Тема 1: «естествознание как система наук о природе»

Тема 1: «Естествознание как система наук о природе»

План:

1. Содержание понятия естествознание. Его цели.

2. Природа как единый объект исследования естествознания.

3. Математика – универсальный язык точного естествознания.

4. Тенденции развития современного естествознания.

5. Составные части современного естественного естествознания.

6. Естественнонаучная и гуманитарная культуры.

Содержание понятия естествознание

Вначале определимся, что означает понятие «концепция». Это слово имеет латинское происхождение (conception—понимание., система) и означает определённый способ понимания, трактовки какого-либо предмета, явления, процесса, руководящая идея для их систематического освещения.

Значение слова «современный» итак всем понятно. Осталось только определиться с понятием «естествознание». Существуют два широко распространённых определения этого понятия:

1). Естествознание – это наука о Природе, как единой целостности.

2). Естествознание – это совокупность наук о Природе, рассматриваемых как единое целое.

 

На первый взгляд эти два определения различны. Действительно, в первом из них говорится всего лишь об одной науке о Природе, тогда как второе определение говорит о естествознании, как о множестве наук, изучающих Природу. На самом деле между этими двумя определениями большого различия нет, ибо под «совокупностью наук» подразумевается не просто сумма разрозненных наук, а единый комплекс тесно связанных естественных наук, дополняющих друг друга. Это одна наука.

Отличием естествознания как науки от специальных естественных наук является то, что оно исследует одни и те же явления сразу с позиций нескольких наук, «выискивая» наиболее общие закономерности и тенденции, рассматривая Природу как бы сверху. При изучении отдельных естественных предметов в средней школе, вы, вероятно, заметили, что каждый предмет - физика, химия, биология или география имеет свои особенности. Естествознание, признавая специфику входящих в него наук, в то же время имеет своей главной целью исследование Природы как единого целого.

 

Цели естествознания.

Изучая отдельные естественные науки невозможно познать Природу как единое целое. Допустим, вы хорошо знаете и представляете работу отдельных органов человека, но вы, вероятно, не всегда знаете те законы, которым подчиняется работа этих органов.

Поэтому изучение предметов по отдельности - физики, химии, биологии, является лишь первой ступенькой к познанию Природы со всей её целостностью, т.е. познанию её законов с общей естественнонаучной позиции.

Отсюда вытекают и цели естествознания, которые представляют собой двойную задачу:

1. Выявление скрытых связей, создающих органическое единство всех физических, биологических и химических явлений.

2. Более глубокое и точное познание самих этих явлений.

Это программа, продиктованная реальным ходом познания Природы.

Тема 3: «Научный метод познания»

План:

1. Наука, её цели. Уровни научного познания.

2. Основные формы научного знания. Общая направленность научного исследования.

3. Понятие метода научного познания.

4. Классификация методов научного познания.

5. Научные революции.

Научные революции

Определим общезначимый смысл понятия «научная революция». Слово «революция» означает, как известно, переворот, следовательно, предположим, что научная революция — это радикальное изменение всех элементов науки: фактов, закономерностей, теорий, методов, научной картины мира.

Но факты ведь изменить нельзя. А что можно изменить? Их интерпретацию или объяснение. Например, наблюдаемый факт движения Солнца по небосклону поддаётся нескольким интерпретациям, в т. ч. и гелиоцентрической. Введём понятие: научная картина мира — целостная система представлений об общих принципах и законах устройства мироздания, следовательно научная революция — это радикальное изменение естественнонаучной картины мира.

В истории развития естествознания выделяют три глобальных научных революции. Персонифицируя по именам учёных, сыгравших в них наиболее заметную роль, три глобальные научные революции должны именоваться: аристотелевской, ньютоновской и эйнштейновской.

Опишем вкратце суть изменений, заслуживших право именоваться научными революциями.

В VI-IV вв до н.э. произошла первая революция в познании мира, в результате которой и появилась на свет наука. Науку стали отличать от других форм познания. Аристотель задал нормы научности знания, образцы объяснения, описания и обоснования в науке. Важнейшим фрагментом античной картины мира стало последовательное геоцентрическое учение о мировых сферах.

