Современная естественно-научная картина мира

 

Естественно-научное миропонимание – система знаний о природе, образующаяся в сознании человека в процессе изучения естественно-научных дисциплин, и исследова-тельская деятельность по созданию этой системы. Понятие «картина мира» является одним из фундаментальных понятий философии и естествознания. Оно выражает общие научные представления об окружающей действительности в их целостности как единой системе.

В основе построения научной картины мира лежит принцип единства природы и принцип единства научного знания. В основе этого единства лежит всеобщая связь явлений – наиболее общая закономерность существования мира, реальным воплощением которой служит ее научное отражение в теориях и законах естественных наук, состоящих в тесном единстве и взаимосвязи.

Вклад естественных наук в систему знаний естественно-научной картины мира различен. В результате неравномерного развития отдельных отраслей знаний одна из них всегда выдвигается в качестве ведущей, стимулирующей развитие других. Такой ведущей научной дисциплиной является физика с ее совершенным теоретическим аппаратом, четкостью принципов, строгостью представлений и насыщенностью техническими средствами исследования. Эти обстоятельства сделали физику лидером современного естествознания; ее теории и методы проникли в химию, биологию, геологию и другие естественные науки, что придало всей научной картине мира существенную физическую направленность.

Интенсивное развитие биологии, сделанные в ее рамках революционные открытия дали повод некоторым ученым заявить о смене лидера современного естествознания. По их мнению, если раньше бесспорным лидером считалась физика, то теперь в таком качестве все больше выступает биология. Однако многочисленные противники такого взгляда вполне обоснованно заявляют, что поскольку организм состоит из тех же молекул, атомов, элементарных частиц, то по-прежнему лидером естествознания должна оставаться физика.

Вопрос о лидерстве в естествознании зависит от множества различных факторов, сре-ди которых решающую роль играют точность, разработанность и универсальность мето-дов ее исследования, возможность их применения в других науках. С этой точки зрения на данном этапе развития естествознания физике альтернативы нет. Несмотря на выдающие-ся достижения молекулярной биологии, теоретическая биология пока не создана. Поэтому исследования большей частью ведутся методом проб и ошибок и, кроме того, следует заметить, что многие открытия биологии сделаны физическими методами и в содружестве с физиками.

Структура научного познания практически не изменилась со времен Аристотеля, она включает учение о пространстве и времени, материи и движения. Слово «практически» подчеркивает то обстоятельство, что к указанным объектам познания часто присоединяют как самостоятельные сущности информацию и физический вакуум.

Пространство и время в современной картине мира. Первые научные представ-ления о пространстве и времени были выработаны уже в эпоху античности. Древнегречес-кие ученые понимали, что пространство и время связаны друг с другом через движение. Лукреций Кар считал, что вне движения или покоя тел время ощущаться не может, что самого по себе времени просто нет.

Пространство и время являются основными формами существования материи. В отличие от механических представлений, рассматривающих пространство как неподвиж-ное, независимое от материи вместилище, специальная теория относительности устанав-ливает неразрывную связь пространства и времени, а общая теория относительности установила зависимость этого единства от свойств движущейся материи.

В естествознании мысль о существовании зависимости между геометрическими свой-ствами пространства с характером происходящих в нем физических процессов связана с именем Н.Н. Лобачевского. Современная наука отвергает метафизическую трактовку про-странства, согласно которой как бы далеко ни углублялся наблюдатель в просторы Все-ленной или как бы ни проникал вглубь материи, в недра атомов и элементарных частиц, всюду пространственно-временные соотношения будут одинаковыми. С открытием рас-ширения Вселенной и обнаружением черных дыр пришло понимание, что во Вселенной имеются состояния материи, в которых пространственно-временные соотношения кар-динально отличаются от таковых в земных условиях.

Представления и понятия о пространстве и времени постоянно изменяются под влиянием достижений наук, особенно в настоящее время. Понятие пространства включает общее свойство бесконечного множества соответствующих тел определенным образом отграничивать друг друга и вместе с тем продолжать друг друга. Иными словами, свойст-вами пространства являются протяженность, единство прерывности и непрерывности.

Понятие времени отражает последовательность смены явлений и изменения состоя-ний материи. Универсальными свойствами времени являются длительность, неповторя-емость и необратимость. Чрезвычайно важной характеристикой времени является его однонаправленность. Время непрерывно течет только в одном направлении – от прошлого через настоящее в будущее.

