Концепция современного естествознания

Планета Земля, ее строение, происхождение и начальные этапы эволюции

Все планеты земной группы имеют твердые оболочки, в которых сосредоточена почти вся их масса. Венера, Земля и Марс обладают газовыми атмосферами. Земля имеет жидкую оболочку из воды -- гидросферу, а также биосферу (результат прошлой и современной деятельности живых организмов). Ядро Земли, состоящее, скорее всего, из железа, подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твердое); температура в центре Земли оценивается в 4000--5000 К. Основными источниками энергии в недрах планет являются радиоактивный распад элементов и выделение гравитационной потенциальной энергии при аккреции (объединении) и дифференциации вещества, его постепенном перераспределении по глубине в соответствии с плотностью -- тяжелые фрагменты тонут, легкие всплывают. На Земле подобное перераспределение еще далеко не завершилось. Такие процессы вызывают перемещения отдельных участков земной коры, деформацию, горообразование, тектонические и вулканические процессы. Происхождение планет. Предполагается, что планеты возникли одновременно (или почти одновременно) 4,6 млрд лет назад из газово-пылевой туманности, имевшей форму диска, в центре которого располагалось молодое Солнце. Образование звезд и планетных систем -- это, по-видимому, все-таки единый процесс, происходящий в результате конденсации облака межзвездного газа в силу его гравитационной неустойчивости, протопланетная туманность образовалась вместе с Солнцем из межзвездного вещества, плотность которого превысила критические пределы. По некоторым данным (присутствие специфических изотопов в метеоритах), такое уплотнение произошло в результате относительно близкого взрыва сверхновой звезды. Взрыв сверхновой мог ускорить и стимулировать процесс конденсации, а также обеспечить содержание в составе газовой туманности тяжелых элементов. Допланетное облако было мало массивным. Протопланетное облако было неустойчивым, оно становилось все более плоским, конденсировалось в уплотненный диск, в нем возникали неустойчивости, которые приводили к образованию ряда колец, а газовые кольца превращались в газовые сгустки -- протопланеты. Протопланеты сжимались, твердые пылинки сближались, сталкивались, образовывали тела все больших размеров. В относительно короткий срок (10ⁿ лет, где, по разным оценкам, n = 5--8) сформировались девять больших планет. В настоящее время господствует идея холодного, а не горячего, начального состояния Земли и других планет Солнечной системы, которые возникли в результате аккреции частиц и твердых тел газово-пылевого протопланетного облака, окружавшего Солнце. Однако пока не решен вопрос, была ли Земля гомогенна или гетерогенна к концу своего формирования, образовались ли ядро, мантия и кора в результате гетерогенной аккреции или же наша планета создавалась из гомогенного материала, который затем подвергался дифференциации в процессе последующей геологической истории. Большинство исследователей придерживаются модели гетерогенной аккреции. Что касается Луны, то наиболее вероятным является ее образование на околоземной орбите (возможно, из нескольких крупных спутников, которые в конечном счете объединились в одно тело -- Луну, что обеспечило ее быстрое нагревание), хотя продолжают обсуждаться и маловероятные гипотезы захвата Землей готовой Луны и отделения Луны от Земли.

Пространство-время. Качественное многообразие форм пространства и времени

С начала XX века стало преобладать понятие о едином и неразделимом пространстве-времени. Но если пространство и время - части единого целого, то нельзя делать научные выводы о времени, не обращая внимания на пространство. Все особенности пространства отражаются так или иначе во времени. Есть ли явления вне пространства-времени? По мнению Вернадского, такими объектами могут быть кванты - мельчайшие неделимые порции энергии. Натуралист наблюдает реальные объекты, подвластные времени, изменяющиеся непременно, как ни медленно проходили бы подобные изменения. Эти превращения чаще всего не сводимы к механическому перемещению. Это "внутренние" преобразования, которые остаются вне внимания физиков, вырабатывающих свое представление о пространстве-времени на основе теории относительности.

Вернадский придавал особое значение принципу единства пространства-времени. Геологические объекты обладают разнообразными свойствами, структурными особенностями. Одно из проявлений такой разнородности - различные реальные кристаллические пространства. В их пределах по-разному организована материя (атомы, молекулы), по-разному проявляется симметрия. Реальное пространство планеты крайне неоднородно, мозаично. Такая формулировка по старинке предполагает разделение пространства и времени. А если научно доказано их единство, то следует говорить о мозаичности пространства-времени. Когда мы исследуем структуру различных видов реального пространства, как утверждает Вернадский, надо иметь в виду возможность структурных особенностей времени для каждого такого вида. Время - всеобъемлющая категория. Нет ни одного реального объекта вне времени, как, впрочем, нет времени вне реальных объектов. Исследуя кристаллы и минералы, Вернадский осуществлял прежде всего научный анализ, рассматривал и группировал отдельные объекты своеобразной структуры и химического состава.