Вторая глобальная научная революция пришлась на XVI-XVIII вв. Её исходным пунктом считается переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической. Суть происшедших в эту эпоху перемен в науке можно определить формулой: становление классического естествознания. Классики-первопроходцы этого периода времени признаны Н. Коперник, Г. Галилей, И. Кеплер, Р. Декарт, И. Ньютон. Классическое естествознание в отличие от античного заговорило языком математики, стало опираться на методы экспериментального исследования. Доминантой классического естествознания стала механика. Итогом второй научной революции стала механистическая научная картина мира. В этом русле наука развивалась практически до конца 19в.

Третья научная революция — «Потрясение основ» произошла на рубеже XIX-XX вв. В это время последовала целая серия блестящих открытий в физике: сложной структуры атома, явления радиоактивности, дискретного характера электромагнитного излучения, что нанесло удар убеждённости в том, что с помощью простых сил, действующих между неизменными объектами, можно описать все явления природы. Наиболее значимыми теориями, изменившими научное знание, стали специальная и общая теория относительности и квантовая механика.

Теорию относительности можно квалифицировать как новую общую теорию пространства, времени и тяготения. Квантовая механика обнаружила вероятностный характер микромира и неустранимый корпускулярно-волновой дуализм в фундаменте материи.

Эйнштейновский переворот означал принципиальный отказ от всякого центризма вообще. Привилегированных, выделенных систем отсчёта в мире нет, они все равноправны. Любое утверждение имеет смысл только будучи соотнесенным с какой-либо конкретной системой отсчёта. Это означает, что вся научная картина мира в целом относительны.

Между аристотелевской и ньютоновкой революциями лежит исторический период в 2000 лет. Эйнштейна от Ньютона отделяют чуть более 200. Не прошло и 100 лет, как у учёных возникло ощущение близости новой глобальной научной революции. Экстраполируя эту тенденцию ускорения развития науки можно ожидать некоторого учащения в ней революционных событий.

Однако научные революции учёный мир не пугают, но напротив, предполагают преемственность в развитии научного знания.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определения понятиям «наука», «познание», «знание»?

2. Назовите критерии различения теоретического и эмпирического уровней научного познания. Какую роль играет каждый из этих уровней в научном познании?

3. Проследите общую направленность научного исследования по основным формам научного знания.

4. Дайте понятие метода научного познания.

5. По каким разделительным признакам можно классифицировать методы научного познания?

6. Что такое «научная революция»? Какие научные революции вам известны?

7. Опишите содержание естественно-научной революции конца XIX — начала XX вв.

 

План

1. Элементы общей теории систем.

2. Материя. Три уровня строения материи.

3. Механистическая картина мира

4. Электромагнитная картина мира

Таблица 1

Характеристики элементарных частиц
Масса покоя	1. не имеющие массы покоя – фотоны; 2. лёгкие частицы – лептоны (электрон и нейтрино); 3. средние частицы – мезоны (1 mэл <mчаст < 1000 mэл) 4. тяжёлые частицы – барионы (mчаст > 1000 mэл)
Электрический заряд	1. с положительным зарядом; 2. с отрицательным зарядом; 3. с нулевым зарядом. Почти каждой частице соответствует античастица с противоположным зарядом
Время жизни	1. стабильные (всего пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон); 2. нестабильные (t жизни ≈ 10^-10 – 10^-24 сек.)
Спин (S) – собственный момент количества движения	1. с целым спином: S = 0, 1, 2. Создают силы и взаимодействия, действующие между частицами вещества (фотоны, мезоны) 2. с полуцелым спином: S = 1/2. Из них состоит любое вещество во Вселенной (нейтроны, протоны, лептоны, барионы)

 

Итак, согласно принципу запрета Паули, если частицы вещества имеют очень близкие значения координат, то их скорости должны быть разными, и, следовательно, они не смогут долго находиться в точке с этими координатами. Если бы в сотворении мира не учитывался принцип Паули, кварки не могли бы объединится в единые чётко определённые частицы – нейтроны и протоны, а те в свою очередь, не смогли бы вместе с электронами образовать отдельные, чётко определённые атомы. Без принципа Паули все эти частицы сколлапсировали бы и превратились в более или менее однородное желе.

Введём понятие взаимодействия. Взаимодействие – это развёртывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путём обмена материей и движением.

У элементарных частиц процесс взаимодействия происходит следующим образом. Частица вещества (например, электрон) испускает частицу-переносчика взаимодействия (например, фотон). В результате отдачи скорость частицы вещества (электрона) меняется. Затем частица-переносчик «налетает» на другую частицу вещества и поглощается ею. Это соударение изменяет скорость второй частицы, как будто между этими двумя частицами вещества действует сила.