Настоящее – это, в сущности, неуловимое мгновение, это грань между прошлым и будущим. «Время течет» – таково наше ощущение времени, и в этот поток длительности вовлечены все события. Проблема асимметричности времени современной физикой не решена.

В физике часто прибегают к понятию обратимости, обращения времени. Так, напри-мер, американский физик Р. Фейнман предложил оригинальную интерпретацию состоя-ний с отрицательной энергией в теории электронов Дирака, которая заключается в сле-дующем: «Состояния с отрицательной энергией рассматриваются как состояния, в кото-рых движение электронов носит попятный характер во времени,… так что попятно движущийся электрон подобен позитрону, движущемуся в обычном направлении». Подобное истолкование этой проблемы противоречит принципу причинности. Попытки рассматривать понятие обращения (инверсии) времени не как удобный математический прием, а как обратное течение времени, будто бы имеющее место в действительности, вызывает серьезные возражения многих ученых. Так, например, Л. Зельдович и И. Нови-ков считали принципиально неправильными «попытки связать направление времени только с теми или иными конкретными и сложными явлениями. Различие между прош-лым и будущим существует в любом процессе, в том числе и в системе, состоящей из двух частиц. В качестве возражения последнему утверждению обычно выдвигают обратимость законов – возможность замены «t» на «- t» в уравнениях. Однако для решения уравнений нужно, кроме уравнений, задать начальные условия. В теории, в которой рассматривается поле (для определенности электромагнитное), мы задаем условие излучения, которое несимметрично относительно прошлого и будущего».

Опыт человечества, положенный в основу обыденного знания о пространстве и времени, показал, что поток времени неизменен: его нельзя ни ускорить, ни замедлить, ни обратить назад. Он кажется независимым от событий и выступает как ни от чего не зависящая длительность. Так возникло представление об абсолютном времени, которое наряду с абсолютным пространством, где происходит движение тел, составляет основу классической физики. В физике абсолютной называется такая физическая величина, которая не зависит от системы отсчета, а относительной – такая, которая зависит от нее.

В классической ньютоновской механике пространство и время рассматриваются в отрыве друг от друга и от движения материальных тел. Ньютон считал, что тела и их дви-жение не оказывают никакого влияния на течение времени и на свойства пространства. Время, взятое само по себе, без отношения к какому-нибудь телу, протекает равномерно и единообразно во всей Вселенной. Поэтому можно использовать одни часы, чтобы устано-вить однозначную хронологию. Такая точка зрения на пространство и время ведет к приз-нанию принципа дальнодействия, мгновенной передачи взаимодействия между телами.

В действительности, конечно, реальное взаимодействие тел не может передаваться мгновенно. Это стало ясно после открытия Фарадеем физического поля – второго вида материи после вещества. В рамках электромагнитной картины мира было установлено, что поле является переносчиком взаимодействия и не может распространяться со скоростью, большей скорости света (принцип близкодействия).

Все точки пространства физически равноправны: пространство, как и время, однород-но. В отличие от времени пространство трехмерно, так что можно говорить о разных нап-равлениях в пространстве. Все направления в пространстве физически равноправны: пространство изотропно. С однородностью и изотропностью пространства и однородно-стью времени связаны фундаментальные законы сохранения импульса, момента импульса и энергии.

Специальная теория относительности отбросила взгляд классической механики на пространство и время как на абсолютные, не связанные друг с другом и установила относительный характер пространства и времени. Время уже нельзя рассматривать теперь вне пространства, вне конкретной системы отсчета. Указывая момент времени, необходи-мо также указать, где находятся часы, по которым отсчитывается время. Ход времени в разных системах отсчета различен. Для наблюдателя, находящегося в неподвижной сис-теме отсчета, часы в подвижной системе отсчета, движущиеся мимо него со скоростью, близкой к скорости света, будут идти медленнее. Является экспериментально установлен-ным фактом, что события, одновременные для наблюдателя в одной системе отсчета, не будут одновременными для наблюдателя в другой системе.

При скоростях движения тел, сравнимых со скоростью света, их размеры относи-тельно неподвижного наблюдателя сокращаются в направлении движения. Релятивист-ская теория установила, что изменение временных свойств процессов всегда связано с изменениями пространственных свойств.