35. Краткое изложение специальной (частной) теории относительности

В сентябре 1905 г появилась работа А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». Эйнштейн сформулировал основные положения Спец. Теории Относительности, которая объясняла отрицательный результат опыта Майкельсона и смысл преобразований Лоренца, а также содержала новый взгляд на пространство и время. Он пришел к твердому убеждению о всеобщности принципа относительности, т.е. к выводу, что и в отношении электромагнитных явлений, а не только механических, все инерциальные системы координат совершенно равноправны. Кроме того, Эйнштейн был убежден в постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета. Он, по-видимому, еще в молодости пришел к выводу, что скорость распространения световой волны одинакова во всех инерциальных системах. В классической физике полагали, что можно запросто говорить об абсолютной одновременности событий сразу во всех точках пространства. Эйнштейн убедительно показал неверность такого представления. События, которые являются одновременными для одного наблюдателя, не одновременны для другого наблюдателя, движущегося относительно первого. Из нового понимания одновременности, осознания его относительности следуют революционные выводы о закономерностях пространственно-временных отношений вещей. Прежде всего, необходимо признать относительность размеров тел. Чтобы измерить длину тела, нужно отметить его границы на масштабе одновременно. Однако то, что одновременно для неподвижного наблюдателя, уже не одновременно для движущегося, поэтому и длина тела, измеренная разными наблюдателями, которые движутся друг относительно друга с различными скоростями, должна быть различна. На следующем этапе становления специальной теории относительности этим общим идейным рассуждениям Эйнштейн придает математическую форму и, в частности, выводит формулы преобразования координат и времени. смысл: одно и то же тело имеет различную длину, если оно движется с различной скоростью относительно системы, в которой эта длина измерялась. То же самое относится и ко времени. Промежуток времени, в течение которого длится какой-либо процесс, различен, если измерять его движущимися с различной скоростью часами. В специальной теории относительности размеры тел и промежутки времени теряют абсолютный характер, какой им приписывался классической физикой, и приобретают статус относительных величин, зависящих от выбора системы отсчета, с помощью которой проводилось их измерение. Они приобретают такой же смысл, какой имеют уже известные относительные величины, например скорость, траектория и т.п. Таким образом, Эйнштейн делает вывод о необходимости изменения пространственно-временных представлений, выработанных классической физикой. Создание СТО было качественно новым шагом в развитии физического познания. От классической механики СТО отличается тем, что в физическое описание релятивистских явлений органически входит наблюдатель со средствами наблюдения. Описание физических процессов в СТО существенно связано с выбором системы координат. Физическая теория описывает не физический процесс сам по себе, а результат взаимодействия физического процесса со средствами исследования.

36. Гравитация и пространство-время. Краткое изложение общей теории относительности

Создание любой фундаментальной теории обычно порождает цикл новых проблем, вызванных необходимостью ее согласования с накопленным ранее (эмпирическим и теоретическим) массивом научного знания. Такое согласование состоит в пересмотре, изменении (и часто весьма радикальном) содержания ряда старых и создании новых представлений, понятий, категорий, теорий. Подобная ситуация сложилась и после возникновения СТО. Оно привело к необходимости обобщения классической ньютоновской теории гравитации потребовало нового расширения принципа относительности. После создания СТО и открытия зависимости инертной массы от скорости (релятивистские эффекты) вопрос о независимости гравитационной массы от любых свойств тел и состояний, в которых они находятся, предстал в новом свете. Из СТО следует, что инертная масса зависит от скорости, с увеличением скорости масса тела растет. В центре его размышлений оказался вопрос: можно ли оценивать движение равноускоренной системы S по отношению к инерциальной системе S как пребывание в относительном покое? Теоретический анализ подводит его к выводу, что две системы отсчета, одна из которой движется ускоренно, а другая хотя и покоится, но в ней действует однородное поле тяготения, в отношении механических явлений эквивалентны и неразличимы. Иначе говоря, физика не знает средств, которые могли бы отличить эффект гравитации от эффекта ускорения. Силы инерции в ускоренной системе отсчета эквивалентны гравитационному полю. Это утверждение Эйнштейн иллюстрирует примером: наблюдатель, находящийся в закрытом лифте, не может определить, движется ли лифт ускоренно или внутри лифта действуют силы тяготения. Проведя мысленные эксперименты, Эйнштейн пришел к выводу, что реальное гравитационное поле будет эквивалентно ускоренным системам только в том случае, если пространство-время является искривленным, т.е. неевклидовым: «Наш мир неевклидов. Геометрическая природа его образована массами и их скоростями. Гравитационные уравнения ОТО стремятся раскрыть геометрические свойства нашего мира». Эйнштейн нашел общее уравнение гравитационного поля (которое в классическом приближении переходило в закон тяготения Ньютона) и таким образом решил проблему тяготения в общем виде. Уравнения гравитационного поля в общей теории относительности представляют собой систему из 10 уравнений. В отличие от теории тяготения Ньютона, где есть один потенциал гравитационного поля, который зависит от единственной величины -- плотности массы, в теории Эйнштейна гравитационное поле описывается 10 потенциалами и может создаваться не только плотностью массы, но также потоком массы и потоком импульса. Так, ОТО отказывается от понятий «сила», «потенциальная энергия», «инерциальная система», «евклидов характер пространства-времени» и др. В ОТО используют нежесткие (деформирующиеся) тела отсчета, поскольку в гравитационных полях не существует твердых тел и ход часов зависит от состояния этих полей. Такая система отсчета (ее называют «моллюском отсчета») может двигаться произвольным образом, и ее форма может изменяться, у используемых часов может быть сколь угодно нерегулярный ход. ОТО углубляет понятие поля, связывая воедино понятия инерции, гравитации и метрики пространства-времени, допускает возможность гравитационных волн. Гравитационные волны создаются переменным гравитационным полем, неравномерным движением масс и распространяются в пространстве со скоростью света. Гравитационные волны в земных условиях очень слабы.