Частицы-переносчики, которыми обмениваются частицы вещества, называются виртуальными, потому что в отличие от «реальных» их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора частиц. Однако они существуют, потому что они создают эффекты, которые поддаются измерению.

Частицы-переносчики можно классифицировать на четыре типа в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия (табл.2).

Необходимо отметить, что удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц пока нет. Многие учёные считают, что такую теорию можно создать только при учёте космологических обстоятельств (т.е. обстоятельств возникновения Вселенной).

Большинство физиков верят в создание полной теории объединения, в которой все четыре силы оказались бы разновидностью одной.

Таблица 2

Тип взаимодействия	Характеристика взаимодействия	Особенности взаимодействия	Частица-переносчик
Сильное ядерное	Удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра	Действует на расстоянии порядка 10^–13см	Глюон (от англ. glue – клей) – частица с S = 1 и нулевой массой покоя.
Электромагнитное	Свойственно электрически заряженным частицам: одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноимённые – притягиваются	В тысячу раз слабее сильного ядерного взаимодействия, но значительно более дальнодействующее	Фотоны (от греч. Phōtos – свет) – частица с S = ± 1, электрически нейтральна, с нулевой массой покоя.
Слабое ядерное	Отвечает за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества с S = ½	Действует на расстоянии порядка 10^–15 – 10^–22см. Гораздо слабее сильного и электромагнитного взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного	Тяжёлые векторные бозоны W^-+, W^-, Z^0 – частицы c S = 1 и большой массой покоя.
Гравитацион-ное	Гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда является силами притяжения	Самое слабое взаимодействие, не учитываемое в микромире.	Гравитон – частица с S = 2 и нулевой массой покоя и нулевым зарядом. Экспериментально пока не обнаружен.

Выводы:

1. Научные открытия конца XIX – начала XX веков в области физики опровергли представления классического естествознания об атомах, как о последних неделимых единицах вещества;

2. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств;

3. В микромире корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как в макромире. Обе картины законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными;

4. Под взаимодействием понимается развёртывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путём обмена материей и движением;

5. Взаимодействие между частицами вещества осуществляется посредством виртуальных частиц;

6. Существуют четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное ядерное.

 

Контрольные вопросы:

1. Приведите примеры фундаментальных научных открытий в области физики, которые опровергли представление об атомах, как последних неделимых единицах вещества?

2. Что означает понятие «квант»? Расскажите об основных этапах развития представлений о квантах.

3. Что означает понятие «корпускулярно-волновой дуализм»?

4. Какое значение имеет принцип дополнительности Н.Бора в описании физической реальности микромира?

5. Какова структура атома с точки зрения современной физики?

6. Какое содержание вкладывается в понятие «элементарная частица»? Дайте характеристику свойствам элементарных частиц.

7. Какой из видов взаимодействий имеет для нашего существования первостепенное значение?

 

 

План.

1. Звёздная форма существования космической материи.

2. Планеты Солнечной системы.

3. Галактики, виды галактик.

4. Современные космологические модели Вселенной.

Астрофизика – это раздел астрономии, изучающий физические свойства небесных тел и протекающие в них ив космическом пространстве процессы. Основным методом исследования астрофизики стал спектральный анализ. Анализ спектра излучения удалённых космических объектов дал возможность определить их плотность, температуру, химический состав, наличие или отсутствие магнитного поля.

Космология – это раздел астрономии, учение о Вселенной как о едином целом и о всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) как части целого.

Среди структурных уровней организации материи в астрономии обычно выделяют: планеты, звёзды, галактики, метагалактику (см. тему 4).

Планеты Солнечной системы.

Мы живём на планете Земля и вместе с ней путешествуем по орбите вокруг звезды по имени Солнце. Вокруг Солнца вращается 9 крупных небесных тел светящихся отражённым солнечным светом. Такие тела мы будем назвать планетами. Ближе всех к Солнцу располагается Меркурий. Он невелик (0,054 m_з). Следом идёт Венера, по размерам почти повторяющая свою соседку Землю (0,815 m_з). Земля находится в среднем на расстоянии 149,6 млн. км от Солнца. Эта величина называется астрономической единицей (а.е.). После Земли расположен Марс (0,108 m_з). А вот что за Марсом — надо сказать особо. Потому что на месте, где полагается находиться следующей планете, никакой планеты нет. Вместо неё там находится Пояс астероидов. Астероид — это небольшой каменный объект, болтающийся в космосе. Иногда он бывает из железа. А Пояс астероидов — это множество валунов, разбросанных по одной орбите. Может быть, все они и есть обломки планеты, место которой занимают. Развалилась ли планета по собственной инициативе, или ей помогли, до сих пор неизвестно.