В специальной теории относительности взаимосвязь пространства и времени отра-жается математическим понятием четырехмерного континуума, где роль четвертой коор-динаты играет время (пространство Минковского). Положение тела в четырехмерном пространстве (событие) определяется четырьмя величинами, образующими интервал (рас-стояние), остающийся неизменным (инвариантным) при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.

В теории относительности «реальный» предмет – это четырехмерный предмет, кото-рый никак не меняется. Его трехмерная проекция на пространство и его одномерная проекция на время могут изменяться, но четырехмерное тело в пространстве–времени остается неизменным.

Дальнейшее развитие понятия пространства и времени получили в общей теории относительности. Обобщением специальной теории относительности на неинерциальные системы отсчета, при условии равенства инертной и гравитационной масс, Эйнштейну удалось установить связь гравитации с искривлением пространства–времени. Введя функцию гравитационного поля в виде симметричного тензора , он отождествил эту величину с метрическим тензором римановой геометрии (в которой четырехмерный интервал имеет выражение ).

В результате Эйнштейн получил уравнения, определяющие метрику пространства  при наличии в нем распределения масс. Эти уравнения являются основными урав-нениями современной космологии. Из их решения следует, что пространство искривлено вблизи тяготеющих масс, а искривление пространства связано с темпом времени. Чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее течет время по сравнению с его течением вдали от тяготеющих масс, т.е. время зависит от свойств движущейся материи. Таким образом, концепция абсолютного времени как единого потока длительности, равномерно текущего независимо от наблюдателя, была современной наукой отвергнута.

Дальнейшие изменения в представлениях о времени и пространстве произошли в свя-зи с открытием черных дыр и теории расширяющейся Вселенной. Оказалось, что в сингу-лярности пространство и время перестают существовать в обычном смысле. В сингуляр-ности, где плотность вещества достигает величины порядка , классическая концепция пространства и времени, основанная на общей теории относительности, не применима. В сингулярности, когда радиус кривизны пространства и времени оказывается равным планковской длине , определяющими становятся квантовые эффекты.

С введением планковской длины связано квантование пространства–времени, сог-ласно которому значения координат принимают лишь значения, кратные фундамен-тальной длине . Квантование пространства ведет к квантованию времени . По этому поводу С. Хокинг писал: «Непрерывный поток времени состоит из ненаблю-даемого истинно дискретного процесса, подобно рассматриваемому издали непрерывному потоку песка в песочных часах, хотя этот поток состоит из дискретных песчинок – река времени дробится здесь на неделимые капли». Следует заметить, что последовательной квантовой теории тяготения, применимой и для сингулярных состояний, пока не существует. Поэтому проблема квантования пространства–времени находится на началь-ной стадии своего решения.

Вещество и поле. В XIX в. в рамках электромагнитной картины материя была пред-ставлена в двух видах – вещества и поля. Вещество состоит из атомов и молекул, поэтому оно дискретно. Поле, заполняющее все пространство, непрерывно и является переносчи-ком взаимодействия. Так как возбуждения поля не могут распространяться со скоростью, большей скорости света, следовательно, взаимодействие между телами распространяется с конечной скоростью. Это стало причиной замены принципа дальнодействия, положен-ного в основу механики Ньютона, на принцип близкодействия. В электромагнитной кар-тине мира рассматривались два вида поля – гравитационное и электромагнитное. При этом между веществом и полем существовала непреодолимая грань: вещество не могло переходить в поле, а поле – в вещество.

В классической физике возмущение поля распространяется в виде волн. Заметим, что представление о частицах и волнах основывалось на резком противопоставлении частиц и волн друг другу. Свойства волн и частиц рассматривались как противоположные. Волны резко отличаются от частиц по следующим признакам: частицы движутся по траекториям, а волны их не имеют; частицы локализованы в пространстве, а волны заполняют все пространство; частицы не могут огибать препятствия, а волны могут. В то же время клас-сическая физика установила, что волны переносят энергию и импульс так же, как и частицы. Отличительные особенности волн и частиц нашли отражение в математическом формализме их описания, законы движения частиц и полей качественно различны.

Классическая физика, внесшая огромный вклад в понимание закономерностей различ-ных видов движения материи, все же является теорией макропроцессов. Классическая механика и теория относительности совершенно не интересуются структурой вещества; они изучают движение бесструктурных физических тел, причем тел любых размеров – от гигантских космических тел до элементарных частиц – классическая теория приписывает качественно одинаковые законы движения.