37. Причинные связи в природе и обществе. Концепция детерминизма

Детерминизм -- учение о первоначальной определяемости всех происходящих в мире процессов, включая все процессы человеческой жизни, со стороны Бога (теологический детерминизм, или учение о предопределении), или только явлений природы (космологический детерминизм), или специально человеческой воли (антропологическо-этический детерминизм), для свободы которой, как и для ответственности, не оставалось бы тогда места. Под определяемостью здесь подразумевается философское утверждение, что каждое произошедшее событие, включая и человеческие поступки, и поведение, однозначно определяется множеством причин, непосредственно предшествующих данному событию. В таком свете детерминизм может быть также определен как тезис, утверждающий, что имеется только одно, точно заданное, возможное будущее. Полное и гармоническое слияние механической причинности и детерминизм происходит в концепции детерминизм Лапласа. Центральной становится идея о том, что всякое состояние Вселенной есть следствие предыдущих и причина последующих ее состояний. Сформированное им понятие причинно-следственных цепей, последующее отождествление этого понятия с понятием связи состояний и теоретико-механическим представлением о движении окончательно утверждают универсальный объяснительный статус лапласовского детерминизма. Одновременно с этим процессом в концепции лапласовского детерминизм наметился выход за рамки механистической методологии в силу не механистического, но статистического, вероятностного характера закономерностей, которые исследовались Лапласом. Он обосновывал эвристическую ценность новых математических вероятностных методов, но в рамках господствующих в то время механистических идеалов и норм научного исследования. Переход науки к исследованию в нач. -- сер. 19 в. системных природных и социальных объектов обусловил изменение идеалов аналитического, поэлементного характера познания; расхождение принципа причинности и принципа детерминизм; обнаружилась сложная по структуре абстрактно-теоретическая форма принципа детерминизм в научном исследовании. Методологическая природа принципа детерминизма проявляется в том, что он выступает не только как философское учение, но и конкретно-научный норматив описания и объяснения универсальной закономерной связи и обусловленности развития и функционирования определенным образом системно-организованных объектов в процессе их взаимодействия.

На принципе детерминизма построена вся классическая физика, за исключением термодинамики и молекулярной физики. Детерминизм подразумевает выполнение обратимости времени, то есть частица придёт в исходное состояние, если обратить время. Каждая траектория единственным образом определяется начальными условиями. Всё это находится в замечательном согласии с экспериментальными данными макромира

38. Симметрия и ассиметрия. Основные законы симметрии. Симметрия в неживой и живой природе

К первой группе относится симметрия положений, форм, структур. Это та симметрия, которую можно непосредственно видеть. Она может быть названа геометрической симметрией.

Вторая группа характеризует симметрию физических явлений и законов природы. Эта симметрия лежит в самой основе естественнонаучной картины мира: ее можно назвать физической симметрией.

Симметрией обладают объекты и явления живой природы. Она не только радует глаз и вдохновляет поэтов всех времен и народов, а позволяет живым организмам лучше приспособиться к среде обитания и просто выжить.В живой природе огромное большинство живых организмов обнаруживает различные виды симметрий (формы, подобия, относительного расположения). Причем организмы разного анатомического строения могут иметь один и тот же тип внешней симметрии.

Внешняя симметрия может выступить в качестве основания классификации организмов (сферическая, радиальная, осевая и т.д.) Микроорганизмы, живущие в условиях слабого воздействия гравитации, имеют ярко выраженную симметрию формы. Асимметрия присутствует уже на уровне элементарных частиц и проявляется в абсолютном преобладании в нашей Вселенной частиц над античастицами. Известный физик Ф. Дайсон писал: "Открытия последних десятилетий в области физики элементарных частиц заставляют нас обратить особое внимание на концепцию нарушения симметрии. Развитие Вселенной с момента ее зарождения выглядит как непрерывная последовательность нарушений симметрии. В момент своего возникновения при грандиозном взрыве Вселенная была симметрична и однородна. По мере остывания в ней нарушается одна симметрия задругой, что создает возможности для существования все большего и большего разнообразия структур. Феномен жизни естественно вписывается в эту картину.

Жизнь - это тоже нарушение симметрии" Молекулярная асимметрия открыта Л. Пастером, который первым выделил "правые" и "левые" молекулы винной кислоты: правые молекулы похожи на правый винт, а левые - на левый. Такие молекулы химики называют стереоизомерами. Молекулы стереоизомеры имеют одинаковый атомный состав, одинаковые размеры, одинаковую структуру - в то же время они различимы, поскольку являются зеркально асимметричными, т.е. объект оказывается нетождественным со своим зеркальным двойником. Поэтому здесь понятия "правый-левый" - условны. В настоящее время хорошо известно, что молекулы органических веществ, составляющие основу живой материи, имеют асимметричный характер, т.е. в состав живого вещества они входят только либо как правые, либо как левые молекулы. Таким образом, каждое вещество может входить в состав живой материи только в том случае, если оно обладает вполне определенным типом симметрии. Например, молекулы всех аминокислот в любом живом организме могут быть только левыми, сахара - только правыми.

39. Четыре способа решения основной проблемы химии - четыре иерархические концептуальные системы

Химия как наука с момента своего рождения ставила перед собой весьма практические цели и с тех пор она всегда была нужна человечеству для того, чтобы получать из природных веществ по возможности все необходимые металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и лекарства, взрывчатые вещества и горюче-смазочные материалы, каучук и пластмассы.

Поэтому все химические занятия, которые были приобретены в течение многих веков подчинены единственной главной задаче химии - задаче получения веществ с необходимыми свойствами.

Химия, как никакая другая естественная наука, тесно связана с производством новых веществ.

В чем суть основной проблемы химии?

Основная двуединая проблема химии это:

1) получение веществ с заданными свойствами - производственная задача;

2) выявление способов управления свойствами вещества - задача научного исследования.

