала умы учёных и мыслителей, независимо от их
взглядов и пристрастий или принадлежности к различным направлениям науки или религии. В некоторых
случаях данная проблема является ключевой для всей системы тех или иных научных изысканий. Иногда эта
проблема, являясь узловым пунктом размышлений, не осознаётся в качестве таковой, и исследователь
обращается к изучению более частных и прикладных вопросов, не отдавая себе отчёта в том, что они всего
лишь начальные ступеньки на пути восхождения к центральной для всей философии науки и современной
гносеологии проблемы роста знания.
Можно говорить о появлении науки именно в Древней Греции. Проходило это в форме научной
программы рационального объяснения мира.
Первой научной программой стала математическая программа, представленная Пифагором и позднее
развитая Платоном. В ее основе, как и в основе других античных программ, лежит представление о том, что
Космос - это упорядоченное выражение целого ряда первоначальных сущностей, которые можно постигать поразному. Пифагор нашел эти сущности в числах и представил в качестве первоосновы мира. При этом числа
вовсе не являются теми кирпичиками мироздания, из которых состоят все вещи. Вещи не равны числам, а
подобны им, основаны на количественных отношениях действительности, являющихся подлинно
фундаментальными. Картина мира, представленная пифагорейцами, поражала своей гармонией -протяженный
мир тел, подчиненный законам геометрии, движение небесных тел по математическим законам, закон прекрасно
устроенного человеческого тела, данный каноном Поликлета.
Следующий шаг в направлении формирования этой программы сделали софисты и элеаты, впервые
поставившие проблемы человеческого познания, а также разработавшие теорию доказательств. Они заявили,
что ум человека - это не просто зеркало, пассивно отражающее природу, он накладывает свой отпечаток на мир,
активно формируя его картину.
Свое завершение математическая программа получила в философии Платона, который нарисовал
грандиозную картину истинного мира - мира идей, представляющего собой иерархически упорядоченную
структуру. Мир вещей, в котором мы живем, возникает, подражая миру идей, из мертвой, косной материи,
творцом всего является Бог-демиург (творец, создатель). При этом созидание им мира идет на основе
математических закономерностей, которые Платон и пытался вычленить, тем самым математизируя физику. В
Новое время именно по этому пути пойдет наука. Но это будет осуществляться уже на новом, более высоком
уровне знаний о природе. А пока - платоновская физика представляет собой набор умозрительных рассуждений
о связи строения вещества с геометрическими фигурами (огонь, как самое подвижное и «острое», состоит из
пирамид; воздух - из восьмигранников, вода - из двадцатигранников и т.д.).
Можно выделить основные позиции этой научной программы, ставшей такой важной в Новое время
после появления математизированной науки. Эта программа заложила основы развития естествознания,
опираясь не на материальные структуры вещества, а на числовые закономерности, на законы бытия. Согласно
этой программе:
1. Мир - это упорядоченный Космос, чей порядок сродни порядку внутри человеческого разума.
Следовательно, возможен рациональный анализ эмпирического мира.
2. Упорядоченность Космоса является следствием существования некоего всепроникающего разума,
наделившего природу назначением и целью. В силу родства разумов (надмирового и человеческого), он
доступен непосредственному восприятию человека, который должен для этого развить соответствующие
способности, сосредоточив свои силы.
3. Умственный анализ обнаруживает за видимым миром некий вневременной порядок, сущность нашего
мира - количественные отношения действительности.
4. Познание сущности мира требует от человека сознательного развития его познавательных
способностей - разума, интуиции, опыта, оценки, памяти, нравственности (ибо познание конечных причин
бытия — глубочайшая потребность не только ума, но и души). Итогом познания становится духовное
освобождение человека.
Второй научной программой античности, оказавшей громадное влияние на все последующее развитие
науки, стал атомизм. Он стал итогом развития греческой философской традиции, синтезом целого ряда ее
тенденций и идейных установок. Своими корнями он уходит в ионийскую физику, пифагореизм, философию
элеатов. Проблемы бытия и небытия (пустоты), существования и возникновения, множества и числа, делимости
и качества - все эти проблемы, затронутые предыдущими школами, нашли свое отражение в системе атомизма.
Основателями его стали Левкипп и Демокрит.
На первый взгляд, учение атомизма предельно просто. Начала всего сущего - это неделимые частицыатомы и пустота. Ничто не возникает из несуществующего и не уходит в небытие. Возникновение вещей есть
соединение атомов, а уничтожение — распад на части, в пределе — на атомы. Причиной возникновения
является вихрь, собирающий атомы вместе.
Атомизм является физической программой, так как наука, по Демокриту, должна объяснить явления
физического мира. Объяснение понимается как указание на механические причины всех возможных изменений
в природе - движение атомов. Более глубоких причин, принадлежащих какой-то реальности, не доступной
обычному восприятию, нет. Причины естественных явлений безличны и имеют физическую природу, их
следует искать в земном мире. Познание мира идет путем сочетания чувственного опыта и его рационального
преобразования.
Это была первая в истории мысли программа, основанная на методологическом требовании объяснения
целого как суммы отдельных составляющих его частей. Именно так были построены не только физические, но
многие психологические и социологические теории Нового времени. По сути дела, это означало появление
механистического метода, требовавшего объяснять сущность природных процессов механическим соединением
индивидуумов.
Программа Аристотеля стала третьей научной программой античности. Она возникла на переломе эпох.
С одной стороны, она еще близка к античной классике с ее стремлением к целостному философскому
осмыслению действительности (при этом она пытается найти компромисс между двумя предыдущими
программами). С другой, в ней отчетливо проявляются эллинистические тенденции к выделению отдельных
направлений исследования в относительно самостоятельные науки, со своими предметом и методом.
Пытаясь найти третий путь, возражая и Демокриту, и Платону с Пифагором, Аристотель отказывается
признать существование идей или математических объектов, существующих независимо от вещей. Но не
устраивает его и демокритовское появление вещей из атомов. Пытаясь снять это противоречие, Аристотель
предлагает четыре причины бытия: формальную, материальную, действующую и целевую. В его «Метафизике»
воссоздается мир как целостное, естественно возникшее образование, имеющее причины в себе самом. Это
образование предстает перед нами в виде двойственного мира, имеющего неизменную основу, но
проявляющегося через подвижную эмпирическую видимость. Предметом науки должны стать вещи
умопостигаемые, не подвластные сиюминутным изменениям. Заслугой Аристотеля является и написание его
знаменитого «Органона» - трактата по логике, поставившего науку на прочный фундамент логически
обоснованного мышления с использованием понятийно-категориального аппарата. Кроме того, Аристотель
систематизировал накопленные к этому времени научные знания.
Таковы три основные научные программы античного мира, заложившие основы науки вообще. Все
дальнейшее развитие науки по сути было развитием и преобразованием этих научных программ. Это еще не
наука в современном смысле слова: еще нет понятия универсального природного закона; еще невозможно
применение математики в рамках физики - это разные науки, между которыми нет точек соприкосновения; еще
нет эксперимента как искусственного воспроизведения природных явлений, при котором устраняются
побочные и несущественные эффекты и который имеет своей целью подтвердить или опровергнуть то или иное
теоретическое предположение. Естествознание греков было абстрактно-объяснительным, лишенным
деятельного, созидательного компонента.
Принцип причинности в первоначальной форме (каждое событие имеет естественную причину) и его
позднейшее уточнение (причина должна предшествовать следствию).
Атомистическая исследовательская программа Левкиппа и Демокрита: всё состоит из дискретных
атомов; всё сводится к перемещению атомов в пустоте.
Континуальная исследовательская программа Аристотеля: всё формируется из непрерывной бесконечно
делимой материи, не оставляющей места пустоте. Взаимодополнительность атомистической и континуальной
исследовательских программ.
Периоды и этапы истории естествознания
Первый период становления естествознания относится к VII-IV вв. до н.э. Это период античной
натурфилософии, которая представляет собой попытку использовать общие философские принципы для
объяснения явлений природы. Явления природы объяснялись с помощью априорных, не связанных с опытом и
наблюдениями, чисто умозрительных схем. Демокрит и Аристотель обобщили античную натурфилософию и
сформулировали две концепции взглядов на окружающий мир. Демокрит считал, что материя существует из
вещества, вещество состоит из атомов и пустоты. Не существует ничего, кроме атомов и пустого пространства.
Атомы бесконечны в числе и различны по форме и величине Они неделимы, непроницаемы, качественно
неизменны и неуничтожаемы, т.е. вечны. Форма и величина единственно объективные свойства атомов, их
первичные и реальные особенности. Из атомов слагаются все тела, на атомы же они распадаются. Разнообразие
тел обусловлено разнообразием тех комбинаций, в которые вступают атомы, образующие каждое такое тело:
величина и форма атомов, их число и расположение - вот подлинный источник разнообразия тел. Атомы
подвижны; и все, что наблюдаем мы в космосе - одна лишь механика самоподвижных, не нуждающихся ни в
каком толчке извне атомов. Вопрос о происхождении атомов не занимал Демокрита, для него он просто не
существовал, т.к. то, что вечно, не может иметь ни начала, ни конца. В такой же мере несостоятельной являлась
для него и проблема об источнике движения атомов: зачем, в самом деле, говорить о происхождении того, что
рассматривается как неотъемлемое, первичное свойство атомов. Это корпускулярная концепция строения
материи. Возникновение мира и Вселенной Демокрит объяснял следующим образом. В вечном падении в
бесконечное пространство большие, наиболее подвижные атомы ударяются об атомы меньших размеров, и
возникающие при этом боковые и круговращательные движения дают начало многочисленным мирам с одной
или несколькими Лунами, с Солнцем и без Солнца, обитаемым и необитаемым. Они возникают и разрушаются,
чтобы возникнуть вновь и вновь разрушаться; - и так без конца, повинуясь лишь изначальной необходимости.
Ибо, говорит Демокрит, «ничто не происходит случайно, но все совершается по некоторой причине и
необходимости».
Аристотель считал также, что мир материален, но объективно существуют конкретные вещи, предметы.
Материя — некая субстанция, из которой при определенных условиях могут возникнуть те или иные предметы.
Реальные тела можно дробить непрерывно до бесконечности. Это континуальная концепция строения материи.
Первым стал рассматривать движение в пространстве и времени, ввел понятие естественного и
насильственного движения. Он считал «совершенным» движение по кругу. Мир возник в результате создания
его богом. Вселенная конечна во времени и пространстве. В центре Вселенной находится Земля, вокруг которой
вращаются сферы, на которых находятся Луна, Солнце, планеты, на самой далекой сфере — звезды небосвода.
Это геоцентрическая система мира, которую в дальнейшем развивал Птолемей. Вся природа - и органическая, и
неорганическая — Аристотелю представлялась как нечто единое по общей тенденции своей. Она исполнена
стремления к совершенству, к «благу». Жизнь в зачаточной форме имеет место уже в неорганической природе.
Примитивные формы жизни, возникшие самопроизвольно, стремятся к лучшему: камень стремится к жизни
растения, растение — к жизни животного, животное — к жизни человека, а человек к идеальной жизни
божества, воплощающего высшее благо. Аристотелем была предложена классификация животных, которая
вплоть до Линнея пользовалась авторитетом. Группировку животных проводил не только по сходству, но и по
родству. При этом первое место уделял основным морфологическим особенностям, отличая их от вторичных
признаков. Всех животных разделил на две группы: кровяные и бескровные. К группе кровяных он относил
животных, имеющих кровь, 2 или 4 ноги, живородящих, а также птиц, четырехногих и безногих яйценесущих,
рыб и на вершине кровяных - человек. Ко второй группе отнесены животные, имеющие лимфу, более четырех
ног, мягкотелые, панцирные, моллюски, насекомые, пауки и черви. Аристотель может быть назван и
основателем сравнительной анатомии. Он не только описывает животных, но отвечает на вопросы как? для
чего? и почему? Отсюда - впервые набросанное им учение об аналогичных и гомологичных частях тела и
стремление связать строение животных с их отправлениями, с их образом жизни и психическими
особенностями. Другое сравнительно-анатомическое обобщение, которое можно назвать черновым наброском
закона корреляции: «Природа не может направить один и тот же материал одновременно в различные места …
Расщедрившись в одном направлении, она экономит в другом… Изменение в одном органе вызывает перемены
в другом». Например, связь между сплошным зубным аппаратом и отсутствием рогов, отсутствие резцов в
верхней части челюсти при наличии сложного желудка у жвачных и др.
Греческая цивилизация погибла под натиском римских и мусульманских завоевателей. Римляне в
отличие от греков не оставили после себя в области естествознания самостоятельных теоретических работ
сколь-нибудь крупного значения. Римляне устремили свое внимание к прикладным знаниям: военная техника,
гидротехника, строительное дело, география и др. Область практического применения математики
расширилась, в особенности за счет применения в астрономии, в частности необходимая для астрономии
тригонометрия.
В Средневековье наука находилась в полной зависимости от богословия и схоластики. Для этого
времени типичны астрология, алхимия, магия, кабалистика, другие проявления оккультизма, тайного знания.
Но, тем не менее, медленно и постепенно накапливались новые факты, и оттачивалась логика теоретического
мышления.
Историю алхимии обычно начинают с IV в. н.э. В течение примерно тысячелетия алхимики пытались с
помощью химических реакций, протекающих в сопровождении специфических заклинаний, получить
философский камень, способствующий превращению любого вещества в золото, приготовить эликсир
долголетия, создать универсальный растворитель. В качестве побочных продуктов их деятельности появились
многие научные открытия, решения практически важных задач, были созданы технологии получения красок,
стекол, лекарств, сплавов, разнообразных химических веществ и т.д. Алхимические исследования,
несостоятельные теоретически, весьма способствовали развитию экспериментального естествознания. Алхимия
продолжила практическую химию и практическую металлургию древних египтян. Но до распространения
христианства ни в Греции, ни в Риме собственно алхимические исследования не проводились. Алхимия
возникла с приданием химической и металлургической практике мистического характера, с установлением
связи практики с астрологией и магией. Установили связь между священным числом 7 и тем, что известных
металлов - тоже 7 (а также, что цветов спектра - 7, нот - тоже 7 и некоторые другие соответствия).
Особую роль в развитии естествознания X--XII вв. сыграли мыслители арабско-мусульманского мира: иранский
врач и химик Ибн-Закария аль-Рази, среднеазиатский ученый Аль-Фа-раби, ирано-таджикский философ,
ученый-медик и врач Ибн-Сина (Авиценна), ирано-таджикский математик, астроном, поэт и мыслитель Омар
Хайям, арабский философ и врач Ибн-Рошд (Аверроэс). Арабские мыслители в большей мере сохранили связь с
античной философией и наукой, в первую очередь с учением Аристотеля.
В XVI-XVII вв. натурфилософское и во многом схоластическое познание природы превратилось в
современное естествознание, в систематическое научное познание на базе экспериментов и математического
изложения полученных результатов. В это время в механике совершилась настоящая революция, главную роль в
которой сыграли Г. Галилей и И. Ньютон.
Революция в науке, как и в любой другой сфере, - это коренная ломка, глубокое преобразование ее
теоретического содержания и методов познания. Если натурфилософы со времен Аристотеля считали, что ни
одно тело не переходит из состояния покоя в движение без действия силы, а всякое движение может
прекратиться само собой, то Галилей в открытом им законе инерции установил равноправие покоя и
равномерного прямолинейного движения, показав, что ни одно тело не может изменить своей скорости (ни ее
величину, ни направление) без действия силы. Закон инерции не опирается на повседневный опыт, он
сформулирован на основе мысленного эксперимента с идеализированными объектами (например, с идеально
гладкой поверхностью, движение по которой не сопровождалось бы трением). Этот закон открыт чисто
теоретическим путем. Натурфилософы Древней Греции стали первыми теоретиками в понимании
естественного единства мира в целом; Галилей первым возвел механику на уровень теоретической науки. От
здравого смысла через эксперимент к идеализациям, а от них к теории, проверяемой на практике, -- таков путь
физики к научному познанию движения тел.
В книге «Об обращениях небесных сфер» польский астроном Н. Коперник отказался от традиционной
геоцентрической (с Землей в центре Вселенной) модели мира. Он настаивал на гелиоцентрической (с Солнцем
как центром Вселенной) модели. В то время это означало настоящую мировоззренческую революцию.
Итальянский философ Дж. Бруно, развивая идеи Н. Коперника, доказывал, что у Вселенной нет центра, она
беспредельна и состоит из бесконечного множества звездных систем. Теорию Н. Коперника и идеи Дж. Бруно
подтвердили открытия Г. Галилея, сделанные с помощью изобретенного им телескопа. Галилей обнаружил
кратеры и хребты на Луне, разглядел бесчисленные скопления звезд, образующих Млечный путь, увидел
спутники Юпитера, пятна на Солнце. Его называли «Колумбом неба». Немецкий астроном И. Кеплер открыл
законы движения планет Солнечной системы. Эти открытия убедительно подтвердили теорию Коперника. Его
идеи стали быстро распространяться. Римская церковь уже не могла пренебрежительно относиться к учению
Коперника как к гипотезе, которую невозможно доказать, и запретила пропаганду его взглядов, внеся в 1616 г.
его книгу в «Список запретных книг».
В 1633 г. состоялся суд римской инквизиции и над Галилеем. Формально он отрекся от своих якобы
«заблуждений», но фактически новые научные представления одержали победу. Галилей и Кеплер придали
понятию закона природы строго научное содержание, освободив его от элементов антропоморфизма.
В конце XVII в. произошла революция в математике. Английский ученый И. Ньютон и независимо от него
немецкий математик и философ Г. Лейбниц разработали принципы интегрального и дифференциального
исчисления. Эти исследования стали основой математического анализа и математической базой всего
современного естествознания. Еще раньше, в середине XVII в. трудами Р. Декарта и П. Ферма были заложены
основы аналитической геометрии, что позволило переводить геометрические задачи на язык алгебры с
помощью метода координат.
Дифференциальное исчисление дало возможность математически описывать не только устойчивые
состояния тел, но и текущие процессы, не только покой, но и движение. В этот период господствующим стал
аналитический метод познания процессов, в основе которого -- расчленение целого для отыскания неизменных
основ этих процессов. Возникли представления о неизменности природы, о невесомых «материях»
(разнообразных флюидах, теплороде, флогистоне). Все эти знания сочетались с идеей первотолчка,
божественного акта творения (либо по отношению ко всей природе -- в механике И. Ньютона, либо по
отношению к биологическим видам - у К. Линнея и т.п.).
С середины XVIII в. естествознание стало все больше проникаться идеями эволюционного развития
явлений природы. Значительную роль в этом сыграли труды М.В. Ломоносова, И. Канта, П.С. Лапласа, в
которых развивалась гипотеза естественного происхождения Солнечной системы, в работах К.Ф. Вольфа,
выдвинувшего идею развития в биологии, а также труды других ученых.
Великий русский ученый М.В. Ломоносов (1711--1765) удачно совмещал теоретические и
экспериментальные исследования. Для него был характерен «метод философствования, опирающийся на
атомы». За 48 лет до французского физика и химика А. Лавуазье (казненного в годы Великой Французской
революции) М.В. Ломоносов экспериментально открыл и теоретически обосновал закон сохранения вещества,
высказав при этом и идею закона сохранения движения. Он разрабатывал механическую теорию теплоты,
объясняя ее вращательным движением корпускул (молекул), кинетическую теорию газа, волновую теорию
света, исследовал грозовые электрические явления, природу северного сияния. Грозовые разряды он объяснял
трением восходящих тепловых и нисходящих холодных потоков воздуха. Ломоносов доказал наличие
атмосферы у Венеры. Изучая земные слои, он обосновывал оригинальные эволюционные идеи об образовании
гор, руд, каменного угля, торфа, нефти, почв, янтаря. Ученый предполагал существование жизни на других
планетах. Большое внимание энтузиаст науки уделял методологии познания, подчеркивая единство теории и
опыта, необходимость их опоры друг на друга. Будучи страстным патриотом, он не щадил сил в отстаивании
интересов России.
Традиция бескорыстного служения Родине вообще характерна для выдающихся русских ученых -- Н.И.
Лобачевского, Н.И. Пирогова, Д.И. Менделеева, И.П. Павлова, Н.И. Вавилова, СИ. Вавилова, В.И. Вернадского,
К.Э. Циолковского, СП. Королева, И.В. Курчатова, М.В. Келдыша и многих других.
Вплоть до конца XIX в. на базе классической механики Галилея — Ньютона развивались все
естественные науки. В XIX в. вслед за механикой теоретическими науками стали химия, термодинамика, учение
об электричестве. Теоретизация химии связана в первую очередь с исследованиями англичанина Дж. Дальтона,
сознательно положившего в основу теоретического объяснения химических изменений вещества
атомистическую идею и придавшего этой идее вид конкретной научной гипотезы. Это стало началом
химического этапа развития атомистики. В 1861 г. русский химик А.М. Бутлеров сформулировал основные
положения теории химического строения молекул, а в 1869 г. Д.И. Менделеев открыл Периодический закон
химических элементов. Он догадывался, что причины периодической зависимости элементов надо искать во
внутреннем строении атомов. В 70-х годах Д.И. Менделеев выдвинул гипотезу, что атом состоит из более
мелких частей. Но потом, когда факты, свидетельствующие о разложимости атомов, стали накапливаться, он
почему-то стал противником этой идеи. Вот пример противоречивости, непоследовательности развития научной
мысли.
Другим примером сложности, многовариантности познания природы может служить факт
противоположного отношения A.M. Бутлерова и Д.И. Менделеева к спиритическим опытам. Первый вполне
доверял им, а второй из знакомства с ними сделал в 1876 г. четкий, бескомпромиссный вывод: «Спиритические
явления происходят от бессознательных движений или от сознательного обмана, а спиритическое учение есть
суеверие». Д.И. Менделееву было ясно, что в качестве духов выступают сами медиумы (организаторы, ведущие
спиритических сеансов). В связи с этим он язвительно отмечал, что «духи» чрезвычайно вежливы: например, в
присутствии дам они никогда не затрагивают вопросов о возрасте участников спиритических сеансов, что
«духи» ограничены уровнем умственного развития медиумов и не могут сообщить ничего нового по сравнению
с тем, что известно среднему медиуму.
Трудами большой группы ученых (Н. Карно, Ю.Р. Майера, Г. Гельмгольца, Р. Клаузиуса, У. Томсона, В.
Нернста и других) были установлены основные законы (принципы, начала) термодинамики. Один из них —
закон сохранения (и превращения, как добавил Ф. Энгельс) энергии — проиобрел значение общенаучного
закона. М. Фарадей и Дж.К. Максвелл заложили начало учения об электромагнитном поле. Для развития
теоретического мышления в биологии важное значение имели клеточная теория Т. Шванна, М. Шлейдена, Я.Э.
Пуркинье и эволюционное учение Ч. Дарвина. Биология XIX в. (вместе с геологией) ярко продемонстрировала
значение эволюционных идей.
Выдающиеся заслуги в развитии биологии принадлежат русским ученым П.Ф. Горянинову (одному из
создателей клеточной теории строения организмов), эволюционистам К.Ф. Рулье, А.Н. Бекетову и И.И.
Мечникову. Основополагающие открытия в физиологии высшей нервной деятельности совершил И.М. Сеченов.
Его учение о механизмах деятельности головного мозга было развито работами великого исследователя И.П.
Павлова. И.М. Сеченов (1829--1905) доказал, что в основе психических явлений лежат физиологические
процессы. Если Р. Декарт осознал рефлекторный характер непроизвольных движений, управляемых спинным
мозгом, то И.М. Сеченов первым высказал идею о рефлекторном характере произвольных движений,
управляемых головным мозгом. Продолжением этой идеи явилось открытие И.П. Павловым (1855-1935)
условных рефлексов. И.М. Сеченов доказал, что раздражение определенных центров в головном мозгу тормозит
деятельность центров спинного мозга. Благодаря И.М. Сеченову головной мозг стал предметом
экспериментального исследования, а психические явления начали получать материалистическое объяснение в
конкретной научной форме.
В начале XX в. в физике и естествознании в целом произошла вторая крупнейшая революция,
приведшая к признанию релятивистской и квантовомеханической картины мира. Этому способствовали
открытия: электромагнитных волн (Г. Герц), рентгеновских лучей (по имени первооткрывателя В. Рентгена),
радиоактивности (А. Беккерель), радия (М. Кюри-Склодовская и П. Кюри), светового давления (П.Н. Лебедев),
первых положений квантовой теории (М. Планк) и других явлений.
Современный этап научно-технического развития заключается в том, что наряду с продолжающейся
специализацией науки и техники новые продуктивные идеи и направления появляются главным образом на
стыке традиционных научных и технических направлений, другими словами, современная наука и техника
стремятся к междисциплинарности. Поэтому обращение современной науки к смежным научным областям,
искусству, истории культуры, а также постоянная рефлексия методологических оснований исследований и
разработок, стремление к демократизации и плюрализму мнений являются характерными чертами
современного научного комплексного исследования и системного проектирования. Современное научнотехническое развитие становится в промышленно развитых странах системой с рефлексией. Это означает
параллельное институциональное развитие оценки последствий внедрения результатов научных исследований и
разработанной на их основе новой техники и технологии, социально-экологической экспертизы научных,
технических и хозяйственных проектов.
Важнейшим основанием такой деятельности является идея необходимости научной и информационной
поддержки лиц, принимающих решения, на основе оценки и сравнения альтернатив. В трудных ситуациях
выбора на помощь руководителю все чаще приходят консультанты, владеющие специальными методами. Их
задача состоит не в подмене руководителя, а в усилении его возможностей. Консультанты помогают
руководителям получить информацию, необходимую для принятия решений, и тщательно ее проанализировать.
Они помогают руководителям принимать более обоснованные решения. Речь идет фактически о системном
анализе и прогнозировании развития больших научных, технических, хозяйственных комплексов,
экологических и других систем и областей промышленности.
Цель курса КСЕ – формирование естественно-научной картины мира (ЕНКМ), которая определяет
научное мировоззрение. Мировоззрение составляет основу прогностической и практической деятельности
человека по взаимодействию с окружающим миром и его преобразованию. Образ мира человека фиксируется на
нейронной модели мозга, следовательно, насколько адекватно, насколько истинно человек представляет себе
окружающий мир, насколько гармонично он с ним взаимодействует.
Научная картина мира — система взглядов на Мир, опирающихся на достижения науки, является
основой научного мировоззрения. Картина мира – совокупность мировоззренческих знаний о мире. В свою
очередь мировоззрение определяет практическую деятельность человечества по взаимодействию с окружающей
средой и ее преобразованию. Научная картина мира занимает важное место в системе теоретических знаний,
обладает достаточно сложной структурой, распадаясь на общую и специальные картины мира. При этом общая
картина мира связана со специально-теоретическими схемами через специальные картины мира. Общенаучная
единая картина мира (ОЕКМ) — результат синтеза знаний, полученных в разных науках и содержит
представления о мире в рамках той или иной исторической эпохи. Она включает в себя общие сведения как о
природе, так и об обществе. Пример частно-научной картины мира - физическая картина мира (ФКМ). В физике
существовало несколько различных картин мира: механическая, электродинамическая, квантоворелятивистская. ФКМ – представления о мире и его процессах, вырабатываемые физикой на основе
эмпирических исследований и теоретическом их осмыслении.
Фундаментальные вопросы, на которые отвечает научная картина мира:
1. о материи
2. о движении
1. о взаимодействии
 о пространстве и времени
1. о причинности, закономерности и случайности
1. о космологии (общем устройстве и происхождении мира)
Исторически первой была натурфилософская картина мира Аристотеля.
Научные картины мира: механическая, электромагнитная, неклассическая (1-я половина XX в.),
современная эволюционная
В середине 17 века трудами Галилео , Ньютона, Кеплера и др. были созданы предпосылки для формирования
механистической картины мира (МКМ).
Механическая картина мира: единственная форма материи – вещество, состоящее из дискретных корпускул
- возникновение концепции взаимодействия (третий закон Ньютона)
- открытие фундаментального взаимодействия (закон всемирного тяготения)
- принятие концепции дальнодействия (мгновенной передачи взаимодействия через пустоту на любые
расстояния)
Основные положения МКМ:
1) пространство трёхмерно и евклидово и траектория тел при движении подчиняется геометрии Евклида.
2) Время и пространство абсолютны и не оказывают влияния не тела, размещённые в них.
3) Сила тяготения распространяется в пространстве с бесконечной скоростью и не меняет ход времени.
4) Можно проанализировать прошлое и предсказать будущее состояние системы, так как изменение знака
времени в уравнении Ньютона не оказывает влияния на движение
5) Всё в мире предопределено и детерминировано; мир можно представить как строение механических часов.
6) В философии преобладает редукционизм (т.е. стремление свести сложные явления к простому) и
метафизическое мышление
7) Создаётся космогония солнечной системы (гелиоцентрическая солнечная система)
8) В рамках МКМ были открыты законы взаимодействия электрических зарядов и точечных магнитных
полюсов. Закон сохранения и превращения энергии.
Электромагнитная картина мира:
1. две формы материи — вещество и непрерывное электромагнитное поле
2. открытие второго фундаментального взаимодействия (электромагнитное)
1. возврат к концепции близкодействия (взаимодействие передаётся только через материального
посредника
2. физическое поле — с конечной скоростью)
3. полевой механизм передачи взаимодействий (заряд создаёт соответствующее поле, которое действует
на соответствующие заряды)
4. Волна как распространяющееся возмущение физического поля
ЭМКМ возникает на основе работ Лоренца, Максвелла, Фарадея в 19веке.
Основные положения ЭМКМ:
- основано на идее движения атома
-на континуальном понимании материи
-на понятии близкодействия
-на 5 уравнениях Максвелла, объяснивших возникновение и существование электромагнитного поля
В конце 19века Лоренц предпринял попытку соединить идею поля и идею частиц, но она оказалась
безуспешна, и проблема была решена только после появления СТО и ОТО Эйнштейна.
Эта модель природы возникла в конце XIX в. Идеи, которые легли в ее основу, начали формироваться в физике
задолго до ее утверждения. В то время еще господствовал механистический способ мышления. Но он был уже
не в состоянии объяснить новые эмпирические факты, полученные в различных «не механических» областях
исследования.
Эффект Доплера: зависимость измеряемой длины волны от взаимного движения наблюдателя и
источника волн.
Современная научная картина мира
Эта картина рассматривает три формы материи — вещество, физическое поле, физический вакуум
- четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое)
- квантово-полевой механизм передачи взаимодействий (заряд испускает виртуальные частицы-переносчики
соответствующего взаимодействия, поглощаемые другими аналогичными зарядами)
- частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий (фотоны, гравитоны, глюоны, промежуточные
векторные бозоны)
Фундаментальные взаимодействия, преобладающие между объектами:
1. микромира (сильное, слабое и электромагнитное)
2. макромира (электромагнитное)
3. мегамира (гравитационное)
Итог
Научная программа (НП) включает систему единых принципов и претендует не всеобщий охват и объяснение
всех явлений.
НП лежит в основе формирования научной картины мира (НКМ).