Следом за поясом помещается огромный Юпитер (317,83 m_з), потом Сатурн в шляпе, то есть с кольцом (95,15 m_з). После него не различимый простым глазом Уран (14,54 m_з), далее Нептун (17,23 m_з) и наконец маленький Плутон (0,017 m_з).

Планеты обычно разделяют на две группы: внутренние — Меркурий, Венера, Земля и Марс — твёрдые и не особо большие; и внешние — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун — огромные газовые шары. Плутон по своим физическим свойствам можно отнести к внутренней группе, а по удалённости от Солнца — к внешней.

Движение планет вокруг Солнца описывается законами Кеплера. Эти законы математически выводятся из закона всемирного тяготения, хотя были сформулированы на основе наблюдений за движениями планет задолго до его открытия.

Первый закон Кеплера: Орбита каждой планеты есть эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Второй закон Кеплера: Радиус вектор планет за равные промежутки времени описывает равные площади.

Третий закон Кеплера: Квадраты периодов обращения двух планет относятся как кубы больших полуосей их орбит.

Плоскости эллиптических орбит всех планет лежат почти в одной плоскости (плоскости эклиптики). Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении — против часовой стрелки. Все планеты и Солнце вращаются в одном направлении вокруг своих осей. Расстояния планет до Солнца составляют некоторую прогрессию, определяемую правилом Тициуса – Боде (см. табл.3). Именно этот факт послужил стимулом для поиска новых планет.

 

Таблица 3

Планета	Расстояние до Солнца в а.е.
Меркурий	0,4
Венера	0,7
Земля
Марс	1,6
Пояс астероидов	2,8
Юпитер	5,2
Сатурн	10,0
Уран	19,6
Нептун	38,8
Плутон	77,2

Итак, в состав Солнечной системы входит Солнце, 9 больших планет вместе с 44 спутниками, более 100000 астероидов (малых планет), порядка 10¹¹ комет, а также бесчисленное множество метеорных тел. Закономерности движения планет в сочетании с делением их на две группы по физическим свойствам указывают на единое происхождение системы в целом.

Галактики, виды галактик

Звёздная система, в которую входит Солнечная система, называется Галактикой (от греч. млечный, молоко), отсюда её русифицированное название — Млечный Путь.

В общем случае, галактика — гравитационно связанная совокупность звёзд и межзвёздного вещества.

Межзвёздное вещество образуют межзвездный газ и пыль. Галактики бывают разной формы: эллиптические, спиралевидные и неправильные. Наша галактика имеет спиралевидную форму. Образовалась она примерно 10 – 13 млрд. лет назад, в её состав входит около 200 млрд. звёзд, суммарная масса всех звёзд ≈ 10¹¹ m_с. Лучшее время для наблюдения Млечного Пути в средних широтах северного полушария Земли — безлунные ночи июля, августа, сентября.

Видимый образ нашей Галактики — плоский диск (две перевёрнутые и сложенные краями тарелки), радиус которого приблизительно в 10 раз превышает его толщину. Диаметр Галактики примерно равен 85 000 св. лет или 8×10¹⁷ км, Солнце расположено в ней на расстоянии 25 000 св. лет, между двумя рукавами.

Ближайшие к нам галактики — спутники Млечного Пути — Большое и Малое Магеллановы облака. Магеллановы облака видны в южном полушарии, они имеют неправильную форму. Самой удалённой галактикой, видимой невооружённым глазом является галактика Андромеды, имеющая спиралевидную форму. Многие из галактик входят в состав галактических скоплений, а те в свою очередь, в состав сверхскоплений. Астрономы установили, что сверхскопления отделены друг от друга гигантскими пустыми пространствами. Внутри сверхскоплений есть пустоты размерами в миллионы световых лет, не содержащие галактик. Сверхскопления складываются в нити и ленты, придавая Вселенной в самом грандиозном масштабе губчатую структуру.

План.

1. Пространство и время как всеобщие формы бытия материи.

2. Пространство и время в свете теории относительности А. Эйнштейна.