Существуют четыре способа решения основной проблемы химии, которые связаны прежде всего с наличием всего четырех основных природных факторов, от которых зависят свойства получаемых веществ: основные природные факторы, влияюшие на свойства получаемых веществ:

1) состав вещества (элементарный, молекулярный);

2) структура молекул;

3) термодинамические и кинетические условия химической реакции, в процессе которой это вещество получается.

4) уровень организации вещества.

40. Химический элемент, химическое соединение и учение о химических процессах

Все вещества в природе состоят из более простых частей, называемых элементами. Такими элементами по Левкиппу и Демокриту были атомы - мельчайшие частицы бескачественной первичной материи, различной только по величене и форме.В эпоху эллинизма возникло учение о “трансмутации” (превращении), согласно которому можно, изменяя сочетание элементов, получать вещества с иными свойствами. Это учение было развито Парацельсом. Подобно алхимикам, Парацельс исходил из представления, что все вещества состоят из элементов, способных соединяться друг с другом. При разложении веществ элементы разъединяются. Роберт Боиль Бойль доказал также, что вещества, которые он анализировал, вовсе не распадаются на три или четыре более простых вещества, как, например, золото или стекло. Из некоторых веществ могут выделяться простые “тела” в количестве, большем чем три или четыре, причем их химические свойства такие же, как у элементов. Михаил Васильевич Ломоносов принадлежит к числу первых ученых, изучивших количественно химические процессы при помощи взвешивания. Ломоносов обратил внимание на увеличение веса металлов после обжигания на воздухе. Вслед за Ломоносовым Лавуазье пришел к выводу, что такое увеличение массы металлов должно быть связано с поглощением воздуха. Дальтон показал, что эти мельчайшие частицы растворяются не только в фазе, где существуют два газа, но и в системе, образованной газом и жидкостью. Растворимость различных газов в воде он объяснял таким образом:”Эта разница тесно связана с тяжестью, весом и числом мельчайших частиц в различных газах. Подвижность более легких и меньших по размерам частиц падает. Дальтон определил относительные атомные массы азота (4), углерода (4,5), кислорода (5,66), серы (17), воды (6,66) и других веществ. Дальтон пользовался атомной теорией как основой для новой химической символики. Особенно большое значение имели работы шведского химика Берцелиуса, который дал более точные определения атомных масс. В результате этих исследований Берцелиус значительно уточнил величины атомных величин, определенные Дальтоном. Тем самым были созданы предпосылки систематизации элементов на основе их атомных масс. Эти тщательно выполненные исследования позволили Берцелиусу сделать атомистическую модель основой химии. Дэви, Берцелиус считал причиной соединения элементов в определенном отношении электрическую полярность атомов. Учение об электричестве позволило дать простое объяснение природе, например, такого распространенного в химии явления, как образования солей. Оказалось, что с суть этого явления заключается во взаимной нейтрализации положительных и отрицательных зарядов мельчайших частичек вещества. На основе разработанной им теории Берцелиус сделал принципиально важный вывод: все химические элементы состоят из отрицательных и положительных веществ. Попытки систематизации многочисленных известных элементов и соединений, начатые Деберейнером, продолжили многие известные химики. Б. Шанкартуа расположил элементы в порядке возрастающих атомных масс по винтовой линии на поверхности циллиндра. В 1870г. появилась статья Мейера “О соотношении свойств с атомным весом элементов”. Основанием для проведения Мейером систематизации элементов явилось предположение об отношении между атомными массами и атомными объемами, которые он изобразил в виде кривой, где атомные объемы являются периодической функцией от атомных масс. Дмитрий Иванович Менделеев впервые в истории естествознания привел систему элементов, которая оказала основополагающее влияние на дальнейшее развитие химии. Менделеев разместил элементы в порядке возрастания атомных масс. Он использовал этот принцип, поскольку он проанализировал работы Дальтона по установлению связи между количественными и качественными свойствами веществ. Важнейшим из количественных свойств элементов в то время была атомная масса.

41. Отличие живого от неживого

Живое вещество развивается там, где может существовать жизнь, то есть на пересечении атмосферы, литосферы и гидросферы. В условиях, не благоприятных для существования, живое вещество переходит в состояние анабиоза.

Специфика живого вещества заключается в следующем:

1. Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией. В неорганическом мире по количеству свободной энергии с живым веществом могут быть сопоставлены только недолговечные не застывшие лавовые потоки.

2. Резкое отличие между живым и неживым веществом биосферы наблюдается в скорости протекания химических реакций: в живом веществе реакции идут в тысячи и миллионы раз быстрее.

3. Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения - белки, ферменты и пр. - устойчивы только в живых организмах (в значительной степени это характерно и для минеральных соединений, входящих в состав живого вещества).

4. Произвольное движение живого вещества, в значительной степени саморегулируемое. В.И. Вернадский выделял две специфические формы движения живого вещества: а) пассивную, которая создается размножением и присуща как животным, так и растительным организмам; б) активную, которая осуществляется за счет направленного перемещения организмов (она характерна для животных и в меньшей степени для растений). Живому веществу также присуще стремление заполнить собой все возможное пространство.

5. Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Кроме того, в отличие от неживого абиогенного вещества живое вещество не бывает представлено исключительно жидкой или газовой фазой. Тела организмов построены во всех трех фазовых состояниях.

6. Живое вещество представлено в биосфере в виде дисперсных тел - индивидуальных организмов. Причем, будучи дисперсным, живое вещество никогда не находится на Земле в морфологически чистой форме - в виде популяций организмов одного вида: оно всегда представлено биоценозами.