Сформировавшиеся в рамках электромагнитной картины понятия поля и вещества получили дальнейшее развитие в современной научной картине мира, где содержание этих понятий существенно углубилось и обогатилось.

Было показано, что законы движения микрочастиц отличаются от законов движения макроскопических тел. Основной особенностью движения микрочастицы является ее корпускулярно-волновой характер. Принцип корпускулярно-волнового дуализма положен в основу современной квантовой физики. Следует подчеркнуть, что микрообъект не является ни корпускулой, ни волной, ни симбиозом корпускулы и волны. Корпускулярно-волновой дуализм следует понимать, как потенциальную способность микрообъекта проявлять различные свои свойства в зависимости от внешних условий и, в частности, от условий наблюдения. При этом, как писал В.А. Фок: «У атомных объектов в одних условиях выступают на передний план волновые свойства, а в других – корпускулярные; возможны и такие условия, когда те и другие свойства выступают одновременно».

Квантовая механика – это теория, описывающая свойства материи на уровне микро-явлений, она исследует законы движения микрообъектов. Корпускулярно-волновой дуа-лизм микрочастиц стал причиной вероятностной трактовки квантовомеханических прин-ципов описания поведения микрочастиц. Это означает, что предсказания в квантовой физике имеют вероятностный характер и, следовательно, физика микромира является принципиально статистической теорией.

К квантовой механике (нерелятивистской) тесно примыкает квантовая электродина-мика, которая является объединением требований квантовой теории и теории относитель-ности. Она с самого начала формулируется как теория многих тел, в частности, в ней от-ражается возможность процессов рождения и поглощения частиц. В новой теории произ-водится дальнейшее обобщение понятия волновой функции. Прежние волновые функции становятся теперь операторами в пространстве чисел заполнения (представление вторич-ного квантования). Эти операторы удовлетворяют некоторым перестановочным соотно-шениям, они называются квантовыми полями. Итак, в квантовой теории понятия части-цы и поля сливаются в единое понятие квантового поля, отражающее возможность
рождения и поглощения частиц. Примером может служить возможность образования электрон-позитронных пар в электромагнитном поле и превращение их в -кванты элек-тромагнитного поля (уничтожение электрон-позитронных пар называется аннигиляцией).

Квантовая электродинамика позволила получить ряд существенных выводов о свой-ствах вещества и поля. Она установила связь между спином и статистикой элементарных частиц (статистика Ферми–Дирака и Бозе–Эйнштейна), привела к важнейшему выводу о взаимопревращаемости вещества и излучения друг в друга. За все многообразие окру-жающего нас мира ответственны два класса элементарных частиц. Вещество состоит из элементарных частиц с полуцелым спином – фермионов, а взаимодействие между ними осуществляется частицами с целым или нулевым значением спина – бозонами, которые являются квантами возбуждения соответствующих полей. Например, взаимодействие заряженных частиц происходит в результате обмена фотоном.

Фундаментальным понятием квантовой электродинамики, позволившим дать объяс-нение многим непонятным до этого явлениям (спонтанный переход с возбужденного сос-тояния атома в основное, лэмбовский сдвиг энергетических состояний атома, аномальный магнитный момент электрона и т.п.), является физический вакуум – особое состояние материи.

Вакуум представляет собой состояние с наименьшей энергией. В состоянии вакуума электромагнитного поля отсутствуют фотоны, поэтому его называют фотонным вакуу-мом. Понятие вакуума, введенное в начале для электромагнитного поля, было распростра-нено и для других типов полей. В общем случае следует говорить о физическом вакууме. Из определения физического вакуума как наинизшего энергетического состояния поля с нулевым числом частиц следует, что напряженности полей не могут быть равными нулю в силу соотношения неопределенностей Гейзенберга. Поэтому, согласно квантовой теории поля, невозможна абсолютная пустота, то есть состояния, в котором нет ни поля, ни час-тиц. Энергия физического вакуума равна нулю только в среднем. Флуктуации энергии относительно среднего значения являются причиной возникновения виртуальных частиц и античастиц. При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужден-ные состояния полей – тогда будут наблюдаться обычные (невиртуальные) частицы.