НКМ:
1)античная(натурфилософская) картина мира
2)механистическая картина мира
3)электромагнитная картина мира
4)современно-научная картина мира
В Древней Греции появились программы рационального объяснения мира. Научные программы Др. Греции
формировались-6-3 в нашей эры:
-математическая
-континуальная
-атомистическая
Идеи Фалеса и Гераклита воплотились в этих 3х программах:
Математическая – была основана на идеях Пифагора и Платона. Для Пифагора космос представлялся как
упорядоченное выражение сущности чисел. Платон отделил мир вещей от мира идей, определив, что мир вещей
способен только подрожать миру идей. Основная роль в мире отводилась математике. Над входом в Академию
была надпись: «Не геометр – да не войдёт».
Континуальная программа. В основе имела работы Аристотеля: всё формируется из непрерывной бесконечно
неделимой материи, пустоты нет. Континуальность – непрерывность. Континуум – непрерывное, целостное
единство точек, чисел или физических величин.
Атомистическая программа Демокрита или Левкиппа считала, что мир состоит из мельчайших неделимых
неизменных частиц атомов, которые беспорядочно двигаются в пустоте. Демокрит предложил атомистическую
гипотезу строения материи: атомы движутся в пустоте, сталкиваются друг с другом и образуют всё сущее.
Античный механизм разработал принцип детерминизма – принцип причинности: каждое событие имеет
естественные причины, каждая причина должна предшествовать следствию.
4. Развитие представлений о материи
Фалес: проблема поиска первоначала, абстракция материи
Механическая картина мира: единственная форма материи – вещество, состоящее из дискретных корпускул.
Электромагнитная картина мира: две формы материи — вещество и непрерывное электромагнитное поле
Волна как распространяющееся возмущение физического поля. Эффект Доплера: зависимость измеряемой
длины волны от взаимного движения наблюдателя и источника волн.
К концу 19 века физика пришла к выводу что материя существует в двух видах: дискретного вещества и
непрерывного поля (движение при этом рассматривается как изменение электромагнитного поля, т.е. как
электромагнитные волны)
Были установлены различия между веществом и полем:
1. вещество дискретно, а поле непрерывно(состоит из атомов);
2. частицы вещества обладают массой покоя, а поля нет;
3. по степени проницаемости вещество малопроницаемо, а поле полностью;
4. отличны скорости распространения ( поле со скоростью света, а частицы медленнее)
виде волн осуществляется перенос энергии без переноса вещества и волны рассматривали как
распространяющееся возмущение физического поля.
Характеристика волн:-длина волны(расстояние между соседними гребнями волны);
-спектр электромагнитной волны(зависимость измеряемой длины волны или частоты колебаний от взаимного
движения наблюдателя и источников волны)
Современная научная КМ: три формы материи – вещество, физическое поле, физический вакуум
-3 структурных уровня материи (микро-, макро- и мегамир)
В древнегреческой философии выделялись две линии: линия Демокрита (все материя состоит из атомов,
движущихся в пустоте; соответствуя реляционной концепции пространства – оно характеризует форму и
взаимодействие тел), линия Аристотеля (нет предела делимости материи; соответствует субстанциональному
представление о пространстве и времени, в котором пространство и время некоторая субстанция).
По Демокриту атомы неделимые, бесструктурные первоэлементы мироздания.
Понятие «атом химического элемента» появляется в химии (Роберт Бойль, «Философия химии», 1808). Долгое
время атомы считались бесструктурными, позднее в электромагнетизме, оптике, атомной и ядерной физике
накопились данные сложной структуре атома, в состав которого входят: протон, нейтрон, электрон и фотон.
С началом исследования космических лучей этот список пополнился мюоном, пи-мезоном (пионом) и др.
Теория распада нейтрона предсказала существование нейтрино. С появлением физики высоких энергий (физики
элементарных частиц), используя ускорители заряженных частиц, стали получать все больше и больше частиц
(преимущественно адроны: барионы и мезоны; быстрораспадающиеся адроны – резонансы, например, пион и
адрон образуют дельта-резонанс). В итоге количество элементарных частиц превысило 300 видов. Встала задача
о классификации элементарных частиц, в которой использовались квантовые числа («анкетные данные
частиц»: четность, массу, время жизни, заряд, спин) для разбиения по «таксонам» - мультиплетам и
супермультиплетам.
Гелл-Манн Мюррей выдвинул гипотезу, что все адроны состоят из дробно-заряженных частиц – кварков
(электрический заряд их составляет одну треть и две трети от элементарного заряда). Барионы состоят из трех
кварков, мезоны из кварка и антикварка. Кварки существуют как часть внутри протона. В настоящее время
известно, что кварки принципиально ненаблюдаемы в свободном состоянии, и это связано с тем, что существует
«заточение» (конфаймент) кварков внутри элементарных частиц.
Таким образом представления о материи в порядке их возникновения:
-материя это мельчайшие неделимые бесструктурные атомы в пустоте
-материя это совокупность мельчайших корпускул, которые движутся по законам классической механики
-существует несколько качественно разных форм материи, но резкой грани между ними нет.
Современная научная картина мира:
-существует 3 формы материи(вещество, физическое поле и физический вакуум)
5. Развитие представлений о движении
Описание механистического движения материальной точки
Движение – любое изменение материи, ее основное и всеобщее свойство, такое же многообразное как и
количество явлений природы.
Механическое движение – изменение положения тел относит друг друга за время наблюдения.
Описание механического движения материальной точки:
-траектория (совокупность последовательных положений занимаемых телом в процессе движения)
-скорость(векторная величина,характеризующая быстроту и направление движения в данный момент времени )
-путь(скаляр величина, равная расстоянию, пройденному точкой вдоль траектории движения)
-сила(вектор величина, являющаяся мерой механического взаимодействия тел, которое может происходить
путем прямого контакта или через пространство)
Первый закон Ньютона(закон инерции):
Смысл закона в том, что при отсутствии действующих на тело сил, существует система отсчета в которой это
тело находится в покое, но если тело покоится в одной системе, то имеется множество систем, где это тело
движется с постоянной скоростью. Такие системы называются инерциальными. В них, при отсутствии внешних
воздействий тело движется равномерно и прямолинейно. Только в них выполняется первый закон Ньютона и
для них справедлив принцип относительности, согласно которому во всех инерциальных системах законы
физики одинаковы.
Второй закон Ньютона:
Произведение массы тела на ускорение равно действующей силе.
Т. к. сила и ускорение векторы, то они направлены одинаково, поэтому динамическое воздействие на тело
приводит к ускорению.
Второй закон отражает принцип причинности в классической механике: по начальному состоянию тела и
действующей силе можно определить состояние тела в любой последующий период времени.
Многообразие форм движения
Окружающий нас мир богат своими формами и многообразием происходящих в нем явлений. Движение как
постоянное изменение присуще материи в целом и каждой ее мельчайшей частице. Современная научная
картина мира признаёт многообразие форм движения материи, их качественное различие и несводимость друг к
другу. Можно выделить следующие формы движения материи:
нагревание и охлаждение тел(физическое движение);
излучение света;
электрический ток;
химические превращения и процессы;
биологическое движение(процессы жизнедеятельности)
эволюция – универсальная форма движения материи
механическое движение.
Формы движения характеризуются тем, что одни могут переходить в другие, например, механическое движение
может переходить в тепловое, тепловое — в химическое, химическое — в электрическое и т.д. Эти переходы
свидетельствуют о единстве и непрерывной связи качественно разных форм материи. Но при всех
разнообразных переходах одних форм движения в другие соблюдается основной закон природы — закон
вечности материи и ее движения, который распространяется на все виды материи и все формы ее движения: ни
один из видов движения материи и ни одна из форм ее движения не могут быть получены из ничего и
превращены в ничто.
Современная научная КМ рассматривает эволюцию как универсальную форму движения
Эволюция одна из форм движения в природе и обществе; непрерывное, постепенное изменение и развитие.
Представление об эволюции всех форм неживой и живой материи выражается в понятии «универсальный (или
глобальный) эволюционизм».
Глобальный эволюционизм — это признание невозможности существования Вселенной и всех порождаемых ею менее
масштабных систем вне развития, эволюции. Для ее дальнейшего обоснования используется теория самоорганизации,
созданная И. Р. Пригожиным.
Согласно его идеям, наша Вселенная явилась результатом длительного процесса саморазвития, самоорганизации.
Основными характеристиками этого процесса, являются как постепенное, плавное развитие, так и его перерывы в виде
взрывов, революций и катастроф, ведущих к качественным сдвигам в развитии материи.
Атрибуты эволюции:
а) самопроизвольность
б) необратимость
в) направленность
Теория Ламарка — это первая теория эволюции, в основе которой лежал принцип стремления организмов к
совершенству путём приспособления.
В основе эволюции Дарвина лежат следующие движущие силы:
а) наследственность
б) изменчивость
в) борьба за существование
г) естественный отбор
Идея эволюции оказалась применимой и в других областях естествознания: в геологии, например, окончательно
утвердилась концепция дрейфа континентов; а такие науки, как экология, биогеохимия, антропология, были
изначально «эволюционны». Таким образом, современное естествознание можно считать базирующимся на
принципе: «Все существующее есть результат эволюции!».
Итог
Движение – форма бытия материи, изменение вообще, происходящее в пространстве с течением
времени. Движение – важнейший атрибут материи – способ ее существования.
Гераклит: идея безостановочной изменчивости вещей.
Учение Аристотеля о движении как атрибуте материи и разнообразии форм движения
Механическая картина мира: единственная форма движения — механическое перемещение
Электромагнитная картина мира: движение — не только перемещение зарядов, но и изменение поля
(распространение волн).
Понятие состояния системы как совокупности данных, позволяющих предсказать её дальнейшее поведение.
Движение как изменение состояния.
Химическая форма движения: химический процесс.
Биологическая форма движения: процессы жизнедеятельности, эволюция живой природы.
Современная научная картина мира: эволюция как универсальная форма движения материи.
Многообразие форм движения, их качественные различия и несводимость друг к другу.
6. Развитие представлений о взаимодействии
Возникновение концепции взаимодействия(третий закон Ньютона)
В механистической картине мира возникает концепция взаимодействия тел (3 закон Ньютона). Он
связывает равенством действие и противодействие (силы, с кот. действуют друг на друга взаимодействующие
тела равны по величине и противоположны по направлению). Такие силы могут действовать между телами на
расстоянии или при контакте. Каждая из сил взаимодействия приложена к тому телу, на которое она действует,
т. е. эти силы приложены к разным телам. Следовательно, силы взаимодействия между телами не могут
уравновесить (скомпенсировать) друг друга. Главное значение третьего закона Ньютона обнаруживается при
исследовании движения системы материальных точек или системы тел. Этот закон позволяет доказать важные
теоремы динамики и сильно упрощает изучение движения тел в тех случаях, когда их нельзя рассматривать как
материальные точки. Третий закон сформулирован для точечных тел (материальных точек). Его применение для
реальных тел, имеющих конечные размеры, требует уточнения и обоснования. В данной формулировке нельзя
применять этот закон и в неинерциальных системах отсчета.
Электромагнитная КМ
В рамках ЭМКМ произошло открытие наряду с гравитационным второго фундаментального взаимодействия электромагнитного. Максвелл связал оптику с электричеством и вывел фундаментальные законы,
управляющие поведением электрических и магнитных полей и их взаимодействия с зарядами и магнитами.
На этой основе произошел возврат к концепции близкодействия (взаимодействие передается только через
материального посредника (физическое поле) с конечной скоростью. Стал изучаться полевой механизм
передачи взаимодействия (заряд создает соответствующее поле, которое влияет на соответствующие заряды)
СНКМ рассматривает 4 фундаментальных взаимодействия, преобладающих между объектами микромира,
макромира и мегамира.
К фундаментальному взаимодействию относятся (в порядке возрастания интенсивности) гравитационное,
слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия.
Гравитационное взаимодействие существует между всеми элементарными частицами и обусловливает
гравитационное притяжение всех тел друг к другу на любых расстояниях, оно пренебрежимо мало в
физических процессах в микромире, но играет основную роль, например, в космологии. Слабое взаимодействие
проявляется лишь на расстояниях около 10-18 м и обусловливает распадные процессы (например, бета-распад
некоторых элементарных частиц и ядер).
Электромагнитное взаимодействие существует на любых расстояниях между элементарными частицами,
имеющими электрический заряд или магнитный момент; в частности, оно определяет связь электронов и ядер в
атомах, а также ответственно за все виды электромагнитных излучений.
Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях около 10-15 м и обусловливает существование ядер
атомов. Возможно, все виды взаимодействий фундаментальных имеют общую природу и служат различными
проявлениями единого взаимодействия фундаментального. Это полностью подтверждается для
электромагнитного и слабого взаимодействий фундаментальных (так называемое электрослабое
взаимодействие). Гипотетическое объединение электрослабого и сильного взаимодействий называется Великим
объединением, а всех четырех фундаментальных взаимодействий — суперобъединением; экспериментальная
проверка этих гипотез требует энергий, пока недостижимых на современных ускорителях.
Таблица Виды взаимодействий в природе и классы элементарных частиц.
Вид взаимодействия
(класс элементарных частиц)
Константа
(постоянная
Кванты поля
взаимодействия)
1.Сильное взаимодействие (адроны)
1
глюоны
2.Электромагнитное
1/137
фотоны
0
3.Слабое (лептоны)
10-14
промежуточны
-39
4.Гравитационное
10
гравитон ?
Частицы-переносчики полей можно классифицировать в соответствии с четырьмя типами
взаимодействий в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия и того, с какими частицами они
осуществляются, что отражено в таблице.
1. Гравитационное взаимодействие обусловливает устойчивость планетных, звездных и других
макроскопических космических систем. Силы действуют на больших расстояниях между телами
больших масс и всегда являются силами притяжения. В квантово-механическом подходе к
гравитационному полю считается, что гравитационная сила переносится частицей со спином 2, которая
называется гравитоном. Гравитон не обладает собственной массой и поэтому переносимая им сила
является дальнодействующей.
2. Электромагнитные силы, которые действуют между электрически заряженными частицами, но не
отвечают за взаимодействие электрически незаряженных частиц. В отличие от гравитационных сил, которые
являются силами притяжения, одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименно заряженные –
притягиваются.
3. Слабое взаимодействие обусловливает процессы медленного (по сравнению с сильным) распада и
превращения частиц и потому называется слабым взаимодействием. Оно отвечает за радиоактивность и
существует между всеми частицами вещества с полуцелым спином, но в нем не участвуют частицы со спином
0, 1, 2 – фотоны и гравитоны. В 1967 г. английский физик-теоретик А. Салам и американский физик С. Вайнберг
одновременно предложили теорию, которая объединила слабое взаимодействие с электромагнитным, высказав
предположение о том, что наряду с фотоном существуют еще три частицы со спином 1, названные тяжелыми
векторными бозонами (W+, W- и Z0), которые и являются переносчиками слабого взаимодействия. Были
предсказаны массы бозонов. Примерно через 10 лет полученные в теории предсказания подтвердились
экспериментально.
1. Сильное или ядерное взаимодействие представляет собой взаимодействие четвертого типа, которое
удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра.
Переносчиком сильного взаимодействия считается частица со спином 1, которая называется глюоном.
Глюоны взаимодействуют только с кварками и с другими глюонами. У сильного взаимодействия есть
одно необычное свойство – оно обладает конфайнментом (от англ. confinement – ограничение,
удержание). Конфайнмент состоит в том, что частицы всегда удерживаются в бесцветных комбинациях.
Один кварк не может существовать в свободном состоянии, потому что тогда он должен иметь цвет
(красный, зеленый, синий). Следствием конфайнмента является то, что мы не можем наблюдать
отдельный кварк или глюон. Сильное взаимодействие характеризуется еще одним свойством, которое
называется асимптотической свободой. Это свойство состоит в том, что при высоких энергиях сильное
взаимодействие заметно ослабевает и кварки, и глюоны начинают вести себя почти также, как
свободные частицы.
Типы взаимодействий в природе и пути построения теории единого поля
Гравитационное
Электромагнитное
Слабое
Сильное
ядерное
Электрослабое
После успешного объединения электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое
стали предприниматься попытки соединения этих двух видов с сильным Великое
взаимодействием. В результате
получилась так называемая теория Великого объединения. Было предложено несколько вариантов “великих
теорий”. Такие теории могут стать определенными шагами на пути создания единой теории поля,
Единое
охватывающей все фундаментальные взаимодействия природы. Единая теория сил по существу представляет
собой единую теорию материи.
Итог
Представления Аристотеля о взаимодействии: одностороннее воздействие движущего на движимое;
первоначальная форма концепции близкодействия (передача воздействия только через посредников, при
непосредственном контакте)
Механическая картина мира:
- возникновение концепции взаимодействия (третий закон Ньютона)
- открытие фундаментального взаимодействия (закон всемирного тяготения)
- принятие концепции дальнодействия (мгновенной передачи взаимодействия через пустоту на любые
расстояния)
Электромагнитная картина мира:
- открытие второго фундаментального взаимодействия (электромагнитное)
- возврат к концепции близкодействия (взаимодействие передаётся только через материального посредника —
физическое поле — с конечной скоростью)
- полевой механизм передачи взаимодействий (заряд создаёт соответствующее поле, которое действует на
соответствующие заряды)
Современная научная картина мира:
- четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое)
- квантово-полевой механизм передачи взаимодействий (заряд испускает виртуальные частицы-переносчики
соответствующего взаимодействия, поглощаемые другими аналогичными зарядами)
- частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий (фотоны, гравитоны, глюоны, промежуточные
векторные бозоны)
Фундаментальные взаимодействия, преобладающие между объектами:
- микромира (сильное, слабое и электромагнитное)
- макромира (электромагнитное)
- мегамира (гравитационное)
2. Пространство, время, симметрия
2.1. Принципы симметрии, законы сохранения
Симметрия (от греч. symmetria — соразмерность) — однородность, пропорциональность, гармония,
инвариантность структуры материального объекта относительно его преобразований. Это признак полноты и
совершенства. Лишившись элементов симметрии, предмет утрачивает свое совершенство и красоту, т.е.
эстетическое понятие. Эстетическая окрашенность симметрии в наиболее общем понимании — это
согласованность или уравновешенность отдельных частей объекта, объединенных в единое целое, гармония
пропорций. Операции симметрии часто служат канонами, которым подчиняются балетные па: именно
симметричные движения составляют основу танца. Во многих случаях именно язык симметрии оказывается
наиболее пригодным для обсуждения произведений изобразительного искусства, даже если они отличаются
отклонениями от симметрии или их создатели стремятся умышленно ее избежать.
Нарушенные симметрии (человеческое тело) тесно связаны с процессами эволюции, развития и возникновения
упорядочения структур. Эволюция – цепочка нарушений симметрии.
Симметрии пространства и времени. Теорема Нётер
Симметрия в физике — это свойство физических законов, детально описывающих поведение системы,
оставаться неизменными (инвариантными) при определенных преобразованиях, которым могут быть
подвергнуты входящие в них величины.
Изотропность — это одинаковость свойств физических объектов в разных направлениях. Изотропность и
однородность пространства как простейшие виды симметрии появились уже на заре человеческого познания.
Однородность – одинаковые свойства во всех точках. Пространство однородно, т.е. все точки пространства
эквивалентны. Время однородно, т.е. все моменты времени равноправны. Время анизотропно, т.е. многие
процессы необратимы.
В современной физике обнаружена определенная иерархия законов симметрии: одни выполняются при любых
взаимодействиях, другие же — только при сильных и электромагнитных. Эта иерархия отчетливо проявляется
во внутренних симметриях.
Понятие симметрии и ее нарушений оказалось удобным способом описания сложных явлений.
Современная физика именно так описывает явления микромира, добиваясь принципиально новых результатов.
Основными принципами современной физики являются принцип симметрии и связанные с ним
законы сохранения.
Симметрии внутренние и внешние. Законы сохранения.
Симметрия – свойство физических законов, описывающих поведение физических систем, оставаться
неизменными, инвариантными при определенных преобразованиях: при отражении, при поворотах и
вращениях, при сдвигах... Законы сохранения – утверждения, согласно которым численные значения
некоторых физических величин не изменяются в существующих процессах.
Как было показано в 1905 г. Э. Нетер, законы сохранения возникают в системах при наличии у них
определенных элементов симметрии. Элементом симметрии системы называется любое преобразование,
переводящее систему саму в себя, т. е. не изменяющее ее. Например, элементом симметрии квадрата является
поворот на прямой угол вокруг оси, проходящий через его центр – “ось вращения четвертого порядка”.
Когда система обладает какой-либо симметрией, она подчиняется соответствующему закону
сохранения. Фундаментальные законы сохранения связаны с существованием таких преобразований, которые
оставляют неизменной любую систему. Свойства физических процессов не изменятся, если сдвинуть
начальную точку отсчета времени или непрерывно смещать и поворачивать пространственную систему
координат. По отношению ко всем таким преобразованиям физические законы симметричны или, как говорят,
инвариантны.
Э. Нетер доказала, что если течение времени равномерное, и ни один его момент не выделен по
сравнению с другим, то в любой изолированной системе должен выполняться закон сохранения энергии.
Закон сохранения энергии является следствием симметрии относительно сдвига во времени
(однородности времени).
Из условия однородности, полного равноправия пространственных координат вытекает закон
сохранения импульса.
Закон сохранения импульса является следствием симметрии относительно параллельного переноса
в пространстве (однородности пространства).
Изотропия пространства, т.е. отсутствие в нем каких-либо выделенных направлений, приводит к
закону сохранения углового момента (момента импульса).
Закон сохранения момента импульса является следствием симметрии относительно поворотов в
пространстве (изотропности пространства).
Закон сохранения заряда является следствием симметрии относительно замены описывающих
систему комплексных параметров на их комплексно-сопряженные значения.
Закон сохранения четности является следствием симметрии относительно операции инверсии
(“отражения в зеркале”, меняющего “правое” на “левое”).
Сохранение энтропии, постулируемое вторым началом термодинамики для обратимых процессов,
является следствием симметрии относительно обращения времени.
Из наличия группы информационных симметрий можно прийти к закону сохранения информации.
Наиболее наглядно нарушение информационной симметрии проявляется в наличии памяти и влияния прошлого
на будущее. По-видимому, информационную асимметрию компенсирует асимметрия времени – стрела
времени.
Принципы симметрии делятся на внешние и внутренние (описывающие специфические свойства
микрочастиц). Создание релятивистской квантовой теории привело к открытию нового типа симметрии,
являющейся, в отличие от перечисленных выше, дискретной симметрией. Это – симметрия законов природы
относительно одновременного преобразования пространственной инверсии (Р), обращения времени (Т) и
зарядового сопряжения (С) – замены частиц на соответствующие античастицы. Существование
комбинированной СРТ-симметрии является свойством физических взаимодействий. Относительно отдельных
дискретных преобразований С, Р и Т оказываются симметричными процессы, обусловленные сильными и
электромагнитными взаимодействиями. В процессах слабого взаимодействия нарушаются Р и С симметрии, но
сохраняется СР и, следовательно, согласно СРТ-теореме, сохраняется симметрия относительно обращения
времени
Сильное взаимодействие симметрично относительно поворотов в особом “изотопическом
пространстве”. мультиплетам и обладающие различными значениями квантового числа – странности. Открытие
адронов с еще более массивными с- и b-кварками указывает на наличие более высокой по типу кварков
унитарной симметрии.
Цветовая симметрия. Согласно современным представлениям, каждый тип кварка может находится
в трех различных состояниях, характеризуемых значениями особого квантового числа – “цвета”. Сильное
взаимодействие симметрично относительно преобразования “цветов” кварков, которые составляют “цветовую”
группу SU(3). Предполагается, что “цветовая” SU(3)-симметрия – точная (её нарушение могло бы приводить к
вылетанию отдельных кварков из адронов).
Симметрия между кварками и лептонами. На опыте было замечено, что существует симметрия
между электрослабым взаимодействием кварков и лептонов. Эта симметрия служит одним из оснований для
поисков единой теории слабого, электро-магнитного и сильного взаимодействий (“Великого объединения”).
Суперсимметрия – симметрия, связывающая поля, которым отвечают как частицы с целыми спинами
(бозоны), так и с полуцелыми (фермионы).
В современной физике обнаружена определенная иерархия симметрий. Есть симметрии, которые
выполняются в сильных (ядерных) взаимодействиях, другие в электромагнитных, третьи – в слабых. Иерархия
особенно ярко проявляется во внутренних симметриях и вытекающих из них законах сохранения
электрического, барионного, лептонного зарядов и четности.
Итог
Понятие симметрии в естествознании: инвариантность относительно тех или иных преобразований
Нарушенные (неполные симметрии)
Эволюция как цепочка нарушений симметрии
Простейшие симметрии:
- однородность (одинаковые свойства во всех точках)
- изотропность (одинаковые свойства во всех направлениях)
Симметрии пространства и времени:
- однородность пространства
- однородность времени
- изотропность пространства
Анизотропность времени
Теорема Нётер как общее утверждение о взаимосвязи симметрий с законами сохранения
Закон сохранения энергии как следствие однородности времени
Закон сохранения импульса (количества поступательного движения) как следствие однородности пространства
Закон сохранения момента импульса (количества вращательного движения) как следствие
изотропности пространства
Теорема Нётер: наличие у системы любой симметрии приводит к сохранению любой величины,
характеризующей это состояние. Т.е. из-за пространственно-временной симметрии все законы сохранения
имеют всеобщий характер.
Законы сохранения:
1.закон сохранения массы – при всех изменениях общий вес вещества должен оставаться постоянным.
2.закон сохранения заряда – нигде и никогда в природе не возникают и не исчезают электрические заряды
одного знака.
3.закон сохранения энергии (следствие однородности времени) – полная механическая энергия замкнутой
системы тел, взаимодействующих силами тяготения и упругости остается постоянной.
4.сохранения импульса (кол-во поступательного движения), следствие однородности пространства – не зависимо
от того находилось ли тело в покое, или двигалось равномерно и прямолинейно изменение скорости движения
может происходить только при взаимодействии с другими телами.
5.сохранения момента импульса (кол-во вращательного движения, следствие изотропности пространства) –
величина характеризующая количество вращательного движения остается постоянной (вращение Земли).
2.2. Эволюция представлений о пространстве и времени
Пространство – понятие, с помощью которого описываются свойства протяженности, взаимного
расположения объектов, сосуществование объектов.
Время – понятие, с помощью которого описывается длительность и последовательность событий.
Характеризует порядок смены событий.
В мире нет материи, не обладающей пространственно-временными свойствами, как не существует
пространства и времени самих по себе вне материи или независимо от нее.
Пространство есть форма бытия материи, характеризующая ее протяженность, структурность, сосуществование
и взаимодействие элементов во всех материальных системах. Время характеризует последовательность смены
состояний и длительность бытия любых объектов и процессов, внутреннюю связь изменяющихся и
сохраняющихся состояний. Все структурно разделенные объекты материального мира находятся в движении и
развитии. Прежде всего, пространство и время объективны и реальны, т.е. существуют независимо от сознания людей и
познания ими этой объективной реальности.
Пространство и время являются также универсальными, всеобщими формами бытия материи.
Важным свойством пространства является его трехмерность.
В отличие от пространства, в каждую точку которого можно снова и снова возвращаться (и в этом отношении оно
является как бы обратимым), время — необратимо и одномерно. Оно течет из прошлого через настоящее к будущему.
Нельзя возвратиться назад в какую-либо точку времени, но нельзя и перескочить через какой-либо временной
промежуток в будущее. Отсюда следует, что время составляет как бы рамки для причинно-следственных связей.
Пространство обладает свойством однородности и изотропности, а время — однородности. Однородность
пространства заключается в равноправии всех его точек, а изотропность — в равноправии всех направлений.
Пространство и время – категории, обозначающие основные формы существования материи.
Пространство выражает порядок сосуществования отдельных объектов, время – порядок смены явлений.
Пространство и время – основные понятия всех разделов физики. Они играют главную роль на эмпирическом
уровне физического познания – непосредственное содержание результатов наблюдений и экспериментов
состоит в фиксации пространственно-временных соотношений. Категории пространства и времени служат
также одним из важнейших средств конструирования теоретических моделей, интерпретирующих
экспериментальные данные. Обеспечивая отождествление и различение (индивидуализацию) отдельных
фрагментов материальной действительности, пространство и время имеют решающее значение для построения
физической картины мира. Свойства пространства и времени делят на метрические (протяженность и
длительность) и топологические (размерность, непрерывность и связность пространства и времени, порядок и
направление времени). Современной теорией метрических свойств пространства и времени является теория
относительности.
К пространственным свойствам материальных систем относят:
1. Конкретные пространственные формы и размеры тел, их положение по отношению друг к другу,
скорость перемещения.
2. Наличие у них внутренней симметрии или асимметрии. Различные виды симметрии (речь о них
пойдет ниже) свойственны макромиру и микромиру, являясь фундаментальным свойством неживой
природы. Живому веществу присуще свойство пространственной асимметрии, которым обладает уже
молекула живого вещества.
3. Изотропность и однородность пространства. Изотропность означает отсутствие выделенных
направлений (верха, низа и других), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от
направления их движения. Полная изотропность присуща лишь вакууму, а в структуре вещественных
тел проявляется анизотропия в распределении сил связи. Они расщепляются в одних направлениях
лучше, чем в других. Точно так же полная однородность, свойственная лишь абстрактному
евклидовому пространству, является идеализацией. Реальное пространство материальных систем
неоднородно, различается метрикой и значениями кривизны в зависимости от распределения
тяготеющих масс. (см. “Общая теория относительности”).
Специфическими свойствами времени являются:
1. Конкретная длительность существования материальных систем от их возникновения до распада,
ритмы процессов в них, соотношение между циклами изменений.
2. Скорость протекания процессов, темпы развития и соотношение между ними на разных этапах
эволюции. С увеличением скорости движения тел и в мощных полях тяготения происходит
относительное замедление всех процессов в телах, их собственное время как бы сокращается по
отношению ко времени внешних систем. Конечность скорости распространения взаимодействий
обусловливает относительность одновременности в различных системах. События, одновременные в
одной системе, могут быть не одновременными по отношению к другой системе, движущейся
относительно первой. Все это приводит к тому, что во Вселенной отсутствует единое время, как и одно
единое пространство. (см. “Теория относительности”). Каждая относительно меньшая материальная
система существует и движется в пространстве и во времени большей системы, и между ними
существует двусторонняя взаимосвязь.
Согласно Ньютону, все физические явления происходят в трехмерном пространстве, описанном
евклидовой геометрией. Это абсолютное не изменяющееся пространство, всегда находящееся в состоянии
покоя. Как утверждал Ньютон: “Само абсолютное пространство, без учета внешних факторов, всегда остается
неизменным и неподвижным”. Все изменения в физическом мире описывались в терминах абсолютного
времени – особого измерения, не имеющего связи с материальным миром и различающего прошлое, настоящее
и будущее. “Абсолютное, истинное математическое время, по своей сущности, течет с постоянной скоростью,
не подвергаясь внешним воздействиям” – утверждал Ньютон.