7. Живое вещество существует в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых эпох. При этом характерным для живого вещества является наличие эволюционного процесса, т.е. воспроизводство живого вещества происходит не по типу абсолютного копирования предыдущих поколений, а путем морфологических и биохимических изменений.

Выделяют пять основных функций живого вещества:

1. Энергетическая. Заключается в поглощении солнечной энергии при фотосинтезе, а химической энергии - путем разложения энергонасыщенных веществ и передаче энергии по пищевой цепи разнородного живого вещества.

2. Концентрационная. Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества. Выделяют два типа концентраций химических элементов живым веществом: а) массовое повышение концентраций элементов в среде, насыщенной этим элементов, например, серы и железа много в живом веществе в районах вулканизма; б) специфическую концентрацию того или иного элемента вне зависимости от среды.

3. Деструктивная. Заключается в минерализации необиогенного органического вещества, разложении неживого неорганического вещества, вовлечении образовавшихся веществ в биологический круговорот.

4. Средообразующая. Преобразование физико-химических параметров среды (главным образом за счет необиогенного вещества).

5. Транспортная. Перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.

Признаки живых организмов. 1. Способность к обмену веществ с окружающей средой. (Процессы: питание, дыхание, выделение.)

Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и строения всех частей организма.

2. Самовоспроизведение (репродукция).

42. Происхождение жизни на Земле. Основные гипотезы. Теория биохимической эволюции

Происхождение жизни -- одна из трех важнейших мировоззренческих проблем наряду с проблемой происхождения Вселенной и проблемой происхождения человека. Попытки понять, как возникла и развивалась жизнь на Земле, предпринимались еще в глубокой древности. В античности сложились два противоположных подхода к решению этой проблемы. Религиозно-идеалистический исходил из того, что возникновение жизни на Земле не могло осуществиться естественным, объективным, закономерным образом; жизнь является следствием божественного творческого акта. В основе материалистического подхода лежало представление о том, что под влиянием естественных факторов живое может возникнуть из неживого, органическое из неорганического. В основе материалистического подхода лежало представление о том, что под влиянием естественных факторов живое может возникнуть из неживого, органическое из неорганического. Естествознание XX в. сделало шаг вперед в изучении жизни, ее проявлений на Земле и за ее пределами. Такие отрасли знаний, как биохимия, биофизика, генетика, молекулярная биология, космическая биохимия и др., расширили представления о сущности земной жизни, о возможности существования подобных явлений вне пределов нашей планеты. Сейчас уже определенно выяснено, что «азбука» живого сравнительно проста: в любом существе, живущем на Земле, присутствует 20 аминокислот, пять оснований, два углевода и один фосфат. Небольшое число одних и тех же молекул во всех живых организмах убеждает, что все живое должно иметь единое происхождение. Естествознание XX в. сделало шаг вперед в изучении жизни, ее проявлений на Земле и за ее пределами. Такие отрасли знаний, как биохимия, биофизика, генетика, молекулярная биология, космическая биохимия и др., расширили представления о сущности земной жизни, о возможности существования подобных явлений вне пределов нашей планеты. Сейчас уже определенно выяснено, что «азбука» живого сравнительно проста: в любом существе, живущем на Земле, присутствует 20 аминокислот, пять оснований, два углевода и один фосфат. Небольшое число одних и тех же молекул во всех живых организмах убеждает, что все живое должно иметь единое происхождение. организмах убеждает, что все живое должно иметь единое происхождение. Возраст Земли исчисляется примерно 4,6 млрд лет. Жизнь существует на Земле, видимо, около 3,8 млрд. лет. Признаки деятельности живых организмов обнаружены в докембрийских породах, рассеянных по всему земному шару. В сложном процессе возникновения жизни на Земле можно выделить несколько основных этапов. Первый из них связан с образованием простейших органических соединений из неорганических. Второй этап биогенеза характеризовался возникновением более сложных органических соединений (в частности, белковых веществ нуклеиновых кислот) в водах первичного океана. Благодаря высокой температуре, грозовым разрядам, усиленному ультрафиолетовому излучению относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись, полимеризировались и образовывались углеводы, жиры, аминокослоты, белки и нуклеиновые кислоты. Второй этап биогенеза характеризовался возникновением более сложных органических соединений (в частности, белковых веществ нуклеиновых кислот) в водах первичного океана. Благодаря высокой температуре, грозовым разрядам, усиленному ультрафиолетовому излучению относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись, полимеризировались и образовывались углеводы, жиры, аминокослоты, белки и нуклеиновые кислоты. Возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами (ускорение эволюции во времени). Так, развитие от первичных пробионтов до аэробных форм потребовало около 2 млрд. лет, тогда как с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн. лет; птицы и млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн. лет, приматы выделились за 12--15 млн. лет, для становления человека потребовалось около 3 млн. лет.

43. 3акон генетики. Наследственность и изменчивость

Истоки знаний о наследственности весьма древние. Наследственность как одна из существенных характеристик живого известна очень давно, представления о ней складывались еще в эпоху античности. Долгое время вопрос о природе наследственности находился в ведении эмбриологии, в которой вплоть до XVII в. господствовали фантастические представления. Во второй половине XVIII в. учение о наследственности обогащается новыми данными -- установлением пола у растений, искусственной гибридизацией и опылением растений, а также отработкой методики гибридизации. Во второй половине XVIII -- начале XIX в. наследственность рассматривалась как свойство, зависящее от количественного соотношения отцовских и материнских компонентов. Считалось, что наследственные признаки гибрида являются результатом взаимодействия отцовских и материнских компонентов, их борьбы между собой, а исход этой борьбы определяется количественным участием, долей того и другого. Так, при получении растительных гибридов предполагалось, что в передаче признаков решающую роль играет количество пыльцы. В первой половине XIX в. стали складываться непосредственные предпосылки учения о наследственности и изменчивости -- генетики. Качественным рубежом здесь, по-видимому, оказались два события. Первое -- создание клеточной теории. Старая (философская, идущая от XVIII в.) идея единства растительного и животного миров должна была получить конкретно-научное выражение в форме теории, которая базируется на том, что инвариантные характеристики органического мира должны иметь свое морфологическое выражение, проявляться в определенной структурной гомологии организмов.