В современной картине мира основным материальным объектом является квантовое поле, переход которого из одного состояния в другое меняет число частиц. Здесь уже нет непреодолимой преграды между веществом и полем. На уровне элементарных частиц постоянно происходит взаимопревращение поля и вещества.

В квантовой теории поля рассматриваются четыре вида взаимодействия – гравитаци-онное, слабое, электромагнитное, сильное. При этом электромагнитное и слабое взаимо-действия удалось объединить в единое электрослабое взаимодействие. Возбуждения четы-рех основных силовых полей интерпретируются на корпускулярном языке как фундамен-тальные бозоны, всего этих бозонов тринадцать. Вещество образуют молекулы, атомы, лептоны и барионы. В конечном счете, оно состоит из фундаментальных фермионов – шести лептонов и шести кварков (кварк-лептонная симметрия).

Каждому фундаментальному взаимодействию соответствует своя бозонная частица, переносящая это взаимодействие. Для гравитационного взаимодействия – это гравитоны, для электромагнитных взаимодействий – фотоны, сильное взаимодействие обеспечива-ется глюонами, слабое – тремя векторными бозонами . Эти четыре типа взаимо-действий лежат в основе всех других известных форм движения материи. Они отвечают за иерархию структурных уровней материи. Слабое взаимодействие отвечает за взаимопрев-ращаемость элементарных частиц, сильное взаимодействие – за структуру ядра, электро-магнитное – за строение атомов, молекул и макроскопических тел, а гравитационное взаи-модействие – за структуру и строение звезд, галактик и всей Вселенной.

Современное естествознание кардинально перестроило наши представления о науч-ной картине мира. Возникновение системного подхода позволило по-новому взглянуть на окружающий нас мир как на единое, целостное образование, состоящее из множества вза-имодействующих друг с другом систем. В 70-х годах ХХ в. возникла синергетика, новое междисциплинарное научное направление, предметом изучения которой являются про-цессы самоорганизации в открытых неравновесных системах. В рамках синергетики удалось раскрыть внутренние механизмы эволюционных процессов, которые происходят в природе, и представить весь мир как глобальную систему самоорганизующихся процес-сов. При этом чем сложнее система, тем более высокий уровень имеют в ней процессы самоорганизации.

Синергетический подход ориентируется на исследование процессов эволюции сис-тем. Он изучает процессы возникновения и формирования новых упорядоченных систем в результате самоорганизации.

Синергетика установила роль динамических и статистических закономерностей в процессе развития системы из хаоса к порядку. Вначале самоорганизация относилась только к живым организмам, что же касается объектов неживой природы, то считалось, что она может эволюционировать только в одном направлении от порядка к хаосу. При таком подходе возникала неразрешимая проблема – как из неживой природы могли возникнуть объекты живой природы, способные к самоорганизации. Развитие неравно-весной термодинамики привело к пониманию ограниченности идеализации замкнутых систем. Подавляющее большинство природных систем являются открытыми системами, обменивающимися энергией, веществом и информацией с окружающей средой. Опреде-ляющую роль в процессе самоорганизации приобретают открытые неравновесные систе-мы. Вдали от равновесия открытая система теряет свою устойчивость, возникает новый тип динамического состояния, названный диссипативными структурами. К таковым отно-сятся: ячейки Бенара, «химические часы», лазерное излучение и т.п.

В настоящее время учеными предпринимаются попытки сформулировать новые общие теории, которые бы адекватно представляли современные взгляды на природу, а также взаимоотношения общества и природы. Многие ученые связывают дальнейшее развитие естествознания с эволюционно-синергетической парадигмой. Принцип эволю-ции был сформулирован в рамках биологической науки и стал фундаментальным со времен Ч. Дарвина. Согласно эволюционной теории в мире происходит непрерывное появление все более сложно организованных живых организмов и упорядоченных систем.

Важнейшей характеристикой таких самоорганизующихся процессов является их направленность, которую можно обозначить как принцип экономии энтропии, дающий «преимущество» сложным системам по сравнению с простыми. Согласно этому принципу, если в данных условиях возможны несколько типов организации материи, не противоречащих законам сохранения и другим фундаментальным принципам, то реализуется и приобретет устойчивое развитие тот, который использует внешнюю энергию наиболее эффективно.