Согласно Ньютону, все физические явления сводятся к движению материальных точек в
пространстве, вызванному их взаимным притяжением, то есть силой тяжести, или гравитацией. Для того, чтобы
дать строгое математическое описание этой силы, Ньютону пришлось использовать абсолютно новые понятия и
математические операции дифференциального исчисления. Основа классической механики – ньютоновские
уравнения движения Ньютона. Считалось, что они отражают незыблемые законы, управляющие движением
материальных точек, а значит – и всеми природными явлениями. По мнению Ньютона, Бог создал
материальные частицы, силы между ними и фундаментальные законы движения. Таким образом, вся Вселенная
была запущена в движение и движется до сих пор подобно отлаженному механизму.
Итог
Понимание пространства и времени как инвариантных самостоятельных сущностей (пустота у древнегреческих
атомистов; Абсолютные пространство и время Ньютона).
Понимание пространства и времени как системы отношений между материальными телами
(пространство как категория места, время как мера движения у Аристотеля; изменение пространственных и
временных промежутков при смене системы отсчёта у Эйнштейна).
Классический закон сложения скоростей как следствие ньютоновских представлений об Абсолютном
пространстве и Абсолютном времени
Концепция мирового эфира
Нарушение классического закона сложения скоростей в опыте Майкельсона-Морли
Современная научная картина мира: отказ от идеи Абсолютных пространства и времени, мирового
эфира и других выделенных систем отсчета, признание тесной взаимосвязи между пространством, временем,
материей и её движением
2.3. Специальная теория относительности
Принцип относительности Галилея
Все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, среди них нет выделенных и
предпочтительных(любое явление должно идти совершенно одинаково в любой сист отсчета). Для перехода из
одной системы отсчета в другую используют преобразования классической механики Галилея:
1)время во всех сист отсчета течет одинаково;
2)закон сложения скоростей.
Инвариантность скорости света (второй постулат Эйнштейна)
В работах Майкельсона и Морли доказано, что если скорости движения сравнимы со скоростью света,
то нарушается закон сложения скоростей и скорость света остается постоянной. Эйнштейн предложил другой
подход – значит это закон природы, т.е. инвариантность скорости света.
Принцип относительности (первый постулат Эйнштейна): законы природы инвариантны относительно
смены системы отсчёта
Постулаты Эйнштейна – проявление симметрии пространства и времени:
1)относительность одновременности: события одновременные для одного наблюдателя могут быть
разновременными для другого. Эйнштейн показал, что для разных наблюдателей картины происходящего
различны, но все они отражают реальность.
2)относительность расстояний: для разных наблюдателей может быть разное расстояние между одними и теми
же предметами, т.е. в системе отсчета, в которой предмет движется с определенной скоростью V, его длина
измеренная в направлении движения оказывается меньше, чем в системе отсчета, в которой предмет покоится
(релятивистское сокращение длины, β-коэффициент сокращения)
3)относительность промежутков времени: разный темп хода времени в разных сист отсчета. Наблюдатель,
движущийся относит сист отсчета со скоростью V обнаружит, что все процессы происходят в ней в β раз
медленней, чем если бы он был неподвижен относительно нее(релятивистское замедление времени)
Соответствие СТО и классической механики: их предсказания совпадают при малых скоростях движения
(гораздо меньше скорости света)
Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза
классической механики Галилея — Ньютона
«Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без
учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом,
оказывается ее частным случаем».
Скорость света является предельной скоростью распространения материальных воздействий. Она не может
складываться ни с какой скоростью и для всех инерциальных систем оказывается постоянной. Все движущиеся тела
на Земле по отношению к скорости света имеют скорость, равную нулю.
«Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости. Для того чтобы сообщить телу
скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически невозможно,
чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот принцип гласит, что никакими физическими опытами
(механическими, электромагнитными и др.), производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить
различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения. Классическое сложение скоростей
неприменимо для распространения электромагнитных волн, света.
Согласно теории относительности (ТО), пространство, которое имеет три измерения и время не
существуют отдельно друг от друга. Одно тесно связано с другим, и вместе они образуют четырехмерный
“пространственно-временной континиуум”. В отличие от ньютоновской модели в ТО нет единого течения
времени. Разные наблюдатели, двигаясь с различными скоростями относительно наблюдаемых явлений,
указывали бы разную их последовательность. В таком случае, два события, одновременные для одного
наблюдателя, для других произойдут в различной последовательности. В результате все пространственные и
временные измерения становятся относительными, теряя свой абсолютный характер. И время, и пространство
– лишь элементы описания, которые использует наблюдатель.
Итог
Постулаты Эйнштейна как проявление симметрий пространства и времени
Основные релятивистские эффекты (следствия из постулатов Эйнштейна):
- относительность одновременности
- относительность расстояний (релятивистское сокращение длин)
относительность промежутков времени (релятивистское замедление времени)
- инвариантность пространственно-временного интервала между событиями
- инвариантность причинно-следственных связей
- единство пространства-времени
2.4.Общая теория относительности
Общая теория относительности, принцип относительности
Общая теория относительности (ОТО) — геометрическая теория тяготения, опубликованная Альбертом
Эйнштейном в 1915—1916 годах. Принцип относительности — фундаментальный физический принцип,
согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково,
независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного
движения.
Отсюда следует, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.
В общей теории относительности или теории тяготения, Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его
на неинерциальные системы. Расширение принципа относительности на неинерциальные системы, казалось бы,
противоречит нашему обыденному опыту. Находясь внутри инерциальной системы, никаким экспериментом нельзя
определить, движется она или покоится. Те, кто летал в самолете, знают, что в нем, как и на Земле, можно делать все:
пить чай, играть в мячик и т.п. Даже если посмотреть в иллюминатор, то увидишь, что самолет как бы висит неподвижно над
облаками. Однако когда самолет начинает сбавлять скорость и идет на посадку, пассажиры сразу же это замечают.
Пространство-время ОТО и сильный принцип эквивалентности
Силы гравитационного взаимодействия пропорциональны гравитационной массе тела, силы инерции
же пропорциональны инертной массе тела. Если инертная и гравитационная массы равны, то невозможно
отличить какая сила действует на данное тело — гравитационная или сила инерции. Принцип эквивалентности
гравитационного и инерционного поля называют «сильным принципом эквивалентности».
Принцип эквивалентности справедлив только при строго локальных наблюдениях. Принцип действительно сыграл
большую роль в становлении общей теории относительности и использовался Эйнштейном при её разработке.
Однако в самой окончательной форме теории он, на самом деле, не содержится, так как пространство-время как
в ускоренной, так и в исходной системе отсчёта в специальной теории относительности является
неискривленным — плоским, а в общей теории относительности оно искривляется любым телом и именно его
искривление вызывает гравитационное притяжение тел.
Сформулировав основные законы механики, Ньютон заложил фундамент физической теории.
Решающую роль для становления классической механики имело использование дифференциального и
интегрального исчислений, аппарата математического анализа.
Понятия времени и пространства являются фундаментальными. Их изменение влечет за собой изменение
общего подхода к описанию явлений природы. Самое важное следствие этого изменения в ТО – осознание того,
что масса – одна из форм энергии. Даже неподвижный объект наделен энергией, заключенной в его массе, и их
соотношение выражается знаменитым уравнением Е = мс2, в котором с – скорость света.
Согласно теории относительности Эйнштейна, гравитация, как свойство материи, способна “искривлять”
пространство-время. Это означает, что в искривленном пространстве законы евклидовой геометрии не
действуют, так же как двухмерная плоскостная геометрия не может быть применена на поверхности сферы.
Пространство вокруг таких тел как планеты, звезды и т.п. искривлено, и степень кривизны зависит от
массы тела. А поскольку в теории относительности время не может быть отделено от пространства,
присутствие вещества оказывает воздействие и на время, вследствие чего в разных частях Вселенной время
(материальные процессы) течет с разной скоростью. Таким образом, общая теория относительности Эйнштейна
полностью отвергает понятия абсолютного пространства и времени. Относительны не только все измерения в
пространстве и времени. Сама структура пространства-времени зависит от распределения вещества во
Вселенной, а понятие “пустого пространства” теряет смысл.
Если точку рассматривать как разрез линии, линию – как разрез плоскости, поверхность – как разрез
тела, то по аналогии с этим трехмерное тело можно рассматривать как разрез тела четырех измерений, а все
трехмерное пространство – как разрез четырехмерного. Следовательно, многие не связанные для нас
трехмерные тела могут существует семь невидимых пространственных измерений. Геометрия семи
дополнительных измерений, недоступных чувственному восприятию, отражает симметрии, присущие четырем
фундаментальным взаимодействиям.
Итог
Общая теория относительности (ОТО): распространение принципа относительности на неинерциальные
системы отсчета
Принцип эквивалентности: ускоренное движение неотличимо никакими измерениями от покоя в
гравитационном поле
Взаимосвязь материи и пространства-времени: материальные тела изменяют геометрию пространства-времени,
которая определяет характер движения материальных тел
Соответствие ОТО и классической механики: их предсказания совпадают в слабых гравитационных полях
Эмпирические доказательства ОТО:
- отклонение световых лучей вблизи Солнца
- замедление времени в гравитационном поле
- смещение перигелиев планетных орбит
3. Структурные уровни и системная организация материи
3.1. Микро-, макро-, мегамиры
Вселенная в разных масштабах: микро-, макро- и мегамир
Критерий разделения: соизмеримость с человеком (макромир) и несоизмеримость с ним (микро- и мегамир)
Любой объект материального мира – сложное образование. Для обозначения целостности объектов в науке
было выработано понятие системы. Система – совокупность элементов и связей между объектами. Целостность
сист означает, что все ее составные части, соединяясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новыми
интегративными свойствами.
Структурность и системная организация материи выражают упорядоченность существования материи.
Микромир - частицы элементарные и ядра атомов, атомы и молекулы.
Макромир – макроскопические тела.
Мегамир – космические системы и неограниченные масштабы.
Каждая из сфер действительности включает в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Системный
подход предполагает возможность понимания рассматриваемых систем более высокого уровня. Для системы
обычно характерна иерархичность строения. Неживая природа: элементарные частицы, атомы, молекулы,
объекты мегамира.
Живая природа: химический, биологический и социальный уровни.
На определенном этапе развития биосферы возникают особые популяции живых существ, кот благодаря своей
способности к труду образовали социальный уровень . Т. о. любая из трех областей материальной
действительности образуется из ряда специфических структурных уровней, которые находятся в строгой
упорядоченности в составе той, или иной области действительности. Структурная организация, т е
системность, является способом существования материи.
Основные структуры микромира: молекулы, атомы, атомные ядра, элементарные частицы — мир предельно
малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов.
Элементарные частицы – простейшие объекты микромира, взаимодействующие как единое целое. Известно
более 300 разновидностей. В первой половине ХХ в. были открыты фотон, протон, нейтрон, позднее –
нейтрино, мезоны и другие. Основные характеристики элементарных частиц: масса, заряд, среднее время
жизни, квантовые числа. Все элементарные частицы, абсолютно нейтральны, имеют свои античастицы - При
столкновении частиц происходит их уничтожение (аннигиляция).
Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса и структура которого
определяет химический элемент, к которому относится атом. Масса ядер примерно в 4000 раз больше массы
входящих в атом электронов и сильно зависит от количества входящих в него частиц и энергии их связи.
Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые
связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с
определённым числом протонов и нейтронов, часто называется нуклидом.
Атом — наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из
атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных
протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно
заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом
оказывается электрически нейтральным. Атомы различного вида в различных количествах связанные
межатомными связями образуют молекулы.
Молекула — наименьшая частица вещества, несущая его химические свойства.
Молекула состоит из двух или более атомов, характеризуется количеством входящих в неё атомных ядер и
электронов, а также определённой структурой.
Обычно подразумевается, что молекулы нейтральны (не несут электрических зарядов) и не несут неспаренных
электронов (все валентности насыщены); заряженные молекулы называют ионами. Молекулы, образованные
сотнями или тысячами атомов называются макромолекулами.
Основные структуры мегамира: планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – мир огромных
космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время
существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет.
Галактика – гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве
достаточно сложную конфигурацию.
Звезды. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном
состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские
плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. Есть звезды,
которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими
звездами. На завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные («мертвые») звезды. Звезды не
существуют изолированно, а образуют системы.
Звезда — небесное тело, в котором происходят, происходили или будут происходить ядерные реакции. Солнце
— типичная звезда спектрального класса G. Звёзды представляют собой массивные светящиеся газовые
(плазменные) шары. Образуются из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате
гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами градусов Кельвина (К),
а на их поверхности — тысячами К. Звёзды часто называют главными телами Вселенной, поскольку в них
заключена основная масса светящегося вещества в природе. Звезды имеют отрицательную теплоемкость.
Планета — небесное тело достаточно массивное, движущееся по орбите вокруг звезды, в котором не протекают
термоядерные реакции.
Планеты Солнечной системы делятся на две группы — планеты земной группы и планеты-гиганты. Для планет
земной группы характерна большая средняя плотность. Можно предположить, что у Меркурия есть плотное
железное ядро, в котором содержится около 60 % массы планеты; Венера имеет в своём центре ядро, более
богатое железом, чем Земля; Земля же имеет сложную структурную оболочку (мантию), а ниже находится ядро,
по-видимому металлическое (железное), на границе с мантией — жидкое, а у центра — твёрдое; у Марса, если
и есть железное ядро, то оно невелико.У планет-гигантов очень низкая средняя плотность и специфический
химический состав атмосфер. Это свидетельствуют о том, что они состоят из вещества, подобного солнечному,
главным образом из водорода и гелия.
Пространственные масштабы Вселенной
Галактикой называется большая система из звёзд, межзвёздного газа, пыли и тёмной материи, связанная силами
гравитационного взаимодействия. Обычно галактики содержат от 10 миллионов до нескольких триллионов
звёзд, вращающихся вокруг общего центра тяжести. Как правило, диаметр галактик составляет от нескольких
тысяч до нескольких сотен тысяч световых лет, а расстояния между ними исчисляются миллионами световых
лет. Хотя около 90% массы галактик приходится на долю тёмной материи, природа этого невидимого
компонента пока не изучена. Существуют свидетельства того, что в центре многих (если не всех) галактик
находятся сверхмассивные чёрные дыры.
Межгалактическое пространство является практически чистым вакуумом. Существует три основных вида
галактик: эллиптические, спиральные и неправильные.
Метагалактикой называется вся система скоплений галактик, из которых нам пока известна лишь часть.
Галактики удаляются от нас во все стороны и тем быстрее, чем они от нас дальше..
Вселенная — обычно определяется как совокупность всего, что существует физически. Это совокупность
пространства и времени, всех форм материи, физических законов и констант, которые управляют ими.
Вселенная может трактоваться и иначе, как космос, мир или природа. Учение о Вселенной в целом называется
космологией.
Теоретически допустимо, что при определенной средней плотности вещества и однородности свойств по всем
направлениям Вселенная может быть конечной, хотя и безграничной. По-видимому, Метагалактика
расширяется с замедлением.
Итоги
Единицы измерения расстояний в мегамире: астрономическая единица (в Солнечной системе), световой год,
парсек (межзвёздные и межгалактические расстояния)
Звезда как небесное тело, в котором естественным образом происходили, происходят или с необходимостью
будут происходить реакции термоядерного синтеза
Атрибуты планеты:
- не звезда
- обращается вокруг звезды (например, Солнца)
- достаточно массивно, чтобы под действием собственного тяготения стать шарообразным
- достаточно массивно, чтобы своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от других
небесных тел
Галактики — системы из миллиардов звёзд, связанных взаимным тяготением и общим происхождением
Наша Галактика, её основные характеристики:
- гигантская (более 100 млрд. звёзд)
- спиральная
- диаметр около 100 тыс. световых лет
Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее удалённых из наблюдаемых объектов более
10 млрд. световых лет
Вселенная, Метагалактика, разница между этими понятиями
3.2. Структуры микромира
Элементарные частицы. Фундаментальные частицы. Принцип Паули.
Элементарные частицы – мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными
ядрами и атомами; иногда по этой причине элементарные частицы называют субъядерными частицами. Все
элементарные частицы разделяют на три основные группы. Первую составляют так называемые
промежуточные бозоны - переносчики электрослабого взаимодействия. Сюда относится фотон, или квант
электромагнитного излучения.
Вторая группа элементарных частиц - лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях.
Известно 6 лептонов: электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тяжелый τ-лептон и
соответствующее нейтрино. Фундаментальные частицы сами уже ни из чего не состоят. Многочисленные
эксперименты показали, что все фундаментальные частицы ведут себя как безразмерные точечные объекты, не
имеющие внутренней структуры, по крайней мере до наименьших, изученных сейчас расстояний. Среди
бесчисленных и разнообразных процессов взаимодействия между частицами имеются четыре основных или
фундаментальных взаимодействия: сильное (ядерное), электромагнитное, слабое и гравитационное.
В природе существуют две группы частиц: адроны, которые участвуют во всех фундаментальных
взаимодействиях, и лептоны, не участвующие только в сильном взаимодействии.
Принцип Паули был сформулирован для электронов Вольфгангом Паули в 1925 г.
Принцип Паули можно сформулировать следующим образом: в пределах одной квантовой системы в данном
квантовом состоянии может находиться только одна частица, состояние другой должно отличаться хотя бы
одним квантовым числом. Принцип Паули помогает объяснить разнообразные физические явления. Следствием
принципа является наличие электронных оболочек в структуре атома, из чего в свою очередь следует
разнообразие химических элементов и их соединений.
Классификация элементарных частиц. Физическое поле. Физический вакуум.
По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, все они могут быть отнесены к двум
основным группам. К первой группе относятся адроны, которые особенно активно участвуют в сильном
взаимодействии, но могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимодействиях. Адроны, в свою
очередь, делятся на барионы и мезоны. К барионам (от греч. — тяжелый) относятся элементарные частицы,
обладающие полуцелым спином, масса которых не меньше массы протона. К мезонам (от греч. — средний,
промежуточный) относят нестабильные адроны, обладающие целочисленным или нулевым спином. Ко второй
группе элементарных частиц принадлежат лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом
взаимодействиях. К этой группе относится электрон, мюон, фотон, нейтрино и открытый в 1975 г. тяжелый τ-
лептон. По массе они делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени жизни различают стабильные,
квазистабильные и нестабильные частицы.
Физическое поле (Фарадей и Максвелл).
Под этим термином понимают некоторого посредника, благодаря которому действие от одного тела передается к
другому на расстоянии. Основоположники электромагнетизма скорее понимали под полем некую среду, которая
подвержена динамике, может перетекать и вращаться, откуда и появились такие понятия теории поля как
дивергенция и ротор. Другая школа, опирающаяся на математический формализм, была более склонна
рассматривать поле как заданную в пространстве и времени математическую функцию.
Физический вакуум
Вакуум (по-латински vacuum) – пустота, т.е. пространство без материи и энергии. Физический вакуум –
пространство, не содержащее реальных частиц и энергии, поддающейся непосредственному измерению.
Согласно современным физическим представлениям, это наиболее низкое энергетическое состояние любых
квантованных полей, характеризующееся отсутствием реальных частиц. Физический вакуум представляет
собой множество всевозможных виртуальных частиц и античастиц, которые в отсутствии внешних полей не
могут превратиться в реальные. Вакуум может быть представлен, как особый, виртуальный тип среды.
Виртуальность среды проявляется, в частности, в невозможности выявить факт движения относительно неё
никакими экспериментальными методами.
Взаимопревращения элементарных частиц. Естественная радиоактивность.
Наиболее характерным свойством элементарных частиц является их способность взаимодействовать друг с
другом, в процессе которого они превращаются в иные частицы
Сильное взаимодействие является наиболее интенсивным, и именно оно обусловливает связь между протонами
и нейтронами в атомных ядрах.
Электромагнитное взаимодействие менее интенсивно по своему характеру и определяет специфику связи
между электронами и ядрами в атоме, а также между атомами в молекуле.
Слабое взаимодействие — наименее интенсивно, оно вызывает медленно протекающие процессы с
элементарными частицами, в частности распад так называемых квазичастиц.
Гравитационное взаимодействие осуществляется на чрезвычайно коротких расстояниях и вследствие крайней
малости масс частиц дает весьма малые эффекты.
Радиоактивность — это процесс самопроизвольного выделения энергии с постоянной скоростью, присущей
данному виду ядер.
Термин «радиоактивность» был предложен Марией Кюри, одной из первых начавших исследования этого
природного явления
В конце 19-го века было установлено, что соли урана самопроизвольно, без предварительного воздействия на
них света, испускают лучи неизвестного происхождения. Эти лучи способны разряжать электроскоп, превращая
окружающий воздух в проводник электричества. Содержащее уран вещество, положенное на фотографическую
пластинку, обернутую в черную бумагу, воздействует на пластинку и на бумагу. А. Беккерель убедился, что эти
свойства урана не зависят от предварительного облучения, а неизменно проявляются даже тогда, когда
урансодержащее вещество долго выдерживают в темноте. Именно он открыл то явление, которое впоследствии
от Марии Кюри получит название «радиоактивность».
Основные виды радиоактивного распада. Термоядерные реакции.
Радиоактивный распад - это испускание, выбрасывание с огромными скоростями из ядер атомов
"элементарных" (атомных, субатомных) частиц, которые принято называть радиоактивными частицами или
радиоактивным излучением.
Альфа-распад - характерный вид радиоактивного распада для естественных радиоактивных элементов шестого
и седьмого периодов таблицы Д. И. Менделеева и особенно для искусственных. Альфа-распад - это испускание
из ядра атома альфа-частицы, которая состоит из 2 протонов и 2 нейтронов.
Бета-минус распад - это испускание ядром бета-минус частицы - электрона, который образовался в результате
самопроизвольного превращения одного из нейтронов в протон и электрон.
Бета-плюс распад - это выбрасывание (испускание) из ядра бета-плюс частицы - позитрона (положительно
заряженного "электрона"), который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из
протонов в нейтрон и позитрон.
Нейтронный распад - испускание из ядра атома нейтрона (n) - нейтральной частицы с массой 1 ед.
Протонный распад - крайне редкий вид распада -это испускание из ядра атома протона (р) - частицы с массой 1
ед. и зарядом +1.
Гамма-излучение - это поток гамма-квантов, это электромагнитное излучение, более "жёсткое", чем обычное
медицинское рентгеновское.
Термоядерные реакции - реакции слияния (синтеза) лёгких ядер, протекающие при высоких температурах. Эти
реакции обычно идут с выделением энергии, поскольку в образовавшемся в результате слияния более тяжёлом
ядре нуклоны связаны сильнее, т.е. имеют, в среднем, большую энергию связи, чем в исходных сливающихся
ядрах. Название “термоядерные реакции” отражает тот факт, что эти реакции идут при высоких температурах.
Периодический закон Менделеева. Атом. Изотопы.
Периодический закон Д. И. Менделеева — фундаментальный закон, устанавливающий периодическое
изменение свойств химических элементов в зависимости от увеличения зарядов ядер их атомов. Открыт в
марте 1869 года:
«…свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической
зависимости от их атомного веса».
А́том— наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из
атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных
протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно
заряженных электронов.
Модель атома Томсона: атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него
электронами.
Планетарная модель атома Бора-Резерфорда: атом представляет собой подобие планетной системы, в которой
электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного
ядра.
Изотопы — нуклиды одного химического элемента, т.е. разновидности атомов определенного элемента,
имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа. Обладают ядрами с одинаковым числом
протонов и различным числом нейтронов. имеют одинаковое строение электронных оболочек и занимают одно
и то же место в периодической системе химических элементов.
Итог
Фундаментальные частицы – по современным представлениям, не имеющие внутренней структуры и
конечных размеров (например, кварки, лептоны)
Частицы и античастицы
Классификация элементарных частиц:
- по массе: с нулевой массой (фотон); лёгкие (лептоны); тяжёлые (адроны)
- по времени жизни: стабильные (протон, электрон, нейтрино), нестабильные (свободный нейтрон) и
резонансы (нестабильные короткоживущие)
Взаимопревращения элементарных частиц (распады, рождение новых частиц при столкновениях,
аннигиляция)
Возможность любых реакций элементарных частиц, не нарушающих законов сохранения (энергии,
заряда и т.д.)
Вещество как совокупность корпускулярных структур (кварки — нуклоны — атомные ядра — атомы с
их электронными оболочками) Размеры и масса ядра в сравнении с атомом
3.3. Химические системы
Химический процесс. Понятие о химической кинетике. Закон действующих масс. Правило Вант-Гоффа.
Принцип Ле-Шателье.
Кинетика химических реакций, учение о химических процессах — о законах их протекания во времени,
скоростях и механизмах. К. х. лежит в основе исследования сложных процессов горения газов и взрывчатых
веществ, помогает изучению процессов в двигателе внутреннего сгорания..
Закон действующих масс один из основных законов физической химии; устанавливает зависимость скорости
химической реакции от концентраций реагирующих веществ и соотношение между концентрациями (или
активностями) продуктов реакции и исходных веществ в состоянии химического равновесия.
Правило Вант-Гоффа — эмпирическое правило, позволяющее в первом приближении оценить влияние
температуры на скорость химической реакции в небольшом температурном интервале: при повышении
температуры на каждые 10 градусов константа скорости гомогенной элементарной реакции увеличивается в два
— четыре раза.
Принцип Ле –Шателье: Если на систему, находящуюся в равновесии, производится какое- либо воздействие, то
в системе возникают процессы, идущие в направлении, препятствующем этому воздействию.
Т.е если изменить одно из условий, при которых система находится в состоянии химического равновесия,
например концентрацию, температуру или давление, то равновесие смещается в сторону той реакции, которая
противодействует произведенному изменению.
Эволюция химических представлений.
Рассматривая химию с точки зрения ее становления, можно сказать, что в ее основе лежат два закона:
сохранения массы и постоянства состава.
Закон сохранения массы может быть сформулирован еще так: полная масса замкнутой системы
остается постоянной. Иными словами, этот закон утверждает, что химические превращения не сопровождаются
измеримым увеличением или уменьшением массы участвующих в них веществ. Например, при разложении
воды ее исходная масса будет равна сумме массы водорода и массы кислорода. Этот закон был установлен М.В.
Ломоносовым и А. Лавуазье. Он может быть сформулирован и так: вещество нельзя ни создать из ничего, ни
уничтожить. Закон постоянства состава гласит: всякое химическое соединение, независимо от способа его
получения, всегда содержит определенные элементы в одинаковом весовом отношении. Он был установлен
французским химиком Ж. Прустом в 1800-1808 гг. и теоретически обобщен в 1800-1810 гг. Однако
рассмотренные законы не являются универсальными законами химии. Последними следует считать
периодический закон химических элементов и принцип Ле-Шателье-Брауна.
Согласно периодическому закону (в его современной форме), свойства химических элементов не
являются случайными, а зависят от электронного строения данного атома, они закономерно изменяются с
изменением атомного номера. Важным в периодическом законе является то, что эта зависимость
характеризуется строгой периодичностью, которая находит свое выражение в повторяемости типичных свойств
элементов.
Д.И. Менделееву в момент создания периодической системы было известно 62 химических элемента, а
в настоящее время мы знаем уже 112. в 30-хх гг. последним элементом этой системы был уран (U — девяносто
второй элемент). Начиная с 40-х гг. новые элементы открывали регулярно по несколько элементов в
десятилетие. В 1940-1945 гг. путем физического синтеза атомных ядер были открыты элементы с номера 93 по
96: нептуний, плутоний, америций, кюрий. В 1949-1952 гг. стали известны берклий, калифорний, эйнштейний,
фермий, менделеевий (номерами от 97 по 101). В последующие 40 лет были синтезированы элементы от 102-го
по 109-й: нобелий, лоуренсий, курчатовий, жилиотий, резерфордий, борий, ганий, мейтнерий. Как правило, они
носят имена выдающихся ученых физиков или химиков. Например, элементы № 108 и № 109 названы в честь
Отто Гана и Лизы Мейтнер, открывших в 1935 г. реакцию самопроизвольного деления урана. следует отметить,
что элементы со 102-го по 109-й крайне неустойчивы: период их полураспада составляет сотые и тысячные
доли секунды. Считается, что элементы после № 110 являются настолько короткоживущими, что будут
распадаться в момент из образования. Однако вполне возможно. что при номерах 126, 164, 184 существуют
островка стабильности, означающие длительное существование элементов с этими номерами. Принцип Л.Е.
Шателье-Брауна имеет следующую формулировку: если на систему, находящуюся в термодинамическом
равновесии, воздействовать извне, изменяя какой-либо из параметров, определяющих положение равновесия, то
в системе усилится то из направлений процесса, которое ослабляет влияние произведенного воздействия.
положение равновесия также сместится в направлении ослабления эффекта внешнего воздействия. Данный
принцип в настоящее время и далеко за пределами химии; он находит применение в различных науках, вплоть
до общественных.
Важнейшие химические принципы могут быть выявлены в связи с двумя важнейшими химическими
понятиями. Первым из них является понятие “моль”. Выделение и осмысление этого понятия служит
важнейшим достижением химии. Под молем химического элемента понимается его весовое количество в
граммах, численно равное атомному весу этого элемента. Число атомов любого элемента в одном моле равно 6,
022 1023. Это число — постоянная Авогадро. Она характеризует химический мир и дистанцию, отделяющую его
от тотальных атомов. Моль входит в число семи основных единиц системы Си как мера количества
структурных элементов. Закон Авогадро является одним из фундаментальных законов химии.
Второе важнейшее понятие — “красота (гармония) химии”. Химия — очень красивая наука, причем
красота здесь наглядна. В своей “Истории органической химии” известный химик П. Вальден целый раздел
посвятил тому, что он назвал художественным началом в синтетической химии. Это художественное начало
проявляется в архитронике молекул, в первую очередь в различных формах симметрии синтезируемых
структур.
Учение о химических процессах.
Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и
условием протекания химических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат
химических реакций. Наиболее зависимыми от условий протекания реакции оказываются соединения
попеременного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них направлено в первую
очередь действие различных катализаторов, которые значительно ускоряют ход химических реакций.
Одним из основоположников этого направления в химии стал русский химик Н.Н. Семенов — лауреат
Нобелевской премии, основатель физической химии. В своей Нобелевской лекции 1965 г. он заявил, что
химический процесс — то основное явление, которое отличает химию от физики, делает ее более сложной
наукой. Химический процесс становится первой ступенью при восхождении от таких относительно простых
физических объектов, как электрон, протон, атом, молекула, к живой системе, потому что любая клетка живого
организма, по существу, представляет собой своеобразный сложный реактор. Это — мост от объектов физики к
объектам биологии.
Подавляющее большинство химических реакций находится во власти стихии. Они трудно
контролируемы: в одних случаях их просто не удается осуществить, хотя они в принципе осуществимы, в
других — трудно остановить, например, горения и взрывы, в третьих случаях их трудно ввести в одно желаемое
русло, так как они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием сотен
побочных продуктов. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить
на термодинамические и кинетические, а среди последних ведущую роль играют каталитические методы.