Второе событие -- выделение объекта генетики, т.е. явлений наследственности как специфической черты живого, которую не следует растворять в множестве свойств индивидуального развития организма. Такой подход сформулирован у О. Сажрэ и в полной мере получил свое развитие в творчестве Г. Менделя. Создание клеточной теории было важнейшим шагом на пути разработки научных воззрений на наследственность и изменчивость. Познание природы наследственности предполагало выяснение вопроса, что является универсальной единицей структурной организации растительного и животного миров. Следующий шаг на этом пути состоял в том, чтобы от общей идеи единства органического мира прийти к выводу, что такое единство должно иметь свое морфологическое выражение, проявляться в определенной структурной гомологии организмов. Важнейшее событие в генетике XIX в. -- формулирование Г. Менделем его знаменитых законов. Развивая идеи, содержащиеся в работах Сажрэ, Мендель рассматривал не наследуемость всех признаков организма сразу, а выделял наследуемость единичных, отдельных признаков, абстрагируя их от остальных, удачно применяя при этом вариационно-статистический метод, демонстрируя эвристическую мощь математического моделирования в биологии. Открытие Менделем закономерностей расщепления признаков показало, что возникающие у организмов рецессивные мутации не исчезают, а сохраняются в гетерозиготном состоянии.

44. Основные положения теории эволюции Ч. Дарвина

Чарльз Дарвине создании своей эволюционной теории опирался на колоссальный эмпирический материал, собранный как его предшественниками, так и им самим в ходе путешествий, прежде всего кругосветного путешествия на корабле. Именно анализ разновозрастной фауны Южной Америки и Галапагосских островов привел его к представлению об эволюции в пространстве и во времени, открытию принципа дивергенции (расхождения признаков у потомков общего предка), нацелил на выявление движущих факторов эволюции. Дарвин понимал, что непосредственно связывать наследственность, изменчивость и приспособляемость нельзя. Дарвин разграничивает два вида изменчивости -- определенная и неопределенная. Определенная изменчивость (в современной терминологии -- адаптивная модификация) - способность всех особей одного и того же вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (климат, пищу и др.). По современным представлениям, адаптивные модификации не наследуются и потому не могут поставлять материал для органической эволюции. (Дарвин допускал, что определенная изменчивость в некоторых исключительных случаях может такой материал поставлять.) Неопределенная изменчивость (в современной терминологии - мутация) предполагает существование изменений в организме, которые происходят в самых различных направлениях. Неопределенная изменчивость в отличие от определенной, носит наследственный характер, и незначительные отличия в первом поколении усиливаются в последующих. Неопределенная изменчивость тоже связана с изменениями окружающей среды, но уже не непосредственно, что характерно для адаптивных модификаций, а опосредованно. Дарвин подчеркивал, что решающую роль в эволюции играют именно неопределенные изменения. Второе посредствующее звено, отличающее теорию эволюции Дарвина состоит в представлении о естественном отборе как механизме, который позволяет выбраковывать ненужные формы и образовывать новые виды. Борьба за существование неизбежно приводит к гибели определенного числа особей в каждом поколении и выборочному участию особей в размножении. В результате размножаются наиболее приспособленные особи каждого вида, передающие из поколения в поколение новые свойства. Накопление новых свойств приводит к видообразованию и прогрессивной эволюции органического мира. Таким образом, естественный отбор -- творческая сила; он является движущим фактором эволюции, причиной ее протекания. Тезис о естественном отборе является ведущим принципом дарвиновской теории, который позволяет разграничить дарвинистские и недарвинистские трактовки эволюционного процесса. Таким образом, дарвиновская теории эволюции опирается на следующие принципы:

+ борьбы за существование;

+ наследственности и изменчивости;

+ естественного отбора.

45. Современное эволюционное учение. Микро и макроэволюция

Микроэволюция -- это совокупность эволюционных процессов, протекающих в популяциях и приводящих к образованию нового вида. Описание микроэволюции дается синтетической теорией эволюции. Объектом теории выступают, прежде всего, закономерности эволюции вида как генетически целостной и замкнутой системы, состоящей из популяций. (Целостность вида обеспечивается возможностью скрещивания и потоком генов между разными популяциями.) Макроэволюция -- эволюционные процессы, ведущие к образованию таксонов более высокого ранга, чем вид (род, семейство, отряд, класс и др.). Понимание отношений между микро- и макроэволюцией предполагает наличие четкого ответа на вопрос: можно ли свести закономерности макроэволюции к закономерностям микроэволюции. Иначе говоря, является ли синтетическая теория эволюции лишь теорией микроэволюции, или она одновременно объясняет и макроэволюцию. Понимание отношений между микро- и макроэволюцией предполагает наличие четкого ответа на вопрос: можно ли свести закономерности макроэволюции к закономерностям микроэволюции. Иначе говоря, является ли синтетическая теория эволюции лишь теорией микроэволюции, или она одновременно объясняет и макроэволюцию. Понимание отношений между микро- и макроэволюцией предполагает наличие четкого ответа на вопрос: можно ли свести закономерности макроэволюции к закономерностям микроэволюции. Иначе говоря, является ли синтетическая теория эволюции лишь теорией микроэволюции, или она одновременно объясняет и макроэволюцию. Необходимость в этом определяется еще рядом обстоятельств: Во-первых, синтетическая теория эволюции описывает эволюционный процесс лишь для высших животных и растительных организмов, характеризующихся половым размножением; Во-вторых, синтетическая теория эволюции сформировалась еще до возникновения молекулярной генетики, до революции в молекулярной биологии, которая позволила непосредственно раскрыть структуру гена и освоить способы прямого воздействия на него; В-третьих, эволюция -- безусловно многофакторный и многокомпонентный процесс, охватывающий множество связей и отношений органических форм. Познание такого множества связей -- задача длительного исторического периода развития биологии, в том числе и задача биологии XXI в. Таким образом, можно утверждать, что современная биология движется к новому (и, наверное, не последнему) синтезу теории эволюции и (уже молекулярной) генетики.