3. Свойства пространства и времени и связанные с ними симметрии. Теорема Э. Нетер.

А. Эйнштейна

Развивая релятивистскую концепцию Г.В. Лейбница в 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879 – 1955 гг.) предложил совершенно новую теорию пространства и времени – так называемую специальную теорию относительности (СТО). СТО выявила зависимость пространственных и временных характеристик объектов от скорости их движения относительно определённой системы отсчёта и объединила пространство и время в единый четырёхмерный пространственно-временной континуум – пространство-время. Её основу составляют два постулата:

1. Принцип относительности: все инерциальные системы отсчёта эквивалентны друг другу в отношении постановки в них любых физических экспериментов;

2. Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения наблюдателя или источника света.

Из этих двух постулатов математически следуют все положения СТО: (Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем отсчёта, а они равноправны, то длина тела, промежуток времени и масса тела для разных систем отсчёта будут различными.)

Ø Замедление времени. Время будет как бы растягиваться, течь медленнее в движущейся системе по отношению к неподвижной, для которой этот процесс будет более быстрым — явление известное как «парадокс близнецов». Пусть, например, Пётр и Иван — близнецы. Иван улетает с большой скоростью в далёкое космическое путешествие, а Пётр остаётся на Земле. Через какое-то время Иван возвращается и оказывается моложе Петра. Если v — скорость, с которой путешествовал Иван, а t₀ — время, которое прошло на Земле за время его путешествия, то время, которое прошло на борту его корабля , где с ≈ 3×10⁸ м/с — скорость света в вакууме. И чем больше скорость v, тем значительнее будет разница.

Ø Сокращение длины. С увеличением относительной скорости уменьшаются линейные размеры тела вдоль направления движения по закону: , где L₀ — линейные размеры тела в состоянии покоя; т.е. движение любого объекта влияет на измеренную величину его длины (наблюдаемая длина космического корабля проносящегося мимо со скоростью близкой к скорости света оказалась бы равной нулю);

Ø Увеличение массы. С увеличением относительной скорости увеличивается масса тела по закону: , где M₀ — масса тела в состоянии покоя; т.е. масса тела зависит от скорости его движения. Масса движущегося тела, с точки зрения неподвижного наблюдателя, оказывается больше массы покоя того же тела. Т.о. не существует ни абсолютного времени, ни абсолютного пространства.

В 1916 г. А. Эйнштейн включил СТО в свою общую теорию относительности (ОТО). ОТО открыла зависимость метрических характеристик пространства-времени от распределения тяготеющих (гравитационных) масс, наличие которых приводит к искривлению пространства-времени, оно становится неевклидовым. Чем массивнее тело и больше его плотность, тем больше оно искривляет окружающее его пространство-время, и тем большую силу притяжения испытывают соседние тела.

Американский физик Уилер дал меткую характеристику ОТО: «Вещество говорит пространству, как тому надо искривляться, а пространство говорит веществу, как тому надо двигаться».

А сам Эйнштейн так охарактеризовал суть своей ОТО: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство и время».

Энтропия и информация

В отличие от термодинамики, где под энтропией понимают меру беспорядка изолированной системы, в ОТС энтропия означает величину разнообразия системы. Под разнообразием понимается степень неопределённости, возникающей при выборе из большого числа вариантов. Системы обладают высокой или низкой энтропией (разнообразием, неопределённостью, неупорядоченностью). Для уменьшения энтропии необходимо уменьшить существующую неопределённость, что достигается путём получения информации. Информация характеризуется специальной величиной, связанной с числом возможных вариантов выбора в системе. Например, при случайном выборе информации тем больше, чем меньше вероятность выпавшего варианта. Бросание шестигранного кубика даёт шесть битов информации, а бросание монеты — два бита. Количество получаемой информации равно величине, на которую уменьшилась энтропия. Эквивалентность энтропии и количества информации была установлена Винером и Шенноном.

Рассмотрим термодинамический парадокс, известный под названием парадокс Максвелла. Смысл его заключается в следующем. Изолированная система, состоящая из разделённого на две части резервуара с газом и дверцей в перегородке, содержит также «демона» (существо или автомат), наделённого способностью отличать быстрые молекулы от медленных. Демон открывает дверцу только в том случае, если к ней справа подлетает быстрая молекула. Поэтому газ в левой части резервуара будет нагреваться, а в правой — остывать. Т.о., в изолированной системе тепло будет переходить от холодого тела к горячему с понижением энтропии системы в противоречии со вторым законом термодинамики. Решение этого парадокса было предложено многими авторами. Смысл всех решений заключается в следующем: для определения, какая молекула — холодная или горячая, необходимо получить информацию. А информацию нельзя получить бесплатно. За неё приходится платить энергией, в результате чего энтропия системы повышается на величину, равную её понижению за счёт получения информации.