Выделение химической термодинамики в самостоятельное направление учения о химических
процессах обычно связывают с появлением в 1884 г. книги “Очерки по химической динамике” голландского
химика Я. Вант-Гоффа. В ней обоснованы законы, устанавливающие зависимость направления химической
реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции. Тогда же Ле-Шателье сформулировал свой
“принцип подвижного равновесия”, вооружив химиков методами смещения равновесия в сторону образования
целевых продуктов. Основными рычагами управления реакций выступают: температура, давление (если
реакция происходит в газовой фазе) и концентрация реагирующих веществ (если реакция идет в жидкой фазе).
Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную
сторону, что зависит от как о т природы реагентов, так о от условий процесса. Есть реакции, которые не
требуют особых средств управления: кислотно-основное взаимодействие (нейтрализация), реакции,
сопровождающиеся удалением готовых продуктов или в виде газов, или в форме осадков. Но существует
немало реакций, равновесие которых смещено влево, к исходным веществам. И чтобы их осуществить,
требуются особые термодинамические рычаги — увеличение температуры, давления, и концентрации
реагирующих веществ.
Термодинамическое взаимодействие влияет преимущественно на направленность химических
процессов, а не на их скорость. Управлением скоростью химических процессов занимается химическая
кинетика, в которой изучается зависимость протекания химических процессов от различных структурнокинетических факторов: строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и
других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т.п.
Задача исследования химических реакций является исключительно сложной. Ведь при ее решении
необходимо выяснить механизм взаимодействия не просто двух реагентов, а еще и “третьих тел”, которых
может быть несколько. В этом случае наиболее целесообразно поэтапное решение, при котором вначале
выделяется наиболее сильное действие какого-нибудь одного из “третьих тел”, чаще всего катализатора.
Катализаторы и ингибиторы.
Практически все химические реакции представляют собой не простое взаимодействие исходных
реагентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом,
но и со стенками реактора, которые могут как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять)
процесс.
Опыты показывают, что на интенсивность химических процессов оказывают влияние также случайные
примеси. Вещества различной степени чистоты проявляют себя в одних случаях как более активные реагенты, в
других — как инертные. Примеси могут оказывать как каталитическое, так и ингибиторные действие. Поэтому
для управления химическим процессом в реагирующие вещества вносят те или иные добавки. Таким образом,
влияние “третьих тел” на ход химических реакций может быть сведено к катализу, то есть положительному
воздействию на химический процесс, и к ингибированию, сдерживающему процесс.
В качестве примера рассмотрим реакцию синтеза аммиака. До 1913 г. она вообще не могла быть
осуществлена. Только после того, как был найден катализатор, при высокой температуре и давлении эту
реакцию удалось осуществить. Но в технологическом исполнении реакция оставалась трудной и опасной.
Позднее были открыты условия, позволяющие проводить ее при нормальном давлении и комнатной
температуре с использованием металлоорганических катализаторов.
Применение катализаторов послужило основанием коренной ломки всей химической промышленности.
Благодаря им стало возможным ввести в действие в качеств сырья для органического синтеза парафины и
циклопарафины, до сих пор считавшиеся “химическими мертвецами”. Катализ находится в основании
производства маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся
промышленность основной химии (производство неорганических кислот, оснований и солей) и “тяжелого
органического синтеза”, включая получение горюче смазочных материалов, базируется на катализе. Последнее
время тонкий органический синтез также становится все более каталитическим. 60-80 процентов всей химии
основаны на каталитических процессах. Химики не без оснований говорят, что некаталитических процессов
вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит
своеобразным катализатором. Но сам катализ долгое время оставался загадкой природы, вызывая к жизни
самые разнообразные теории, как чисто химические, так и физические.
Эти теории, даже будучи ошибочными, оказывались полезными хотя бы потому, что наталкивали
исследователей на новые эксперименты. Ведь дело было в том, что для большинства промышленно важных
химических процессов катализаторы подбирались путем бесчисленных проб и ошибок. Так например, для
вышеназванной реакции синтеза аммиака в 1913-1914 годах немецкие химики испробовали в качестве
катализатора более 20 тысяч химических соединений, следуя периодической системе элементов и сочетая их
самыми разными способами.
Сегодня можно сделать некоторые выводы о сущности катализа:
1. Реагирующие вещества вступают в контакт с катализатором
взаимодействуют с ним, в результате чего происходит ослабление химических связей А
Если же реакцию проводят в отсутствие катализатора, тот активация молекул реагирующихкат.
веществ
А инерции извне.
должна происходить за счет подачи
А
в реактор
В
2. В общем случае любую каталитическую
реакцию можно представить проходящей
через
кат.
+ кат. 
промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение ослабленных химических связей
кат В
В
А
С
А.
С

+
А
C
B
D

кат.
В
D
В
D
3. В подавляющем большинстве случаев в качестве катализаторов выступают соединения бертолидного
типа — соединения переменного состава, отличающиеся наличием в них ослабленных химических связей или
даже свободных валентностей, что придает им высокую химическую активность. Их молекулы содержат
широкий набор энергетически неоднородных связей или даже атомы на поверхности.
4. Следствием взаимодействия реагентов с катализатором является ход реакции в заданном
направлении; увеличение скорости реакции, так как на поверхности катализатора увеличивается число встреч
реагирующих молекул; захват катализатором некоторой части энергии экзотермической реакции для
энергетической подпитки все новых актов реакции и ее общего ускорения.
На современном этапе своего развития учение о химических процессах занимается разработкой таких
проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.
Эволюционная химия.
Основная проблема эволюционной химии: - выявление процессов химической эволюции, способов и
средств управления ею. Появление эволюционной химии: 1950-60-е годы.
Предельная (не сегодня) организованность и эффективность химических процессов достигается в
живой клетке, которая является результатом эволюции материи.
Идея: открыть законы химических процессов в живых организмах и перенести их на химическое
производство.
Основное: термодинамические, кинетические, каталитические условия протекания биологических
процессов в клетках.
Особенно! - транспортирование веществ для химических реакций.
Основополагающие работы: немец К. Циглер (1898-1973). Нобелевская премия 1965.
Главное направление сегодня моделирование ферментов и транспортных РНК. Решение этой
проблемы невозможно без понимания законов химической эволюции, так как имеем дело с крайне сложными
молекулярными системами, синтезировать которые путем подбора имитирования невозможно. Синтез возможен
только на основе моделирования тех природных процессов, которые реально вели к появлению ферментов и
транспортных соединений. Это эволюционная химия.
Второе направление - исследование явления самоорганизации химических реакций и катализаторов в
процессе химических реакций.
На этом пути - решение проблемы происхождения жизни? Основания: отбор химических элементов и
соединений в живом и не только в живом.
Теория химической эволюции Руденко (1964,1969)
Суть: химическая эволюция есть саморазвитие каталитических систем, т. е. Эволюционирующее
вещество - катализаторы.
Основной закон: с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются те пути эволюционных
изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его активности.
Итог
Невозможность классического описания поведения электронов в атоме
Дискретность электронных состояний в атоме
Организация электронных состояний атома в электронные оболочки
Переходы электронов между электронными состояниями как основные атомные процессы
(возбуждение и ионизация)
Химический элемент
Молекула
Вещества: простые и сложные (соединения)
Понятие о качественном и количественном составе вещества
Катализаторы
Биокатализаторы (ферменты)
Полимеры
Мономеры
3.4. Особенности биологического уровня организации материи
Химический состав живого:элементы-органогены, макроэлементы… Вода, ее роль для живых организмов.
Биогенные элементы, содержание которых превышает 0,01% от массы тела, относят к макроэлементам. 12
элементов: органогены, ионы электролитного фона и железо. Они составляют 99,99% живого субстрата. Еще
более поразительно, что 99% живых тканей содержат только шесть элементов: С, Н, О, N, Р, Ca. Элементы К,
Na, Mg, Fe, Сl, S относят к олигобиогенным элементам. Биогенные элементы, суммарное содержание которых
составляет величину порядка 0,01%, относят к микроэлементам. Большинство микроэлементов содержится в
основном в тканях печени. Обычные микроэлементы, когда их концентрация в организме превышает
биотическую концентрацию, проявляют токсическое действие на организм. Дефицит и избыток
микроэлементов отрицательно влияет на здоровье человека. Установлены биоритмы колебаний их содержания.
Отмечены значительные колебания для микро- и макроэлементов. Один микроэлемент может активировать
работу различных ферментов, а один фермент может быть активирован различными микроэлементами.
Вода в жизни организмов
Экологическая роль воды. Вода является необходимым условием существования всех живых организмов на
Земле. Значение воды в процессах жизнедеятельности определяется тем, что она является основной средой в
клетке, где осуществляются процессы метаболизма, служит важнейшим исходным, промежуточным или
конечным продуктом биохимических реакций. Особая роль воды для наземных организмов (особенно растений)
заключается в необходимости постоянного пополнения ее из-за потерь при испарении. Для многих видов
растений, животных, грибов и микроорганизмов вода является непосредственной средой их обитания.
Вода питьевая, удовлетворяет питьевые потребности человека (около 3 л в сутки). Вместе с водой в организм
поступают минеральные соли и микроэлементы. Их недостаток или избыток может вызывать различные
заболевания, связанные с нарушением водно-солевого баланса. Питьевая вода должна быть безопасна в
эпидемиологическом отношении, безвредна по химическому составу, иметь благоприятные органолептические
свойства – вкус, запах, цвет, прозрачность.
Особенности органических биополимеров. Гомеостаз.
Гомеостаз – это относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость
основных физиологических функций организма. Гомеостаз — это стремление живой системы сохранить
стабильность своей организации, рода, популяции.
Гомеостаз присущ любому существу, любой живой системе. Стремление к гомеостазу — мощнейший фактор
эволюции, открывает прямое влияние на интенсивность естественного отбора. Живое всегда стремится
сохранить свою стабильность — это факт эмпирический. Для неживой материи стремление сохранить свой
гомеостаз выражен в принципе Ле Шателье. Чересчур стабильные формы — тоже тупиковые формы, развитие
которых прекращается. Чрезмерная адаптация или специализация столь же опасна для совершенствования, как
и его неспособность к адаптации.
Биологические полимеры — это высокомолекулярные органические соединения, макромолекулы которых
состоят из большого числа повторяющихся звеньев — мономеров. К биополимерам относятся белки,
нуклеиновые кислоты, полисахариды. Мономерами для них служат соответственно аминокислоты, нуклеотиды
и моносахариды. Биополимеры могут содержать сотни и тысячи более простых, связанных вместе молекул.
Ферментативный катализ, биокатализ, ускорение химических реакций под влиянием ферментов. Общая теория
Ф. к. не разработана, однако результаты исследования механизма действия ферментов позволяют качественно, а
в отдельных случаях и количественно объяснить высокую активность Ф. к. Её главные причины: 1) сближение
реагентов при сорбции их в активном центре, этот фактор эквивалентен повышению концентрации
реагирующих веществ; 2) специфическая ориентация сорбированного в активном центре субстрата,
благоприятная для взаимодействия с каталитическим участком активного центра; 3) образование химических
связей между субстратом и каталитическим участком активного центра; 4) осуществление всех основных
химических превращений субстрата "внутримолекулярно" – в составе фермент-субстратного комплекса; 5)
исключительная гибкость молекулы фермента. Каждая предшествующая стадия подготавливает наилучшие
условия для последующей.
Белки и высокомолекулярные соединения с особым комплексом свойств.
Среди многочисленных веществ, встречающихся в природе, резко выделяется группа соединений,
отличающихся от других особыми физическими свойствами, высокой вязкостью растворов, способностью
образовывать волокна, пленки и т.д. К этим веществам относятся и белки. Высокомолекулярные соединения
получили свое название вследствие большой величины их молекулярного веса, отличающие их от
низкомолекулярных веществ, молекулярный вес которых лишь сравнительно редко достигает нескольких сотен.
В настоящее время принято относить к ВМС вещества с молекулярным весом более 5000. Для
высокомолекулярных соединений характерны некоторые общие свойства, которые позволяют выделить химию
высокомолекулярных соединений в самостоятельную науку. Для рассмотрения свойств высокомолекулярных
соединений необходимо ввести принципиально новые понятия, общие для всего класса соединений.
Липиды их функции. Углеводы.
Липи́ды (от греч. λίπος, lípos — жир) — жирные кислоты, а также их производные, как по радикалу, так и по
карбоксильной группе.
Энергетическая (резервная) функция
Многие жиры, в первую очередь триглицериды, используются организмом как источник энергии. При полном
окислении 1 г жира выделяется около 9 ккал энергии, примерно вдвое больше, чем при окислении 1 г белков
или углеводов. Поэтому жировые отложения используются в качестве запасных источников питательных
веществ прежде всего животными, которые вынуждены таскать свои запасы на себе. Растения чаще запасают
углеводы. однако в семенах многих растений высоко содержание жиров (растительные масла добывают из
семян подсолнечника. кукурузы, рапса, льна и других масличных растений).
Структурная функция
Фосфолипиды составляют основу бислоя клеточных мембран, холестерин - регуляторы текучести мембран. У
архей в состав мембран входят производные изопреноидных углеводородов. Воски образуют кутикулу на
поверхности надземных органов (листьев и молодых побегов) растений. Их также производят многие
насекомые (так, пчёлы строят из них соты, а червецы и щитовки образуют защитные чехлы.
Защитная (амортизационная)
Суточная потребность взрослого человека в липидах— 70-140 грамм.
Углево́ды (сахара) — общее название обширного класса природных органических соединений. Название
происходит от слов "уголь" и "вода". Причиной этого является то, что первые из известных науке углеводов
описывались брутто-формулой Cx(H2O)y, формально являясь соединениями углерода и воды.
Биологическое значение углеводов:
1.Углеводы выполняют пластическую функцию, то есть участвуют в построении костей, клеток, ферментов.
Они составляют 2-3 % от веса.
2.Углеводы являются основным энергетическим материалом. При окислении 1 грамма углеводов выделяются
4,1 ккал энергии и 0,4 г воды.
3.В крови содержится 100—110 мг/% глюкозы. От концентрации глюкозы зависит осмотическое давление
крови.
4.Пентозы (рибоза и дезоксирибоза) участвуют в построении АТФ,ДНК и РНК.
5.Углеводы выполняют защитную роль в растениях.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus — ядро) — высокомолекулярные органические соединения,
биополимеры (полинуклеотиды), образованные остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК
присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и
реализации наследственной информации.+
Химические свойства НК
Нуклеиновые кислоты хорошо растворимы в воде, практически не растворимы в органических растворителях.
Очень чувствительны к действию температуры и критических значений рН. Молекулы ДНК с высокой
молекулярной массой, выделенные из природных источников, способны фрагментироваться под действием
механических сил, например при перемешивании раствора. Нуклеиновые кислоты фрагментируются
ферментами - нуклеазами.
Фрагмент полимерной цепочки ДНК
Полимерные формы нуклеиновых кислот называют полинуклеотидами. Цепочки из нуклеотидов соединяются
через остаток фосфорной кислоты (фосфодиэфирная связь). Поскольку в нуклеотидах существует только два
типа гетероциклических молекул, рибоза и дезоксирибоза, то и имеется лишь два вида нуклеиновых кислот —
дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК).
Мономерные формы также встречаются в клетках и играют важную роль в процессах передачи сигналов или
запасании энергии. Наиболее известный мономер РНК — АТФ, аденозинтрифосфорная кислота, важнейший
аккумулятор энергии в клетке.
ДНК и РНК
ДНК— Дезоксирибонуклеиновая кислота. Сахар— дезоксирибоза, азотистые основания: пуриновые— гуанин
(G), аденин (A), пиримидиновые — тимин (T) и цитозин (C). ДНК часто состоит из двух полинуклеотидных
цепей, направленных антипараллельно.
РНК— Рибонуклеиновая кислота. Сахар— рибоза, азотистые основания: пуриновые— гуанин (G), аденин (A),
пиримидиновые урацил (U) и цитозин (C). Структура полинуклеотидной цепочки аналогична таковой в ДНК.
Из-за особенностей рибозы, молекулы РНК часто имеют различные вторичные и третичные структуры, образуя
комплементарные участки между разными цепями.
Генетический код - это свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной
последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.
В ДНК используется четыре нуклеотида — аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в
русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического
кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом
— урацилом, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК
нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.
Системность живого
Иерархическая организация живого: клетка – единица живого
Иерархическая организация природных биологических систем:
биополимеры – органеллы – клетки – ткани – органы – организмы – популяции – виды
Иерархическая организация природных экологических систем:
особь – популяция – биоценоз – биогеоценоз – экосистемы более высокого ранга (саванна, тайга, океан) –
биосфера)
Химический состав живого: элементы-органогены, микроэлементы, макроэлементы, их основная роль в живом
Химический состав живого: атом углерода – главный элемент живого, его уникальные особенности:
- способность атомов связываться друг с другом с образованием разнообразных структур, являющихся
несущей основой органических молекул
- способность связываться с другими атомами близких радиусов (кислородом, азотом, серой) с образованием
менее прочных связей (возникновение функциональных групп), которые обусловливают химическую
активность органических соединений
Химический состав живого: вода, ее роль для живой природы:
- высокая полярность воды и как следствие – химическая активность и высокая растворяющая способность
- высокая теплоемкость воды, высокие теплоты испарения и плавления – основа для поддержания
температурного гомеостаза живых организмов и регулирования тепла планеты
- аномальная плотность в твердом состоянии – причина существования жизни в замерзающих водоемах
- высокое поверхностное натяжение – жизнь на поверхности гидросферы, передвижение растворов по сосудам
растений
Химический состав живого: особенности органических биополимеров как высокомолекулярных соединений –
высокая молекулярная масса, способность образовывать пространственные и надмолекулярные структуры,
разнообразие строения и свойств
Симметрия и асимметрия живого
Хиральность молекул живого
Открытость живых систем
Обмен веществ и энергии
Самовоспроизведение
Гомеостаз как относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды живой системы
Каталитический характер химии живого
Специфические свойства ферментативного катализа: чрезвычайно высокие избирательность и скорость,
главные причины которых – комплементарность фермента и реагента, высокомолекулярный характер фермента
4. Порядок и хаос в природе
Хаос – широко распространенное явление, которое встречается во всех дисциплинах. Это реальное устойчивое
явление. Это события способные приводить к катастрофам. Потеря устойчивости рождает турбулентность. Он
возникает в любых системах, в том числе и живых, где встречается нелинейность. В теории хаоса хаос –
необычная форма поведения к-л системы в уравновешенном состоянии.
Причины хаоса:
1. шумы, внешние помехи, возмущающие факторы.
2. наличие большого числа степеней свободы, которыми обладает система в процессе своего
функционирования.
3. достаточно сложная организация системы.
4. «эффект бабочки»-нелинейные системы чрезвычайно чувствительны к начальным условиям и обладают
свойством быстро разводить первоначально близкие траектории. На макроуровне хаос выполняет функции
генетического анализа. Хаос может выступать как сверхсложная упорядоченность, а среда, предстающая перед
нашим взором беспорядочным, случайным скоплением элементов, включает в себя необходимое для рождения
огромное число упорядоченных структур. Хаос-наличие испорченного порядка.
4.1. Динамические и статистические закономерности в природе
Динамические законы устанавливают однозначную связь физических величин.
Статистические –устанавливают вероятностные характеристики систем (средние значения и случайные
отклонения от них).
Детерминизм (жёсткий) как идея полной предопределённости всех будущих событий
Критика концепции детерминизма Эпикуром, его учение о неустранимой случайности в движении атомов
Механи(сти)ческий детерминизм как:
- утверждение о единственно возможной траектории движения материальной точки при заданном начальном
состоянии;
- лапласова концепция полной выводимости всего будущего (и прошлого) Вселенной из её современного
состояния с помощью законов механики
Детерминистское описание мира: динамическая теория, которая однозначно связывает между собой значения
физических величин, характеризующих состояние системы
Примеры динамических теорий:
- механика,
- электродинамика,
- термодинамика,
- теория относительности,
Описание систем с хаосом и беспорядком: статистическая теория, которая однозначно связывает между собой
вероятности тех или иных значений физических величин
Основные понятия статистической теории:
- случайность (непредсказуемость)
- вероятность (числовая мера случайности)
- среднее значение величины
- флуктуация (случайное отклонение системы от среднего (наиболее вероятного) состояния)
Примеры статистических теорий:
- молекулярно-кинетическая теория (исторически первая статистическая теория),
- квантовая механика, другие квантовые теории
- эволюционная теория Дарвина,
Соответствие динамических и статистических теорий: их предсказания совпадают, когда можно
пренебречь флуктуациями; в остальных случаях статистические теории дают более глубокое, детальное и
точное описание реальности
4.2. Концепции квантовой механики.
Корпускулярно-волновой дуализм как всеобщее свойство материи
Корпускулярные свойства света. Корпускулярно-волновой дуализм.
В 1900 г. М. Планк показал, что энергия излучения или поглощения электромагнитных волн не может иметь
произвольные значения, а кратна энергии кванта, т.е. волновой процесс приобретает окраску дискретности.
Идея Планка о дискретной природе света получили свое подтверждение в области фотоэффекта. Де Бройль
открыл примерно в это же время у частиц волновые свойства (дифракция электрона). Таким образом, частицы
неотделимы от создаваемых ими полей и каждое поле вносит свой вклад в структуру частиц, обуславливая их
свойства. В этой неразрывной связи частиц и полей можно видеть одно из наиболее важных проявлений
единства прерывности и непрерывности в структуре материи. Для характеристики прерывного и непрерывного
в структуре материи следует также упомянуть единство корпускулярных и волновых свойств всех частиц и
фотонов. Изучение процессов макромира показали, что прерывность и непрерывность существуют в виде
единого взаимосвязанного процесса. При определенных условиях макромира микрообъект может
трансформироваться в частицу или поле и проявлять соответствующие им свойства.
Мысленный эксперимент «микроскоп Гейзенберга»
Соотношение неопределенностей координата-импульс (скорость)
Принцип дополнительности как утверждение о том, что:
- невозможны невозмущающие измерения (измерение одной величины делает невозможным или неточным
измерение другой, дополнительной к ней величины)
- полное понимание природы микрообъекта требует учёта как его корпускулярных, так и волновых свойств,
хотя они не могут проявляться в одном и том же эксперименте
- (в широком смысле) для полного понимания любого предмета или процесса необходимы несовместимые, но
взаимодополняющие точки зрения на него
Статистический характер квантового описания природы
4.3. Принцип возрастания энтропии
Первый закон термодинамики утверждает, что кол-во теплоты dQ,сообщенное системе, идет на увеличение ее
внутренней энергии dU и на совершение системой работы dA, т.е. dQ=dU+dA
Тепловая энергия—форма энергии, связанная с движением атомов, молекул или других частиц из которых
состоит тело. По сути тепловая энергия—это энергия механических колебаний структурных элементов
вещества.
Механической энергией тела в физике называют сумму кинетической и потенциальной энергий этого тела.
Кинетической энергией системы называется сумма кинетических энергий материальных точек, из которых эта
система состоит. Потенциальная энергия—работа, которую необходимо совершить против действующих сил,
чтобы перенести тело из некой точки отсчета в данную точку. Электрическая энергия—термин, под которым
подразумевается энергия, заключенная в электромагнитном поле. Сюда же относят частные случаи чистого
электрического поля и чистого магнитного поля.
Изолированные и открытые системы.
Равновесная термодинамика – наука, занимающаяся процессами взаимопревращения различных видов энергии.
Во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направленность.
Второй закон термодинамики – при самопроизвольных процессах в системах с постоянной энергией энтропия
возрастает. Этот закон утверждает односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в
замкнутой системе. Для отражения этого процесса было введено понятие энтропии – меры беспорядка системы.
Физический смысл возрастания энтропии: состоящая из некоторого множества частиц изолированная система
стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, при котором движение частиц хаотично.
Максимальная энтропия соответствует полному термодинамическое равновесие=полный хаос. Необратимая
направленность процессов преобразования энергии в изолированной системе приведет к превращению всех
видов энергии в тепловую, которая рассеется, что и будет означать термодинамическое равновесие, или полный
хаос.
Энтропия как мера молекулярного беспорядка.
Это понятие впервые было введено для определения меры рассеяния энергии. Роль энтропии как меры хаоса
стала очевидной после установления связи между механическими и тепловыми явлениями, открытия принципа
сохранения энергии и понятия необратимости. Все процессы в природе протекают в направлении увеличения
энтропии. Максимум энтропии – термодинамическое равновесие, при котором энергия извне не поступает.
Равновесие, которое соответствует максимуму энтропии – абсолютно устойчивое. Энтропия характеризует
вероятность, с кот устанавливается то, или иное состояние, и является мерой хаотичности и необратимости. По
Второму закону: любые замкнутые системы должны перейти в более вероятное состояние, характеризуемое
термодинамическим равновесием с наименьшей свобод энергией и с наибольшей величиной энтропии.
Возрастание энтропии говорит о необходимости поиска новой физической теории или биологической
закономерности, описывающей это состояние.
Итог
Формы энергии: тепловая, химическая, механическая, электрическая
Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии при ее превращениях
Первый закон термодинамики как утверждение о невозможности вечного двигателя первого рода
Изолированные и открытые системы
Второй закон термодинамики как принцип возрастания энтропии в изолированных системах
Изменение энтропии тел при теплообмене между ними
Второй закон термодинамики как принцип направленности теплообмена (от горячего к холодному)
Второй закон термодинамики как утверждение о невозможности вечного двигателя второго рода
Энтропия как мера молекулярного беспорядка
Второй закон термодинамики как принцип нарастания беспорядка и разрушения структур
Закономерность эволюции на фоне всеобщего роста энтропии
Энтропия открытой системы: производство энтропии в системе, входящий и выходящий потоки энтропии
Термодинамика жизни: добывание упорядоченности из окружающей среды
4.4. Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма
Синергетика – теория, исследующая процессы самоорганизации, устойчивости и распада и возрождения самых
разнообразных структур живой и неживой природы. Основные положения (Г. Хаккен):
1. исследуемые системы состоят из частей, взаимодействующих друг с другом.
2. системы нелинейные
3. системы открытые и далеки от теплового равновесия
4. системы подвержены внутренним и внешним колебаниям
5. в системах наблюдаются флуктуации-случайные отклонения систем от равновесного состояния.
6. все процессы в системах необратимы во времени.
7. при самоорганизации энтропия системы понижается
Самоорганизация – спонтанный переход открытой неравновесной сист от менее к более сложным и
упорядоченным формам организации. Самоорганизация в природных и социальных системах – возникновение
упорядоченных неравновесных структур в силу объектив законов природы и общества.
Необходимые условия самоорганизации.
Объектом синергетики могут быть системы: нелинейные, т е. самоорганизующиеся, неравновесные, т е далеки
от состояния термодинамического равновесия. В цикле развития открытой и неравновесной системы
наблюдается 2 фазы:
1. период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуем линейными изменениями,
приводящий систему к некоторому неустойчивому, критическому состоянию.
2. выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчив состояние с
большой степенью сложности и упорядоченности. Точка бифуркации – момент потери устойчивости
системы, после прохождения система не возвращается в исходное состояние. Для синергетики
неравновесность – это основание для установления упорядоченности. Переход системы в
неравновесное состояние побуждает элементы устанавливать связь, корреляцию. Происходит
«резонансное возбуждение», которое не проходит бесследно. Оно продолжает существовать в качестве
центрального параметра диссипативной структуры, свойство которой необычная чувствительность.
Диссипативная структура – структура, рассеивающая свою энергию. Рассеяние – переход энергии
упорядоченных процессов в энергию неупорядоченных. Флуктуации – изменения во внеш среде.
Принцип минимума диссипации энергии: если допустимо не единственное в состояние в системе, а
целая совокупность, то реализуется то состояние, кот соответствует минимальному рассеянию энергии,
или минимуму роста энтропии. Человечество – сложная система, а сложные системы обладают
чувствительностью к флуктуациям.
Понижение энтропии системы
Физический смысл возрастания энтропии: состоящая из некоторого множества частиц изолированная система
стремится перейти в состояние термодинамического равновесия. Материя способна совершать работу и против
термодинамическое равновесие, самооранизовываться и самоусложняться. При минимальной диссипации
энергии, уменьшающаяся энтропия системы, вызывает увеличение энтропии окружающей среды. Синергетика
является основой для программы современнного эволюционизма:
1. всё сущ в развитии
2. развитие-чередование бифуркаций
3. неустранима роль случайности и неопределенности
4. устойчивость и надежность природных сист есть результат их постоянного обновления
5. непредсказуемость выхода из т. бифуркации,т е прошлое влияет на будущее,но не определяет его.
Синергетика — теория самоорганизации
Междисциплинарный характер синергетики
Самоорганизация в природных и социальных системах как самопроизвольное возникновение упорядоченных
неравновесных структур в силу объективных законов природы и общества
Примеры самоорганизации в простейших системах: ячейки Бенара, реакция Белоусова-Жаботинского,
спиральные волны
Необходимые условия самоорганизации: неравновесность и нелинейность системы
Признак неравновесности системы: протекание потоков вещества, энергии, заряда и т.д.
Диссипация (рассеяние) энергии в неравновесной системе
Диссипативная структура — неравновесная упорядоченная структура, возникшая в результате самоорганизации
Пороговый характер (внезапность) явлений самоорганизации
Точка бифуркации как момент кризиса, потери устойчивости
Синхронизация частей системы в процессе самоорганизации
Понижение энтропии системы при самоорганизации
Повышение энтропии окружающей среды при самоорганизации
Универсальный эволюционизм как научная программа современности, его принципы:
- всё существует в развитии;
- развитие как чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций);
- законы природы как принципы отбора допустимых состояний из всех мыслимых;
- фундаментальная и неустранимая роль случайности и неопределенности;
- непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации (прошлое влияет на будущее, но не определяет его);
- устойчивость и надежность природных систем как результат их постоянного обновления
5. Эволюционное естествознание
5.1. Космология (мегамир)
Космология - наука о Вселенной в целом. Модель Большого взрыва.
Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией.
Согласно существующим представлениям космологии 10-15млрд лет назад произошел Большой взрыв.
Модель Большого взрыва:
1)В расширяющейся Вселенной на ранней стадии ее развития и вещество и излучение имели очень высокую
температуру и плотность
2)В результате Большого взрыва произошло расширение, которое привело материю к постепенному
охлаждению и образованию атомов
3)В результате конденсации под воздействием гравитации образовались протогалактики, которые представляли
собой непрерывно-дискретную форму существования материи, затем сформировались галактики, т.е. звездные
системы,состоящие из звезд и др космических тел.
Начальным состоянием Вселенной является физический вакуум—наинизшее энергетическое состояние всех
полей, это форма материи лишена вещества и излучения, но активна и способна находиться в одном из
состояний с разной энергией и отрицательным давлением. Такое состояние вакуума может создать гигантскую
силу космического отталкивания, что и привело к расширению Вселенной. Скорость расширения была выше
световой. Представление о Вселенной включает в себя такие понятия, как Метагалактика, галактики, звезды,
планетные системы, малые планеты—астероиды, кометы. Структуру Вселенной можно представить так: Земля
и Луна—Солнечная система—Галактика—скопление галактик — Сверхскопление галактик—Сетчатая
структура Вселенной.
Вселенная Эйнштейна.