46. Основа учения В.И. Вернадского о биосфере

Вернадский рассматривал биосферу как особое геологическое тело, строение и функции которого определяются особенностями Земли (планеты Солнечной системы) и космоса. А живые организмы, популяции, виды и все живое вещество - это формы, уровни организации биосферы. Развивая учение о биосфере, Вернадский пришел к следующим выводам (биогеохимическим принципам): "Биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к максимальному своему проявлению". Вовлекая неорганическое вещество в "вихрь жизни", в биологический круговорот, жизнь способна со временем проникать в ранее недоступные ей области планеты и увеличивать свою геологическую активность. Этот биогеохимический принцип Вернадского утверждает высокую приспосабливаемость живого вещества, пластичность, изменчивость во времени. Вернадский связал учение о биосфере с деятельностью человека не только геологической, но и вообще с многообразными проявлениями бытия личности и жизни человеческого общества: "В сущности, человек, являясь частью биосферы, только по сравнению с наблюдаемыми на ней явлениями может судить о мироздании. Он висит в тонкой пленке биосферы и лишь мыслью проникает вверх и вниз". Вернадский рассматривал человеческую деятельность как геологический фактор, во многом определяющий дальнейшее развитие Земли. Для Вернадского человек был, прежде всего, носителем разума. Он верил, что разум будет господствовать на планете и преображать ее разумно, предусмотрительно, без ущерба природе и людям. Он верил в человека, в его добрую волю. А человеческий разум воспринимался Вернадским как космическое явление, естественная и закономерная часть природы. Природа создала разумное существо, постигая таким образом себя. Таким образом, появление в творчестве Вернадского идей о ноосфере - сфере разума вполне закономерно. При рассмотрении любого вопроса ученый оставлял существенное место разуму в глобалистическом его проявлении. В 1938 году Вернадский писал: "Мы присутствуем и жизненно участвуем в создании в биосфере нового геологического фактора, небывалого в ней по мощности... Закончен после многих сотен тысяч лет неуклонных стихийных стремлений охват всей поверхности биосферы единым социальным видом животного царства - человеком. Нет на Земле уголка, для него недоступного. Нет пределов возможному его размножению. Научной мыслью и государственно-организованной, ею направляемой техникой, своей жизнью человек создает в биосфере новую биогенную силу... Жизнь человечества, при всей ее разнородности, стала неделимой, единой. Событие, происшедшее в захолустном уголке любой точки любого континента или океана, отражается и имеет следствия - большие и малые - в ряде других мест, всюду на поверхности Земли. Телеграф, телефон, радио, аэропланы, аэростаты охватили весь земной шар. ...Создание ноосферы из биосферы есть природное явление, более глубокое и мощное в своей основе, чем человеческая история.

47. Превращение вещества и энергии в биосфере

Все живые организмы находятся во взаимосвязи с неживой природой и включаются в непрерывный круговорот веществ и энергии. В результате происходит биогенная миграция атомов. Необходимы для жизни химические элементы переходят из внешней среды в организм. При расписании органических веществ эти элементы опять возвращаются в окружающую среду. В результате круговорота веществ происходит непрерывное перемещение химических элементов из живых организмов в неживую природу и наоборот. Круговорот веществ состоит из двух противоположных процессов, связанных с аккумуляцией элементов в живых организмах и минерализацией в результате их расписания. Образование живого вещества преобладает на поверхности Земли, а минерализация -- в почве и морских глубинах. Одновременно с миграцией атомов происходит и превращение энергии. Единственным источником энергии на Земле является солнце. Часть теплая тратится на обогрев земли и испарение воды. И только 0,2% солнечной энергии накапливается в процессе фотосинтеза. Эта энергия превращается в энергию химических связей органических веществ, при расщеплении и окисает которых в процессе питания выделяется и опять тратится на процессы жизнедеятельности организмов: рост, движение, размножение, развитие. Этот процесс незамкнут, потому есть необходимость в постоянном поступлении солнечной энергии.