Формирование самоорганизующихся систем можно рассматривать в качестве особой стадии ее эволюции. Сама же эволюция может быть представлена как каскад бифуркаций, вследствие чего осуществляется переход системы от одного типа самоорганизации к дру-гому. Эволюционные идеи, которые первоначально были сформулированы в биологии, нашли подтверждение в других естественных науках: в физике, космологии, химии, гео-логии и в других дисциплинах. Обобщение эволюционных знаний, полученных в различ-ных областях естествознания, стали фундаментом современной концепции глобального эволюционизма.

Принципы глобального (универсального) эволюционизма позволяют с единых пози-ций описать огромное разнообразие процессов, протекающих в неживой природе, живом веществе, обществе. Целью этой парадигмы является создание естественно-научной модели функционирования Вселенной, выявление общих законов природного процесса, связывающего в единое целое космогенез, геогенез, биогенез. Идеи глобального эволю-ционизма, объединенные с фундаментальными принципами теории самоорганизации (си-нергетики), выступают в качестве основы формирования современной научной картины мира.

11

Выводы

 

1. Биология – это совокупность наук о живой природе и многообразии живых орга-низмов. Современная биология развивается в трех основных направлениях, которые обра-зуют традиционная (натуралистическая) биология, физико-химическая и эволюционная.

Традиционная биология имеет объектом изучения живую природу в ее естествен-
ном состоянии. Она возникла в древней Греции как описательная (феноменологическая) наука о многообразных формах, видах и взаимосвязях живого мира. Основной целью натуралистической биологии является систематизация и классификация животного и растительного мира. Натуралистическая биология не утратила своего значения и в наши дни. По-прежнему актуальным является изучение флоры и фауны нашей планеты, открываются и описываются новые виды.

2. Физико-химическая биология возникла в результате широкого использования физических и химических методов исследования биологических систем. Наибольшее распространение получили методы рентгеноструктурного анализа, электронной микроско-пии и метод меченых атомов. В последние годы стали применяться хромотографические методы, спектральные методы, ЯМР-томография, компьютерная томография и другие.

Внедрение в биологию идей и методов современной химии привело к созданию новой науки – биохимии, изучающей структуру и свойства биомакромолекул одновременно с их метаболизмом в живых клетках и органах.

Важным разделом биологии является биофизика. Целью этой науки является объяс-нение биологических явлений с точки зрения законов физики. Биофизическими методами были объяснены механизмы мышечного сокращения, проведения нервного импульса, про-цесссов фотосинтеза и ферментативного катализа. Объединение молекулярной биологии с биохимией и биофизикой образует физико-химическую биологию.

3. Эволюционная биология – это учение об историческом развитии живой природы. Эволюционная парадигма в биологии возникла благодаря трудам Ж.Б. Ламарка. Согласно Ламарку, изменение организмов происходит под влиянием окружающей среды, а приоб-ретенные признаки передавались по наследству. Несмотря на ошибочность воззрений Ламарка, его эволюционная теория была первой, в которой был поставлен вопрос о движущих силах эволюции.

В учениях предшественников Дарвина оставались нерешенными три основные про-блемы: 1) Как объяснить многообразие видов? 2) Как объяснить приспособленность орга-низмов к условиям окружающей среды? 3) Почему в процессе эволюции происходит усложнение организации живых существ? Все эти проблемы были разрешены в эволюци-онной теории Ч. Дарвина. Согласно его учению, эволюция живых организмов осуществ-ляется в результате взаимодействия трех основных факторов: изменчивости, наследствен-ности и естественного отбора.

4. Основу жизни представляют биополимеры – длинные молекулы белков и нуклеи-новых кислот. Белки – это цепочки из многих аминокислот, соединенных пептидными связями. В строении молекул белков различают четыре уровня организации. Первичная структура – это аминокислотный состав белка и тот порядок, в котором аминокислоты в полипептидной цепи следуют друг за другом. Способ пространственной упаковки полипептидных цепей в -спираль или в -структуру называется вторичной структурой белка. В результате свертывания молекул белка в клубок образуется третичная структура.

Белки во всех живых организмах выполняют исключительно важные функции: строительную – клетки, ткани и органы состоят из белков; являются биокатализаторами, гормонами, защитными веществами; гемоглобин переносит кислород и др.