Впервые в науке Вселенная предстала как физический объект. В теории фигурируют ее параметры: масса, плотность,
размер, температура. Первая модель была разработана А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской
космологии об абсолютности и бесконечности пространства. В соответствии с космологической моделью Вселенной А.
Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно,
гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Модель А.
Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается как независимая от времени
характеристика. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство
безгранично, но конечно. Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и
безгранична в пространстве.
Космологическая модель Фридмана.
В 1922 г. русский математик и геофизик А.А. Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности
Вселенной и получил решение уравнений Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся»
пространством. Решение уравнений А.А. Фридмана допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и
излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и
Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше
критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется. И наконец, если
плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе
сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.
Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной не известна, то и не известно, в каком из этих пространств
Вселенной мы живем.
Созданная А. Эйнштейном ОТО позволила по-новому подойти к разработке крупномасштабной структуры и
эволюции Вселенной. ОТО связывает тяготение с кривизной пространства-времени, рассматривая их как две
неотделимые друг от друга стороны физической реальности. Тяготеющие массы через гравитационное поле
вызывает «искривление» пространства-времени, а последнее, в свою очередь, влияет на движение тел, которое
происходит по геодезическим линиям. Уравнения тяготения Эйнштейн связывает кривизну пространствавремени с плотностью массы, ее импульсом, потоком массы и потоком импульса. На основе этих уравнений
Эйнштейн разработал так называемую «статическую», «цилиндрическую» модель Вселенной. Вселенная –
бесконечно протяженный цилиндр. В основе данной модели было предположение об однородности
распределения галактик в пространстве Вселенной и стационарность Вселенной во времени.
А. А. Фридман в 1922 г. сумел найти иное решение уравнений ОТО, отказавшись от предположения о
статичности Вселенной, но приняв допущение об однородности и изотропности распределения вещества. Из
решения А. А. Фридмана уравнений тяготения следовало, что Вселенная нестационарна и ее пространство
обладает переменной во времени кривизной, одинаковой во всех малых масштабах. При этом А. А. Фридман
допускал три следствия из предложенных им решений: Вселенная и ее пространство расширяются с течением
времени; Вселенная сжимается; во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и
расширения.
Естественное возникновение гипотезы расширяющейся Вселенной от сингулярности в результате «Большого
взрыва». Предложена в 1948 г. Г. Гамовым. Причины возникновения сингулярности, характер пребывания
материи в этом состоянии, а также причины большого взрыва и перехода к расширению во всех моделях
«горячей Вселенной» считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой современной
физической теории.
Итог
Космология – наука о Вселенной в целом, ее строении, происхождении и эволюции
Космологические представления Аристотеля: шарообразная неоднородная Вселенная
Геоцентрическая система мира Птолемея
Гелиоцентрическая система мира Коперника
Ньютоновская космология: безграничная, бесконечная, однородная и неизменная Вселенная
Общая теория относительности как теоретическая основа современной научной космологии
Вселенная Эйнштейна: однородна, изотропна и равномерно заполнена материей, преимущественно в форме
вещества
Космологическая модель Фридмана: Вселенная нестационарна
Понятие о космологической сингулярности
Наблюдаемая однородность Вселенной в очень больших масштабах
Наблюдательное подтверждение нестационарности Вселенной: красное смещение в спектрах галактик,
возникающее благодаря эффекту Доплера при их удалении от наблюдателя (разбегание галактик)
Закон Хаббла: скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию до них
Постоянная Хаббла
Возраст Вселенной — понятие (время, прошедшее с момента начала расширения) и современные оценки (12–15
млрд. лет)
5.2. Геологическая эволюция
Земля как планета, ее отличия от др планет земной группы.
Сравнительно недавно - только в 16 веке - Николай Коперник установил, что наша Земля - это третья планета от
Солнца. Эксцентриситет ее орбиты мал. Время оборота вокруг оси принято считать сутками, состоящими из
24 часов, а время оборота вокруг солнца называется годом, который состоит из 365,2422 суток. Во время
полного оборота вокруг Солнца Земля совершает не целое число оборотов вокруг своей оси, поэтому для счета
времени приходится вводить календарные годы состоящие из целого числа суток по 365 или по 366 дней. Земля
имеет единственный, но очень крупный спутник - Луну.
Планеты земной группы весьма похожи друг на друга - они имеют схожее строение, небольшие размеры и
массы. Орбиты этих планет расположены достаточно компактно вблизи от Солнца, а сами планеты имеют малое
количество естественных спутников (Земля - 1, Марс - 2) или не имеют их вовсе (Меркурий и Венера). Планеты
земной группы имеют высокую плотность, в несколько раз превышающую плотность воды. Самая большая из
планет земной группы, Земля, по массе меньше наименее массивной планеты-гиганта Урана в 14 раз, однако,
при этом превосходит наиболее массивный объект пояса Койпера в 500 раз
Строение планет земной группы:
-в центре находится ядро, состоящее преимущественно из железа и никеля
-мантия, состоящая из соединений кремния
-кора, образовавшаяся в результате плавления мантии.
Земля - это единственная планета, имеющая океаны из воды и материки.
Также к уникальным особенностям Земли можно отнести соотношение видимых размеров Солнца и
естественного спутника, Луны - они составляют пол градуса. Атмосфера Земли состоит в основном из азота и
кислорода. Благодаря наличию воды, "правильному" составу атмосферы и благоприятным климатическим
условиям на Земле смогла зародиться жизнь.
Магнитное поле Земли, его структура и роль для жизни на планете
Магнитосфера Земли
Существование постоянного плазменного потока, исходящего от Солнца и называемого солнечным ветром,
доказано экспериментально, и полость, в которой заключено магнитное поле, называется магнитосферой.
Она лежит выше области ионосферы. Эта наиболее обширная из всех сфер Земли, хотя количество вещества ее
не составляет и сотой доли процента от количества нижележащих областей. Ее внешняя граница определяется
тем условием, чтобы величина магнитного поля Земли превышала некоторою постоянную величину –
постоянное значение межпланетного магнитного поля. Магнитосфера не есть сфера, это сложное
пространственное образование, не симметричное относительно Земли. Со стороны Солнца магнитосфера
поджата давлением солнечного ветра и отстоит от поверхности Земли на 10 -12 градусов, а с ночной стороны
она вытянута, образуя так называемый магнитный хвост Земли. Последний очень протяжен, и пока точно не
установлено, где он кончается. Во всяком случае на расстояниях орбиты Луны он еще зафиксирован
космическими аппаратами. Под давлением солнечного ветра магнитные силовые линии, выходящие из областей
Северного и Южного полюсов, сносятся с дневной на ночную сторону Земли, образуя упомянутый магнитный
хвост, который состоит из двух силовых трубок, соответствующим двум полярным шапкам и разделенных
плоским нейтральным слоем с напряженностью магнитного поля около нуля.
Нейтральный слой, "щели" или "каспы", которые разделяют силовые линии дневной стороны и хвоста,
представляет особый интерес для нас, т.к. именно эти щели собирают горячую плазму солнечного ветра,
вызывая разнообразный спектр ответной реакции земной атмосферы. Во всех других местах земная магнитная
броня надежно защищает Землю, и возможно лишь слабое "просачивание" за счет диффузии частиц солнечной
плазмы.
Магнитное поле Земли похоже на поле однородной намагниченной сферы с магнитной осью, наклоненной на
11,5° к оси вращения Земли. Южный магнитный полюс Земли, к которому притягивается северный конец
стрелки компаса, не совпадает с Северным географическим полюсом, а находится в пункте с координатами
приблизительно 76° северной широты и 101° западной долготы. Северный магнитный полюс Земли расположен
в Антарктиде. Напряженность магнитного поля на полюсах составляет 0,63 Э, на экваторе – 0,31 Э.
Открытое в 1905 году изменение магнитного поля привело к заключению, что оно зарождается в жидком
внешнем ядре планеты. Сравнительно быстрые движения могут происходить там без катастрофических
последствий.
В идеальном и гипотетическом предположении, в котором Земля была бы одинока в космическом пространстве,
силовые линии магнитного поля планеты располагались бы таким же образом, как и силовые линии обычного
магнита из школьного учебника физики, т.е. в виде симметричных дуг протянувшихся от южного магнитного
полюса к северному. Плотность линий (напряженность магнитного поля) падала бы с удалением от планеты. На
деле, магнитное поле Земли находится во взаимодействии с магнитными полями Солнца, планет и потоков
заряженных частиц, испускаемых в изобилии Солнцем. Если влиянием самого Солнца и тем более планет из-за
удаленности можно пренебречь, то с потоками частиц, иначе - солнечным ветром, так не поступишь.
Солнечный ветер представляет собою потоки мчащихся со скоростью около 500 км/с частиц, испускаемых
солнечной атмосферой. Такие потоки порождают сильное магнитное поле, которое и взаимодействует с полем
Земли, сильно деформируя его, как это представлено на рисунке. Благодаря своему магнитному полю, Земля
удерживает в так называемых радиационных поясах захваченные частицы солнечного ветра, не позволяя им
проходить в атмосферу Земли и тем более к поверхности. Частицы солнечного ветра были бы очень вредны для
всего живого. При взаимодействии упоминавшихся полей образуется граница (очерченная область в зеленых
тонах), по одну сторону которой находится возмущенное (подвергшееся изменениям из-за внешних влияний)
магнитное поле частиц солнечного ветра, по другую - возмущенное поле Земли. Эту границу стоит
рассматривать как предел околоземного пространства, границу магнитосферы и атмосферы. Вне этой границы
преобладает влияние внешних магнитных полей. В направлении к Солнцу магнитосфера Земли сплюснута под
натиском солнечного ветра и простирается всего до 10 радиусов планеты. В противоположном направлении
имеет место вытянутость до 1 000 радиусов Земли.
Силовые линии магнитного поля Земли образуют своеобразные ловушки для движущихся к ней потоков частиц
солнечного ветра. Задержанные магнитным полем частицы образуют радиационные пояса.
Резкие изменения магнитного поля Земли называются магнитными бурями. Магнитные бури часто начинаются
через сутки или двое после хромосферных вспышек на Солнце; они вызываются потоками частиц, движущихся
с большими скоростями от Солнца. Заряженные частицы, скользя вдоль силовых магнитных линий Земли,
могут проникнуть в атмосферу. Сталкиваясь с атомами атмосферы, они вызывают особое свечение, называемое
полярным сиянием.
Внутреннее строение и история геологического развития Земли.
Геологическое время началось с момента происхождения Земли 4,6 млрд. лет назад, включает период
формирования земной коры и протоокеана и заканчивается с широким распространением
высокоорганизованных организмов с хорошо развитым наружным скелетом. Живая материя, помимо других
веществ, построена из белков. Поэтому к моменту происхождения жизни температура на земной поверхности
должна была упасть настолько, чтобы белки не разрушались. Известно, что ныне температурная граница
существования живой материи лежит у 90 С. При этой высокой температуре уже могут образовываться
определенные органические соединения, необходимые для образования живой материи, прежде всего белки.
На начальных этапах своей истории Земля представляла собой раскаленную планету. Вследствие вращения при
постепенном снижении температуры атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных
слоях концентрировались атомы легких элементов (водорода, углерода, кислорода, азота), из которых и состоят
тела живых организмов. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: вода, метан,
углекислый газ, аммиак, цианистый водород, а также молекулярный водород, кислород, азот. Физические и
химические свойства воды (высокий дипольный момент, вязкость, теплоемкость и т. д.) и углерода (трудность
образования окислов, способность к восстановлению и образованию линейных соединений) определили то, что
именно они оказались у колыбели жизни.
Эволюция географической оболочки Земли.
Современное состояние географической оболочки — результат ее длительной эволюции, начавшейся с
возникновения планеты Земля.
Характер эволюции космического объекта зависит от его первоначальной массы. Особенности
термодинамики объектов в массе менее 1030 г определяют планетный тип эволюции протовещества, для
которого характерно развитие термохимических реакций взаимодействия дигитритов и пероксидов металлов:
MeH2 + MeO2 = Me + MeO + H2O + Q.
В результате термохимических реакций, идущих в зоне внешнего ядра Земли, образуются металлы, их
окислы, летучие вещества и вода. Легкие продукты реакций и избытки тепла диффундируют под подошву
каменной оболочки — перисферы. Из-за более низкой теплопроводности последней они не сразу прорвутся на
поверхность планеты, а, скапливаясь под подошвой перисферы, формируют зону вторичного разогрева верхней
мантии — астеносферу. Периодическая разгрузка астеносферы от избытков магматического материала, летучих
и тепла в результате вулканизма сопровождается формированием в ней разуплотненного пространства.
Вышележащая каменная оболочка перисферы, следуя уменьшающемуся объему, пассивно проседает над этими
областями, образуя отрицательные формы рельефа на поверхности Земли. Области, где такого проседания не
происходит, сохраняются в виде остаточных возвышенностей.
Сокращение поверхности Земли вследствие уменьшения ее объема и прогрессирующего уменьшения
радиуса ведет к увеличению контрастности и глубины расчлененности рельефа твердой перисферы.
Следовательно, размах амплитуды дифференцированности рельефа планеты прямо пропорционален ее возрасту
и внутренеей активности и обратно пропорционален экзогенному фактору, характеризующему интенсивность
разрушения рельефа, что в конечном итоге определяется наличием или отсутствием свободной воды на
поверхности планеты. Океанические впадины и континентальные блоки — это наивысшие гармоники
контракции, образовавшиеся в хода глобального сжатия сферы, каменная оболочка которой — перисфера, —
проседая над разуплотненными пространствами астеносферы, пассивно приспосабливается к уменьшающемуся
объему шара. Впадины и возвышенности в пределах этих главных геотекстур — гармоники сжатия более
высокого порядка, наложившиеся в более поздние этапы развития Земли в ходе ее конракции.
Когда наша планета покрылась твердой корой — литосферой — она первоначально не имела никакой
влаги на своей поверхности, потому что даже если бы и выпали атмосферные осадки на раскаленные горные
породы, то мгновенно бы испарилась. Только с течением времени, когда уже совершенно остыла земная кора,
водяные пары атмосферы, непроницаемые для лучей солнца, мощным слоем окружили землю, тогда стали
выпадать осадки и образовались океанические бассейны.
Эта длительная эра земли и в геологии называется архейской, т.е. первоначальной, когда не было еще на
земле никакой органической жизни, и только могучие силы огненной магмы, скрытой под отвердевшей корой,
производили свои вулканические действия. Так называемая кора проплавлялась, и из трещин в литосфере
изливались магматические расплавленные горные породы, которые покрывали собой колоссальные
пространства.
Поднималась и опускалась литосфера, движимая внутренней клокочущей силой, земная кора “дышала”,
отступала и наступали океаны на континенты, затопляя огромные части суши, размывались горные породы,
перемывались морскими прибоями, кора цементировалась и вновь размывалась, смешиваясь с другими
породами. Таким образом создавались пласты земной коры, так называемые осадочные отложения, песчаники,
глинистые сланцы и другие, а позже, когда в воде появились разнообразные ракушки, то скопления их
образовало пласты известняка.
Материки, плавающие на жидкой магме, надвигались друг на друга и образовывались величайшие
горные хребты. Те пласты, которые были дном морей и океанов, поднимались в процессе горообразования и
становились вершинами гор. Земная кора трескалась, и из трещин извергалась магма.
Описываемые геологические процессы длились в течение всей жизни земли, практически до появления
человека, т.е. до конца ледникового периода, когда земля успокоилась, береговые очертания континентов
устоялись, прекратились горообразующие процессы. Происходящие кое-где ничтожные изменения, такие, как
появление маленьких островов или их исчезновение, так же медленный процесс поднятия Скандинавского
полуострова являются остатками былых грандиозных изменений в жизни нашей земли.
Гранит — основная масса литосферы, продукт остывания магмы, является основной материнской
горной породой земли.
Тысячи раз 9/10 территории современных континентов становились то сушей, то дном океанов и
эпиконтинентальных морей, в течение многих миллионов лет накоплялись мощные пласты многообразных
осадочных пород, значительная часть которых сотни раз вновь размывалась и переотлагалась в различных
комбинациях.
Разрывы земных пластов настолько мощны, что одни каменноугольные отложения составляли бы в
толщину в 40 км пластов, лежащих один на другом.
И только лишь в некоторых местах земного шара остались массивы, которые ни разу не покрывались
водами, на них сохранились те горные породы, которые никогда во все время существования земли не
размывались морями, не переотлагались в пласт — это гранитные массивы финляндского “щита” и некоторые
другие.
Вода — главнейший итог эволюции протовещества. Ее постепенное (до рубежа между мезозойской и
кайнозойской эрами) накопление на поверхности планеты сопровождалось вулканизмом и разноамплитудными
нисходящими движениями периферии. Это в свою очередь определило ход эволюции газовой оболочки,
рельефа, соотношение площади и конфигурации суши и моря, а с ними и условий седиментации, климата и
жизни. Иными словами, вырабатываемая планетой и выносимая на поверхность свободная вода, по существу,
обусловила ход эволюции географической оболочки. Без нее облик Земли, ее ландшафты, климат, органический
мир были бы совершенно иными. Прообраз Земли легко угадывается на безводной и безжизненной поверхности
Венеры, отчасти Луны и Марса.
Рубеж мезозоя и кайнозоя характеризуется ускорением выноса свободной воды на поверхность Земли в
результате спонтанной дегидратации протовещества (Орленок, 1983, 1985). Внешним проявлением этого
процесса явилась океанизация Земли. Это общепланетарный процесс, включающий дегидратацию, массовый
вулканизм и опускание обширных сегментов. Стадия океанизации наступает в финале эволюции
протопланетарного вещества, а общая длительность этого процесса в условиях Земли определяется в 140-160
млн. лет.
В ходе океанизации происходит формирование континентальных массивов, постепенное увеличение
контрастности их рельефа. Скорость и объемы перемещения протовещества из астеносферы на поверхность
Земли и последующая их дезинтеграция и размыв в период океанизации, по-видимому, были значительно выше,
чем в доокеаническую эпоху.
Для предшествовавших этапов эволюции были характерны лишь более или менее равномерно
распределенные по земной поверхности мелководные морские бассейны. Это подтверждается
преимущественно мелководным обликом осадков палеозоя и мезозоя в пределах континентальных блоков,
отсутствием широтной дифференциации климата и относительно слабой расчлененности рельефа. В таких
условиях темпы эволюции географической оболочки, включая накопление, перемещение, и денудацию
выносимого из астеносферы материала, были по меньшей мере на порядок менее интенсивными, чем в эпоху
океанизации.
Важнейшим показателем внутренней активности планеты и эволюции географической оболочки
является гидросфера. Длительное время существовали представления о постоянстве ее объема или небольших и
равномерных поступлений за геологическое время. Однаок количественные оценки эндогенных поступлений и
фотолитических потерь земной гидросферы показали, что до рубежа мезозоя и кайнозоя скорость выноса
свободной воды на опверхность Земли была на порядок ниже, чем в последние 70 млн. лет.
Современный Мировой океан содержит воды 1,6 1024 г. Общая масса вынесенной на земную
поверхность воды оценивается величиной 4,2 10 24 г. Часть воды поступила невулканическим путем (по
глубинным разломам, сольфатарам, фумаролам, ювенильные воды). За последние 70 млн. лет темпы выноса
воды возросли более чем на порядок и составили 2,2 10 24 г. Таким образом, почти половина выработанной
планетой воды поступила на земную поверхность за период океанизации, т.е. за последние 60 млн. лет.
Расчеты показывают, что Земля еще в состоянии произвести около полутора объема вод Мирового
океана. При сохранении современных темпов это займет еще примерно 60-70 млн. лет, после чего ресурсы
протовещества будут выработаны и поступление воды на поверхность полностью прекратится. При
отрицательном балансе водных поступлений и современных темпах фотолиза планета может полностью
потерять водную оболочку через 25-30 млн. лет.
Каковы прогнозы на более близкую перспективу?
При наблюдаемых темпах поступления эндогенной воды 0,6 мм в 1000 лет через 10 тыс. лет уровень
океана поднимется на 6 м. Это неизбежно будет сопровождаться ускорением таяния полярных ледников
Гренландии и Антарктиды. Их исчезновение повысит уровень в ближайшее тысячелетие еще на 63 м, что
приведет к затоплению всей низменной суши, треть которой лежит на отметке ниже 100 м. Через 100 тыс. лет
уровень моря поднимется на 60 м и достигнет + 120-130 м.
Под водой окажутся все равнины земли. В дальнейшем подъем уровня воды замедлится, пока темпы
фотооптических потерь не превысят темпы эндогенных поступлений. Согласно расчетам, максимум
океанизации достигнет в ближайшую сотню тысяч лет, а затем начнется падение уровня океана. Таким образом,
океанизиция — это финал эволюции планетарного вещества, а продолжительность его в условиях Земли
составляет 120-140 млн. лет.
Газовая оболочка Земли формировалась за счет дегазации и вулканизма из зоны астеносферы. В связи с
этим следовало ожидать, что ее состав будет близок составу глубинных газов, т.е. она должна содержать H 2,
CH4, NH3, H2S, CO2 и др. Вероятно, такой состав был в глубоком докембрии. С началом фотолиза паров
выносимой воды в атмосфере образовались атомы водорода и свободный молекулярный кислород. Свободные
атомы водорода поднимались в верхние зоны атмосферы и диссипировали в космос. Молекулы кислорода
достаточно велики, чтобы диссипировать, поэтому, опускаясь в нижние зоны атмосферы, они становятся ее
важнейшим компонентом. Постепенно накапливаясь, кислород положил начало химическим процессам в
земной атмосфере. Благодаря химической активности кислорода в первичной атмосфере начались процессы
окисления глубинных газов. Образовавшиеся пир этом окислы выпадали в осадок. При этом часть газов, в том
числе и метана, осталась в коллекторах земной коры, дав начало глубинным залежам нефти и газа.
Фотолитическое образование кислорода атмосферы было основным процессом в начале эволюции
Земли. По мере очищения от глубинных газов формировалась вторичная атмосфера на основе углекислоты и
двуокиси азота, создавались условия для появления фотосинтезирующих сине-зеленых водорослей и бактерий.
С их появлением процесс насыщения атмосферы кислородом значительно ускорился. При ассимиляции
углекислоты зелеными растениями образовался кислород, а почвенными бактериями — азот.
По мере накопления свободной воды на поверхности Земли и появление многочисленных морских
бассейнов происходит связывание CO2 атмосферы и химическое осаждение доломитов. Повсеместное
интенсивное химическое доломитообразование, по Н.М. Страхову (1962), завершался в палеозое и замещался
биогенным. Следовательно, в палеозое происходит постепенное уменьшение содержания CO 2 в атмосфере и
щелочного резерва в морских водах.
Неустойчивая вторичная атмосфера в конце палеозоя переходит в третичную, состоящую из смеси
свободного азота и кислорода, причем количество кислорода продолжало накапливаться и в последующее
время. Степень устойчивости этой современной атмосферы определяется массой планеты и характером ее
взаимодействия с жестким солнечным излучением.
Таким образом, эволюция химического состава атмосферы происходила в тесной взаимосвязи с
темпами накопления свободной воды на поверхности Земли и формированием морских седиментационных
бассейнов. Вплоть до середины палеозоя (карбона), когда наземная растительность распространилась
повсеместно, атмосферный кислород накапливался преимущественно фотолитическим путем. Начиная с
карбона это процесс усилился за счет фотосинтеза.
Изменение органического мира мезозоя и кайнозоя, по-видимому, обусловлено в немалой степени
“кислородизацией” атмосферы.
В ходе эволюции географическая оболочка осваивалась и насыщалась органическим веществом.
Адаптируясь к изменяющимся условиям, биосфера прошла длинный путь от простейших одноклеточных до
сложных многофункциональных органических систем, венцом которых около 50 тыс. лет назад стал homo
sapiens. “Человек, как всякое живое вещетво, есть функция биосферы, — писал В.И. Вернадский, — а взрыв
научной мысли в 20-м столетии был подготовлен всем прошлым земной биосферы”. Постепенная цивилизация
человечества явилась не чем иным, как формой организации этой новой геологической силы на поверхности
Земли.
Из проведенного анализа также видно, что современный баланс суши и моря оказывается величиной не
постоянной. Становится также понятным, что зарождение и развитие земной цивилизации пришлось на
лучшую пору эволюции географической оболочки в смысле сбалансированности суши и моря, климатических
условий, органического мира и т.д. Однако уже в ближайшие столетия цивилизации придется вести трудную
борьбу с наступлением океана, приспосабливаться к новым условиям существования. Многие страны
Средиземноморья и Европы начиная с ХII века уже ведут эту борьбу, возводя дамбы и плотины на морском
побережье и в устьях рек.
Будущее Земли в значительной мере зависит от ее внутренних ресурсов. А эти ресурсы, как мы видели,
еще достаточно велики.
Итог
Земля как планета, ее отличия от других планет земной группы
Химический состав Земли
Магнитное поле Земли, его структура и роль для жизни на планете
Внутреннее строение Земли (ядро внутреннее и внешнее, мантия, земная кора), методы
исследования (сейсморазведка)
Формирование прото-Земли из планетезималей, её гравитационное сжатие, разогрев и начало дифференциации.
Эволюция земной коры: тектоника литосферных плит, её движущие силы
Возраст Земли, методы его оценки (радиометрия земных горных пород и метеоритов)
Возникновение океанов и атмосферы
Атмосфера Земли, ее структура (тропосфера, стратосфера, ионосфера) и химический состав
5.3. Происхождение жизни (эволюция и развитие живых систем)
Первая идея, которая была выдвинута, это идея самопроизвольного зарождения жизни. Эмпедокл, например,
считал, что все дышащее обязано своим существованием самозарождению отдельных органов рук, ног, лап,
голов, сердец, которые затем, случайно комбинируясь, складывались в тела и достигали в конце концов вполне
удачных комбинаций.
Лет за сто до него Анаксимандр с поразительной для своего времени прозорливостью утверждал, что путь к
высшим организмам природа начинала с более примитивных, и, пожалуй, впервые выдвинул идею эволюции
природы. Но и он за исходную субстанцию брал сложный природный продукт морской ил. По его мнению,
живые существа зародились во влажном иле, который когда-то покрывал землю. Когда Земля стала высыхать,
влага скапливалась в углублениях, в результате чего образовывались моря, а некоторые животные вышли на
сушу. Среди них были разнообразные существа, в чреве которых развивались люди. Когда люди выросли,
покрывавшая их чешуйчатая оболочка развалилась. Опыты Пастера, доказывающие происхождение живого от
живого
В 60-х гг. XIX в. Пастер (1822 1895) в своих опытах продемонстрировал, что микроорганизмы появляются в
органических растворах только потому, что туда раньше был внесен зародыш. Пастером фактически была
открыта природа брожения. Он ввел методы асептики и антисептики, а в 1888 г. создал и возглавил институт
микробиологии (впоследствии Пастеровский институт).
Таким образом, опыты Пастера имели двоякое значение:
1. Доказали несостоятельность концепции самопроизвольного зарождения жизни.
2. Обосновали идею о том, что все современное живое происходит только от живого.
Гипотеза занесения живых существ на Землю из космоса
Примерно в тот же период, когда Пастер продемонстрировал свои опыты, немецкий ученый Г. Рихтер (1865 г.)
разработал гипотезу занесения живых существ на Землю из космоса. Зародыши могли попасть на Землю вместе
с метеоритами и космической пылью и положить начало эволюции живого, которая породила все многообразие
земной жизни. Эта концепция называлась концепцией панспермии.
Эволюция, ее атрибуты. Теория Ламарка
Эволюция — это изменение наследственных признаков популяции организмов в течение нескольких поколений.
Атрибуты эволюции:
1)самопроизвольность
2)необратимость
3)направленность
Теория Ламарка – первая эволюционная теория в основе которой лежит принцип стремления организмов к
совершенству путем упражнения органов.
Всех животных Ламарк распределил по шести ступеням, уровням (или, как он говорил, «градациям») по
сложности их организации. Дальше всего от человека стоят инфузории, ближе всего к нему — млекопитающие.
При этом всему живому присуще стремление развиваться от простого к сложному. Совершенствуясь, организмы
вынуждены приспосабливаться к условиям внешней среды. Для объяснения этого учёный сформулировал
несколько «законов». Прежде всего, это «закон упражнения и не упражнения органов». Если орган часто
упражняется, он развивается. Если орган не упражняется, он постепенно отмирает.
Другой «закон» Ламарка — «закон наследования приобретённых признаков». Полезные признаки,
приобретённые животным, по мнению Ламарка, передаются потомству. Данная теория потерпела шквал
критики со стороны других ученых.
Первичная атмосфера Земли - (содержащая - в равновесии с океаном - водяные пары, CO2 , CO , CH4 , NH3 ,
H2S и инертные газы, и являющаяся восстановительной) оставалась тонкой, и температура на поверхности
планеты не отклонялась сколь-нибудь заметно от точки лучистого равновесия (15 градусов С).
5. Абиогенный синтез - образование органических соединений, характерных для живой природы, вне
организмов и без участия ферментов, в результате химических реакций между неорганическими
веществами.
6. Предбиологический отбор- Первыми катализаторами были простейшие соединения, соли железа, меди,
других тяжелых металлов, но их действие было очень слабым. Постепенно на основе
предбиологического отбора эволюционно формировались биологические катализаторы. Из огромного
количества химических соединений, присутствующих в "первичном бульоне", отбирались наиболее
эффективные в каталитическом отношении комбинации молекул. На определенном этапе эволюции
простые катализаторы были заменены ферментами. Ферменты контролируют строго определенные
реакции, и это имело огромное значение для совершенствования процесса обмена веществ.
7. Коацерваты, коацерватные капли, мелкие частицы, имеющие вид тонких пластин от 5 мкм до
нескольких мм, образованные из органич. макромолекул на первоначальной стадии перехода от
неживой материи к живой; в гипотезах о происхождении жизни — праорганизм; т. н. период
коацерватов был одним из начальных периодов биогенеза
8. Гетеротрофы - организмы, использующие для питания исключительно или преимущественно
органические вещества, произведенные другими видами (автотрофами), и неспособные синтезировать
вещества своего тела из неорганических веществ. К гетеротрофам относятся все животные,
паразитарные растения, грибы и подавляющее большинство микроорганизмов. Различают три типа
гетеротрофного питания: сапрофитное, галозойное и паразитное
9. Автотрофы - организмы, синтезирующие из неорганических соединений органическое вещество с
использованием энергии Солнца или энергии, освобождающейся при химических реакциях.
Автотрофы служат в биосфере Земли продуцентами органического вещества.
10. Анаэробы - организмы, способные жить в бескислородной среде. Анаэробы получают необходимый
для жизни кислород посредством расщепления кислородсодержащих органических соединений
11. Аэробы - организмы, способные жить только в среде, содержащей свободный молекулярный кислород.
К аэробам относятся почти все животные и растения, а также многие грибы и микроорганизмы
12. Прокариоты - древнейшие организмы. Прокариоты не обладает четко оформленным ядром с оболочкой
и типичным хромосомным аппаратом. Наследственная информация передается и реализуется через
ДНК. Прокариоты размножаются делением без выраженного полового процесса. К прокариотам
относят вирусы, бактерии, сине-зеленые водоросли, микоплазмы и др.