Следовательно, биосфера являет собой большую систему, которая состоит из разнородных компонентов, связанных между собой процессами превращения энергии и вещества. Миграция веществ замкнута в циклы, компонентами которых являются тела живой и неживой природы. Цикличность процессов обеспечивает непрерывное существование биосферы. В круговороте веществ принимают участие все живые организмы, поглощающие из внешней среды одни вещества и выделяющие в нее другие. Так, растения потребляют из внешней среды углекислый газ, воду и минеральные соли и выделяют в нее кислород. Животные вдыхают кислород, выделенный растениями, а поедая их, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют углекислый газ, воду и вещества непереваренной части пищи. При разложении бактериями и грибами отмерших растений и животных образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные, которые попадают в почву и снова усваиваются растениями. Таким образом, атомы основных химических элементов постоянно совершают миграцию из одного организма в другой, из почвы, атмосферы и гидросферы -- в живые организмы, а из них--в окружающую среду, пополняя таким образом неживое вещество биосферы. Эти процессы повторяются бесконечное число раз. Так, например, весь атмосферный кислород проходит через живое вещество за 2 тыс. лет, весь углекислый газ -- за 200--300 лет.

48. Эволюция человека. Видообразование гоминид. Причины появления гоминид

Общей предпосылкой возникновения человечества выступило длительное историческое развитие природы. Пьедесталом антропосоциогенеза явилось развитие органического (биологического) мира в его единстве с геологическими, географ., климатич., физико-химич., космичес. и другими неорганическими (абиотическими) системами. Становление человека происходило в последний период кайнозойской эры истории Земли, в конце эпохи неогена. Геологические процессы -- важная часть абиотической среды, изменения которой определяли развитие органических видов. Геологические предпосылки антропосоциогенеза включают в себя оледенения и потепления, усиленный вулканизм, сейсмические и тектонические процессы, повышение уровня радиоактивности (в результате землетрясений, горообразований, тектонических разломов коры и др.), изменение магнитного поля Земли (за последние 5 млн. лет магнитные полюсы Земли менялись 4 раза) и т.д. Географические предпосылки .включают в себя прежде всего изменения очертаний материков и морей. Так, еще в плейстоцене Британские острова соединялись с Европой, острова Малайского архипелага с Азиатским континентом, Азиатский континент с Американским и др. Это способствовало миграции животных, расселению их на Земле. В периоды оледенения резко изменялись фауна и флора: вымирали многие виды теплолюбивых животных и растений, а оставались те виды, которым удалось приспособиться к новым условиям за счет изменения образа жизни, характера питания, поведенческих реакций. Для эволюции животного мира имели большое значение и резкие колебания уровня Мирового океана. Один из крайне интересных вопросов антропологии: какая из ныне живущих человекообразных обезьян (шимпанзе, горилла, орангутан, гиббон) ближе к человеку. Основные пути перестройки телесной организации ископаемого предка в направлении очеловечивания -- прямохождение, развитие руки и мозга (так называемая гоминидная триада). Переход к прямохождению, смена древесного образа жизни на наземный -- одна из важнейших предпосылок формирования гоминид. Двуногая локомоция возникала неоднократно в разных линиях гоминид. Многие древесные формы обезьян часто в поисках пищи спускались на землю и проводили здесь часть времени (есть данные о том, что начальная адаптация к двуногому передвижению формировалась еще в верхнем миоцене 27--23 млн. лет назад). Некоторые виды обезьян (с относительно более короткими передними и более длинными задними конечностями) перемещались по земле в полувертикальном положении чаше других. Это освобождало их передние конечности, и они успешнее использовали камни и палки для самозащиты и охоты. Кроме того, поскольку перемещение на двух ногах было более медленным, чем брахиация, то понадобилась определенная компенсация -- развитая психика (способность быстрого ориентирования, координации тела, передних и задних конечностей), совершенствование стадных отношений. Значительные изменения климата, которые привели к сокращению тропических лесов и распространению пустынь, вызвали гибель многих видов древесных обезьян, не успевших приспособиться к новым условиям. Сложились предпосылки для интенсивного развития тех популяций приматов, которые освоили прямохождение, т.е. был сделан решающий шаг для перехода от обезьяны к человеку.

49. Экология и эволюция человека

Экология -- цикл научных отраслей, изучающих взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой. В этот цикл входят: общая экология, изучающая основные принципы строения и функционирования различных надорганизменных систем -- популяций, биоценозов, биогеоценозов и биосферы, частные экологии, изучающие конкретные биоценозы или биогеоценозы (например, экология млекопитающих, гидробиология, агроэкология и др.). Начиная со средины XX в. рост потребностей человека и его производственной активности привел к тому, что масштабы возможного воздействия человека на природу стали соизмеримыми с масштабами глобальных природных процессов. В результате труда человека создаются каналы и новые моря, исчезают болота и пустыни, перемещаются огромные массы ископаемых пород, синтезируются новые химические материалы. Преобразующая деятельность современного человека распространяется даже на дно океана и космическое пространство. Однако все возрастающее влияние человека на окружающую среду порождает сложные проблемы в его взаимоотношениях с природой. Неконтролируемая и непредсказуемая деятельность человека стала оказывать отрицательное воздействие на ход природных процессов, вызывать резко негативные необратимые изменения, как окружающей среды, так и биологической природы самого человека. Это касается буквально всей среды -- атмосферы, гидросферы, недр, плодородного слоя; гибнут животные и растения, разрушаются и исчезают биоценозы и биогеоценозы; растет заболеваемость людей. При этом неуклонно увеличивается численность населения земного шара. Вывод напрашивается сам собой: человечество неумолимо идет к экологической катастрофе -- истощению энергетических, минеральных и земельных ресурсов, гибели биосферы, а возможно, и самой человеческой цивилизации. Поэтому возникла необходимость защиты среды обитания человека от его же воздействия на нее. Научно-технологические разработки позволяют выделить следующие пути, методы, средства разрешения или по крайней мере смягчения экологического кризиса: создавать эффективные очистные сооружения, развивать безотходные (замкнутые) и малоотходные технологии