5. ДНК – носитель генетической информации, ее отдельные участки соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, соеди-ненных друг с другом водородными связями и закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи построены из большого числа мономеров четырех типов – нуклеотидов, специфич-ность которых определяется последовательностью расположения азотистых оснований
(аденина – А, гуанина – Г, тимина – Т и цитозина – Ц). Против азотистого основания А в одной цепи лежит азотистое основание Т в другой цепи, а против азотистого основания Г всегда расположено азотистое основание Ц. Пары оснований А – Т и Г – Ц, равно как и
Т – А, Ц – Г, называются комплементарными. ДНК находится в ядре клетки.

6. Совокупность накопленной в генах особи наследственной информации называется генотипом. Генотип определяет фенотип, т.е. совокупность всех внутренних и внешних признаков организма. Центральная догма современной биологии выражается формулой: ДНК–мРНК–белки. Синтез РНК осуществляется на ДНК-матрице. В этом заключается содержание транскрипции, результатом которой является матричная РНК. В ДНК заклю-чен генетический код. Совокупность трех рядом стоящих нуклеотидов в цепи ДНК назы-вается кодоном, который кодирует одну аминокислоту. Генетический код один и тот же для всех организмов.

7. Синтез белка осуществляется в рибосомах и представляет собой многоэтапный процесс, в котором кроме мРНК принимают участие транспортные РНК и ферменты. ДНК способна к самоудвоению по принципу комплементарности, а РНК таким свойством не обладает.

Рекомбинация (перестройка) ДНК позволяет манипулировать генетическим аппара-том организма и лежит в основе генной инженерии.

8. Элементарной структурной единицей живого организма является клетка. Клетки всех живых организмов сходны по своему строению и функционированию. Клетки бывают половыми, служащие для размножения, и соматическими, из которых состоят ткани и органы организма. В каждой клетке (эукариоте) различают две основные части: ядро и цитоплазму, в которой находятся органоиды и включения. Важнейшее свойство клеток – это их способность к делению.

Деление клеток обеспечивает размножение и рост организмов. Способы деления: мейоз (образование половых клеток) и митоз (образование соматических клеток).

9. Современная концепция возникновения жизни на Земле основана на гипотезе Опарина. Согласно этой гипотезе жизнь возникла из неживой материи (абиогенез) в результате длительной эволюции. Многочисленные данные свидетельствуют, что жизнь могла возникнуть только в водной среде или на стыке моря, суши и воздуха. На ранней Земле возникли благоприятные условия для образования сложных органических соединений, что получило экспериментальное подтверждение в работах Миллера и Фокса. В концентрированных растворах биомакромолекул могли образоваться коацерватные капли, способные к росту, делению и обмену веществ. Постепенное усложнение пробион-тов привело к возникновению живых организмов.

10. Современная теория эволюции живых организмов – это соединение эволюцион-ной теории Дарвина с генетикой. Генетика является теоретической основой эволюции и в первую очередь микроэволюции.

Микроэволюция начинается на молекулярно-генетическом уровне и завершается образованием новых видов. Эволюционным материалом в популяции являются мутации. Тогда при действии эволюционных факторов, т.е. мутационного процесса, популя-ционных волн, изоляции и естественного отбора, на популяцию наблюдается элемен-тарное эволюционное явление.

1

Контрольные вопросы

 

1. Сформулируйте основные положения эволюционной теории Ч. Дарвина.

2. Какую роль сыграла эволюционная теория в развитии биологии?

3. Какие структурные уровни организации живой материи Вы знаете?

4. Что послужило причиной возникновения физико-химической биологии?

5. Какие функции выполняют белки в живых организмах?

6. Объясните структуру и механизм образования полипептидных цепей.

7. Чем отличается молекулярная структура ДНК от РНК?

8. Какие функции выполняет вода в живых организмах?

9. Перечислите основные гипотезы происхождения жизни на Земле и приведите их краткое содержание.

10. Расшифруйте формулу центральной догмы биологии и объясните ее содержание:

.

11. Что представляет собой генетический код?

12. Как протекает синтез белка в рибосомах?

13. Что представляют собой рекомбинантные ДНК и какую роль они играют в генной инженерии?

14. Какие принципы положены в основу современной теории эволюции?

15. Охарактеризуйте функциональную структуру биогеоценоза. Что означает указан-ный порядок следования ?

16. Раскройте основные черты концепции перехода биосферы в ноосферу.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Греческий алфавит

 

 

Альфа                                            Ню