13. Эукариоты - высшие организмы, четко оформленные ядра которых обладают оболочкой, отделяющей
их от цитоплазмы. Эукариоты включают царства: грибы, растения и животные.
14. Голобиоз - методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее
первичности структур, наделенных способностью к элементарному обмену веществ при участии
ферментного механизма.
15. Генобиоз - методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в
первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. Исторические
концепции происхождения жизни:
2. Креационизм - (от англ. creation — создание) — философско-методологическая концепция, в рамках
которой основные формы органического мира (жизнь), человечество, планета Земля, а также мир в
целом, рассматриваются как намеренно созданные неким сверхсуществом или божеством.
Последователи креационизма разрабатывают совокупность идей — от сугубо богословских и
философских до претендующих на научность, хотя в целом современное научное сообщество
относится к таким идеям критически.
3. Гипотеза панспермии- (греч. panspermía — смесь всяких семян, от παν (pan) — весь, всякий и σπερμα
(sperma) — семя) — гипотеза о появлении жизни на Земле в результате переноса с других планет неких
«зародышей жизни».
4. Биохимическая эволюция- Полагают, что в те времена атмосфера была совершенно не такая, как
теперь. Легкие газы - водород, гелий, азот, кислород и аргон - уходили из атмосферы, так как
гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Однако простые
соединения, содержащие (среди прочих) эти элементы, должны были удерживаться; к ним относятся
вода, аммиак, двуокись углерода и метан. До тех пор пока температура Земли не упала ниже 100°С, вся
вода, вероятно, находилась в парообразном состоянии.
5. Постоянное самозарождение- Уже на ранних стадиях своего развития человечество начало задаваться
одним из важнейших философских вопросов: вопросом о происхождении всего живого на земле. Наши
древние предки начали с того, что находили решение этого и подобных ему вопросов в такой
мировоззренческой форме, как религия. Их примитивные представления о происхождении жизни
давали ответы практически на все возникающие вопросы. Однако с появлением зачатков научного и
эмпирического знания взгляды на решение этих вопросов стали меняться. Сейчас ни у кого не вызывает
сомнения тот факт, что все живые существа на Земле возникают путём рождения от себе подобных. Но
прежде чем прийти к признанию этой, казалось бы, неоспоримой истины, человечество проделало
долгий и трудный путь ошибок, заблуждений и величайших научных открытий.
6. Стационарное состояние- Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала
вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно.
Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого
вида есть лишь две возможности — либо изменение численности, либо вымирание.
Существует два подхода к пониманию проблемы жизни.
Редукционизм - путь познания от сложного к простому, доведенный до своего логического
завершения, сводит познание к изучению элементарнейших форм существования материи. Это относится и к
живой и к неживой природе. Развитие биологии шло по пути последовательного упрощения предмета
исследования. Так возникли многочисленные биологические дисциплины, специализирующиеся на изучении
структурно-функциональных особенностей определенных организмов. При гаком подходе законы природы
пытаются познать, изучая вместо единого целого отдельные его части.
Другой подход основан на "виталистических" принципах (жизненных) - энтелехия, созидающая сила,
порыв к форме и т.д. Истоками уходит в учение Платона о душе, которая одухотворяет животный и
растительный мир, и в учение Аристотеля об энтелехии. Представителями витализма являются Г. Шталь,
Я.Икскюль, Дриш. Витализм сформировался в XVII-XVIII веках. Ссылаясь на качественное своеобразие живой
природы витализм отрицает возникновение живой природы из неживой. Происхождение жизни - божественное
(не от личностного бога) и вечное существование жизни.
Особенности биологического уровня организации материи.
Существует определение: жизнь - форма движения материи, способ существования белковых тел.
Более строго определение дать в настоящее время невозможно, как и сказать точно, когда и как она возникла.
Все, что мы можем это перечислить те признаки живой материи, которые отличают ее от неживой, это прежде
всего: питание, дыхание, раздражимость, подвижность, выделение, размножение, рост. Отличие живых
организмов от неживых:
1. Живые организмы более сложные по составу и строению таких же по размерам объектов неживой
природы.
До сих пор не известна структура живой клетки. Еще более сложны многоклеточные организмы, в
которых огромные популяции клеток специализированны на выполнение определенных функций и
взаимодействуют по согласованной и взаимовыгодной программе. Строение клетки:
- клеточная мембрана (разделяет внутреннюю и внешнюю среду, осуществляет энергетический и
информационный обмен с окружающей средой);
- рибосомы (в них аминокислоты соединяются в белки);
- ядро (центр управления, оно окружено двумя мембранами, регулирует жизнедеятельность клетки);
- хромосомы (содержат ДНК клетки);
- ядрышко (место, где идет сбор рибосом);
- эндоплазматическая сеть (мембранные канальцы, в которых накапливаются или транспортируются
белки, производимые прикрепленными к ним рибосомами);
- метахондрии (центры производства молекул АТФ, обеспечивающие клетку энергией);
комплекс Гольджи (группа уплотненных мембранных мешков, которая упаковывает и распределяет
производимые клеткой белки); - центриоли (находятся вблизи ядра, играют важную роль в делении клетки).
2. Основные жизненные процессы на Земле обеспечиваются молекулами только двух типов: белками
и нуклеиновыми кислотами
Белки образуют ферменты, являющиеся катализаторами разнообразных химических реакций в живом
веществе.
Нуклеиновые кислоты образуют гены — носители всех видов наследственной информации, которая
определяет химическое строение, последовательность и скорость синтеза белковых молекул. Информация в
организме состоит из закодированной на базе ДНК комбинации программ, управляющих синтезом ферментов и
белковых молекул. Для синтеза живого вещества необходимо исходное сырье, источник энергии и растворитель
(Н2О).
3. Смерть живых организмов (прекращение функционирования), биологическая смерть.
4. Характерным генетическим признаком живых существ является способность к воспроизводству
себе подобных и мутациям, которые по существующим представлениям лежат в основе эволюционного
развития всех структур и функций, которыми отличаются живые объекты от неживых,
В этом смысле жизнь равнозначна наличию генетических свойств, система, способная к свободным
мутациям и их последующему воспроизведению, должна развиваться на пути, обеспечивающему ее выживание.
Одинаковое строение всех генов и белков, универсальность генетического кода позволяет сделать вывод об
одинаковой основе всех живых организмов.
Жизнь на Земле определяется химическими свойствами углерода, т.к. атом углерода обладает
уникальной способностью образовывать четыре сильные ковалентные химические связи с другими атомами, в
том числе самого углерода. В связи с пространственной ориентацией этих связей атомы могут создавать
скелеты гигантских трехмерных структур, вполне определенной архитектуры, подобные белкам и нуклеиновым
кислотам. Структуры спиралевидные, но спирали имеют левую асимметрию, особенность соединений углерода
- химическая инертность.
5. Молекулы живого являются пента-системами (системами с пятью осями симметрии).
6. Отличительная черта живых организмов - изменчивость, наследственность, естественный отбор.
7. С позиций термодинамики живые системы представляют собой открытые равновесные
термодинамические системы, обменивающиеся с окружающей средой веществом, энергией и информацией.
Итог
Проблема происхождения жизни,
Три основных гипотезы:
1) абиогенез - самопроизвольное зарождение жизни;
2) панспермия - занесение зародышей жизни на землю извне;
3) научный креационизм - жизнь была сотворена высшим разумом, для чего были подготовлены
условия.
Принцип Пастера-Редди живое только то, что происходит от живого.
Согласно версии абиогенеза, сначала Земля имела атмосферу, состоящую из углекислого газа,
аммиака, метана и воды. Под влиянием солнечного излучения, электрических разрядов молнии и вулканических
извержений простые соединения разлагались и преобразовывались в аминокислоты, а их разновидности
скапливались в морях и образовывали соединения, подобные белкам, следовательно, океан превратился в
"первичный бульон". Затем случайно образовалась молекула, способная к самовоспроизведению, но любая
гипотеза должна быть проверена. Условия:
- существование подходящей первичной атмосферы;
- концентрация в океанах необходимых аминокислот,
- из них образуются белки и нуклеотиды;
- они соединяются и приобретают мембраны;
- развивается генетический код и начинает производить копии самих себя.
Атмосфера, аналогичная первичной, обрабатывалась электрическими разрядами. В результате
образовывались многочисленные молекулы из аминокислот, входящие в состав белков (их них только 4 из 20
необходимые для жизни). Вероятность случайного образования хотя бы одной простой белковой молекулы
равно 1/10113.
С точки зрения панспермии, жизнь - космическое явление, это естественный этап самоорганизации
материи, она закономерно возникает при появлении необходимых для жизни условий. Исследование другого
метеоритного вещества показывает, что в нем присутствуют закаменевшие останки микроорганизмов. Преоны вирусы, имеющие в своем составе только белок.
5.4. Эволюция живых систем
Эволюция, ее атрибуты:самопроизвольность, необратимость,направленность
Дарвинизм и СТЭ
Дарвинизм.
Дарвинизм- разработанная Ч.Дарвиным теория эволюции органического мира на Земле путем
естественного происхождения видов на основе изменчивости, наследственности, борьбы за существование
и отбора.
В основе дарвинизма лежат изменчивость, наследственность, борьба за существование и естественный отбор.
Наследственность - способность передавать признаки из поколения в поколение.
Изменчивость – способность приобретать изменения в процессе онтогенеза.
-групповая изменчивость
-неопределенная индивидуальная изменчивость. Наследственная изменчивость — основа эволюционного
процесса.
Естественный отбор — единственный направленный эволюционный фактор, необходимый процесс, который
управляет изменениями и контролирует их.
У организма существует множество факторов, препятствующих его нормальному существованию:
-неблагоприятные влияния физических факторов;
- истребление врагами и паразитами;
- болезни и голод.
Вследствие этого появляется борьба за существование. Дарвин выделил три основные формы борьбы за
существование:
- межвидовая;
- внутривидовая;
- борьба с неблагоприятными условиями среды
Различают три главные формы отбора:
- движущий (направлен на выживание особей в меняющихся условиях среды);
- стабилизирующий (направлен на выживание наиболее приспособленных особей в неизменных условиях
среды);
- деструктивный (выживание особей с крайним проявлением признаков).
Борьба за существование — основное понятие дарвинизма, включающее все внутривидовые и межвидовые
отношения, а также взаимоотношения организмов с абиотическими факторами. Результатом борьбы за
существование служит гибель наименее приспособленных к данным условиям жизни особей и выживание
более приспособленных.
Синтетическая теория эволюции, её основные положения:
– элементарная эволюционная структура – популяция
Популяция — совокупность особей одного вида, занимающих определенный ареал, свободно
скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, генетическую основу и в той или иной
степени изолированных от других популяций данного вида.
– элементарный наследственный материал – генофонд популяции
Генофонд — совокупность генов, которые имеются у особей популяции, группы популяций или вида, в
пределах которых они характеризуются определенной частотой встречаемости.
– элементарное явление эволюции – изменение генофонда популяции
– элементарные эволюционные факторы:
Мутационный процесс - возникновение спонтанных мутаций и их комбинаций при скрещивании,
вызывающие наследственные изменения в популяциях. Мутационный процесс является одним из факторов
эволюции; служит поставщиком начального эволюционного материала как резерва наследственной
изменчивости.
Популяционные волны — колебание численности популяции - чередующиеся увеличение или уменьшение
числа особей в популяции, которые происходят в связи с изменением сезона, колебаниями климатических
условий, урожая кормов, стихийными бедствиями.
Изоляция — разобщение особей или их групп друг от друга. Изоляция внутри вида служит одним из
важнейших факторов эволюции. Различают географическую и эколого-физиологическую изоляции
Естественный отбор — процесс дифференцированного выживания и воспроизведения организмов в ходе
эволюции. Естественный отбор обусловливает относительную целесообразность строения и функций
организмов, выживание наиболее приспособленных особей и гибель наименее приспособленных. В ходе
естественного отбора популяции постепенно приобретают новые признаки, что приводит к образованию
новых видов.
Макроэволюция и микроэволюция.
Микроэволюция — эволюционные преобразования внутри вида на уровне популяций и демов, ведущие к
внутривидовой дивергенции и видообразованию. В рамках микроэволюции рассматривают аллопатрию и
симпатрию.
Макроэволюция - эволюционные преобразования внутри вида на уровне популяций и демов, ведущие к
внутривидовой дивергенции и видообразованию.
Микроэволюция— изменение на внутривидовом уровне. Такие изменения происходят из-за следующих
процессов: мутации, естественный отбор, искусственный отбор, перенос генов и дрейф генов. Эти изменения
приводят к видообразованию.
Экологическая генетика наблюдает микроэволюцию в реальности. Наблюдаемые процессы в эволюции
являются примерами микроэволюции, например, образование штаммов бактерий, обладающих устойчивостью
к антибиотикам.
Микроэволюцию часто противопоставляют макроэволюции, которая представляет собой значительные
изменения в частотах генов на популяционном уровне в значительном геологическом промежутке времени.
Макроэволюция органического мира — это процесс формирования крупных систематических единиц. В основе
макроэволюции лежат те же движущие силы, что и в основе микроэволюции: наследственность, изменчивость,
естественный отбор и репродуктивная изоляция. Макроэволюция имеет дивергентный характер. Понятие
макроволюции интерпретировалось многократно, но окончательного и однозначного понимания не достигнуто.
Доказательства эволюции:
1. Сравнительно-анатомические доказательства.
Все животные имеют единый план строения, что указывает на единство происхождения. Ещё одно
доказательство эволюции — наличие рудиментов— органов, утративших своё значение и находящихся на
стадии исчезновения.
2. Эмбриологические доказательства.
У всех позвоночных животных наблюдается значительное сходство зародышей на ранних стадиях развития.
3. Палеонтологические доказательства.
К таким доказательствам относятся нахождение остатков вымерших переходных форм, позволяющих
проследить путь от одной группы живых существ к другой.
Существует теоретический подход к ЖС (аксиомы теоретической биологии, сформулированные Б. М.
Медниковым)
1. Все живые организмы являются единством фенотипа и генотипа.(аксиома А. Вейсмана)
2. Генетическая программа образуется матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится
ген будущего поколения, используется ген предшествующего поколения (Н. К. Кольцов)
3. В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате различных
причин изменяются случайно и не направленно, и лишь случайно такие изменения могут оказаться
удачными в данной среде (Первая аксиома Ч. Дарвина)
4. Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипа многоратно усиливаются
(Н. В. Тимофеев-Ресовский)
5. Многократно усиленные изменения генетических программ подвергаются отбору условиями
внешней среды (Вторая аксиома Ч. Дарвина)
Итог
Любой процесс может быть описан в терминах состояний. Описание процесса изменения состояний и есть
эволюция.
Осн признаки эволюции:
- самопроизвольность
- необратимость
- направленность
Факторы эволюции: мутационные процессы, популяционные волны, изоляция, естественный отбор.
Синтетическая теория эволюции возникла на стыке дарвинизма и генетики:
- элементарная эволюционная структура – популяция
- элементарный наследственный материал – генофонд
- элементарное явление эволюции – изменение генофонда популяции
- единств направляющий фактор – естественный отбор
Микроэволюция – процесс образования новых видов (короткий истор период).
Макроэволюция – процесс образования крупных систематических единиц (например, классов у растений,
отделов у животных).
5.5. История жизни на Земле и методы исследования эволюции (эволюция и развитие живых систем)
Понятия о геологических эрах и периодах
Связь границ между эрами с геологическими и палеонтологическими изменениями
Некоторые важнейшие ароморфозы:
3. Фотосинтез- превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой
энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ. Фотосинтез происходит с
участием поглощающих свет пигментов, прежде всего хлорофилла. Фотосинтез обеспечивает все
земные организмы химической энергией.
4. Эукариоты- высшие организмы, четко оформленные ядра которых обладают оболочкой, отделяющей их
от цитоплазмы. Эукариоты включают царства: грибы, растения и животные.
5. Многоклеточные6. Скелет- Скелет - пассивная часть опорно-двигательной системы. Скелет состоит из костей, хрящей,
суставов и связок. Скелет выполняет опорную функцию и служит защитой для многих внутренних
органов
7. Скелет человека - объемно-пространственная структура, состоящая из соединенных между собой
костей. Различают неподвижное, полуподвижное и подвижное (сустав) соединения костей. Скелет
подразделяют на скелет черепа, скелет туловища и скелет верхних и нижних конечностей.
Основные таксономические группы растений и животных и последовательность их эволюции:
Рыбы - надкласс позвоночных, которые произошли и обитают в воде. Рыбы дышат жабрами, имеют хорошо
развитый челюстной аппарат. Парные и непарные конечности рыб имеют вид плавников. Кожа рыб покрыта
чешуей. Рыбы имеют двухкамерное сердце и один круг кровообращения
Земноводные (амфибии) — класс позвоночных четвероногих животных, в числе прочих включающий тритонов,
саламандр, лягушек и червей — всего около 5000 современных видов, что делает этот класс сравнительно
немногочисленным.
Пресмыкающиеся (рептилии) (рептилии — от лат. Reptilia) — класс (по устаревшей классификации), или
парафилетическая группа (по современной классификации) преимущественно наземных позвоночных
животных, включающий современных черепах, крокодилов, ящериц и змей.
Птицы (лат. Aves) — класс оперённых, теплокровных, яйцекладущих позвоночных, чьи передние конечности
имеют форму крыльев. Изначально строение птиц приспособлено к полёту, хотя в настоящее время существует
и много видов нелетающих птиц. Ещё одним отличительным признаком птиц является также наличие клюва. На
сегодняшний день на Земле обитает более 9800 различных видов, что делает их наиболее разнообразной
группой надкласса четвероногих
Млекопитающие (лат. Mammalia) — класс позвоночных животных, основными отличительными особенностями
которых являются живорождение (за исключением инфракласса клоачных) и вскармливание детёнышей
молоком. Противопоставленными млекопитающим классами среди позвоночных являются птицы, рыбы,
пресмыкающиеся и земноводные.
Голосеменные — древесные и кустарниковые растения, которые развиваются из семяпочек и лежат открыто на
чешуйках шишек. Листья голосеменных растений имеют вид хвоинок.
Покрытосеменные — растения, имеющие цветки. Для покрытосеменных растений характерно двойное
оплодотворение, в результате которого развиваются зародыш и эндосперм с запасом питательных веществ.
Цветковые — отдел высших растений, имеющих цветок. Эта важнейшая группа наземных растений
насчитывает свыше 165 порядков, 540 семейств, более 13 000 родов и, вероятно, не менее 250 000 видов. По
числу видов цветковые растения значительно превосходят все остальные группы высших растений, вместе
взятые. Они составляют одну из двух групп семенных растений. Важнейшая особенность цветковых растений
— наличие специализированного генеративного органа — цветка, берущего на себя функции полового
размножения и привлечения агентов опыления.
Прокариоты — древнейшие организмы. Прокариоты не обладает четко оформленным ядром с оболочкой и
типичным хромосомным аппаратом. Наследственная информация передается и реализуется через ДНК.
Прокариоты размножаются делением без выраженного полового процесса. К прокариотам относят вирусы,
бактерии, сине-зеленые водоросли, микоплазмы и др.
Филогенез — историческое развитие организмов; эволюция органического мира, различных систематических
групп, отдельных органов и их систем.
Онтогенез — совокупность последовательных морфологических, физиологических и биохимических
преобразований организма от его зарождения до конца жизни. У многоклеточных организмов онтогенез обычно
сопровождается сложной перестройкой со многими периодами. Различают: пренатальный онтогенез;
постнатальный онтогенез; а также онтогенез отдельных органов и систем.
Адаптация — комплекс морфофизиологических и поведенческих особенностей особи, популяции или вида,
обеспечивающий: успех в конкуренции с другими видами, популяциями и особями; и устойчивость к
воздействиям факторов абиотической среды.
Ароморфоз — приспособительные изменения общего значения, повышающие уровень организации и
жизнеспособность особей, популяций и видов. Ароморфоз приводит к появлению новых таксонов
Понятие о флоре, фауне
Флора — исторически сложившаяся совокупность видов растений, обитающих или обитавших в прошлые
геологические эпохи на определенной территории или в составе конкретного растительного сообщества.
Фауна — в широком смысле - исторически сложившаяся совокупность видов животных, обитающих на
определенной территории. Фауна складывается из животных разного происхождения: автохтонов,
аллохтонов и иммигрантов. Фауна (в узком смысле) — совокупность животных некоторой систематической
категории.
Методы исследования эволюции:
Палеонтология (ископаемые переходные формы, палеонтологические ряды, последовательность
ископаемых форм)
Палеонтоло́гия (от др.-греч. παλαιοντολογία) — наука об ископаемых останках растений и животных,
пытающаяся реконструировать по найденным останкам их внешний вид, биологические особенности, способы
питания, размножения и т. д., а также восстановить на основе этих сведений ход биологической эволюции.
Палеонтологи исследуют не только останки собственно животных и растений, но и их окаменевшие следы,
отброшенные оболочки, тафоценозы и другие свидетельства их существования. В палеонтологии также
используются методы палеоэкологии и палеоклиматологии с целью воспроизведения среды жизнедеятельности
организмов, сопоставления современной среды обитания организмов, предположения местообитаний
вымерших и т. д.
Биогеография (сопоставление видового состава с историей территорий, островные формы, реликты).
Биогеография — наука, изучающая закономерности географического распространения животных и
растений, а также характер фауны и флоры отдельных территорий. Биогеография разделяется на
зоогеографию (географию животных) и фитогеографию (географию растений).
Морфологические методы (установление связи между сходством строения и родством сравниваемых форм,
рудиментарные органы, атавизмы)
Эмбриологические методы (зародышевое сходство, принцип рекапитуляции)
5.6. Генетика и эволюция
Генетика — наука, изучающая механизмы и закономерности наследственности и изменчивости организмов,
методы управления этими процессами. Основы генетики заложены Г.Менделем (1822-1884), открывшим законы
наследственности.
Генетика включает ряд отраслей, в том числе по объектам исследования: генетика микроорганизмов; генетика
растений, генетика животных, генетика человека
Основные понятия генетики – наследственность и изменчивость. Наследственность — это свойство одного
поколения передавать другому признаки строения, физиологические свойства и специфический характер
индивидуального развития. Изменчивость — это изменение наследственных задатков, вариабельность их
проявления в процессе развития организма при взаимодействии с внешней средой. Новые свойства организма
появляются только благодаря изменчивости, но она лишь тогда играет роль в эволюции, когда проявление
изменчивости сохраняется в последующих поколениях, т.е. наследуется.
Ген — это участок молекулы ДНК (или участок хромосомы), определяющий возможность развития отдельного
элементарного признака. Молекула ДНК состоит из двух поли-нуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг
другой в спираль. Сочетание трех рядом стоящих нуклеотидов в цепи ДНК составляют генетический код.
Наследственная, или генотипическая, изменчивость обусловлена изменениями в генетическом материале
(генотипе), которые передаются из поколения в поколение. Изменения в генотипе могут быть вызваны
мутациями – изменениями в структуре генов и хромосом или изменениями числа хромосом в хромосомном
наборе. Другая форма генотипической изменчивости – т. н. комбинативная изменчивость, в основе которой
лежит перекомбинация (перегруппировка) хромосом и их участков при половом размножении (в процессе
мейоза и оплодотворения). Ненаследственная, или модификационная, изменчивость – способность организмов
изменяться под действием различных факторов окружающей среды (температуры, влажности и т. п.). Этот тип
изменчивости не связан с изменениями в генотипе и не наследуется. Однако пределы модификационной
изменчивости любого признака – т. н. норма реакции – задаются генотипом.
Ген — структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного
признака или свойств Ген-структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие
определенного признака или свойств.
Аллель (от греч. allelon - друг друга, взаимно), аллеломорфа, одно из возможных структурных состояний гена.
Любое изменение структуры гена в результате мутаций или за счёт внутригенных рекомбинаций у гетерозигот
по двум мутантным аллелям приводит к появлению новых аллелей этого гена (число аллелей каждого гена
практически неисчислимо).
Рецессивные гены (т.е. признак, им определяемый) могут не проявляться у одного или многих поколений, пока
не встретятся два идентичных рецессивных гена от каждого из родителей (внезапное проявление такого
признака у потомков не следует путать с мутацией).
Доминантные гены. Присутствие доминантного гена всегда явно и внешне проявляется соответствующим
признаком. Их присутствие всегда проявляется, даже если доминантный ген "работает" без партнера (т.е. Аа).
Гомозиготы (гомо- (Гомео-) + Зигота) — особь или клетка, имеющая в генотипе два одинаковых или даже
идентичных по происхождению аллеля данного гена. Гомозигота — диплоидная или полиплоидная клетка
(особь), гомологичные хромосомы которой несут идентичные аллели того или иного гена.
Гетерозиготы (от гетеро... и зигота) — клетка или организм, имеющие в наследственном наборе (генотипе)
разные формы (аллели) того или иного гена. Гетерозигота получается при слиянии разнокачественных по
генному составу гамет, каждая из которых приносит в зиготу свои аллели. Например, гомозиготные формы АА
а всегда образует
разнокачественные гаметы: А и а. Скрещивание такой формы внутри себя или с рецессивной родительской
формой аа даёт потомков двух видов — фенотипически А и фенотипически а (см. Рецессивность, Фенотип).
Расщепление Гетерозигота происходит по определённому правилу (см. Менделя законы). Сохранение
Гетерозигота имеет значение для сельскохозяйственной практики, т.к. расщепление часто ведёт к утрате ценных
качеств. Почти все плодовые деревья гетерозиготны. Чтобы предупредить у них расщепление признаков и
утерю ценных свойств, прибегают к вегетативному размножению или апомиксису. Для сохранения
гетерозиготного состояния могут применяться также гиногенез и партеногенез. Ср. Гомозигота.
Хромосомы (греч. chrōma цвет, окраска + sōma тело) — основные структурно-функциональные элементы
клеточного ядра, содержащие гены. Название «хромосомы» обусловлено их способностью интенсивно
окрашиваться основными красителями во время деления клетки. Каждый биологический вид характеризуется
постоянством числа, размеров и других морфологических признаков X. Хромосомный набор половых и
соматических клеток различен. В соматических клетках содержится двойной (диплоидный) набор Х. который
можно разделить на пары гомологичных (идентичных) хромосом, сходных по величине и морфологии. Один из
гомологов всегда отцовского, другой— материнского происхождения. В половых клетках (гаметах) эукариот
(многоклеточных организмов, в т.ч. человека) все хромосомы набора представлены в единственном числе
(гаплоидный хромосомный набор). В оплодотворенной яйцеклетке (зиготе) гаплоидные наборы мужских и
женских гамет объединяются в одном ядре, восстанавливая двойной набор хромосом. У человека диплоидный
хромосомный набор (кариотип) представлен 22 парами хромосом (аутосом) и одной парой половых хромосом
(гоносом). Половые хромосомы различаются не только по составу содержащихся в них генов, но и по своей
морфологии. Развитие из зиготы женской особи определяет пара половых хромосом, состоящая из двух Ххромосом, то есть ХХ-пара, а мужской — пара, состоящая из X-хромосомы и У-хромосомы, — то есть ХУ-пара.
ГЕНОМ- (нем. Genom), совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида
организмов; основной гаплоидный набор хромосом. Термин предложен Г. Винклером в 1920. В отличие от
генотипа, Г. представляет собой характеристику вида, а не отд. особи. При отдалённой гибридизации можно
получить организмы, несущие разные Г., аллополиплоиды (напр., гибриды между пшеницей и пыреем,
пшеницей и элимусом, рожью и пыреем). Виды растений, содержащие разл. Г., иногда встречаются и в природе
(напр., некоторые виды пшеницы). Для определения числа и сходства Г. у разных видов используют спец. метод
— геномный анализ. У диплоидных организмов Г. является дискретной единицей генетического анализа,
поскольку гаметы у них в норме содержат по одному Г. Можно рассматривать Г. и как функциональную
единицу, необходимую для нормального развития организма, т. к. для мн. организмов (особенно растений)
существуют в норме или получены экспериментально гаплоиды, развивающиеся на основе одного Г.
ГЕНОТИП- (от ген и греч. typos — отпечаток), генетич (наследственная) конституция организма, совокупность
всех наследственных задатков данной клетки или организма, включая аллели генов, характер их физического
сцепления в хромосомах и наличие хромосомных перестроек. В узком смысле Г.— совокупность аллелей гена
или группы генов, контролирующих анализируемый признак у данного организма (в этом случае
нерассматриваемая часть Г. выступает в качестве генотипической среды). Термин «Г.» предложен В.
Иогапсеном в 1909. В совр. генетике Г. рассматривают не как механический набор независимо
функционирующих генов (что было характерно для ранних этапов развития генетики), а как единую систему
генетических элементов, взаимодействующих на различных уровнях (напр.. между аллелями одного гена или
разных генов). Г. контролирует развитие, строение и жизнедеятельность организма, т.е. совокупность всех
признаков организма — его фенотип. Особи с разными Г. могут иметь одинаковый фенотип, поэтому для
определения Г. организма необходимо проводить его генетический анализ, например анализирующее
скрещивание. Особи с одинаковым Г. в разл. условиях могут отличаться друг от друга по характеру проявления
признаков (особенно количественных), т. е. различаться по фенотипу. Т. о., Г. определяет возможные пути
развития организма и его отдельных признаков во взаимодействии с внеш. средой. Примером влияния среды на
фенотипическое проявление признаков может служить окраска меха у кроликов т. н. гималайской линии: при
одном и том же Г. кролики при выращивании на холоде имеют чёрный мех, при умеренной температуре
«гималайскую» окраску (белую, с чёрной мордой, ушами, лапами и хвостом), при повышенной темп-ре —
белый мех. В связи с этим в генетике используют понятие о норме реакции — возможном размахе
фенотипической изменчивости без изменения Г. под влиянием внеш. условий (Г. определяет пределы нормы
реакции). При изменении Г. или наличии особей с разными Г. говорят о генотнпической изменчивости,
являющейся одним из условий эволюционного процесса. Наличие особей одинакового Г. характерно для видов
с бесполым (включая вегетативное) способом размножения и для чистых линий. Одинаковым Г. обладают
идентичные (однояйцевые) близнецы, развивающиеся из одной оплодотворённой яйцеклетки.
ФЕНОТИП- (от греч. phaino — являю, обнаруживаю и тип), совокупность всех признаков и свойств особи,
формирующихся в процессе взаимодействия её генетич. структуры (генотипа) и внешней, по отношению к ней,
среды. Термин «Ф.» введён В. Иогансеиом в 1903. В Ф. не реализуются все генотипич. возможности, и он
является лишь частным случаем реализации генотипа в конкретных условиях. Поэтому даже между
однояйцовыми близнецами, имеющими полностью идентичные генотипы, можно выявить заметные
фенотипические различия, если они развивались в разных условиях. Однозначного соответствия между
генотипом и Ф. нет: изменения генотипа не всегда сопровождаются изменением Ф., а изменения Ф. не
обязательно связаны с изменениями генотипа. В процессе микроэволюции отбор идёт по Ф. особей. Тем самым
в популяциях сохраняются особи либо с широкой нормой реакции, пределы к-рой определяются генотипом,
либо особи нужного Ф., определяемого генотипом достаточно жёстко. При наличии в популяции особей разного
генотипа отбор по Ф. приводит опосредованно к отбору по генотипу. При отсутствии генотипич. изменчивости
отбор по Ф. не даёт результатов, что было продемонстрировано экспериментально В. Иогансеном в опытах по
отбору в чистых линиях.