Понятия энтропии и количества информации можно использовать для того, чтобы дать характеристику живым и неживым системам. Неживые системы (рассматриваемые обычно как замкнутые) имеют тенденцию развиваться по направлению к состоянию максимальной неупорядоченности и энтропии. Отличительной чертой живых (а значит открытых) систем является их сопротивляемость процессу разупорядочивания и их развитие по направлению к состояниям более высокой организации. Эту тенденцию можно объяснить, основываясь на следующих фактах:

1. получение информации приводит к соответствующему уменьшению энтропии;

2. получение энергии из внешней среды противодействует естественному процессу разупорядочивания.

Таким образом, необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции:

Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

План

1. Истоки создания химии и её современное состояние.

2. Особенность и двуединая задача химии.

3. Основные концептуальные уровни химии.

4. Основные принципы и законы химии.

5. Химическая связь и химическая эволюция.

План.

1. Концепции происхождения жизни.

2. Признаки (свойства) живого.

3. Особенности самоорганизации и информационного обмена в живых системах.

 

Если бы некий космический разум взялся бы написать историю Вселенной, он едва ли обратил бы внимание на одно незначительное для мироздания событие. Примерно 4,6 млрд. лет назад в системе небольшой звезды, которую люди впоследствии назвали Солнцем, появился сгусток раскалённых газов и космической пыли. Постепенно остывая и притягивая к себе всё новые и новые порции межзвёздного вещества, сгусток рос и отвердевал. Так возникло новое космическое тело — планета Земля. Ничто не предвещало особой судьбы этой ничем не примечательной планете. Но именно на ней возникла жизнь. Случилось это по космическим масштабам быстро, спустя всего полмиллиарда лет.

Тема 11: «Эволюция жизни»

План.

1. Структурные уровни живого.

2. Научные факты, обосновывающие эволюционность живого.

3. Принципы биологической эволюции.

4. Эволюция биосферы и космические циклы.

 

На прошлой лекции мы с вами уяснили основные концепции происхождения жизни на Земле. Мы узнали, что вопрос возникновения жизни на нашей планете относится к нерешённым вопросам естествознания. Однако, кое в чём учёные сходятся: жизнь зародилась в воде, первые живые организмы были самыми примитивными и совершенствовались они очень медленно. В какой-то момент один из таких организмов обволокла тонкая мембрана — так появились «первоклетки» — прокариоты. Постепенно способности клеток умножались. Сначала они научились производить кислород из углекислого газа в результате процесса фотосинтеза. Потом некоторые клетки научились прятать наследственное вещество в особое клеточное ядро — т.н. ядерные клетки — эукариоты. Потом эти сложные клетки эукариоты научились размножаться делением и создали впоследствии клеточные колонии. Из таких колоний и развились многоклеточные организмы: растения, животные и, наконец, человек. Природе понадобилось почти 4 млрд. лет, чтобы из простейших элементов жизни сотворить человека. И произошло это в ходе эволюции.

Структурные уровни живого

Живой материи присуща своя иерархия структурных уровней (см. тему 3). Концепция структурных уровней живого включает представление об иерархической соподчинённости структурных уровней, системности и органической целостности живых организмов. В соответствии с этой концепцией структурные уровни различаются не только сложностью, но и закономерностями функционирования.

Рассмотрим отдельные уровни организации живой материи, начав с низшей ступени, на которой смыкаются биология и химия.

Молекулярно-генетический уровень. Этот уровень организации материи, на котором происходит скачок от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого.

Сюда относят белки — органические соединения, входящие в состав всех живых организмов. Белки являются биополимерными макромолекулами, так как состоят из большого числа повторяющихся и сходных по структуре мономеров – аминокислот. Перестановки и различные сочетания мономеров в длинных цепях обеспечивают построение множества вариантов молекул и многообразие их свойств. В состав белка входят 20 аминокислот-мономеров.