Генетический материал (genetic material) — компоненты клетки, обеспечивающие хранение, реализацию,
воспроизводство и передачу при размножении генетической (наследственной) информации.
1. Свойства генетического материала:
2. дискретность (наличие обособленных групп сцепления – хромосом),
3. непрерывность (физическая целостность хромосомы),
4. линейность (одномерность «записи» генетической информации),
5. относительная стабильность (передача потомству с небольшими изменениями).
Изменчивость – это универсальное свойство живых организмов приобретать новые признаки под действием
среды (как внешней, так и внутренней). Различают два вида изменчивости: фенотипическую
(модификационная) и генотипическую.
1. Фенотипическая изменчивость – это изменение организмов под действием факторов среды и эти
изменения не наследуются. Эта изменчивость не затрагивает гены организма, наследственный материал
не изменяется.
2. Модификационная изменчивость признака может быть очень велика, но она всегда контролируется
генотипом организма.
Генотипическая изменчивость - при генотипической изменчивости происходит изменение
наследственного материала и, обычно, эти изменения наследуются. Это основа разнообразия живых
организмов. Различают два вида генотипической изменчивости: мутационная и комбинативная.
4. Комбинативная изменчивость основывается на возникновении новых комбинаций генов родителей.
5. Мутационная изменчивость в основе этой изменчивости лежит изменение структуры гена, хромосомы
или изменения числа хромосом.
Мутация – это спонтанное изменение генетического материала.
Мутации имеют ряд свойств:
1. Возникают внезапно, и мутировать может любая часть организма, т.е. они не направлены.
2. Чаще бывают рецессивными, реже – доминантными.
3. Могут быть вредными, полезными, нейтральными.
4. Передаются из поколения в поколение.
5. Вызываются внешними и внутренними факторами.
6. Представляют собой стойкие изменения наследственного материала.
7. Это качественные изменения, которые, как правило, не образуют непрерывного ряда вокруг средней
величины признака.
8. Могут повторяться.
9. Мутации являются и элементарным эволюционным материалом и не направляющим элементарным
эволюционным фактором.
10. Мутационный процесс – источник резерва наследственной изменчивости популяций.
Итог
Генетика— наука о законах и механизмах наследственности и изменчивости.
Законы Менделя
закон единообразия гибридов первого поколения
закон расщепления — Законы Менделя
закон независимого наследования признаков
Мутация — стойкое изменение генотипа, происходящие под влиянием внешней или внутренней среды. Процесс
возникновения мутаций получил название мутагенеза.
Мутации появляются постоянно в ходе процессов, происходящих в живой клетке. Основные процессы,
приводящие к возникновению мутаций - репликация ДНК, нарушения репарации ДНК и генетическая
рекомбинация.
В рамках этой классификации различают следующие виды мутаций:
Генные, хромосомные, геномные.
Геномные: — полиплоидизация и анеуплоидия - изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору. В
зависимости от происхождения хромосомных наборов среди полиплоидов различают аллополиплоидов, у
которых имеются наборы хромосом, полученные при гибридизации от разных видов, и аутополиплоидов, у
которых происходит увеличение числа наборов хромосом собственного генома, кратное n.
При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки структуры отдельных хромосом. В этом случае
наблюдаются потеря (делеция) или удвоение части (дупликация) генетического материала одной или
нескольких хромосом, изменение ориентации сегментов хромосом в отдельных хромосомах (инверсия), а также
перенос части генетического материала с одной хромосомы на другую (транслокация) (крайний случай На
генном уровне изменения первичной структуры ДНК генов под действием мутаций менее значительны, чем при
хромосомных мутациях, однако генные мутации встречаются более часто. В результате генных мутаций
происходят замены, делеции и вставки одного или нескольких нуклеотидов, транслокации, дупликации и
инверсии различных частей гена. В том случае, когда под действием мутации изменяется лишь один нуклеотид,
говорят о точковых мутациях. Возможны четыре генетических последствия точковых мутаций: 1) сохранение
смысла кодона из-за вырожденности генетического кода (синонимическая замена нуклеотида), 2) изменение
смысла кодона, приводящее к замене аминокислоты в соответствующем месте полипептидной цепи (миссенсмутация), 3) образование бессмысленного кодона с преждевременной терминацией (нонсенс-мутация). В
генетическом коде имеются три бессмысленных кодона: амбер — UAG, охр — UAA и опал — UGA (в
соответствии с этим получают название и мутации, приводящие к образованию бессмысленных триплетов например амбер-мутация), 4)обратная замена (стоп-кодона на смысловой кодон).
Первичную мутацию иногда называют прямой мутацией, а мутацию, восстанавливающую исходную структуру
гена, — обратной мутацией, или реверсией.
6. Биосфера и человек
6.1. Экосистемы (многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости живых
систем)
Пищевая, или трофическая, цепь, ряды видов растений, животных, грибов и микроорганизмов, которой
связанных друг с другом отношениями: пища — потребитель.
Связь между двумя звеньями устанавливается, если одна группа организмов выступает в роли пищи для другой
группы.
Существует 2 основных типа трофических цепей — пастбищные и детритные.
3.
В пастбищной трофической цепи основу составляют автотрофные организмы, затем идут потребляющие их
растительноядные животные, потом хищники 1-го порядка, хищники 2-го порядка.
В детритных трофических цепях, наиболее распространенных в лесах, большая часть продукции растений не
потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, подвергаясь затем разложению
сапротрофными организмами и минерализации. Таким образом, детритные трофические цепи начинаются от
детрита, идут к микроорганизмам, которые им питаются, а затем к детритофагам и к их потребителям —
хищникам.
Биогеоценоз — структурная и функциональная элементарная единица биосферы. Представляет собой
устойчивую саморегулирующуюся экологическую систему, в которой органические компоненты (животные,
растения) неразрывно связаны с неорганическими (вода, почва). Биогеоценоз — биоценоз, который
рассматривается во взаимодействии с абиотическими факторами, влияющими на него и в свою очередь
изменяющимися под его воздействием. Биоценоз имеет синоним сообщество, ему также близко понятие
экосистема.
Экосистема — группа организмов разных видов, взаимосвязанных между собой круговоротом веществ.
Каждый биогеоценоз — это экосистема, но не каждая экосистема — биогеоценоз.
Основные показатели биогеоценоза
Видовой состав — количество видов, обитающих в биогеоценозе.
Видовое разнообразие - количество видов, обитающих в биогеоценозе на единицу площади или объема.
Биомасса — количество организмов биогеоценоза, выраженное в единицах массы.
Экосистема монодоминантная - экосистема с одним основным видом продуцента, служащим в ней
одновременно и доминантом и эдификатором (напр., монокультура).
Экосистема олигодоминантная - экосистема с несколькими основными видами продуцентов и консументов
(напр., леса умеренной полосы). В понятие следовало бы включить и редуцентов.
Экосистема полидоминантная - богатая видами экосистема, в которой нет четкого преобладания небольшого
числа видов над другими; такая экосистема может быть также названа «бездоминантной» (напр., тропический
лес).
Экосистема техногенная - экосистема, возникшая или знащтельно измененная под влиянием техногенных
факторов (напр., осушенные болота, подтопленные земли, вырубки и т. д.).
Обычно выделяют: микроэкосистемы (например, небольшой водоем), которые существуют, пока в них
присутствуют живые организмы, способные осуществлять круговорот веществ; мезоэкосистемы (например,
река); макроэкосистемы (например, океан) а также глобальную экосистему – биосферу.
Экосистемы (многообразие живых организмов — основа организации и устойчивости биосферы)
ЭКОСИСТЕМА-понятие, введенное А. Тенсли, обозначающее относительно устойчивую систему
динамического равновесия, в которой организмы и неорганические факторы являются полноправными
компонентами. Э. представляет собой совместно функционирующие на данном участке организмы
(биотическое сообщество), взаимодействующие с физической средой таким образом, что поток энергии создает
четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями.
1. Биогеоценоз- (био- + греч. ge земля + koinos общий) территориально (или акваториально) единая
система живых (животные, растения, микроорганизмы) и неживых компонентов, которые связаны
между собой обменом веществ и энергии; совокупность биоценоза и соответствующего ему биотопа.
Элементы экосистем:
2. Биотоп- (био- + греч. topos место, местность) участок земной поверхности, где обитает некоторая
совокупность живых организмов, характеризующийся однородностью составляющих его абиотических
элементов (геологического строения, микроклимата, водного режима, рельефа, почвенного покрова и т.
п.) и отличающийся от смежных участков.
3. БИОЦЕНОЗ- (от био... и греч. koinos - общий) (ценоз) - совокупность растений, животных и
микроорганизмов, населяющих данный участок суши или водоема и характеризующихся
определенными отношениями между собой и приспособленностью к условиям окружающей среды
(напр., биоценоз озера, леса).
Биотическая структура экосистем:
1. ПРОДУЦЕНТЫ- (от лат. producens, род. падеж producentis — производящий, создающий), автотрофные
организмы, создающие с помощью фотосинтеза или хемосинтеза органич. вещества из неорганических.
П. противопоставляются гетеротрофным организмам — консументам и редуцентам. Основные П. в
водных и наземных экосистемах — зелёные растения. П. составляют первый трофич. уровень в
экосистеме (основание экологич. пирамиды).
2. РЕДУЦЕНТЫ- (от лат. reducens, род. падеж reducentis — возвращающий, восстанавливающий),
деструкторы, организмы, питающиеся мёртвым органич. веществом и подвергающие его
минерализации (деструкции), т. е. разрушению до б. или м. простых неорганич. соединений, к-рые
затем используются продуцентами. К Р. обычно относят сапротрофов: бактерий, грибы и нек-рых
животных (напр., дождевых червей), входящих в детритную трофич. цепь. Строго говоря, к Р. следует
относить всех животных (традиционно называемых консументами), поскольку в процессе их
жизнедеятельности происходит минерализация органич. веществ. Напр., в летнее время в озёрах значит,
часть минерального фосфора, необходимого для роста планктонных водорослей, высвобождается в
результате экскреции планктонных животных. В наземных экосистемах особенно важное значение
имеют почв. Р., вовлекающие в круговорот органич. вещества отмерших растений (они потребляют до
90% первичной продукции леса).
3. КОНСУМЕНТЫ- (от лат. consumo - потребляю) - организмы, являющиеся в пищевой цепи
потребителями органического вещества, все гетеротрофные организмы. Консументы первого порядка растительноядные животные, Консументы второго, третьего и т. д. порядков - хищники.
Виды природных экосистем:
1. ОЗЕРО, водоемы в углублениях суши, обычно довольно значительных размеров и глубины, так что
корневые растения не могут покрывать всю их поверхность. Вода обычно пресная, реки могут впадать в
озера и вытекать из них. Озера не являются постоянными атрибутами рельефа местности.
Расширенный участок реки и резервуар за плотиной также называются озерами.
ЛЕС - один из основных типов растительности, господствующий ярус которого образован деревьями одного
или нескольких видов, с сомкнутыми кронами; для леса характерны также травы, кустарнички, мхи,
лишайники. Различают хвойные и лиственные (как чистые, так и смешанные), листопадные и вечнозеленые
леса. Жизненная среда для многих птиц и зверей, источник древесины, ягод, грибов и технического сырья.
ПУСТЫНЯ — тип биома в областях с постоянно сухим и жарким климатом, препятствующим развитию
растительности, которая не образует в пустыне сомкнутого покрова. Пустыни покрывают ок. 20% поверхности
суши Земли и занимают обширные пространства в Сев. и Юго-Зап. Африке, Центр. и Юго-Зап. Азии,
Австралии, на западном побережье Юж. Америки. В зависимости от подстилающих пород различают
каменистые, песчаные, глинистые, солончаковые и другие типы пустынь. Типичные растения - эфедра, саксаул,
солянка, кактусы, кендырь; много эфемеров и эфемероидов. Животный мир: антилопы, куланы, тушканчики,
суслики, песчанки, ящерицы и многочисленные насекомые.
ТУНДРА (от фин. tunturi - безлесная - голая возвышенность), тип биома, распространенный в субарктическом
поясе Земли. Занимает полосу (ширина 30-500 км) главным образом вдоль побережий Евразии (более 3 млн.
км²) и Сев. Америки. Основные типы тундры: кустарниковые (ива полярная, береза карликовая, кедровый
стланик и др.), кочковатые (осоки), моховые, лишайниковые. Для фауны тундры характерны растительноядные
млекопитающие (северный олень, заяц-беляк, лемминги и др.), песец, водоплавающие птицы, из насекомых двукрылые. Пастбища для северных оленей. Экосистемы тундры малоустойчивы и легко нарушаются в
результате антропогенных воздействий.
ОКЕАН (греч. Okeanos) (Мировой океан) - непрерывная водная оболочка Земли, окружающая материки и
острова и обладающая общностью солевого состава. Занимает площадь 361,10 млн. км² (объем 1340,74 млн.
км³), что составляет 70,8% земной поверхности (в Северном полушарии 66% поверхности, в Южном - 81%).
Океан делится материками на 4 океана: Тихий, Атлантический, Индийский и Сев. Ледовитый.
БИОСФЕРА (от био... и сфера), область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы (высота до
20-25 км), гидросферу и верхнюю часть литосферы (глубина до 2-3 км). В биосфере живые организмы (живое
вещество) и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную
динамическую систему. Термин "биосфера" введен в 1875 австрийским ученым Э. Зюссом. Учение о биосфере
как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе человека)
проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба, создано В.И. Вернадским (1926). Учение о
биосфере оказало огромное влияние на развитие многих наук в 20 в. и особенно на понимание и решение
проблем, связанных с взаимоотношением природы и общества.
Пищевые (трофические) цепи, пирамиды:
1. Цепь питания - цепь взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих органическое вещество и
энергию из исходного пищевого вещества. Каждое предыдущее звено цепи питания является пищей для
следующего звена.
2. ТРОФИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ , цепь питания, взаимоотношения между организмами при переносе энергии
пищи от ее источника — зеленого растения — через ряд организмов, происходящий путем поедания
одних организмов другими из более высоких трофических уровней.
3. Пищевая пирамида. Трофическая цепь пищевая цепь, Цепь питания — взаимоотношения между
организмами, через которые в экосистеме происходит трансформация вещества и энергии; группы
особей (бактерии, грибы, растения и животные), связанные друг с другом отношением пища –
потребитель. В Трофической цепи при переносе потенциальной энергии от звена к звену большая её
часть (80-90%) теряется, переходя в тепло. Если представить это соотношение количественно, то
получится пищевая пирамида.
Пирамиды энергетических потоков.
С каждым переходом из одного трофического уровня в другой в пределах пищевой цепи или сети совершается
работа и в окружающую среду выделяется тепловая энергия, а количество энергии высокого качества,
используемой организмами следующего трофического уровня, снижается.
Правило 10%: при переходе с одного трофического уровня на другой 90% энергии теряется, и 10% передается
на следующий уровень. Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной энергии. Поэтому длина
пищевой цепи обычно не превышает 4 - 5 звеньев.
Экологические факторы:
Абиотические факторы среды, совокупность условий неорганической среды, влияющих на организмы. А. ф.
делятся на химические (химический состав атмосферы, морских и пресных вод, почвы или донных отложений)
и физические, или климатические (температура, барометрическое давление, ветер, течения, радиационный
режим и т. д.). Строение поверхности (рельеф), геологические и климатические различия земной поверхности
создают огромное разнообразие А. ф., играющих неодинаковую роль в жизни приспособившихся к ним видов
животных, растений и микроорганизмов. Численность (Биомасса) и распределение организмов в пределах
ареала зависят от лимитирующих А. ф., т. е. необходимых для существования, но представленных в минимуме
(например, вода в пустыне).
Биотические факторы среды, совокупность влияний, оказываемых на организмы жизнедеятельностью других
организмов. Эти влияния носят самый разнообразный характер. Живые существа могут служить источником
пищи для других организмов, являться средой обитания (например, организм-хозяин, в котором поселяются
паразиты), способствовать их размножению (например, деятельность животных-опылителей), оказывать
химическое (токсины бактерий), механическое и другие воздействия. В отличие от абиотических факторов (См.
Абиотические факторы) среды, действие Б. ф. проявляется в форме взаимовлияния живых организмов разных
видов друг на друга. Так, растения выделяют кислород, необходимый для дыхания животных, а животные
обеспечивают поступление в атмосферу углекислого газа, который используется растениями в процессе
фотосинтеза; деятельность хищников оказывает влияние на динамику численности их жертв, что, в свою
очередь, сказывается на изменениях численности хищников. Действие Б. ф. может быть не только
непосредственным, но и косвенным, выражаясь в изменении условий окружающей неживой природы
(например, изменение состава почвы бактериями или изменение микроклимата под пологом леса).
Антропоге́нные фа́кторы среды́ (Антропо- + греч. -genēs порожденный; син.: антропоургические факторы
среды, хозяйственно-бытовые факторы среды) факторы окружающей среды, возникновение которых
обусловлено деятельностью человека, вызывающей изменения природных комплексов.
Формы биотических отношений:
ХИЩНИК – ЖЕРТВА (СИСТЕМА) взаимосвязь между хищником и жертвой, в результате которой
эволюционно выигрывают оба. В процессе естественного отбора, обусловленного этими взаимоотношениями, в
обеих популяциях выживают наиболее здоровые и приспособленные к условиям среды особи.
Взаимоотношения "хищник-жертва" обычно приводят к регулярным циклическим колебаниям численности.
ПАРАЗИТИЗМ (греч. parasitos — нахлебник, от пара... и sitos — хлеб, пища), форма взаимоотношений двух
различных организмов, принадлежащих к разным видам и носящая антагонистич. характер, когда один из них
(паразит) использует другого (хозяина) в качестве среды обитания (среда 1-го порядка) или источника пиши,
возлагая на него регуляцию своих отношений с внеш. средой (среда 2-го порядка). П. известен на всех уровнях
организации живого, начиная с вирусов и бактерий и кончая высшими растениями и многоклеточными
животными.
НЕЙТРАЛИЗМ- тип биотической связи, при которой совместно обитающие организмы (или виды) не влияют
друг на друга. В природе истинный нейтрализм крайне редок, поскольку между всеми видами возможны
косвенные взаимоотношения.
ТОЛЕРАНТНОСТЬ способность организма выносить отелонения экологических факторов среды от
оптимальных для него значений. Организмы с широким диапазоном толерантности обозначаются приставкой
"эври-", а с узким диапазоном толерантности - приставкой "стено-" (эврибионт, стенобионт).
ПРЕДЕЛЫ ТОЛЕРАНТНОСТИ [от лат. tolerantia - терпение] - диапазон между минимумом и максимумом
значений экологических параметров существования организма.
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ НИША, совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование
того или иного вида организмов. Экологическая ниша - это не столько место обитания вида, сколько его
положение в сообществе других организмов, обеспечивающее минимальную конкуренцию с другими видами за
источники существования.
СРЕДА ОБИТАНИЯ совокупность конкретных абиотических и биотических условий, в которых обитает данная
особь, популяция или вид. (см. АБИОТИЧЕСКАЯ СРЕДА, БИОТИЧЕСКАЯ СРЕДА).
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ НИША, совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование
того или иного вида организмов. Экологическая ниша - это не столько место обитания вида, сколько его
положение в сообществе других организмов, обеспечивающее минимальную конкуренцию с другими видами за
источники существования.
6.2. Биосфера
Понятие о биосфере. Вещество: живое, костное, биокостное, биогенное.
Биосфера – область активной жизни, в которой живые организмы и среда их обитания органически
взаимосвязаны и образуют целостную динамическую систему.
Под биосферой понимается совокупность всех живых организмов вместе со средой их обитания, в которую
входят: вода, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры, населенная микроорганизмами.
Два главных компонента биосферы: сами живые организмы и среда их обитания – непрерывно
взаимодействуют между собой и находятся в тесной, органическом единстве,
Отдельные живые организмы, как правило, не существуют изолированно. В процессе своей жизнедеятельности
они соединяются в различные системы (сообщества).
Говоря о принципах существования биосферы, В.И. Вернадский прежде всего уточняет понятие и способы
функционирования «живого вещества». Живое вещество есть совокупность организмов, участвующих в разнообразных
геохимических процессах. Организмы усваивают из окружающей среды химические элементы, строящие их тела, и
возвращают их в процессе жизни и после своей смерти в ту же самую среду. Таким образом, и жизнь, и «косное вещество»
находятся в непрерывном, тесном взаимодействии, в бесконечном круговороте химических элементов. При этом живое
вещество служит основным системообразующим фактором и связывает биосферу в единое целое.
1. БИОСФЕРА (от био... и сфера), область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы
(высота до 20-25 км), гидросферу и верхнюю часть литосферы (глубина до 2-3 км). В биосфере живые
организмы (живое вещество) и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с
другом, образуя целостную динамическую систему. Термин "биосфера" введен в 1875 австрийским
ученым Э. Зюссом. Учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная
деятельность живых организмов (в том числе человека) проявляется как геохимический фактор
планетарного масштаба, создано В.И. Вернадским (1926). Учение о биосфере оказало огромное
влияние на развитие многих наук в 20 в. и особенно на понимание и решение проблем, связанных с
взаимоотношением природы и общества.
2. ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО — совокупность живых организмов биосферы, численно выраженная в
элементарном химическом составе, массе и энергии. Понятие введено В. И. Вернадским в его учении о
биосфере и роли живых организмов в круговороте веществ и энергии в природе.
3. БИОГЕННОЕ ВЕЩЕСТВО — вещество, возникшее в результате жизнедеятельности организмов,
например, уголь, нефть, битумы, известняки и пр.
4. Биокосное вещество — по В.И. Вернадскому это вещество, которое создается одновременно живыми
организмами и косными процессами и является закономерной структурой из живого и косного
вещества. Биокосное вещество характерно для почвы, фактически все поверхностные слои Земли есть
результат преобразования биокосного вещества.
5. ВЕЩЕСТВО КОСНОЕ, по В. И. Вернадскому (1965), вещество, образуемое процессами, в к-рых
живое, вещество не участвует (продукты тектонической деятельности, метеориты и др.). Часто вместо
В. к. употребляют термины “минеральные элементы”, “неорганическое вещество”, “абиогенное
(абиологическое) вещество”.
6. Биосфера — централизованная система. Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое
вещество). Это свойство всесторонне раскрыто В. И. Вернадским, но, к сожалению, часто не
дооценивается человеком и в настоящее время: в центр биосферы или ее звеньев ставится только один
вид — человек (антропоцентризм). Биосфера — саморегулирующаяся система, для которой, как
отмечал В. И. Вернадский, характерна организованность. В настоящее время это свойство называют
гомеостазом, понимая под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие
возмущения включением ряда механизмов. Гомеостатические механизмы связаны в основном с живым
веществом. Биосфера за свою историю пережила ряд таких возмущений, многие из которых были
значительными по масштабам, и справлялась с ними (извержения вулканов, встречи с астероидами,
землетрясения, горообразование и т. п.) благодаря действию гомеостатических механизмов и, в
частности, принципа, который в настоящее время носит название Ле Шателье-Брауна: при действии на
систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, последнее смещается в том
направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется.
Геохимические функции живого вещества:
Газовые функции заключаются в участии живых организмов в миграции газов и их превращениях. В
зависимости от того, о каких газах идет речь, выделяется несколько газовых функций.
1. Кислородно-диоксидуглеродная – создание основной массы свободного кислорода на планете.
Носителем данной функции является каждый зеленый организм. Выделение кислорода идет только при
солнечном свете, ночью этот фотохимический процесс сменяется выделением зелеными растениями
углекислого газа.
2. Диоксидуглеродная, не зависимая от кислородной – образование биогенной угольной кислоты как
следствие дыхания животных, грибов и бактерий. Значение функции возрастает в области подземной
тропосферы, не имеющей кислорода.
1. Озонная и пероксидводородная – образование озона (и, возможно, пероксида водорода). Биогенный
кислород, переходя в озон, предохраняет жизнь от разрушительного действия радиации Солнца.
Выполнение этой функции вызвало образование защитного озонового экрана.
1. Азотная – создание основной массы свободного азота тропосферы за счет выделения его
азотовыделяющими бактериями при разложении органического вещества. Реакция происходит в
условиях как суши, так и океана.
2. Углеводородная – осуществление превращений многих биогенных газов, роль которых в биосфере
огромна. К их числу относятся, например, природный газ, терпены, содержащиеся в эфирных маслах,
скипидаре и обусловливающие аромат цветов, запах хвойных.
Деструктивная функция Минерализация органических веществ, разложение отмершей органики до
простых неорганических соединений, химическое разложение горных пород, вовлечение
образовавшихся минералов в биотический круговорот определяет деструктивную (разрушительную)
функцию живого вещества. Данную функцию в основном выполняют грибы, бактерии. Мертвое
органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений (углекислого газа, воды,
сероводорода, метана, аммиака и т. д.), которые вновь используются в начальном звене круговорота.
Этим занимается специальная группа организмов - редуценты (деструкторы).
1. Концентрационная (накопительная) функция - избирательное накопление определенных веществ,
рассеянных в природе - водорода, углерода, азота, кислорода, кальция, магния, натрия, калия, фосфора
и многих других, включая тяжелые металлы, в живых существах. Раковины моллюсков, панцири
диатомовых водорослей, скелеты животных — все это примеры проявления концентрационной
функции живого вещества. Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов - это
характерная особенность живого вещества. Наиболее активными концентраторами многих элементов
являются микроорганизмы.
2. Средообразующая функция Живое вещество преобразует физико-химические параметры среды в
условия, благоприятные для существования организмов. В этом проявляется еще одна главная функция
живого вещества — средообразующая. Например, леса регулируют поверхностный сток, увеличивают
влажность воздуха, обогащают атмосферу кислородом. Можно сказать, что средообразующая функция совместный результат всех рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция
обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота (в ходе фотосинтеза растения
выполняют газовую функцию: поглощают углекислый газ и выделяют кислород); деструктивная и
концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но
жизненно важных для организмов элементов. Средообразующие функции живого вещества создали и
поддерживают баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность условий
существования организмов, в том числе человека.
3. Энергетическая функция выполняется, прежде всего, растениями, которые в процессе фотосинтеза
аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. Чтобы биосфера
могла существовать и развиваться, ей необходима энергия. Собственных источников энергии она не
имеет и может потреблять энергию только от внешних источников. Главным источником для биосферы
является Солнце. По сравнению с Солнцем, энергетический вклад других поставщиков (внутреннее
тепло Земли, энергия приливов, излучение космоса) в функционирование биосферы ничтожно мал
(около 0,5% от всей энергии, поступающей в биосферу). Солнечный свет для биосферы является
рассеянной лучистой энергией электромагнитной природы.
Биогенная миграция.
В. И. Вернадский ввел понятие о живом веществе-совокупности живых организмов, выраженной в единицах
массы и энергии. Изучение геохимической деятельности живого вещества служит предметом биогеохимии.
Область активной жизни на Земле наз. биосферой, где организмы преобразуют солнечную энергию в энергию
геохимических процессов. Главный ее источник-биохимические процессы фотосинтеза и разложения
органических веществ, в ходе которых в окружающую среду выделяются О2, СО2 и др. химически активные
соединения. Непрерывное поступление энергии определяет неравновесность биосферы и ее частей-почв, илов,
подземных вод и др.
Первый биогеохимический принцип В.И. Вернадского: биогенная миграция атомов химических элементов в
биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.
Второй биогеохимический принцип В.И. Вернадского: эволюция видов в ходе геологического времени,
приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную
миграцию атомов.
16. Первичная атмосфера Земли - (содержащая - в равновесии с океаном - водяные пары, CO2 , CO , CH4 ,
NH3 , H2S и инертные газы, и являющаяся восстановительной) оставалась тонкой, и температура на
поверхности планеты не отклонялась сколь-нибудь заметно от точки лучистого равновесия (15 градусов
С).
17. Абиогенный синтез — образование органических соединений, характерных для живой природы, вне
организмов и без участия ферментов, в результате химических реакций между неорганическими
веществами.
18. Предбиологический отбор
Первыми катализаторами были простейшие соединения, соли железа, меди, других тяжелых металлов, но их
действие было очень слабым. Постепенно на основе предбиологического отбора эволюционно формировались
биологические катализаторы. Из огромного количества химических соединений, присутствующих в "первичном
бульоне", отбирались наиболее эффективные в каталитическом отношении комбинации молекул. На
определенном этапе эволюции простые катализаторы были заменены ферментами. Ферменты контролируют
строго определенные реакции, и это имело огромное значение для совершенствования процесса обмена
веществ.
19. Коацерваты, коацерватные капли, мелкие частицы, имеющие вид тонких пластин от 5 мкм до
нескольких мм, образованные из органич. макромолекул на первоначальной стадии перехода от
неживой материи к живой; в гипотезах о происхождении жизни — праорганизм; т. н. период
коацерватов был одним из начальных периодов биогенеза
20. Гетеротрофы — организмы, использующие для питания исключительно или преимущественно
органические вещества, произведенные другими видами (автотрофами), и неспособные синтезировать
вещества своего тела из неорганических веществ. К гетеротрофам относятся все животные,
паразитарные растения, грибы и подавляющее большинство микроорганизмов. Различают три типа
гетеротрофного питания: сапрофитное, галозойное и паразитное
21. Автотрофы — организмы, синтезирующие из неорганических соединений органическое вещество с
использованием энергии Солнца или энергии, освобождающейся при химических реакциях.
Автотрофы служат в биосфере Земли продуцентами органического вещества.
22. Анаэробы — организмы, способные жить в бескислородной среде. Анаэробы получают необходимый
для жизни кислород посредством расщепления кислородсодержащих органических соединений
23. Аэробы — организмы, способные жить только в среде, содержащей свободный молекулярный
кислород. К аэробам относятся почти все животные и растения, а также многие грибы и
микроорганизмы
24. Прокариоты — древнейшие организмы. Прокариоты не обладает четко оформленным ядром с
оболочкой и типичным хромосомным аппаратом. Наследственная информация передается и
реализуется через ДНК. Прокариоты размножаются делением без выраженного полового процесса. К
прокариотам относят вирусы, бактерии, сине-зеленые водоросли, микоплазмы и др.
25. Эукариоты — высшие организмы, четко оформленные ядра которых обладают оболочкой, отделяющей
их от цитоплазмы. Эукариоты включают царства: грибы, растения и животные.
26. Голобиоз — методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее
первичности структур, наделенных способностью к элементарному обмену веществ при участии
ферментного механизма.
27. Генобиоз — методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в
первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. Исторические
концепции происхождения жизни:
7. Креационизм- (от англ. creation — создание) — философско-методологическая концепция, в рамках
которой основные формы органического мира (жизнь), человечество, планета Земля, а также мир в
целом, рассматриваются как намеренно созданные неким сверхсуществом или божеством.