Сюда же относят и вещества, выделенные из ядра клетки и обладающие свойствами кислот и названных нуклеиновыми (т.е.ядерными) кислотами. Один тип этих кислот получил широко используемое сокращённое название РНК (рибонуклеиновые кислоты), другой — ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты). Доказано, что ДНК обладает способностью сохранять и передавать наследственную информацию организмов. В 1953 г. была расшифрована структура ДНК. Оказалось, что молекула ДНК состоит из двух мономерных цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие пары электрических проводов. ДНК, находящиеся в клетке, разделены на участки — хромосомы. Мономеры нуклеиновых кислот несут информацию, по которой строятся аминокислоты и белковые молекулы организма. Участок молекулы ДНК, содержащий информиацию об одном из набора белков организма, называют геном.

Клеточный уровень. Любой организм состоит из клеток. В простейшем случае — из единственной клетки (бактерии, амёбы). Т.о клетка является мельчайшей элементарной живой системой и является первоосновой строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов.

Клетки всех организмов сходны по строению и составу веществ. Всеми процессами в клетке управляет особая структура, состоящая из длинных цепей молекул нуклеиновых кислот, как правило, находящаяся в её ядре.

Следует отметить, что к миру живого относят также и вирусы — мельчайшие бесклеточные организмы размером примерно в 50 раз меньше бактерий. Хотя вирусы не имеют клеточной структуры, они способны её воспроизводить, внедряясь в среду других клеток.

Тканевый уровень. Совокупность клеток с одинаковым уровнем организации образуют живую ткань. В человеческом теле всего четыре типа тканей: костная, соединительная, эпителиальная и мышечная. Из тканей состоят различные органы живой системы.

Организменный уровень. Система совместно функционирующих органов образует организм. На этом структурном уровне проявляется большое разнообразие живых систем.

Популяционно-видовой уровень образован совокупностью видов и популяций живых систем. Популяция — это совокупность организмов одного вида, обладающих единым генофондом (совокупностью генов). Она является надорганизменной живой системой, точно также как и вид, состоящий обычно их нескольких популяций. На этом уровне реализуется биологический эволюционный процесс, о чём мы подробно поговорим далее.

Биоценотический уровень образован биоценозами — исторически сложившимися устойчивыми сообществами популяций, связанных друг с другом и окружающей средой обменом веществ.

Биосферный уровень организации живого: совокупность биоценозов образует биосферу Земли.

Откуда же взялось такое многообразие живого? На сегодняшний день естествознание даёт однозначный ответ — такое многообразие живого на Земле является следствием биологической эволюции. Изучим историю вопроса, а начнём с научных фактов, обосновывающих эволюционность живого.

2. Научные факты, обосновывающие эволюционность живого.

Издавна люди пытались найти объяснение многообразию и причудливости мира. На протяжении тысячелетий господствовало элементарное объяснение, которое состояло в том, что все виды организмов были созданы Творцом однажды, в нынешних формах и больше не изменялись (см. тему 10). Именно под влиянием религиозной идеи о неизменяемости всего живого, биология долгое время сводилась лишь к описанию многочисленных видов животных и растений. Но достижения эпохи Возрождения способствовали формированию новых представлений об изменчивости мира и о возможности исторического изменения видов — т.н. трансформизм (от лат transformare — преобразовывать). Сторонниками этого мировоззрения были многие прогрессивные учёные того времени, такие как Роберт Гук, Дени Дидро, Жорж Луи Леклерк Бюффон, Эразм Дарвин. Они признавали изменяемость видов под действием окружающей среды.

Термин «эволюция» (от лат. evolutio — развёртывание) был впервые введён швейцарским учёным Боннэ в 1762 г. Автором первой теории эволюции был Жан Батист Ламарк. Затем Чарльз Дарвин в своём знаменитом труде «Происхождение видов путём естественного отбора» (1859г.) изложил разработанную им эволюционную теорию.

Эволюционность живой природы подтверждается следующим:

Ø Объектами изучения палеонтологии являются любые сохранившиеся в геологических породах следы древней жизни. Например, фрагменты тел древних животных, найденных в вечной мерзлоте, отпечатки древних растений в каменноугольных образцах, насекомые, замурованные в янтаре и.т.д. Хронологически систематизированная совокупность данных палеонтологии называется палеонтологической летописью. Согласно ей, в самых древних горных породах, содержащих ископаемые остатки, встречаются организмы очень немногих типов и все они имеют простое строение; более поздние породы содержат следы большего разнообразия организмов со всё более сложным стр