Последователи креационизма разрабатывают совокупность идей — от сугубо богословских и
философских до претендующих на научность, хотя в целом современное научное сообщество
относится к таким идеям критически.
8. Гипотеза панспермии (греч. panspermía— смесь всяких семян, от παν (pan — весь, всякий и σπερμα
(sperma)— семя)— гипотеза о появлении жизни на Земле в результате переноса с других планет неких
«зародышей жизни».
9. Биохимическая эволюция
Полагают, что в те времена атмосфера была совершенно не такая, как теперь. Легкие газы - водород, гелий, азот,
кислород и аргон - уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной
планеты не могло их удержать. Однако простые соединения, содержащие (среди прочих) эти элементы, должны
были удерживаться; к ним относятся вода, аммиак, двуокись углерода и метан. До тех пор пока температура
Земли не упала ниже 100°С, вся вода, вероятно, находилась в парообразном состоянии.
10. Постоянное самозарождение
Уже на ранних стадиях своего развития человечество начало задаваться одним из важнейших философских
вопросов: вопросом о происхождении всего живого на земле. Наши древние предки начали с того, что находили
решение этого и подобных ему вопросов в такой мировоззренческой форме, как религия. Их примитивные
представления о происхождении жизни давали ответы практически на все возникающие вопросы. Однако с
появлением зачатков научного и эмпирического знания взгляды на решение этих вопросов стали меняться.
Сейчас ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что все живые существа на Земле возникают путём рождения
от себе подобных. Но прежде чем прийти к признанию этой, казалось бы, неоспоримой истины, человечество
проделало долгий и трудный путь ошибок, заблуждений и величайших научных открытий.
11. Стационарное состояние
Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна
поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда
не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — либо изменение
численности, либо вымирание
Итог
Учение о биосфере:
Жизнь на Земле, представленная огромным количеством организмов (более 500 тыс. видов растений и
1,5 до 2 млн. видов животных) произвела глубочайшие изменения в обмене планеты.
Начало биосферы – появление жизни на Земле. Совершенствуясь и распространяясь, живые организмы
принимают участие в перераспределении энергии и вещества на Земле – выделяя кислород и углерод.
Растения, ассимилируя углекислый газ, привели к созданию атмосферы, содержащей свободный
кислород, который является не только активным химическим элементом, но и источником озона,
преграждающего путь к Земле ультрафиолетовых лучей.
Углерод, связанный в растениях, образовал запас органических соединений.
Растительный покров изменил коэффициент (альбедо) отражения суши для отдельных участков
солнечного спектра. Образование осадочных пород в мировом океане привело к изменению свойств земной
коры.
Все эти изменения привели к образованию биосферы, где развертываются и продолжаются жизненные
явления. В биосфере живое вещество и среда обитания органически связаны, взаимодействуют друг с другом,
образуя целостную систему.
По определение В. И. Вернадского биосфера — область активной жизни, охватывающая нижнюю часть
атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.
В биосфере живые организмы (живое вещество и среда обитания органически связаны и
взаимодействуют друг с другом). При этом образуется целостная система. Впервые термин использовался в
1911 г.
Докучаев первым стал рассматривать соотношение между живыми организмами, минералами и
растениями, рассматривая процессы почвообразования и обращая внимание на взаимодействие абиогенных и
биогенных факторов в этом процессе.
Вернадский выделил следующие особенности биосферы:
1. она представляет собой оболочку жизни, область существования живого;
2. можно рассматривать, как область земной коры, занятая трансформаторами,преобразователями космического
излучения в земную энергию, тепловую, химическую;
3. биосфера является ведущим фактором преобразования лика Земли, ускоряет химические реакции +
преобразует окружающую среду
4. неравновесность (работа живого вещества и солнечной энергии).
5. Принцип Бауэра, об устойчивости неравновесности систем, действует в биосфере в целом (например,
газовый состав атмосферы, солевой состав океана).
6. обводненность. В воде всегда существует жизнь; содержание воды в тканях организмов в 5 раз больше, чем
во всех реках Земли, объем воды, содержащаяся в корнях обновляется за несколько минут (малый круговорот):
круговорот воды определяется использованием воды растениями; на море весь объем воды фильтруется
планктоном за пол года, верхний слой воды (0,5 км) обновляется за 20 дней.
7. неразрывная связь с космосом и Солнцем.
Основатель гелиобиологии А. Чижевский говорил: «Все, подчинено ритму Солнца: от массового размножения
саранчи до средней успеваемости школьника».
В настоящее время биосферой называют область распространения жизни на Земле. Она включает совокупность
всех организмов и их остатков, а также части литосферы, гидросферы и атмосферы, как населенные ныне
живущими организмами, так и преобразованные их прошлой деятельностью.
Биосфера – есть оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяется совокупной
деятельностью живых организмов.
Биосфера охватывает часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км), часть литосферы, особенно кору
выветривания, и всю гидросферу. Нижняя граница опускается в среднем на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна
океана.
Биосфера (по И. Вернадскому) включает семь основных компонентов: живое вещество – совокупность живых
организмов; биогенное вещество – создаваемое и перерабатываемое организмами (газы атмосферы, каменный
уголь, битумы, известь и т.п.); косное вещество – образующее без участия организмов (продукты тектонической
деятельности и пр.); биокосное вещество – результат совместной деятельности организмов и абиогенных
процессов (вода, почва, кора выветривания); радиоактивное вещество; рассеянные атомы и вещество
космического происхождения (метеориты, космическая пыль). В настоящее время вместо термина «живое
вещество» употребляют другие выражения: «совокупность организмов», «живой покров Земли», «пленка
жизни», «биомасса Земли», «биос», «биотический круговорот» и т.п. Вместо термина «косное вещество»
говорят о «минеральных элементах», «абиогенном веществе», «неорганическом веществе» и т.п.
*Термин «биосфера» ввел австрийский геолог Э. Зюсс (1875 г.). Заслуга создания целостного учения о биосфере
принадлежит В.И. Вернадскому (1863-1945 гг.)
Существенная особенность биосферы – биогенная миграция атомов химических элементов, вызванная
лучистой энергией Солнца и выражающаяся в процессах обмена веществ, росте и размножении организмов.
Биогенная миграция атомов подчиняется двум биогеохимическим принципам (В.И. Вернадский, 1940 г.): а)
стремится к максимальному проявлению; б) приводит к выживанию организмов, увеличивающих биогенную
миграцию атомов биосферы.
Функции биосферы:
энергетическая (накопление свободной энергии - связывание и запасание солнечной энергии);
концентрационная (накопление химических элементов в телах живых организмов в масштабах биосферы
(формирование атмосферы, залежей органических и неорганических веществ);
транспортная (закон биогенной миграции атомов, биогеохимические круговороты);
деструктивная (разложение органики и замыкание круговоротов, выветривание – разрушение земной коры,
формирование почвы);
средообразующая
Биогеохимические функции биосферы:
-газовая, включающая биогенную миграцию газов в результате фотосинтеза и азот фиксации;
-концентрационная, состоящая в аккумуляции живыми организмами химических элементов, рассеянных во
внешней среде;
-окислительно-восстановительная, в частности, превращение веществ, содержащих атомы с переменной
валентностью (железо, марганец, и т.п.);
-биохимическая – процессы, протекающие в живых организмах.
Биохимические функции биосферы характеризуют ее как целостную систему.
Посредством этих функций осуществляется круговорот органического вещества на Земле.
В процессе жизнедеятельности растений за счет солнечной энергии и имеющихся у земной поверхности
веществ ежегодно образуется около 180 млрд. тонн растительной биомассы (в сухо весе) и около 300 млрд.
тонн всей воды, испаряющейся с поверхности суши. Весь кислород атмосферы оборачивается через организмы
примерно за 2 тыс. лет, углекислота совершает полный цикл за 300 лет, а вся вода океанов, морей и рек
разлагается и восстанавливается в биотическую круговороте за 2 млн. лет. За время эволюции жизни
углекислота, кислород и вода прошли через живое вещество планеты не одну тысячу раз.
Биомасса и продукция органического вещества
Континенты
зеленые растения
животные
микроорганизмы
Итого:
Океан
зеленые растения
животные
микроорганизмы
Итого:
Всего:
и
и
Тонны (сухого вещества)
%
2,4 1012
0,2 1012
99,2
0,8
2,42 1012
100
0,0002 1012
0,003 1012
6,3
93,7
0,0032 1012
2,4232 1012
100
На континентах преобладают растения, а в океане – животные. Величина биомассы организмов океана
– 0,13 % от суммарной биомассы живых организмов планеты. И это при том, что поверхность океана занимает
70,2 % от поверхности Земли. Живое вещество планеты в основном сосредоточено в зеленых растениях суши.
Организмы, не способные к фотосинтезу, составляют менее 1 %.
Сухопутные животные составляют 93 % от общего числа видов; водные – 7 %. То же соотношение характерно
для растений – 92 % сухопутных и 8 % водных. Число видов растений составляет около 21 %, животных – 79 %
(доля животных 1% всей биомассы Земли). Последнее иллюстрирует фундаментальную закономерность
материи: Более высокий уровень дифференциации сосредоточен в меньшем объеме, чем уровень менее
дифференцированный.
Организация биосферы.
В самом крупном плане биосфера представляет собой единство живого и минеральных элементов, вовлеченных
в сферу жизни. Существенная составная часть этого единства – биотический круговорот, основанный на
взаимодействии организмов, создающих и разрушающих органическое вещество. Благодаря биотическому
круговороту возможно длительно существование и развитие жизни.
Биосфера сформирована в виде относительно самостоятельных природных комплексов – экосистем
(биоценозов). Каждый биоценоз представляет собой своеобразную модель биосферы в уменьшенном варианте.
Он включает фотосинтетиков – хлорофиллоносные растения, создающие органическое вещество, гетеротрофов,
живущих на созданной автотрофами продукции, деструкторов, разрушающих органическое вещество тел и
растений и животных до минеральных элементов, а также субстрат с каким-то запасом минеральных элементов.
Каждый биогеоценоз включает все основные экологические группы организмов и по своим потенциальным
возможностям равен биосфере. Этого своего рода первичная ячейка эволюции. Биотический круговорот в
рамках биоценоза – своеобразная модель биотического круговорота Земли. В силу этих особенностей каждый
биогеоценоз в ходе эволюции способен распространяться на всю планету. Устойчивость биосферы в целом в
значительной мере определяется ее организацией, т.е. системой относительно независимых биогеоценозов.
6.3. Человек в биосфере
Антропогенез (антропо- + греч. genesis происхождение, развитие) – часть биологической эволюции, которая
привела к появлению вида хомо сапиенс; процесс формирования физического типа человека, развития трудовой
деятельности, речи. Эволюция осуществлялась в результате трех основных факторов: изменчивость,
наследственность, естественный отбор. Теория Дарвина дала причинное объяснение развития видов. Но он не
включил в нее социальный фактор, отличие ума человека от животного. Он не затрагивает роль труда в
процессе антропогенеза. Трудовая теория антропогенеза: труд не отменяет действие биологических законов, но
преобразовывает характер действия естественного отбора.
Последовательность антропогенеза
Романопитек – сивапитек - человек умелый- питекантроп, синантроп-неандерталец. Антропогенез –
нелинейный процесс. Коэволюция – совместная эволюция видов, взаимодействующих в экосистеме. Изменения
в одном организме могут приводить к изменениям в другом; эти изменения вызывают изменения в первом
организме и т.д. Теория генно-культурной коэволюции: процессы органической и культурной эволюции
проходят совместно. Но ведущая роль отводится генам. Человек- объект биологического знания. Вне
социальных условий одна природе не делает человека человеком.
ПАЛЕОНТОЛОГИЯ (от палео... и онтология) - наука о вымерших растениях и животных (сохранившихся в виде
ископаемых остатков, отпечатков и следов их жизнедеятельности), о смене их во времени и пространстве, обо
всех доступных изучению проявлениях жизни в геологическом прошлом. По объектам исследования
палеонтология - наука биологическая, но возникла в теснейшей связи с геологией. Основателем палеонтологии
считают Ж. Кювье. Палеонтологию подразделяют на палеоботанику и палеозоологию; часто выделяют в
особый раздел палеоэкологию.
ПРИМАТЫ - отряд млекопитающих, 2 подотряда: полуобезьяны и обезьяны. Св. 200 видов - от лемуров до
человека, что ставит отряд приматов в особое положение. Для приматов характерны пятипалые хватательные
конечности, способность большого пальца противопоставляться остальным; волосы, покрывающие тело и
образующие у некоторых видов мантии, гривы, бороды и пр.; хорошо развитые слух и зрение. Эмоциональное
состояние приматов выражается богатым набором звуков и жестов. Обитают главным образом в лесах тропиков
и субтропиков. Образ жизни преимущественно дневной, древесный. Живут чаще стадами или семейными
группами с достаточно сложной иерархической системой доминирования - подчинения. Размножаются круглый
год, у большинства рождается 1 детеныш. Из-за уничтожения естественных местообитаний, браконьерства,
бесконтрольного использования в исследовательских целях численность многих приматов резко сокращается.
50 видов и 19 подвидов в Красной книге Международного союза охраны природы и природных ресурсов.
Основные этапы эволюции рода Homo и его предшественников (стадиальная концепция):
АВСТРАЛОПИТЕКИ (от латинского australis - южный и греческого pithekos - обезьяна), род высших двуногих
человекообразных приматов, обитавших преимущественно в Восточной и Южной Африке от 4 до 1 млн. лет
назад. Австралопитеки имели небольшое тело (длина в среднем 120-130 см), объем мозга колебался от 300 до
570 см3. По-видимому, среди древнейших австралопитеков были предки как поздних, более массивных
австралопитеков, так и рода "человек".
1. АРХАНТРОПЫ (от греческого archaios - древний и anthropos - человек), обобщенное название
древнейших ископаемых людей (питекантропы, синантропы и др.) раннего и отчасти среднего
плейстоцена (1,6-0,35 млн. лет назад),преимущественно из Азии и Африки. Все архантропы
представлены одним видом - человеком прямоходящим (Homo erectus); иногда к ним относят и творца
самых ранних каменных орудий (олдувайская, или галечная, культура) - человека умелого (Homo
habilus), жившего в Восточной Африке около 2 млн. лет назад.
2. ПАЛЕОАНТРОПЫ (от палео... и греческого anthr,o pos - человек), собирательное название древних
людей Африки, Европы и Азии, живших 300 - 30 тыс. лет назад. Представлены главным образом
неандертальцами.
3. НЕОАНТРОПЫ (от нео... и греческого anthropos - человек), собирательное название людей
современного типа (Homo sapiens) - от ископаемых (кроманьонцы) до ныне живущих. Неоантропы
полностью сменили палеоантропов 40-30 тыс. лет назад. Отдельные представители неоантропов
появились значительно раньше (до 200-100 тыс. лет назад).
Виды:
1. ЧЕЛОВЕК УМЕЛЫЙ (Homo habilis), вид первобытного человека, обнаруженный Луи Лики в 1964 г. в
Олдовайском ущелье в восточной Африке. Его окаменевшие остатки датируются между 1,8 и 1,2 млн.
лет назад. Был современником австралопитека. Строение кисти руки и черепа напоминает
современного человека.
2. ЧЕЛОВЕК ПРЯМОХОДЯЩИЙ (Homo erectus), разновидность первобытного человека датируемая
примерно от 1,5 до 0,2 млн. лет назад. «Человекообразная обезьяна с острова Ява» была первым
первобытным человеком, окаменевшие останки которого были найдены во второй половине XIX в.
Вместе с Пекинским человеком (синантропом) они представляют более продвинутые формы человека
прямоходящего, чем более поздние окаменелости, найденные ранее в Африке.
3. ГОМО (Homo), вид, к которому принадлежат люди. Современные люди классифицируются как человек
разумный (Homo sapiens sapiens). Наличие подбородочного выступа на нижней челюсти, формирование
членораздельной речи, увеличение периода внутриутробного развития: замедление периода полового
созревания, удлинение периода детства, увеличение продолжительности жизни, высокий уровень
психической деятельности (абстрактное мышление, сознание), сложное адаптивное поведение,
максимальная способность накапливать индивидуальный и социальный опыт и передавать потомкам:
целенаправленная коллективная трудовая деятельность.
Характерные особенности человека: трудовая деятельность, использование огня, развитие речи, способность к
абстрактному мышлению, наличие фонда социальной и культурной информации
1. Труд - источник всякого богатства, утверждают политикоэкономы. Он действительно является таковым
наряду с природой, доставляющей ему материал, который он превращает в богатство. Но он еще и
нечто бесконечно большее, чем это. Он - первое основное условие всей человеческой жизни, и притом в
такой степени, что мы в известном смысле должны сказать: труд создал самого человека.
2. Абстрактное мышление — это умение переводить информацию о·реальных объектах в символы,
манипулировать с этими символами,·находить какое-то решение и это решение опять применять к
объектам на·практике. Этот уровень довольно развит у современных людей, так как он·работает на
науку, занимающую очень много места в нашей жизни.·Наиболее сильно он развит у физиков и
математиков. У ребенка·абстрактное мышление начинает проявляться, когда он говорит, что·облако это дракон.
3. НЕОЛИТИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ (neolitic revolution) – произошедший в позднепервобытном
обществе революционный переворот в производстве, связанный, как правило, с переходом от
присваивающего к производящему хозяйству и создавший предпосылки для формирования
раннеклассового общества. лобальное изменение климата, а также потребности человека привели к
тому, что человек постепенно начал осваивать новый вид деятельности: ЗЕМЛЕДЕЛИЕ. Одновременно
возник и другой вид деятельности: СКОТОВОДСТВО. Этот процесс перехода к новым видам
деятельности ученые называют НЕОЛИТИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИЕЙ.
4. КОЭВОЛЮЦИЯ, развитие взаимодополняющих признаков у двух различных видов, результат
взаимодействия между ними. Оба вида выигрывают от этого, и вырабатывающиеся у них черты
поведения служат им обоим на пользу. Классическим примером является опыление растений
насекомыми. У цветков растения вырабатывается цвет или запах, привлекающий насекомых, а также
форма, облегчающая им добычу нектара, при которой они попутно собирают пыльцу. Со своей
стороны, у насекомых развилась способность чувствовать запах цветов и такое строение ротовой части,
которое позволяет добраться до нектара.
Итог
В 1817 году вышла книга Ч. Дарвина "Происхождение человека". Основной смысл: человек представляет собой
последнее высокоорганизованное звено в цепи развития живых существ и имеет общих далеких предков с
человекообразными обезьянами.
По утверждению антрополога Ликки, Д. Иогансона, М. Эдди и др., которые в книге "Истоки человечества"
писали: "Это были насекомоядные, четвероногие животные по размерам и форме похожие на белок". Р. Ликки
обозначил это млекопитающее "крысоподобным приматом". Ископаемые доказательства промежуточных
биологических форм между этим приматом и обезьяноподобным египтопитеком, ископаемые остатки которого
были найдены, не подтверждаются.
По оценкам египтопитек жил “ 30 млн. лет назад. Египтопитек считался предком, которого мы разделяем с
современными обезьянами. По данным палеонтропии, этапами эволюции этого примата в человеческой ветви
были человекообразные обезьяны, появившиеся я 25 млн. лет назад. В ходе антропогенеза выделилась
человеческая ветвь ” 15 млн. лет назад. Этапы антропогенеза:
1. Предантропы - австралопитеки, которые существовали " 2,8 млн. лет до н.э., питекантропы ” 1 млн. лет до н.
э.;
2. Архантропы - синантропы “ 0,5 млн. лет до н.э.;
3. Палеоантропы - неандертальцы “ 200 тыс. лет до н.э., кроманьонцы ж 100 тыс. лет до н.э.;
4. Древнейшая цивилизация “ 10 тыс. лет до н.э.
Смысл антропогенеза: австралопитеки - небольшая человекообразная обезьяна спустилась с дерева и стала
всеядной, что дало прогресс в развитии. Через 2,5 млн. лет австралопитеки превратились в гомагабилеса
("человека умелого").
Эта хронология была до открытия Ликки, который откопал череп олдовайского человека, возраст которого по
данным углеродного анализа насчитывал ” 1 млн. лет, Отсюда следует мнение, которое существует у анатомов:
при сравнении человеческого черепа с обезьяньим обнаруживается сходство с последним.
Существование неандертальца доказано. В долине Неандертал нашли его череп. Нет никакого доказательства
того, что неандерталец стоял ниже нас. Другой ископаемый тип людей - кроманьонец. В Юж. Франции впервые
были обнаружены его кости. Кроманьонцы были совершенно неотличимы от современных людей.
Неандертальцы умели строить жилища, добывать огонь, изготовлять орудия труда и охоты. Имели
своеобразную культуру, которая называется мустьерской (наскальные изображения). Неандертальцы стали
исчезать, вытесняемые кроманьонцами. Считается, что неандертальцы - это тупиковая ветвь. Характерными для
предполагаемой эволюции человека было существенное ускорение ее темпов.
Предантропы
Археантропы
Палеоантропы
Продолжительность
существования
0,5 - 1 млн. лет
40 - 150 тыс. лет
60 - 120 тыс. лет
Количество
поколений
35 - 70 тыс.
10 - 25 тыс.
4 - 8 тыс.
сменившихся
В эту схему не укладывается человек Лики, который 1 млн. лет назад был таким же, как современные люди. Эти
открытия продолжались в Азии (в Китае обнаружен череп человека, которому 6-7 млн. лет)
Генетическое исследование митохондральных ДНК, передающихся только по женской линии, показало, что все
человечество происходит от первой женской особи, которая существовала “ 200-300 тыс. лет назад.
Есть разные версии происхождения человека. Одна из них - это та, что происхождением человек обязан
мутациям, которые могли происходить из-за сильного поля и такие мутации должны были существовать в
Африке, где высокий радиационный фон. Другие версии:
1) человек разумный произошел в результате вмешательства своего рода генетической прививки высшего
разума (1 вмешательство ~ 3 млн. лет назад в ход эволюции приматов, но люди были способны скрещиваться с
обезьянами, отсюда вырождение; 2 вмешательство ~ 200-300 тыс. лет назад появился гомосапиенс и три
основные расы, 3 вмешательство ~ 40 тыс. лет назад, когда было осуществлено непорочное зачатие
(генетическое вмешательство);
2) содержится в эзотерических учениях. Эта версия о том, что существовали различные расы (сейчас мы живем
в пятой расе), расы сменяли друг друга в результате земных катаклизмов. По Еноху сыны божий жили с
дочерьми человечьими и рождались гиганты.
6.4. Глобальный экологический кризис (экологические функции литосферы, экология и здоровье)
Загрязнение окружающей среды.
Взаимоотношение природы и человека нельзя рассматривать вне противоречий:
1. развитие общества и его производит сил расширяет господство человека над природой
2. растет уровень противоречий. Природа – единое целое. Экология – наука о взаимоотношениях живых
организмов с окружающей средой(термин-Геккель). Социальная экология – наука, изучающая
проблемы взаимодействия общества и окружающей среды, охрана.
Глобальные экологические проблемы:
1. уничтожаются виды растений и животных
2. сокращается запас полезных ископаемых
3. Истощение мирового океана
4. вода и атмосфера загрязнены
5. искусственно созданные человеком элементы
6. парниковый эффект
7. неутилизированные отходы в космосе
8.экология и здоровье человека.
Индикаторы глобального экологического кризиса:
1. уровень соленой и пресной воды
2. уровень мирового океана
3. уровень углекислого газа в атмосфере
4. толщина озонового слоя
5. состояние равновесия в биосфере и антропогенной нагрузки
6. уровень солнечной активности
Экологические функции литосферы.
Объект изучения экологической геологии — верхние горизонты литосферы как абиотическая компонента
природных и антропогенно-измененных экосистем высокого уровня организации. Она изучает биотопы
экосистем, их экологическую роль и экологические функции литосферы. Тесно связанные основные функции
литосферы — ресурсная, геодинамическая, геофизическая и геохимическая.
Здоровье — состояние полного физического, душевного и социального благополучия, а не только отсутствие
болезней и физических дефектов (из Устава Всемирной организации здравоохранения).
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ: нанесение вреда окружающей среде, обычно промышленно
развитым обществом. Загрязнение окружающей среды чаще всего является результатом накопления отходов
производства, хотя чрезмерные шум и тепло, которые оказывают действие на экологию, также включены в это
понятие.
1. ингредиентное (ингредиент — составная часть сложного соединения или смеси) загрязнение как
совокупность веществ, количественно или качественно чуждых естественным биогеоценозам;
1. параметрическое загрязнение (параметр окружающей среды — одно из ее свойств, например уровень
шума, освещенности, радиации и т. д.), связанное с изменением качественных параметров окружающей
среды;
2. биоценотическое загрязнение, заключающееся в воздействии на состав и структуру популяции живых
организмов;
3. стациально-деструкционное загрязнение (стация — место обитания популяции, деструкция —
разрушение), представляющее собой изменение ландшафтов и экологических систем в процессе
природопользования.
Индикаторы глобального экологического кризиса:
Парниковый эффект (оранжерейный эффект) в атмосферах планет — нагрев внутренних слоев атмосферы
(Земли, Венеры и других планет с плотными атмосферами), обусловленный прозрачностью атмосферы для
основной части излучения Солнца (в оптическом диапазоне) и поглощением атмосферой основной
(инфракрасной) части теплового излучения поверхности планеты, нагретой Солнцем. В атмосфере Земли
излучение поглощается молекулами Н2О, СО2, О3 и др. Парниковый эффект повышает среднюю температуру
планеты, смягчает различия между дневными и ночными температурами. В результате антропогенных
воздействий содержание СО2 (и других газов, поглощающих в инфракрасном диапазоне) в атмосфере Земли
постепенно возрастает. Не исключено, что усиление парникового эффекта в результате этого процесса может
привести к глобальным изменениям климата Земли. Экологическая проблема: усиление парникового эффекта.
Озоновый слой, слой земной атмосферы, в котором сосредоточен озон (О3). Он достигает наибольшей
плотности на высоте 21-26 км. Создаваемый поступающим солнечным светом, озоновый слой впитывает
большую часть солнечного ультрафиолетового излучения, таким образом защищая от него поверхность Земли.
Авиация, ядерное оружие, а также некоторые аэрозоли и холодильники вырабатывают химические вещества,
способные расщеплять атмосферный озон, что может привести к увеличению объема ультрафиолетового
излучения, достигающего поверхности Земли. Экологическая проблема: сокращение озонового слоя.
Деградация земель означает долгосрочное снижение функционирования и производительности экосистем.
Интенсивность и масштабы деградации земель увеличиваются во многих регионах мира. Деградации
подвергаются 20 процентов пахотных, 30 процентов лесных и 10 процентов пастбищных земель.
Последствиями деградации земель являются снижение плодородности, миграция населения, отсутствие
продовольственной безопасности, разрушение природных ресурсов и экосистем, а также потеря
биоразнообразия, обусловленная изменением среды обитания различных видов растений и животных, в том
числе и изменениями на генетическом уровне.
Биоразнообра́зие (биологи́ческое разнообра́зие) — разнообразие жизни во всех ее проявлениях. В более узком
смысле, под биоразнообразием понимают разнообразие на трех уровнях организации: генетическое
разнообразие (разнообразие генов и их вариантов — аллелей), разнообразие видов в экосистемах и, наконец,
разнообразие самих экосистем. Биоразнообразие — ключевое понятие в природоохранном дискурсе.
Экологическая проблема: снижение биоразнообразия.
Ноосфера-этап развития биосферы, устойчивое развитие, путь к единой культуре
Ноосфера—новое, эволюционное состояние биосферы,при котором разумная деятельность человека
становится решающим фактором ее развития. Это качественно новая форма организованности, возникающая
при взаимодействии природы и общества. Более уместно говорить об эпохе ноосферы, когда человек сможет
разумно распоряжаться своим могуществом и обеспечить такое взаимодействие с окружающей средой, которое
позволит развиваться и человеку, и природе, и обществу. Объективная необходимость формирования ноосферы
возникает из того, что настало время, когда человечество должно обрести способность к экологическому
самообеспечению. Ноосфера не может формироваться стихийно, а только в результате сознательной
деятельности людей на основе изучения и практического поддержания ими законов саморегуляции биосферы и
согласования с ними своей хозяйской и прочей деятельности.
Человечеству как части живого вещества придется взять на себя ответственность за будущее развитие биосферы
и общества. Измениться должны геохимические циклы биосферы и ее способность обеспечивать потребности
человечества в соответствии с изменениями природы общества, а может, и природы самого человека. Такое
взаимоотношение человека и биосферы называется коэволюцией.
Переход биосферы в ее новое состояние будет сопровождаться выработкой новых принципов согласования
своих действий и нового поведения людей новой нравственности, потребует смены стандартов и идеалов. Это
центральная проблема, стоящая сегодня перед человечеством: как обеспечить совместную эволюцию
(коэволюцию) биосферы и человека.
Предлагаемая позиция называется универсальным эволюционизмом. Она позволяет еще в одном ракурсе
увидеть те идеи, которые проповедовал Ф.М. Достоевский и другие мыслители прошлого века.
Оказывается, чтобы сохранить природу и себя, человек и общество должны меньше преобразовывать природу, а
больше преобразовывать себя.
Понятие ноосферы как этапа развития биосферы при разумном регулировании отношений человека и природы.
Ноосфера (от греч. noos - разум и сфера) - новое эволюционное состояние биосферы, при котором разумная
деятельность человека становится решающим фактором ее развития. Понятие ноосферы введено французскими
учеными Э. Леруа и П. Тейяром де Шарденом (1927), В. И. Вернадский развил представление о ноосфере как
качественно новой форме организованности, возникающей при взаимодействии природы и общества, в
результате преобразующей мир творческой деятельности человека, опирающейся на научную мысль.
Устойчивое развитие [англ. sustainable development - поддерживаемое развитие] - такое развитие общества, при
котором улучшаются условия жизни человека, а воздействие на окружающую среду остаётся в пределах
хозяйственной емкости биосферы, так что не разрушается природная основа функционирования человечества.
Устойчивое развитие как компромисс между стремлением человечества удовлетворять свои потребности и
необходимостью сохранения биосферы для будущих поколений. При У.р. удовлетворение потребностей
осуществляется без ущерба для будущих поколений. Концепция У.р. рассматривается как предпосылка
долговременного прогресса человечества, сопровождаемого приумножением капитала и улучшением
экологических условий. В англоязычной литературе под словом sustainable понимается очень мягкое
поддерживающее управление. В соответствие с этим концепция У.р. подразумевает развитие региона через
самоорганизацию при рамочной внешней поддержке, предупреждающей возможность его перехода в состояние
необратимой деградации среды. Для человечества в целом эта концепция подразумевает частичное,
целенаправленное, поддерживающее перемещение финансовых ресурсов из богатых регионов в бедные при
широком обмене экологическими знаниями и информацией. Термин содержит в себе противоречие,
заключающееся в том, что, с одной стороны, подчеркивает необходимость постоянного развития (в т. ч.
материального), а с другой, предполагает ограничение этого развития. С позиции эволюционного учения спорно
также само сочетание терминов устойчивость и развитие.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа