Концепций Современного Естествознания

Естествознание в современном мире.
Тема 1: Естественнонаучная и гуманитарная культуры.
Формы отношения человека к окружающему миру. Специфика и взаимосвязь естественнонаучной и гуманитарной типов культур.
Пути эволюции культур: от конфронтации к сотрудничеству.
Наука в духовной культуре общества. Специфические черты науки. Отличие науки от других отраслей культуры.
Критерии и нормы научности. Этика науки.
Исходный признак культуры выделяется через соотношение с природой. Объект есть достояние культурной реальности, если он обработан или переделан людьми для удовлетворения их потребностей. В этом контексте все созданное человечеством есть культура.
Культура – это система средств человеческой деятельности, благодаря которой программируется, реализуется, стимулируется активность индивида, групп, человечества в их взаимодействии с природой и между собой.
В истории культуры существует два отношения человека к окружающему миру:
А. Теоретическое отношение (наука).
Сущность: воспроизвести мир в себе, познать окружающий мир. Мир воспринимается как система вещей и отношений между ними. Бытие – природа, а человек выпадает из нее. Природа отчуждена от человека. Человек сторонний наблюдатель. Это объективное понимание и видение мира Ведущей в восприятии окружающего мира является логическая сторона психики (разум).
Б. Духовно-практическое отношение (искусство)
Сущность: воспроизвести себя в мире, познать себя. Мир воспринимается как несущий в себе отражение человеческой субъективности, как продолжения своего «я». Человек не сторонний наблюдатель, а единородный с природой субъект. Это субъективное понимание и видение мира. Ведущей в восприятии окружающего мира является эмоционально-чувственная сторона психики (чувства и эмоции).
Вывод: В момент творчества эти отношения совпадают, и творец действует не как ученый и не как художник, а как человек вообще. С развитием производительных сил теоретическое отношение становится доминирующим, а духовно-практическое отодвигается на второй план.
В истории культуры противоречия между теоретическим и духовно-практическим отношениями к миру привели к разделению науки на науку о природе и науку о культуре и обществе и породили два типа культур.
А. Естественнонаучная культура.
Включает науки о природе, технику и технологию.
Объекты науки (предметы и явления природы) существуют независимо от человека, объективно.
Научные знания объективны, т.к. основаны на наблюдениях и экспериментах, многократно проверены и подтверждены.
Ученые через общее стараются выразить единичное.
Доминирует научный метод.
Как совершаются научные открытия – это можно понять, исследовать и проверить.
Б. Гуманитарная культура.
Включает науки о культуре и обществе, религию, литературу и все виды искусства.
Объекты искусства созданы человеком, его трудом и вдохновением, реальны, но субъективны, т.е. их нельзя реально оценить, измерить и воспроизвести.
Художник через единичное стремится выразить общее.
Доминирует художественный метод.
Как создаются художественные образы – это тайна творчества.
Сходство двух типов культур:
Один и тот же объект познания – природа и субъект познания – человек.
В основе науки и искусства лежит один и тот же принцип естественной гармонии. Законы природы и законы красоты взаимосвязаны.
Развитие культур происходило одновременно в двух противоположных направлениях:
Интеграции (взаимопроникновении, объединении знаний). Как явление возникло в Древней Греции в русле энциклопедической формы организации знаний.
2) Дифференциации (расчленение, разъединение, растекание знаний). Как явление возникло в Древнем Риме, укрепилось в средние века, расцвело в новое время. Привело к разрушению целостной картины мира, к выпадению человека из триады: Космос – Природа – Человек, к разделению культур на естественнонаучную и гуманитарную, к разделению естествознания на точное естествознание, изучающее неживую природу (астрономия, физика, химия, география) и биологию, изучающую живую природу. Дальнейшее развитие наук о природе привело к усилению различий между ними.
Следствием дифференциации наук явилось:
противостояние физиков и лириков, которое привело к разделению образования на гуманитарное и естественнонаучное;
- сегментированность знаний, формализм;
- фрагментарность видения окружающего мира;
- неспособность охватить комплекс проблем и понять взаимосвязь между ними; на неспособность адекватно реагировать на смену технологий, на нестабильность экономической и политической ситуации, на обостряющийся экологический кризис и девальвацию нравов и норм.
Выводы: Ни одна из культур не самодостаточна и не может развиваться без привлечения методов другой, иначе она выродиться в догматизм и хаос. В 20 веке эти культуры не столько дополняют друг друга, сколько противостоят и это противостояние углубляется и расширяется.
Однако в конце 20 столетия начался процесс синтеза двух культур в силу следующих причин:
развития интеграционных процессов в науке;
новое понимание антропного принципа (человек – это не сторонний наблюдатель, а активный участник всех природных процессов. Его деятельность – это мощная биогеохимическая сила, преобразующая облик планеты).
Основные направления синтеза двух культур:
Возникновение и развитие единого метаязыка – это язык математики.
Возникновение новых научных парадигм (норма, образец, правило):
а) синергетическая парадигма - поиск универсальных законов эволюции и самоорганизации сложных, открытых, неравновесных систем; через синергетику происходит сближение естественных и гуманитарных наук;
б) концепция экологического императива – система экологических запретов на поведение человека по отношению к природе, обязательных для всех стран и народов;
в) концепция устойчивого развития – это сбалансированное эколого-экономическое развитие, которое позволяет удовлетворять нужды сегодняшнего дня без ущерба для будущих поколений.
Возникновение процесса формирования нелинейного мышления. Классическое естествознание основано на признании жесткой причинности и непризнания случайности. Такое мышление называют линейным или одномерным. Нелинейное мышление – это интегративное, целостное, холическое мышление, основанное на признании случайности. Это признание множества путей развития.
Реформирование системы образования. Цель - сделать образование фундаментальным, обеспечивающим целостное видение природы, общества и человека.
3. Наука – это система сознания и деятельности людей, направленная на достижение объективно-истинных знаний и систематизацию доступной человеку и обществу информации.
Структура научной деятельности:
субъект – носитель сознательной целенаправленной деятельности (ученые, специалисты, коллективы ученых, объединения, научные школы и т.п.);
объект – все состояние бытия, которое становится сферой приложения активности субъекта. Объекты науки: универсальны и уникальны;
цель – предвосхищение в мышлении человека средств, последовательности и результатов осуществления деятельности;
средства – это способы действия и орудия для осуществления какой-либо деятельности: методы, активная и пассивная техника, язык и разумно-рассудочный уровень мышления;
активность субъекта – это желание, стремление и приложение собственных усилий к получению знаний;
результат – показатель осуществленной последовательности действий;
социальные условия – совокупность элементов организации научной деятельности в обществе или государстве: потребность общества в истинных знаниях, финансовая поддержка, создание сети научных учреждений, материально-техническое обеспечение данного процесса, коммуникационное обеспечение и т.п.;
Формы научных знаний: научные факты, гипотезы, научные проблемы, законы, теории, научные картины природы и мира.
В составе культуры наука включена в систему духовной культуры общества. А помимо науки в нее входят искусство, мораль, религия, философия, мифология, право и т.п. Чем же отличается наука от других отраслей культур?
от мифологии: наука стремится не к объяснению мира в целом, а к формулированию законов развития природы, допускающих эмпирическую проверку;
от мистики: наука стремится не к слиянию с объектом исследования, а к его теоретическому пониманию и воспроизведению;
3. от религии: разум и опора на чувственную реальность имеют в науке большее значение, чем вера;
4. от философии: научные выводы допускают эмпирическую проверку и отвечают на вопрос почему, а не на вопрос как, каким образом;
5. от искусства: своей рациональностью, которая не останавливается на уровне образов, а доводится до уровня теорий;
6. от идеологии: научные истины общезначимы и не зависят от интересов определенных слоев общества;
от техники: наука нацелена не на использование полученных знаний о мире для его преобразования, а на познание мира;
от обыденного сознания: научные знания представляют собой теоретическое освоение действительности.
Специфические черты науки:
наука универсальна – в том смысле, что она сообщает знания при тех условиях, при которых они добыты человеком;
наука фрагментарна – в том смысле, что изучает не бытие в целом, а различные фрагменты реальности или ее параметры и сама делится на отдельные дисциплины;
наука общезначима – в том смысле, что полученные ею знания пригодны для всех людей и ее язык однозначный;
наука обезличена – в том смысле, что ни индивидуальные особенности ученого, ни его национальность или место проживания не представлены в конечных результатах научного познания;
наука систематична – в том смысле, что она имеет определенную структуру и не является бессвязным набором частей;
наука не завершена – в том смысле, что хотя научное знание безгранично растет, оно все-таки не может достичь абсолютной истины, после которой нечего будет познавать;
наука преемственна – в том смысле, что новые знания определенным образом и по определенным правилам соотносятся со старыми знаниями;
наука критична – в том смысле, что всегда готова поставить под сомнение и пересмотреть свои даже самые основополагающие результаты;
наука достоверна – в том смысле, что ее выводы требуют, допускают и проходят проверку по определенным, сформулированным в ней правилам;
наука вне моральна – в том смысле, что научные истины нейтральны в морально-этическом плане;
наука рациональна – в том смысле, что получает знания на основе рациональных процедур и законов логики и доходит до формирования теорий и их положений, выходящих за рамки эмпирического уровня;
наука чувственна – в том смысле, что ее результаты требуют эмпирической проверки с использованием восприятия и только после этого признаются достоверными.
Кроме этого, для науки характерны свои особые методы и структура исследований, язык, аппаратура. Всем этим и определяется специфика научного исследования и значение науки.
4. Теория является высшей формой организации научного знания. Проверка истинности теории не может быть непосредственно осуществлена прямым наблюдением и экспериментом. Такой «отрыв» теории от наблюдаемой реальности породил в 20 веке не мало дискуссий на тему о том, какое же знание можно и нужно признать научным. Для этих целей в методологии науки используются два принципа (нормы):
- принцип верификации, когда какое-либо понятие или суждение имеет значение, если оно сводимо к непосредственному опыту или высказываниях о нем, т.е. эмпирически проверяемо;
- принцип фальсификации или опровержимости знаний.
Во все эпохи сохраняется некий инвариант норм (единый вариант научных норм), который обуславливается единством стиля мышления – рациональный тип мышления.
Рациональность основана на двух фундаментальных идеях:
природной упорядоченности, т.е. признании универсальных, закономерных и доступных разуму причинных связей;
формального доказательства, как главного средства обоснованности знания.
В рамках рационального стиля мышления научные знания характеризуют следующие методологические критерии:
- универсальность, т.е. исключение любой конкретики - места, времени, субъекта и т.д.;
- согласованность или непротиворечивость, обеспечиваемая дедуктивным способом развертывания системы знаний;
- простота; хорошей считается та теория, которая объясняет максимально широкий круг явлений, опираясь на минимальное количество научных принципов;
- объяснительный потенциал;
- наличие предсказательной силы.
Эти общие критерии составляют эталон научного знания постоянно.
Дисциплина, изучающая нравственные основы научной деятельности, называется этикой науки. Изучение и соблюдение этики науки должно обернуться не сентиментальной оценкой каких- либо фактов по принципу «плохо-хорошо», а тем, чтобы человек под влиянием научно-обоснованных идей стал человеком моральным и гуманным. Подобная идея развивается в концепции эволюционного гуманизма (Д.Хаксли).
В основе его теории лежат четыре ключевых идеи:
А) сознание того, что человек несет ответственность за свое будущее и развитие планеты;
Б) признание того факта, что человек представляет собой лишь один вид и поэтому человечество не должно превращаться в совокупность конкурирующих или враждебно настроенных друг к другу «псевдовидов» (нации, религии);
В) идея осуществления человеческих чаяний вместо идеи материального благополучия;
Г) стремление повысить «качество» жизни и всей окружающей среды, а не увеличивать количество материальных ценностей.
Этические нормы науки:
- бескорыстный поиск и отстаивание истины;
- стремление обогатить науку новыми результатами;
- добросовестное обоснование научных положений;
- открытость для обсуждения вопросов и научной критики;
- свобода научного творчества;
- социальная ответственность ученого.

Тема 2: Научный метод.
Понятие «научный метод» и его разновидности.
Особенности научного познания.
Структура научного познания.
1. Человечество всегда, по сути, интересует два вопроса: что такое какая-то реальность и как с ней обращаться. Метод дает ответы на вопросы второго типа.
Научный метод – это система правил и приемов в практической деятельности; искусство сбора научной информации; инструмент получения и упорядочения научных знаний; система принципов и правил в научной деятельности.
Если законы природы можно сравнить с указателями на дороге, то методы – это средства передвижения по ней.
Современное естествознание базируется на определенной методологии – совокупности методов у учений о методе.
Методы (по уровням познания):
эмпирические: наблюдение, описание, измерение, эксперимент;
теоретические: формализация - построение теоретических моделей, аксиоматизация - построение теории на основе аксиом, гипотетико-дедуктивный - выдвижение систем гипотез, дедуктивно связанных между собой.
Методы (по сфере применения):
Всеобщие:
а) метод детерминизма - установление причинно-следственных связей;
б) метод развития - установление постоянного изменения сущности, структуры;
в) метод системности - деление на группы на основе общих критериев;
г) метод тождества - установление равно значимости.
Научные - это методы эмпирического и теоретического уровней познания.
Специфические. Пример: методы рентгеноскопии, ультразвуковой диагностики, меченых атомов и т.п.
Методы (по логике познания):
дедуктивные (дедукция – выведение от общего к частному);
индуктивные (индукция – наведение от частного к общему).
2. Существует несколько точек зрения о времени возникновения науки:
- наука как опыт практической деятельности началась с хозяйственной деятельности (около 2 млн. лет назад);
- как доказательный вид знаний наука возникла в 6-5 веке до н.э. в Древней Греции;
- наука появилась в период расцвета поздней средневековой культуры, когда была осознана высокая значимость опыта;
- наука возникла, когда появились работы Кеплера, Ньютона (16-17 вв.)
Наиболее распространена вторая точка зрения, т.к. именно там появляется пристальный интерес к процессу мышления, его логике и содержанию. Древнегреческие мудрецы не просто собирали и накапливали факты, они начали их доказывать, тем самым они придавали системность, упорядоченность и согласованность научным знаниям. И именно в Древней Греции был апробирован первый образец подлинно научного знания:
- научные знания характеризуются системностью и логической выводимостью;
- объектами научного познания выступают не сами предметы и явления реального мира, а их своеобразные аналоги, т.е. идеализированные объекты;
- важным признаком научного познания является осознанный контроль над процессом получения нового знания, фиксация и предъявление строгих требований к методам познания;
- научное описание исследуемых объектов требует строгости и однозначности языка;
- научные знания претендуют на общеобязательность и объективность открываемых истин;
наука изучает только те явления, которые повторяются и поэтому ее главная задача - искать законы их существования.
Процесс научного поиска даже на теоретическом уровне не является строго рациональным, т.к. непосредственно перед стадией научного открытия важно воображение, создание образов, а на самой стадии открытия – интуиция. И поэтому открытие нельзя логически вывести как теорему в математике. Интуиция присутствует в науке, но она ничего не значит в смысле обоснования результатов. Нужны еще объективные рациональные методы. Рассуждения в естествознании не является доказательствами, а только выводами. Вывод свидетельствует об истинности рассуждения, если посылки верны, но не говорит об истинности посылок. Несмотря на методологическую ценность выделения эмпирического и теоретического уровней познания, разделить эти два уровня невозможно, несмотря на их специфические черты, которые отличаются по предмету исследования, по средствам и по результатам познания.
Проблема различения двух уровней научного познания – теоретического и эмпирического возникает из специфической особенности его организации. Суть ее заключается в существовании различных типов обобщения доступного изучению материала. Наука ведь устанавливает законы. А закон есть существенная, необходимая, устойчивая, повторяющаяся связь явлений.
3. За 2,5 тыс. лет своего существования наука превратилась в сложное, системно организованное образование с четко просматриваемой структурой. Основными элементами научного знания являются:
твердо установленные факты;
закономерности, обобщающие группы фактов;
теории, как правило, представляющие собой знания системы закономерностей, в совокупности описывающих некий фрагмент реальности;
научные картины мира и природы, рисующие обобщенные образцы реальности, в которых сведены в некое системное единство все теории, допускающие взаимное согласование.
Традиционная модель построения научного знания предполагает движение по цепочки: установление эмпирических фактов – первичное эмпирическое обобщение – обнаружение отклоняющихся от правила фактов – изобретение теоретической гипотезы с новой схемой объяснения – логический вывод (дедукция) из гипотезы всех наблюдаемых фактов, что является ее проверкой на истинность. Подтверждение гипотезы облачает ее в теоретический закон. Подобная модель научного знания называется гипотетико-дедуктивной.
Условно процесс получения научного знания можно определить тремя этапами:
Наблюдение, факты: собирание, описание, систематизация, эмпирическое обобщение фактов.
Гипотеза: сопоставление фактов с уже известными, построение гипотезы, повторное наблюдение, построение модели.
Проверка (эксперимент): проверка гипотезы экспериментом, ее опровержение или подтверждение, окончательный вывод на основе эксперимента, построение теории.
1 этап. Наблюдение – это зрительное, планомерное, целенаправленное, непосредственное, чувственное восприятие предметов и явлений природы. Наблюдения могут быть активными и пассивными.
Пассивное наблюдение, когда объект воспринимается в естественных условиях. И активное наблюдение, когда объект воспринимается в созданных ученым искусственных условиях.
Вся научная информация, основанная на наблюдениях, подвергается объективной проверке, т.к., во-первых, органы чувств могут обманываться; во-вторых, органы чувств могут иметь наследственные отклонения; в-третьих, в проведении наблюдений применяются приборы, которые расширяют возможности органов чувств, позволяют производить измерения, создать условия для эксперимента, но могут быть неисправными и давать ошибочные показания. Результатом наблюдения является установление эмпирического факта.
Факт (сделанное, свершившееся) – это действительное событие, о котором у нас есть все бесспорные знания. Так как при оценке факта мы полагаемся на органы чувств, то они не так несомненны, как иногда кажется. Следовательно, на первой стадии научному познанию присущи колебания, сомнения. Нельзя на 100 % быть уверенным в правильности своих наблюдений и открытий.
2 этап. Гипотеза – это научное предположение, выдвигаемое для объяснения фактов. Гипотеза порождает предсказания, т.е. из нее всегда что-то следует, причем верная гипотеза всегда ведет к верному предсказанию, а неверная может порождать верные и неверные предсказания. Но справедливость предсказаний не доказывает истинность гипотезы. Значит, и на втором этапе научному познанию присущи сомнения.
3 этап. Эксперимент – специальные операции с предметами природы, в ходе которых получают интересующие ученых сведения. Это средство проверки гипотезы в искусственно смоделированных условиях. Не любой эксперимент является научным, а только тот, который отвечает следующим требованиям:
- д.б. тщательно спланирован;
- д.б. экспериментальные и контрольные группы, помещенные в одинаковые условия, за исключением одного фактора, который проверяется;
- д.б. определенный массив, т.е. совокупность изучаемых объектов;
- д.б. повторность, что позволяет избежать случайных ошибок;
д.б. математическая обработка полученных результатов.
Правила проверки гипотезы:
соответствует всему множеству фактов;
из всех альтернативных гипотез выбирается та, которая объясняет наибольшее количество фактов;
гипотеза не может быть одновременно истиной и ложной;
связь между гипотезой и фактами должна быть непротиворечивой.
Гипотеза, подтвержденная экспериментальным путем, считается теорией.
Теория - это научно установленные и теоретически обоснованные факты, или это обобщение, логически объясняющее набор фактов. Теория используется для объяснения известных фактов и для предсказания новых.

Тема 3. Предмет и задачи естествознания.
Естествознание как система знаний об окружающем мире, задачи естествознания.
Природа как единственный объект изучения естествознания.
Роль естествознания в современном мире.
В ранние периоды для обозначения наук о природе использовались разные термины: натурфилософия, естествознание, природоведение.
Естествознание определяется с двух позиций:
это совокупность наук о природе, взятые в единое целое. В таком определении подчеркивается многообразие природы и, следовательно, множество наук о ней;
это наука о природе как единой целостности. В этом определении подчеркивается единство и нерасчлененность природы и, следовательно, существование единой науки о ней.
Основные науки о неорганической природе – физика, химия, физическая химия и их многочисленные подразделения. Комплекс биологических наук исследует живую природу начиная от доклеточного уровня и кончая биосферой. Специфику планетного вещества Земли изучает геология и другие науки. Вселенная является объектом познания астрономии, астрофизики, астрохимии. Математика исследует все сферы бытия природы, где выявлены количественные закономерности.
Естественные науки образуют определенную иерархию в системе, вступая друг с другом в отношения субординации (подчинения).

Физика химия биология психология
Физика является непосредственным основанием для химии. Химия, имея своим основанием физику, в свою очередь, является непосредственным основанием для биологии. Так происходит развертывание всего естествознания по восходящему пути. От физики до психологии, которая циклически замыкается физикой.
Следовательно, отношения субординации несут циклический характер и это не случайно, т.к. самой природе присуща цикличность. Нельзя думать, что естествознание состоит из избранных глав физики, химии, биологии и психологии. Это обобщенная, интегрированная наука, возникшая на основе комплексного, междисциплинарного синтеза отдельных естественных наук. В естествознании нет ни одной науки в рафинированном виде. Все они взаимообусловлены и выводятся друг из друга.
С методологической точки зрения, учитывая внутренние закономерности развития, принципы получения знаний, безусловное, стабильное лидерство следует признать за физикой, т.к.:
в физике фундаментально разработаны представления о физических объектах;
знания о физических объектах формализованы, т.е. переведены на язык математики.
Физика закладывает фундамент под все естествознание.
Но, учитывая роль науки в обществе, оценивая внешние по отношению к науке факторы (исторические, социальные, культурные), влияние науки на состояние общества, лидером следует признать биологию. Ею достигнуты значительные успехи в решении проблемы происхождения жизни на молекулярном уровне, ей принадлежит решающая роль в решении проблемы выхода из экологического кризиса.
Задачи естествознания:
выявление подлинного единства природы до основания, на котором построено разнообразие предметов и явлений природы;
более глубоко и точно познать явления и объекты природы.
2. Природа – это вся развивающаяся материя, в бесчисленной совокупности ее свойств и проявлений; это часть бытия, существующего по законам, не созданным активностью людей.
Сфера исследования природы естественными науками, по сути, неисчерпаема. Она включает объекты микро, макро и мегамиров. В более популярном изложении это означает, что естествознание исследует неорганическую и органическую природу Земли и Вселенной.
Объектами изучения микромира являются все элементарные частицы, вплоть до атомов, молекул и их производных.
Объектами изучения макромира являются объекты живой и неживой природы на Земле, включая человека.
Объектами изучения мегамира являются планеты, звезды, звездные скопления, галактики и т.п.
В.И. Вернадский, создав свое Учение о биосфере (1926), так определял понятие природа – это совокупность всех материальных условий Земли, в которых могла появиться жизнь и развиться до современных ее форм. Всю составляющую природы он представил через семь типов вещества, четыре из которых основные, т.к. составляют основную часть природы:
живое вещество, т.е. все живые организмы планеты;
биогенное вещество, т.е. вещество, возникшее в результате жизнедеятельности организмов (осадочные горные породы, мед, воск и т.п.);
биокосное вещество, т.е. вещество которое создается одновременно и живыми организмами и неорганическими процессами (почва, торф, биосфера и т.п.);
косное вещество, т.е. вещество, в образовании которого жизнь не участвует (базальт, гранит, магма и т.п.).
С понятием природа связано еще ряд понятий:
Вселенная – это вся материя в целом, взятая во всем ее потенциально-возможном, пространственно-временном и структурном многообразии;
Метагалактика – это наблюдаемая часть Вселенной;
Космос – это изученное, околоземное пространство;
Окружающий мир – это совокупность всех материальных объектов (природных и культурных);
Социосфера – та часть Земли, где живут люди;
Географическая среда – это ближайшая к человеку природа, преобразуемая им;
Окружающая природная среда – естественная среда обитания человека, служащая условием, средством и местом жизни человека и других живых организмов.
3.Научное. Естествознание – это источник знаний об окружающем мире. Оно ищет ответы на вопросы: как устроен окружающей мир, какового место в нем человека, по каким законам живет и развивается окружающий мир.
Техническое. Естественнонаучные исследования являются основой научно-технической революции, способствуя реализации научных открытий в действующие конструкции.
Гуманитарное. Естествознание важнейший компонент человеческой культуры. Естествознание находит свое воплощение в научном отношении человека к природе. Естествознание вместе с философией, социологией и психологией изучает пути познания природы и обобщает опыт взаимодействия человека и природы. Изучение естествознания – это исследование человеческой мысли, судеб ученых, их отношения к научной истине. Естествознание способствует воспитанию глубокого уважения к истине. Его становление сопровождается культивированием такого стиля мышления, при котором истина определяется не человеком, а экспериментом. Изучение естествознания способствует формированию планетарного мышления, когда человек чувствует себя ответственным за судьбу планеты и Вселенной.
Естествознание, воздействуя на мышление, способствует выработке адекватного отношения к окружающему миру:
мир познаваем;
случайность не всегда вредна;
в нашем изменяющемся мире есть опорные точки – инварианты (постоянные) – это законы природы;
по мере углубления наших знаний, картина природы усложняется, становится диалектичнее.


Раздел 2
Логика и закономерности развития естествознания.
Тема 4. Исторические аспекты в развитии естествознания.
Общие модели развития науки.
Стадии развития естествознания.
Закономерности развития естествознания.
Нет сомнений в том, что наука развивается, т.е. необратимо, качественно меняется со временем. Развитие это оказывается неравномерным, с «рваным» ритмом. Фактическая история науки внешне выглядит достаточно дробно и хаотично. Но наука изменила бы самой себе, если бы в этом «броуновском движении» гипотез, открытий, теорий пытается установить некую упорядоченность, закономерный ход становления и смены идей и концепций, т.е. обнаружить скрытую логику развития научного знания.
Ввиду новизны и сложности проблемы в методологии науки еще не сложилось общепризнанного подхода или модели логики развития научного знания. Таких моделей множество. Остановимся на приоритетных из них.

Наибольшее число сторонников, начиная с 60-х гг. нынешнего века, собрала концепция развития науки, предложенная американским историком и философом Т. Куном.
Т. Кун вводит понятие «парадигма» - особый способ организации знаний, подразумевающий определенный набор предписаний, создающий характер, который влияет на выбор направления исследования. В ней содержатся образцы решения конкретных проблем. Следовательно, парадигма не равняется теории, т.к. не выполняет непосредственно объяснительной функции. Она является предварительным условием и предпосылкой построения и обоснования разных теорий. Она на долгие годы определяет круг проблем, которые привлекают внимание ученых. Новизна данной модели – смена парадигм не носит линейного характера и зависит от многих условий (социальных, материальных и т.д.).
Способность исследователей длительное время работать в неких предзаданных рамках, очерчиваемых фундаментальными научными открытиями, стала важным элементом логики развития науки в концепции Т. Куна. Развитие, приращение научного знания внутри, в рамках такой парадигмы, получило название «нормальной науки». Смена же парадигмы есть не что иное как научная революция. Переходы от одной научной парадигмы к другой Т. Кун сравнивал с обращением людей в новую религиозную веру: мир привычных объектов предстает в совершенно ином свете благодаря решительному пересмотру исходных объяснительных принципов.
Альтернативную модель развития науки, также ставшую весьма популярной, предложил И. Лакатос. В его модели движущий фактор в развитии науки – смена научно-исследовательских программ, при котором выбор научным обществом одной из многих конкурирующих программ может и должен осуществляться рационально, т.е. на основе четких, рациональных критериев. Вытеснение одной программы другой представляет собой научную революцию
Стадии или тенденции развития естествознания.
Интеграция науки, появление новых смежных дисциплин в естествознании – все это знаменует собой нынешний этап развития науки. Всего же (с точки зрения истории науки) человечество в своем познании Природы прошло три стадии и вступило в четвертую.
Синкретическая (7в. до н.э. – 13-15 в.в. н.э.).
На этой стадии возникла греческая натурфилософия, как общее синкретическое, умозрительное, абстрактно-отвлеченное представление об окружающем мире. Природа – единое целое, развивающаяся из хаоса и эволюционирующая. Возникает понимание Космоса, как Вселенной, как Природы, наделенной качествами живого существа. «Космос – макрочеловек, а человек – микрокосмос», т.е. между упорядоченным и гармоничным Космосом и человеческим миром нет пропасти; человек выступает, как часть всеобщего космического целого и в нем воплощены все те же силы, которые образуют Космос. На этой стадии господствуют наблюдения и гипотезы. В основе – философия стихийной диалектики, т.е. признание взаимосвязи и развития в природе. Из научных программ выделяются программы Пифагора – Платона и физическая программа Анаксагора – Аристотеля, Демокрита - Эпикура. В этот период происходит первая глобальная естественнонаучная революция (Аристотелевская).
Аналитическая (с 13-15в.в. – до 19 в.).
Возникает точное естествознание и биология. Происходит разделение наук. Из точного естествознания вычленяются физика, химия, астрономия и др. науки. Среди методов познания преобладают наблюдение и эксперимент. Экспериментальные методы базируются на экспериментальной обработке данных, поэтому происходит накопление эмпирического фактического материала об объектах и явлениях природы. Происходит отделение человека от природы. Человек – сторонний наблюдатель, который стоит над природой, изучая ее извне, и не вмешивается в ход естественных процессов. Эмпирические знания преобладают над теоретическими, больше исследуются предметы природы, чем процессы. Предмет исследования расчленяется и исследуется по частям, сама природа рассматривается неизменной, застывшей. Такое явление в философии получило название метафизический материализм. В духовной жизни общества проявляется господство и влияние церкви и богословия. Формируется механическая картина природы, которая просуществовала до середины 19 века. Происходит вторая глобальная естественнонаучная революция (Ньютоновская).
Синтетическая (с 19 в. – до середины 20 в.).
Происходит воссоздание целостной картины природы на основе ранее созданных частностей, развивается эксперимент и теоретические методы, метафизика сменяется диалектическим материализмом (допускает качественное преобразование мира). Создается квантово-полевая картина природы. Происходит третья глобальная революция. (Эйнштейновская)

С середины 20 в. мы вошли в четвертую стадию - интегрально-дифференциальную.
Происходит становление естествознания как единой науки о природе, господствует синергетическая парадигма. Современная картина природы не завершена, происходит возврат науки к антропоцентризму. Антропный принцип – это признание человека активным участником всех природных процессов, который влияет на состояние, развитие и будущее планеты. Он не сторонний наблюдатель, а участник всех природных процессов, испытывающий влияние Космоса. Идет четвертая глобальная революция (Постэйнштейновская).
Выводы. Нет резких границ между стадиями, эти деления условны.
Третья и четвертая стадии относительно молодые, следовательно, можно говорить о тенденциях и потенциальных возможностях этих стадий, но не об итогах и успехах.
Сумма знаний о природе увеличивается, а научная информация устаревает.
Благодаря НТР наблюдается ускоренное развитие науки.
Этапы развития естествознания по И. Пригожину.
1 этап: Натурфилософский (догалилеевский или доклассический).
2 этап: Собственно естественнонаучный, т.е. послегалилеевский.
Подразделяется на 3 стадии:
А) Развитие классического естествознания (17-19в.в. от Ньютона до Менделеева). Объект исследования – макротела и равновесные макросистемы, законы движения которых распространяются и на микромир. Характерен жесткий детерминизм (причинно-следственная обусловленность, признание строгости и четкости и отрицание случайности).
Б) Неклассическое естествознание (19-20 вв.). В основе лежит квантовая механика и электродинамика. Объект познания: микросистемы, поведение которых описывается законами квантовой механики. Появляется корпускулярно-волновой дуализм элементарных частиц, отсюда вероятностное статистическое описание природы элементарных частиц.
В) Постнеклассическое естествознание (кон. 20 в. - нач. 21в.)
Объект познания - макросистемы, которые изучаются с позиции историзма и самоорганизации материи. Поведение таких систем описывается законами синергетики, которые охватывают как единое целое микро- и макро- миры. Эволюционные взгляды на причины, признание случайностей и отведение им положительной роли в развитии природы.
3. Закономерности в развитии естествознания.
Закономерности – это устойчивые тенденции, проступающие в ее развитии или существенные связи, которые прослеживаются между стадиями этого развития. По сравнению с законами природы закономерности:
- условны, т.е. справедливы в ограниченной области явлений;
- существует в виде возможных потенций, т.е. в одних ситуациях проявляется более реально одна закономерность, а в других другая;
- строятся путем обобщения исторических фактов, следовательно, надо домыслить воспроизведение не одного события, а нескольких сходных событий, т.е. выделять связи событий;
- закономерности м.б. использованы для предсказания будущих событий, но эти предсказания условны и предположительны.
Виды закономерностей:
1. Аккумуляция знаний. Н. Бор отметил, что «всякая новая научная теория не отвергает начисто предшествующую, а включает ее в себя на правах частного случая, т.е. устанавливает для прежней теории ограниченную область применимости и при этом обе теории могут мирно сосуществовать».
2. Конкуренция научных программ. Возможность одновременного существования различных концепций, которые объясняют одни и те же явления.
3. Революционный характер развития. Это процесс радикальной коренной ломки старых, занимавших господствующее положение в науке, научных парадигм и теорий. Это радикальная перестройка методов получения нового знания, включая изменения в самих нормах и идеалах научности.
4. Систематической развитие. Такое развитие науки, которое является безостановочным, непрекращающимся и придающей науке характер прогрессивно развивающейся системы.
5. Цикличность развития. Проявляется в том, что прослеживается влияние космических объектов на проявление всех жизненных процессов на Земле, включая интеллектуальную работу мозга.


Современный ученый Чижевский в 1936 г. показал что Солнце - это не только источник энергии, но и может оказывать существенное влияние на все жизненные процессы на Земле. А т.к. активность Солнца проявляется периодически: короткие циклы через 11 лет и длинные – через 100 лет, то это приводит к циклично проявляющимся научным открытиям. Например:
в 1905г. всплеск солнечной активности и в 1904-1909 гг. формируется специальная теория относительности Эйнштейна;
в 1917 г. следующий пик солнечной активности и в 1916-1919 гг. Эйнштейн завершает свою общую теорию относительности;
в 1928 г. очередной всплеск солнечной активности и в 1925 –1929 гг. развивается дискуссия Эйнштейна с Н. Бором о принципе неопределенности;
в 1937 г. снова всплеск солнечной активности и в 1936-1940 гг. делается попытка Эйнштейном создания единой теории поля.
Тема 5: Научные революции как закономерность развития естествознания.
Понятие «научные революции» и ее особенности. Глобальные естественнонаучные революции.
2. Типы научных революций.
Научная революция – процесс радикальной ломки старых научных парадигм и теорий, которые ранее занимали господствующее положение в науке. Радикальная перестройка методов получения новых знаний, включая изменения в самих нормах и идеалах познания.
Научные революции совершаются в области теоретических обобщений. Революционный переворот вызывает не сам по себе факт, а его осмысление. Научные революции ломают барьер на пути к познанию истины, установленные способы мышления, которые в начале способствовали развитию науки, а затем начали тормозить ее.
Причины революций:
Объективная - стремление к удовлетворению духовных потребностей, жажда познания.
Субъективная - стремление к удовлетворению материальных потребностей
Научные революции происходят не изолированно, а связаны с техническими и социальными революциями, совершаются годами и усилиями многих ученых.
Глобальные революции:
В истории развития науки можно выделить три четко прослеживаемые радикальные смены научных картин мира, т.е. три глобальные научные революции: Аристотелевская, Ньютоновская, Эйнштейновская.
Аристотелевская (6-4 вв. до н.э).
Результатом ее явилось:
А) Зарождение самой науки, отделение науки от философии. Науку стали отличать от других форм познания и освоения мира.
Б) Создание определенных норм и образов построения научных знаний.
Наиболее ясно наука была осознана в трудах древнегреческого ученого Аристотеля. Его заслуга в том, что он создал формальную логику, учение о доказательстве, разработал понятийный аппарат, разработал структуру организации научного исследования, отделил науки о природе от метафизики и математики и создал геоцентрическую модель мира, где в центре Космоса располагалась Земля (греч. Гео – Земля), имеющая форму шара и неподвижна. Планеты движутся по кругам – эквантам равномерно. При этом вращаются не сами планеты, а сферы, поэтому небо состоит из замыкающих друг друга твердых прозрачных шаров, внутри которых неподвижно находятся планеты. Мир ограничен, но вечен. Последняя сфера – сфера богов. Мир не мыслим без движения. Однако началось оно под влиянием перводвигателя (божества). Космос гармоничен, а Земля – нет, т.к. Космос – мир нетленный, состоит из эфира. Космос вечен. Все земное состоит из 4-х элементов: земля, вода, воздух, огонь и поэтому является тленным. Все на Земле умирает и возрождается. В своей работе «О небе» он привел два веских довода в пользу того, что Земля не плоская тарелка (как считали в то время), а круглый шар.
Во-первых, Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а это может быть в том случае, если Земля имеет форму шара.
Во- вторых, из опыта своих путешествий греки знали, что в южных районах Полярная звезда на небе располагается ниже, чем в северном (в то время считали, что небо – это купол, покрывающий плоскую Землю и звезды на этом куполе неподвижны).


Рождение новой картины строения Космоса, разрушающей все старые привычные представления об окружающем людей мире, настолько изменило и само мировоззрение всех живших в то время людей, что силу его воздействия на умы приравнивается к революционному перевороту.
2. Ньютоновская (16-18вв).
Переход от геоцентризма к гелиоцентризму (греч. Гелио – Солнце) Солнце – центр Вселенной. Период становления классического естествознания при участии Н. Коперника, Г. Галилея, Дж. Бруно, И. Кеплера, Р. Декарта, И. Ньютона. Это период становления классического естествознания.
Еще около 310-230 лет до н.э. Архимед предложил гелиоцентрическую систему, в которой все планеты, в том числе и Земля, вращаются вокруг Солнца. Однако, подобная мысль слишком опережала свое время и была полностью отвергнута.
Французский философ Н. Орезмский (1320-1382) высказал мысль, что легче представить себе вращение самой Земли, чем вращение вокруг нее огромной звездной сферы. Однако дальше идеи не пошел.
Начало научной революции положил труд Н. Коперника (1473-1543). Он проникся убеждениями, что наблюдаемые движения небесных тел лучше всего объясняются двумя движениям Земли: ее вращением вокруг своей оси и обращением вместе с другими планетами вокруг Солнца, которое находится в центре мира.
Принципиальные отличия науки 16-18 вв. от античной:
А. Классическое естествознание заговорило языком математики.
Б. Наука нашла мощную опору в методах экспериментального исследования явлений со строго контролируемыми условиями.
В. Классическое естествознание разрушило античные представления о Космосе, как вполне завершенном и гармоничном мире, который обладает совершенством и целесообразностью.
Г. Доминантой классического естествознания стала механика и утвердилась чисто механическая картина природы.
Д. Сформировался четкий идеал научного знания, т.е. раз и навсегда установленная абсолютно истинная картина природы, в которой происходят количественные изменения, а качественные преобразования отсутствуют. Ее нельзя радикально переделать.
3. В общем русле этой революции наука развивалась практически до конца 19 столетия. «Потрясение основ», т.е. третья глобальная научная революция произошла на рубеже 19-20 вв. Целая серия блестящих открытий нанесла сокрушительный удар по базовой предпосылке механической картины природы. Наиболее значимыми теориями, составляющими основу новой парадигмы научного знания, стали теория относительности (специальная и общая) и квантовая теория поля Эйнштейна. Первая теория – это новая общая теория пространства, времени, тяготения. Вторая теория обнаружила вероятностный характер законов микромира, а также корпускулярно-волновой дуализм в фундаменте материи.
Принципиальные изменения, произошедшие вследствие этих открытий:
Отказ от центризма (все системы отсчета равноправны)
Переосмысление сходных понятий – пространство, время, причинность, непрерывность.
Отвергается жесткое классическое противостояние объекта и субъекта познания.
Стало ясно, что «единственно верную», абсолютно точную картину мира не удастся создать никогда, любая из них может обладать лишь относительной истинностью.
2. 1 тип: середина 16-18 вв.
Разрушение наивных представлений о макромире, вера в видимость. Эти революции оставляют нетронутыми убеждения о неизменности явлений, процессов окружающего мира. Данный тип революций предшествовал промышленным революциям 18-19 вв. Научные знания стали опережать технику и вступили в противоборство с вековыми религиями и философскими традициями.
2 тип: сер.18 - кон.19 вв.
Происходит разрушение метафизических представлений о неизменности природы и проникновение идеи развития в науку о макромире. В итоге сложилась классическая картина природы, которая распространялась и на микромир.
3 тип: 20 век.
Эти революции означают проникновение науки в область микромира и преодоление качественной тождественности макро и микро миров. В результате были созданы квантовая физика, химия и генетика . Метафизичность заменяется диалектическим материализмом.

Пример локальных научных революций 1-го типа.
Научные революции в астрономии и механике.
1543 г. Коперник создал гелиоцентрическую модель мира. Сущность: в центре Вселенной находится неподвижное Солнце. Вокруг него по равномерным круговым орбитам вращаются планеты. Каждая планета движется вокруг своего центра, а эти геометрические центры движутся вокруг центра мира, который олицетворяет Солнце. Мир ограничен и сферичен. Движение планет обусловлено божественной силой.
Развитие учения Коперника:
Дж. Бруно (1548-1600): Солнце – центр солнечной системы, но не Вселенной. У Вселенной нет центра. Звезды такие же солнца и имеют свои планетные системы, на которых также возможна разумная жизнь.
Галилео Галилей (1564-1642, итал.). В механике приходит к открытию закона инерции (равномерное и прямолинейное движение, равно как и покой, может существовать при отсутствии всяких сил), который ликвидировал многовековое заблуждение Аристотеля о необходимости постоянной силы для поддержания равномерного движения. Именно Галилей впервые обратил внимание на относительность механического движения, сформулировав свой механический принцип относительности движения (никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, невозможно установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно).
В астрономии, первым применив телескоп для изучения небесного сферы, увидел ландшафт Луны (горы и долины), подобные земному; наблюдение замеченных на поверхности Солнца пятен помогло Галилею выяснить, что оно вращается вокруг своей оси. А если Солнце вращается вокруг своей оси, то и Земля может совершать подобные движения; оказалось, что Млечный путь состоит из скопления множества звезд, а не представляет собой туманность, как считалось со времен Аристотеля.
Наблюдая в телескоп планеты, Галилей заметил, что они представляют собой вполне различимые светящиеся диски, тогда как звезды и при самом большом увеличении остаются светящимися точками. Это означает, что звезды находятся на гораздо больших расстояниях от Земли, чем планеты.
Обнаружение четырех спутников у Юпитера в 1610 г., позволило Галилею доказать, что Земля не является единственным центром Вселенной.
И. Кеплер (1571-1630). Открыл три закона движения планет:
1-ый закон: орбита планеты - эллипс, в одном из фокусов которой расположено Солнце.
2-ой закон: скорость движения планеты зависит от ее положения на орбите; движение планет не равномерное.
3-ий закон: выявляет зависимость между периодом обращения планеты вокруг Солнца и ее расстоянием от Солнца.
Открытием своих законов Кеплер положил конец более чем двухтысячелетнему господству догматической веры в совершенство небес и идеи об идеальном круговом движении небесных тел как единственно возможном. Более того, Земля была окончательно «свергнута» со своего пьедестала в центре мироздания.
И. Ньютон (1643-1727). Завершил революцию, открыв свои механические законы движения и закон всемирного тяготения, который объяснил, что удерживает планеты на своих орбитах и что заставляет вращаться их вокруг Солнца - это сила тяготения. Однако природа этой силы осталась неразгаданной. Сам Ньютон упорно отказывался даже от попыток объяснить природу гравитационной силы. Также наряду с Лейбницем он разработал дифференциальное и интегральное исчисление.
3 закона Ньютона:
1-ый закон: всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят этого состояния;
2-ой закон устанавливал зависимость сил действующих на тело, от его ускорения и массы (F=ma), а направление ускорения совпадает с направлением силы;
3-ий закон: действию всегда соответствует противодействие, равное по величине и разнонаправленное.
Первый и второй законы Ньютона окончательно опровергли учение Аристотеля о силе и движении
Локальные революции первого типа в химии.
В химии долго господствовало представление Аристотеля по поводу горения, как распада тел (учение о флогистоне). Где огонь - абсолютно легкая, реальная субстанция, не имеющая тяжести и стремящаяся вверх, т.е. огонь материален. В 18 в. Г. Шталь представлял процесс горения как процесс распада тел: горение тел оксид + флогистон, который выделяется. Данное учение было основано на веру в видимость.
В 18 в. А. Лавуазье (1772-1787) опровергает учение о флогистоне и создает свою кислородную теорию горения, открыв при этом кислород:
- тела горят только в чистом воздухе;
- «чистый воздух» поглощается при горении;
- увеличение массы сгоревшего тела = уменьшению массы «чистого воздуха»;
- металлы при прокаливании превращаются в оксиды
Т.о., Лавуазье за внешней видимостью процесса горения разглядел внутреннюю сущность.
Пример локальных научных революций 2-го типа.
1. В астрономии выдвижение космогонической гипотезы И. Канта и П. Лапласа. В 1755 г. И. Кант выдвинул идею о том, что солнечная система не возникла в готовом виде в результате творческого акта, а развилась постепенно из холодной, пылевидной туманности в результате присущего ей самой вращательного движения. В итоге в центре образовалось Солнце, а на периферии – планеты, сохранившие вращательное движение. В 1796 г. П. Лаплас предложил гипотезу об образовании солнечной системы из раскаленной вращающейся газовой туманности (лат. небула – туманность). Поэтому их гипотезы назвали небулярной теорией Канта – Лапласа. Т.о., картина природы в астрономии стало подвижной.
В химии Дж. Дальтон, взяв за основу массу атома водорода, вычислил массу атомов других элементов и открыл закон кратных отношений (вещества взаимодействуют друг с другом в весовых количествах, выражающихся небольшими целыми числами). Этот закон позволяет с помощью представлений об атомах выяснить причину определенных соотношений элементов в соединениях. Следовательно, химическое взаимодействие – это соединение и разъединение атомов. В 1810 г. Дальтон ввел понятие атомной массы элемента, описал атомы как неделимую частицу и представил атомы одного вещества одинаковыми по форме, массе и другим свойствам.
Эти идеи продолжил И.Я. Берцелиус, который распространил закон кратных отношений на органические вещества и разрушил, тем самым, перегородку между живой и неживой природой. Он также предложил новую модель атома в виде электрического диполя. Он выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы разных химических элементов обладают различной электроотрицательность, и расположил их в своеобразный ряд по мере увеличения этой самой электроотрицательности. Тем самым он утверждал о том, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а имеет определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами.
В 1840 г. фр. Ученый Ш. Жерар показал, что структуры И.Я. Берцелиуса справедливы не во всех случаях; есть масса веществ, молекулы которых невозможно разложить на отдельные атомы под действием электрического тока, они представляют собой как бы единую целую систему. И именно такую систему Ш. Жерар предлагал называть молекулой. Он также разработал теорию типов органических соединений, введя понятие «гомологичные ряды» и «гомология». Он показал, что это общая закономерность для органических соединений.
В 1861 г. А.М. Бутлеров создал теорию строения органических веществ, установив при этом энергетическую неравноценность разных химических связей (пр.: С-С, С=С, С
·С). его теория указала на причины активности одних веществ и пассивности других; на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекул.
Завершил научную революцию 2-го типа в химии Д.И. Менделеев, открыв в 1869 г. периодический закон элементов: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома. Тем самым устранил разницу между физическими и химическими явлениями природы.
Результатом 2-х революций явилось появление 3-х великих открытий:
Закон сохранения и превращения энергии, который открыл М. В. Ломоносов. Этот закон разрушил представления о существовании различного рода флюидов. Все флюиды были признаны разными формами энергии, т.е. разные проявления одного и того же движения. Все физические явления стали рассматриваться в комплексе, т.е. взаимосвязано.
Эволюционное учение Дарвина, который в 1859 г., вскрыв механизм эволюции, установил непрерывность движущих сил развития живой материи. По Дарвину, движущей силой возникновения новых видов являются естественный отбор, наследственность и изменчивость.

Клеточная теория Шлейдена и Шванна, которая ликвидировала разрыв между растениями и животными. Согласно этой теории структурной единицей всех организмов является клетка. Она же является общей, исходной формой возникновения и развития жизни.
Пример локальных научных революций 3-го типа.
В 1905 г. А. Эйнштейн опубликовал работу, посвященную специальной теории относительности. Она основана на 2-х постулатах:
1) На принципе относительности: все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в отношении поставленных в них любых физических экспериментов, следовательно, равномерное и прямолинейное движение такой системы никак не отражается на результате проводимых в ней опытов, если она не ускоряется и не вращается. Этот принцип устранил различия в проявлении законов механики и электродинамики при переходе в другие инерциальные системы отсчета, и отбросили как не нужную идею о неподвижном эфире ньютоновского абсолютного пространства.
2) Скорость света является постоянной во всех инерциальных системах отсчет, т.е. является постоянной величиной и равна 300 тыс. км/с. ключевой момент специальной теории относительности состоит в том, что никакую информацию нельзя передать быстрее скорости света, иначе нарушается фундаментальный закон причинности: причина всегда предшествует следствию.
В 1907 г. Минковский предположил, что все события во Вселенной должны происходить в 4-х мерном пространстве - времени. С тех пор законы природы записываются в 4-х мерном виде.
В общей теории относительности, которую А. Эйнштейн опубликовал в 1916 г., объяснялась природа тяготения, которая является следствием геометрических свойств пространства – времени вблизи массивных тел. Это происходит потому, что лучи света и частицы двигаются в пространстве – времени самым коротким путем – по геодезической линии (дуге). Следовательно, чем массивнее тело и выше его плотность, тем больше оно искривляет окружающее его пространство – время, и тем большую силу притяжения испытывают соседние тела.
Тема 6. Принципиальные особенности современной естественнонаучной картины мира.
Что такое научная картина мира (НКМ)? Роль глобального эволюционизма в современной картине мира.
Синергетика – теория самоорганизации.
Общие контуры современной естественнонаучной картины мира.
1. НКМ – это не сумма всех естественнонаучных знаний, а система наиболее существенных законов и теорий, отражающих общие стороны и необходимые связи природных явлений и объектов; это обобщенный интегральный образ природного мира на основе достижений фундаментальных естественных наук. Научной картине мира предшествуют локальные картины природы: химические, физические, биологические. Локальные картины природы формируются путем теоретического осмысления наиболее фундаментальных представлений конкретной науки и дальнейшего синтеза знаний в единую систему.
Структура локальной картины природы:
- философское основание (метафизический или диалектический материализм);
- теоретический базис (те научные дисциплины, которые составляют основу этой картины природы);
- теории и законы, которые являются ведущими в этой картине природы.
Роль глобального эволюционизма в современной картине мира.
Глобальный эволюционизм и Вселенная в целом и во всех ее элементах не могут существовать вне развития. Идея эволюции зародилась в 19 в. в учении Ч. Дарвина. Впервые этот термин в научных трудах употребил Ж.Б. Ламарк, рассматривая вопросы развития живой материи.
Основанием для принятия эволюции в классической физике было открытие в 20 гг. 20 века расширения Вселенной, т.е. у Вселенной имеется начало во времени, следовательно, она исторична, т.е. эволюционирует. Таким образом, идея эволюции завладела физикой и космологией – наукой о происхождении Вселенной.
Концепция изначального образования Вселенной указала на историческую последовательность появления в ней различных элементов, которые затем в результате «отбора» определили основу жизни (из более чем 100 известных химических элементов основу жизни составляют только шесть: С, Н, О, N, Р, S).
Тот же механизм «отбора» прослеживается и на следующем витке эволюции: из многих миллионов органических соединений в построении биосистемы заняты лишь несколько сотен, а из 100 известных аминокислот для составления белковых молекул природа использовала только 20.


Идея эволюции проникла и в другие области естествознания. В геологии окончательно утвердилась концепция дрейфа континента, а экология, биогеохимия, антропология были эволюционны изначально. Отсюда следует лозунг естествознания: все существующее есть результат эволюции. Но возникает вопрос: что же является движущими силами эволюции материи в целом?
2. Синергетика (греч. – совместное действие), появившаяся в 70-х годах нашего столетия, претендует на описание движущих сил эволюции материи в целом и любых объектов, считая, что движущими силами является способность самой материи самоорганизовываться и самоусложнятся. Общий смысл комплекса синергетических идей состоит в следующем:
процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны.
процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем, в которых они осуществляются.
Т.о., синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, при помощи которого осуществляется самоорганизация живой и неживой природы.
Самоорганизация - спонтанный переход открытых неравновесных систем от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Объекты синергетики – это нелюбые системы, а только те, которые отвечают по минимуму 2-м условиям:
- открытые, т.е. способные обмениваться веществом и энергией с внешней средой;
- существенно неравновесные, т.е. находятся в состоянии далеком от термодинамического равновесия (хаоса).
Итак, синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастания сложности и упорядоченности.
В цикле развития такой системы наблюдается 2 фазы:
Период плавного эволюционного развития, с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию.
Выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.
Примеры процессов самоорганизации: рост кристаллов, развитие организма, динамика популяций, рыночная экономика.
Выводы:
хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность);
эволюция сложных систем носит нелинейный характер, т.е. для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции;
развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точке бифуркации – точка, в которой система достигла своих критических параметров. Случайность - это не досадное недоразумение, она встроена в механизм эволюции.
3.Картина мира, рисуемая современным естествознанием, необыкновенно сложна и проста одновременно.
Можно выделить следующие открытия в естествознании, которые привели к научным революциям 20 в. и способствовали формированию современной картины мира.
В космологии – модель Большого взрыва и расширяющейся Вселенной.
В геологии – тектоника литосферных плит.
В физике – смещение точки отсчета от материи к энергии и от вещества к полю.
В теории относительности – относительность пространства и времени.
В квартовой механике – открытие явления корпускулярно-волнового дуализма.
В синергетике – становление новых структур в неживой природе.
В антропологии – модели происхождения жизни.
В экологии – взаимодействие живого со средой.
В генетике – механизм воспроизводства жизни.
В психоанализе – роль бессознательного в человеческой психике.
Простоту и элегантность современной картине мира придают следующие фундаментальные принципы:
1) системность, т.е. Вселенная предстает как наиболее крупная структура, которая состоит из огромного множества элементов разного уровня сложности и упорядоченности;
Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных систем развития, которые подчиняются общим закономерностям.
Структурность естественнонаучной картины мира
Уровни организации
Часть пространства
Наука
Вид эволюции

Вселенная
Мегамир
Космология
космический

Галактики
Мегамир
Астрономия
космический

Звездные системы
Мегамир
Космогония
космический

Планеты
Мегамир
Космогония
планетарный

Биосфера
Макромир
Экология
экологический

Сообщества, экосистемы
Макромир
Экология
биологический

Виды
Макромир
Экология
биологический

Популяции
Макромир
Экология
биологический

Индивид
Макромир
Экология
биологический

Клетка
Микромир
Цитология и генетика
биологический

молекула
Микромир
Химия
химический

атом
Микромир
Физика
физический

элементарные частицы
Микромир
Физика
Физический

кварк
Микромир
Физика
физический

2) глобальный эволюционизм – это признание невозможности существования Вселенной и всех порождаемых ею менее масштабных систем вне развития; он свидетельствует о принципиальном единстве мира, каждая составляющая часть которого есть историческое следствие глобального эволюционного процесса;
самоорганизация, т.е. способность материи к самоусложнению и созданию более упорядоченных систем в ходе эволюции;
историчность, признание принципиальной незавершенности настоящей и любой другой научной картины мира.
Хронология развития мира.
18-20 млр. лет назад – Большой взрыв;
3 мин спустя – образование вещественной основы;
Через несколько сотен тыс. лет – появление атомов легких элементов;
17-19 млр. лет назад – образование крупномасштабных структур – Галактик;
15 млр. лет назад – появление звезд первого поколения, образование атомов тяжелых элементов;
5 млр. лет назад – рождение Солнца;
4,6 млр. лет назад – образование Земли;
3,8 млр. лет назад – зарождение жизни на Земле;
450 млн. лет назад – появление первых растений;
150 млн. лет назад – появление первых млекопитающих;
2 млн. лет назад – начало антропогенеза.
Вывод: эти принципиальные особенности современной естественнонаучной картины мира и определяют в главном ее общий контур, а также сам способ организации разнообразного научного знания в нечто целое и последовательное.

Раздел 3.
Структурные уровни организации материи.
Тема 7. Концепции классического естествознания.
Научные предпосылки формирования механической картины природы (КП).
Механическая картина природы и причины ее смены.
Научные предпосылки формирования электромагнитной картины природы.
Электромагнитная картина природы.
Сравнительная характеристика механической и электромагнитной КП и причины смены электромагнитной КП.
Формирование механической КП берет свое начало в Древней Греции (5-4 вв. до н.э.) Научные предпосылки формирования КП природы связаны с именами многих ученых своего времени среди которых можно выделить: Левкиппа и Демокрита, Аристотеля и Анаксагора, Эпикура, Архимеда, Г. Галилея и И. Ньютона.
Самой гениальной была идея атомистического строения материи, впервые высказанная Левкиппом (500-400 лет до н.э.) и развитая его учеником Демокритом (460-370 лет до н.э.).
Суть учения (атомистического) Демокрита сводится к следующему:
не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства (т.е. пустоты, небытия);
атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме;
из «ничего» не происходит ничего;
ничто не совершается случайно, а только по какому-либо основанию и в связи с необходимостью;
различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке.
В пустоте во всех направлениях движутся атомы, которые имеют разную форму, массу и размеры. Образование тел из атомов происходит в результате механического сцепления. Все явления природы также есть результат изменения различных сочетаний атомов. Боги материальны и состоят из особых атомов, которые наши органы чувств не воспринимают.
Развивая учение Демокрита, Эпикур (341-270 лет до н.э.) пытался объяснить на основе атомных представлений все естественные, психические и социальные явления.
Альтернативной, конкурирующей программой того времени, объясняющая со своих позиций суть вещей, была программа Анаксагора и Аристотеля – антиатомистическая.
Ее суть:
пустоты нет; все пространство заполнено материей, которая существует вечно;
все во всем есть часть всего;
материя находится во вращательном движении; мир – это вращающийся Космос;
материя состоит из 4-х частей: огонь, воздух, земля и вода, которые находятся под контролем 4-х стихий (сил): сухость, влажность, тепло, холод. Сочетание в различных соотношениях этих стихий обуславливает образование различных тел живой и неживой природы.
Архимед (287-212 лет до н.э.) стремился воплотить законы механики (закон рычага, учение о центре тяжести, закон о плавающих телах и др.) в действующие конструкции машин. Выводы Архимеда были подтверждены и развиты механиками 18-19 вв.
Вклад Г. Галилея в формирование механической КП связан с открытием закона инерции и механического принципа относительности. Они во многом способствовали созданию непротиворечивой теории механики и тяготения. (Смотри тему «Научные революции как закономерность развития естествознания»).
Вклад И. Ньютон в формирование механической КП связан в основном с открытием трех классических законов механики. Именно И. Ньютон впервые создал единую механику всех земных и небесных тел, с общими для них законами инерции, динамики, действия и противодействия, а также взаимного тяготения. (Смотри тему «Научные революции как закономерность развития естествознания»).
Итак, с 17 века утвердилась механическая КП, которая охватила своими идеями все научные сферы того времени. Ее характерные особенности.
Философское основание - метафизический материализм, т.е. мир в целом таков, каким он был всегда; в нем отсутствуют внутренние противоречия. В этом залог незыблемости природы. Допускаются только количественные изменения.
Теоретический базис - механика Ньютона (все тела состоят из атомов и молекул, которые находятся в тепловом движении; атомы - цельные неделимые кирпичики вещества, механически сцепленные друг с другом). В то время считалось, что атомы имеют различную форму, снабжены крючками, зубцами, петлями и химическое взаимодействие сводилось к механическому.
Теории и законы – законы механики Ньютона.
Взгляды на причины природных явлений. Пространство между атомами заполнено различного рода флюидами, все физические явления обособлены. Их причины реально не выяснены и сводятся к существованию флюидов: флогистон – причина реакции горения; теплород – причина тепловых явлений, магнитная жидкость – причина магнитных явлений, электрическая жидкость – причина электрических явлений, светород – причина оптических явлений, жизненная сила – причина жизни.
Виды материи и взаимодействие между ними. Вещество – единственный вид материи. Все тела состоят из веществ. Взаимодействие между телами происходят при непосредственном контакте (силы упругости, силы трения) и на расстоянии (сила тяготения). Все наблюдаемые в природе движения сводятся к механическим перемещениям, к столкновениям и сцеплениям. Все виды энергии сводятся к энергии механического движения. Макромир аналогичен микромиру.
Взгляды на причинность в природе и ее происхождение. Мир - это сложный часовой механизм, созданный и запущенный Богом. Живая и неживая природа сконструирована из одних и тех же деталей, отличающихся размерами. Созданные Богом первоначальные алгоритмы исправно функционируют и однозначно определяют все происходящее в мире. В этом мире не случайностей, на все есть своя причина.
Причинами смены механической КП явились открытия в области электричества и магнетизма в конце 19 в., которые не могли быть объяснены с позиции механической КП. (Смотри следующий вопрос).
Научными предпосылками формирования электромагнитной КП послужили следующие открытия в области электричества и магнетизма:
Открытие М.В. Ломоносовым (1711-1765) в 18 в. закона сохранения материи и движения. Он впервые высказал мысль о связи электрических и световых явлений, предполагал электрическую природу северного сияния, защищал волновую теорию света.
2) Французский физик Ампер (1775-1836) и датский физик Эрстед (1777-1851) опытным путем установили прямую связь между электричеством и магнетизмом. С этого периода зарождается наука об электричестве – электродинамика. Ампер для измерения интенсивности движения электричества вводит понятие «силы тока» и открывает закон взаимодействия токов.
3) Английский естествоиспытатель М. Фарадей (1791-1867) открывает явление электромагнитной индукции, т.е. возникновение тока в проводнике в близи движущегося магнита.
4) Английский математик и физик Максвелл (1831-1879) создает теорию электромагнетизма и вводит понятие электромагнитного поля. В его теории была установлена органическая связь электричества и магнетизма; вводилось понятие электромагнитного поля, и движение частиц в этом поле определялось силовой характеристикой – напряженностью поля в этой точке. Именно на этом этапе электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия. Он предположил существование электромагнитных волн и установил, что скорость электромагнитных волн должна быть равна скорости света. Свет - разновидность электромагнитных волн.
В 1888 г. экспериментальным путем Г. Герц открыл электромагнитные волны.
4.. Философское основание - метафизический материализм.
Теоретический базис - классическая электродинамика, классическая термодинамика и классическая физика.
Теории и законы: законы механики И. Ньютона.
Причины природных явлений. Все пространство заполнено электромагнитным эфиром. Молекулярно-кинетическая теория газов Ломоносова привела к отказу от флюидов. Благодаря открытию в области электричества и магнетизма была установлена связь между разными физическими явлениями. Причины природных явлений сводятся к взаимодействию протонов и электронов.
Виды материи и взаимодействие между ними. Материя существует в 2-х формах 1) Вещество: две частицы вещества - протон и электрон, которые проявляют только корпускулярные свойства; Вещество состоит из молекул, а они из атомов. Атомы делимы, состоят из частиц 2-х видов: протоны и электроны. Предлагаются разные модели атомов: в 1902-1903 гг. У.Томсон предлагает модель атома в виде «булки с изюмом»: все пространство заполнено протонами, а изюминки – электроны; в 1904 г. –Ф. Ленард предлагает модель атома в виде дуплетов: внутри атома есть дуплеты, состоящие из «+» и «-«; в 1904 г. – Х. Нагаоки предлагает модель «Сатурна»: в центре – положительные протоны, образующие ядро; в одной плоскости вокруг протонов вращаются электроны; в 1911г. Э. Резерфорд предлагает модель «солнечного атома»: в центре – ядро, состоящее из протонов, а вокруг него в разных плоскостях по своим орбитам вращаются электроны. Протоны и электроны стабильны, поэтому атом стабилен.
2) Поле: одна частица поля - фотон, проявляет корпускулярно-волновые свойства; существует два вида полей: электромагнитное и гравитационное; между веществом и полем – непереходимая грань. Электромагнитное взаимодействие – причина всех физических и химических явлений, кроме гравитационного.
Взгляды на причинность в природе и ее происхождение. Природа - грандиозная механическая машина, созданная Богом и работающая с абсолютной точностью; случайностям нет места; атомы и молекулы отождествляются с макротелами. Поведение макро и микро объектов детерминировано (предопределено). Случайности отрицаются.
5. Общие черты:
метафизичность (непризнание качественного развития природы);
детерминизм (строгая причинность всех явлений, отрицание случайностей);
механистичность (поведение объектов подчиняется законам Ньютона, которые распространяются на микро и макро миры).
Черты отличия или прогрессивные черты электромагнитной картины природы:
появление 2-х форм материи (поле и вещество);
появление сил взаимодействия в природе (гравитационная и электромагнитная);
представление модели атома и открытие меньших, чем атом, элементарных частиц (протон, электрон);
корпускулярно-волновой дуализм фотона;
интеграция физических явлений (световые и магнитные).
Причины смены электромагнитной картины природы - это те открытия, которые не могли быть объяснены с позиции электромагнитной картины природы.
1887 г. – открытие явления фотоэффекта (Г. Герц, Столетов);
1900 г. - обнаружение прерывистости электромагнитного излучения (М. Планк);
1905 г. - А. Эйнштейн сформулировал специальную теорию относительности, подтверждающая зависимость массы электрона от его скорости.
Таким образом, налицо все признаки кризиса. Многие физики в этих условиях переходят на путь физического релятивизма (принцип относительности наших знаний).
Его сущность:
мир не познаваем;
существует лишь разум, а не вещи;
физика изучает не сущность вещей, а их отношения, которые описываются уравнениями. Материя исчезает, остаются только уравнения. Разум выдумывает законы природы;
наши знания относительны, абсолютной истины нет.
Другая группа физиков увидела выход из кризиса в переходе от метафизики к диалектике.
Диалектическое мышление – такое мышление, которое признает качественное изменение в мире (эволюцию), внутренние противоречия (случайность) и конкретность истины.
Результатом такого перехода явилось крушение электромагнитной картины природы и создание квантовой физики.
1932 г. – год «чудес», год окончательного распада эл/м КП:
1-е «чудо» (событие) – открытие нейтрона Д. Чедвиком. Это открытие привело к созданию протоно-нейтронной модели атомного ядра (С.Д. Иваненко и др.). сумма протонов равна положительному заряду ядра атома и, соответственно, порядковому номеру электрона; сумма протонов и нейтронов равна массе атома; сумма протонов равна сумме электронов; добавление протона превращает один элемент в другой; добавление нейтрона превращает один изотоп в другой.
2-е «чудо» – открытие ядерной реакции Э. Резерфордом. Благодаря этому открытию в 1934 г. Ферми удалось получить искусственную радиоактивность. С этого периода начался век ядерной физики.
3-е «чудо» – Андерсон обнаружил позитрон. Позитрон – это античастица электрона. Благодаря этому было установлено, что пара электрон – позитрон приводит к образованию фотона и наоборот, т.е. вещество (электрон и позитрон) может превращаться в поле (фотон) и наоборот. Тем самым была разрушена непереходимая грань между веществом и полем.
Тема 8. Микромир: концепции современной физики.
Рождение и развитие представлений о квантах.
Теория атома Н. Бора.
Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике.
Элементарные частицы как глубинный уровень структурной организации материи; виды взаимодействия между частицами.
Характерные особенности квантово-полевой КП.
Первый шаг к объяснению двойственного поведения частиц (корпускулярно-волновой дуализм) был сделан в 1900 г. М. Планком. В процессе работы по исследованию теплового излучения М. Планк пришел к выводу о том, что в процессах теплового излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях – квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций (квантов) определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую ввел в науку под символом h. Е = h Ч
· (h
· – квант энергии,
· – частота).
Таким образом, фундамент квантовой физики был заложен 14 декабря 1900 г., который считается днем рождения квантовой теории, всей атомной физики и начала новой эры естествознания.
В 1905 г. А. Эйнштейн перенес идею квантового поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и, таким образом, обосновал новое учение о свете – квантовую теорию света (или фотонная теория Эйнштейна), которая утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление.
И вместе с тем, световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется в определенных местах. Отсюда следует, что свет имеет прерывистую структуру. Свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов или фотонов. Их энергия определяется по формуле М. Планка. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии.
Значение квантовой теории. Она помогла понять и наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которой: выбивание электронов из вещества под действием эл/м волн. За такое толкование А. Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию.
Возникла парадоксальная ситуация: свет ведет себя не только как волна (в опытах по дифракции и интерференции), но и как поток корпускул (фотоэффект). При этом фотон (квант) оказался корпускулой особого рода, т.к. присущая ему порция энергии (это основная характеристика его дискретности) вычислялась через чисто волновую характеристику – частоту (
·).
Теория А. Эйнштейна, развивающая взгляды М. Планка, позволила Н. Бору разработать модель атома, который в 1913 г. применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров, устранив, тем самым, противоречия, которые возникли при планетарной модели атома Э. Резерфорда.
Неразрешимое противоречие заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать эл/м энергию. Но тогда электроны очень быстро израсходовали бы всю свою энергию и упали бы на ядро. Но ведь атом – это стабильная частица.
Модель атома Н. Бора разрешила эти противоречия. Она базировалась на планетарной модели Резерфорда и на квантовой теории атома Эйнштейна. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на 2-х постулатах:
в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (т.е. несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая энергию;
при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое электрон излучает или поглощает порцию энергии.
Постулаты Н. Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарном состоянии электроны без внешней на то причины не излучают эл/м энергии. При этом атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально и процессы в атоме тоже нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире, т.к. электрон – не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния.
Представления А. Эйнштейна о квантах света оказали еще одно плодотворное действие на развитие атомной физики, в которой была выдвинута идея о «волнах материи».
В 1924 г. фран. физик де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. Согласно его идеи любому телу с массой m, движущегося со скоростью v, соответствует волна
· = h/mv. Это была мысль де Бройля о всеобщем дуализме частиц и волны. Она позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства вещества и поля в их единстве.

Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно-математический облик и получили, благодаря нем. физику М. Борну, символическое название – «волны вероятности».
Убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов амер. физиками Дэвисоном и Джермером. Далее была обнаружена дифракция нейтронов, атомов и даже молекул.
Открытие волновой природы электрона было предложено П. Дираком в 1928 г. Эта теория дает нам возможность определить, когда электрон сходен с частицей, а когда – с волной. Одна из посылок теории Дирака об электроне заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как электрон, но с положительным зарядом. Как было отмечено ранее, такая частица была обнаружена Андерсоном в 1932 г. и названа позитроном. Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции), образует пару фотонов, т.е. квантов эл/м излучения. Возможен и обратный процесс, когда фотон, взаимодействуя с ядром, превращается в пару электрон-позитрон.
Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм в современной физике стал всеобщим.
В 1932 г. было известно 3 элементарные частицы: протон, нейтрон и электрон.
В 1964 г. – уже 19 элементарных частиц.
Сейчас – более 300 элементарных частиц.
Но большинство из них не стабильны. Такие частицы называются резонансами. Если их исключить, то остается 25 частиц:
1-ое семейство - фотоны; S = 1;
2-ое семейство – лептоны (легкие, такие как: электрон, нейтрино, глюон); S = ± Ѕ;
3-е семейство – андроны (тяжелые: мезоны и барионы), такие как: протон, нейтрино; S = 0, ± Ѕ.
Все частицы отличаются друг от друга по целому ряду характеристик: масса, электрический заряд, спин, время жизни, продукты распада и т.д.
В квантовой механике частицы не имеют вполне определенной оси вращения. Спин частицы дает нам сведения о том, как выглядит эта частица, если смотреть на нее с разных сторон:
S = 0 – выглядит со всех сторон одинаково;
S = 1 () – принимает прежний вид после оборота на 360є;
S = 2 () – любые ее положения повторяются с полуоборота;
S = Ѕ - принимают прежний вид после двойного оборота.
Стабильными частицами являются только 5: фотон, протон, нейтрон, электрон и нейтрино. Остальные все не стабильны. Следовательно, нестабильность – это правило. Основным свойством частиц является их взаимопревращаемость, которая осуществляется спонтанно, т.е. самопроизвольно, в различных направлениях. При этом частицы не распадаются, а рождают новые частицы за счет энергии столкновения.
Все известные частицы во Вселенной можно разделить на две группы (учитывая их спин):
частицы со спином: S = Ѕ, из которых состоит любое вещество во Вселенной (нейтроны, протоны, лептоны, гипероны), которые можно объединить в семейство фермионов, т.к. для них выполняется принцип Ферми – нетерпимости: в одном состоянии может находиться только одна частица. Это реальные частицы. Среди них стабильными являются только 4: электроны, протоны, нейтроны и нейтрино;
частицы с целым спином: S = 0,1,2, которые создают силы, действующие между частицами вещества (фотоны и мезоны), т.е. являются переносчиками всех видов взаимодействия; для них выполняется – принцип Бозе - принцип коллективизма, когда одно состояние частицы могут заполнять в неограниченном количестве. Среди них стабильными являются только фотоны. Бозоны – это виртуальные частицы, т.к. их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора. Но они существуют, т.к. создают эффекты, поддающиеся измерениям.
Большое количество андронов навело ученых на мысль о возможной структурности этих частиц. Впервые исследовал эти частицы амер. физик-теоретик Гелл-Манн. Он назвал их кварками. Эти кварки относятся к семейству фермионов, обладают дробным зарядом и не могут существовать в свободном состоянии. В настоящее время известно несколько разновидностей кварков: шесть ароматов. Кварк каждого аромата может иметь еще и один из трех цветов – красный, зеленый, синий. Это просто обозначения, т.к. размер кварков значительно меньше длины волны видимого света и поэтому цвета в обычном смысле слова у них нет. Пока, что кварки описаны теоретически, т.е их экспериментально не обнаружили, т.к. вся дополнительная энергия расходуется не на расщепление андронов, которые, предположительно, состоят из кварков, а на рождение новых глюонов, т.е. новых частиц.
Главная характеристика микрообъектов – их корпускулярно-волновой дуализм. Для микрообъектов принципиально невозможно безграничная детализация ни во времени, ни в пространстве; их особенность – цельность должна удерживать от вопроса «из чего состоит». Также для микрообъектов невозможна буквальная наглядная модель. Физические параметры микрообъектов – это результат математических расчетов. Модельные представления условны, относительны и сочетаются с математическими абстракциями. Состояние микрообъектов задается закономерностями распределения, которые дают вероятность того, что данные величины принимают те или иные значения, при этом сами величины не принимают определенных значений, т.е. оказываются случайными. Случайность выступает в диалектической связи с необходимостью, что и предопределяет фундаментальность статистических закономерностей. Необходимым оказывается лишь вероятность поведения микрообъектов.
Квантово-механическое описание микромира основывается на принципе неопределенности, установленным нем. физиком Гейзенбергом, и принципе дополнительности Н. Бора.
Суть принципа неопределенности: никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость, т.е. где находится в данный момент времени частица, как быстро и в каком направлении она двигается. Принцип неопределенности есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его.
С принципом неопределенности перекликается принцип запрета Паули, открытый в 1925 г. австр. физиком В. Паули. Его суть: две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии, т.е. не могут иметь координаты и скорости, одинаковые с той точностью, которая задается принципом неопределенности. Если бы в сотворении мира не учитывался принцип Паули, кварки не могли бы объединиться в единые, четко определенные частицы – нейтроны и протоны, а те, в свою очередь, не смогли бы вместе с электронами образовать отдельные, четко определенные атомы. Без этого принципа они бы просто сколапсировали и превратились бы в более или менее однородное «желе».
Суть принципа дополнительности: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего» (Н. Бор). Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов является результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и микроприборов.
Частицы – переносчики можно классифицировать на четыре типа в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия, которые, в свою очередь, образуют четыре типа полей.
Поле взаимодействия
Переносчики взаимодействия
Сфера действия

Слабое поле и слабое взаимодействие; взаимодействие всех частиц со спином 1/2, кроме фотонов и гравитонов и частицами со спином 0, 1, 2.
Сильное поле и сильное взаимодействие (ядерное); удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра.
Эл/магнитное поле и эл/магнитное взаимодействие. Это взаимодействие всех частиц, кроме нейтрино и гравитонов.





4) Гравитационное поле и гравитационное взаимодействие.
Три промежуточных бозона.




8 глюонов из сем. бозонов.




Фотоны.









Гравитоны
Интимная сфера элементарных частиц, т.е. очень маленький радиус действия; маловероятное и медленно протекающее взаимодействие. Отвечает за радиоактивность.

Ядро. Это взаимодействие приводит к быстропротекающим процессам в ядре на коротких расстояниях. Отвечает за ядерные реакции.


Между электрически заряженными частицами: между электронами и протонами в ядре, между атомами, между молекулами. Это взаимодействие определяет строение и свойства атомов и молекул, его проявление разнообразны: силы притяжения и отталкивания, силы трения и упругости, давление, химические реакции. Может быть как силой сближения, так и силой отталкивания.
Макрообъекты и космические тела, т.е. действует на больших расстояниях и всегда сила сближения. Очень слабая сила.

Философское основание – диалектический материализм (признание эволюционного преобразования мира).
Теоретичесикй базис – квантовая физика, квантовая механика.
Теории и законы – теория относительности и теория поля Эйнштейна.
Природа – это саморазвивающаяся материя, представленная тремя разновидностями: вещество, поле, вакуум, между которыми отсутствует разделяющая грань, т.е. постоянно происходят взаимопревращения этих видов материи друг в друга. Кирпичики вещества – это молекулы и атомы.
Физический вакуум – это не пустота в обычном смысле слова, а особое, невозбужденное, низшее энергетическое состояние полей. Вакуум заполнен виртуальными частицами, которые возникают сами по себе, чтобы вскоре исчезнуть. Вакуум обладает какой-то минимальной энергией, которой мы не можем воспользоваться. При наличии внешнего источника энергии возможен переход вакуума в возбужденное состояние, при котором виртуальные частицы превращаются в реальные.
Случайность встроена в механизм эволюции материи.
Четыре вида полей и четыре типа взаимодействия: слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное.
Квантово-полевая картина природы диалектична. Она точнее отражает диалектически противоречивую действительность, многообразие явлений, взаимопревращаемость. Масса и энергия взаимосвязаны. Волновые и корпускулярные свойства объединяются. Все грани в природе условны и относительно подвижны.
Тема 9. Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции.
Научные предпосылки формирования современной картины Вселенной.
Современные космологические модели Вселенной. Космологические принципы.
Синергетическая модель возникновения материи. Этапы развития Вселенной.
Строение и эволюция галактик.
Звездная форма бытия космической материи: концепции образования, состав, строение и эволюция.
Планеты: концепции образования, развитие и строение.
Первые глобальные научные открытия были сделаны учеными не в земной области, а в области Вселенской, космической. Именно из этих астрономических знаний родилась новая картина строения Вселенной, разрушая все старые привычные представления об окружающем людей мире.
А) Картины мира античности: геоцентрическая (Аристотеля), прироцентрическая (Филолая), гео-гелиоцентрическая (Понтийского), геоцентрическая (Птолемея).
Геоцентрическая картина мира (Аристотеля): (см. тему 5).
Пироцентрическая картина мира (Филолая). Сущность: в центре мира – огонь, центр тяжести, опорная точка всего сущего. Земля не вращается вокруг своей оси. Первой от центрального огня расположена противоземля, которая придумана для того, чтобы объяснить смену дня и ночи. Люди не видят ни огня, ни противоземли, т.к. населяют противоположную часть Земли. Когда Солнце и населенная часть Земли находятся на одной и той же стороне от центрального огня, наступает день, когда на противоположной – ночь. Прогрессивные черты этой картины мира: Земля не покоится в центре мира, а занимает второстепенное положение среди небесных объектов.
Гео-гелиоцентрическая картина мира (Г. Понтийского). Сущность: два центра мира: Земля и Солнце, а все планеты расположены на своих сферах дальше. Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток, вызывая, тем самым, видимое движение неба и смену дня и ночи. Мир конечен. Последняя сфера в этой картине – это сфера неподвижных звезд. Прогрессивные черты этой картины мира: Солнце помещается в центр мира; вращение Земли вокруг своей оси.
Геоцентрическая картина мира (Птолемея). Сущность: теория вторичных кругов. Основана на картине мира Аристотеля. Все планеты равномерно движутся по особым кругам – эпициклам. А центр каждого эпицикла равномерно скользит по окружности большого круга – деферента. Круговую орбиту описывает не сама планета, а ее центр, нематериальный и пустой. Центр эпицикла – это воображаемая точка. Планеты движутся вокруг пустоты благодаря божественной силе.
Б) Гелиоцентрическая картина мира Коперника + вклад Дж. Бруно, Г. Галилея, Н. Кеплера и И. Ньютона. (см. тему 5).
В) Первая космологическая модель Вселенной А. Эйнштейна (1917 г.): Вселенная стационарная, бесконечна во времени и безгранична в пространстве, без центра. Пространство безгранично, но конечно.
В 1922 г. рос. физик А.А. Фридман нашел ряд решений для расширяющихся Вселенных, заполненных веществом. Три модели Вселенной Фридмана и поныне служат основой для самых современных космических построений. Фридман сделал два очень простых предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы ее не наблюдали (изотропность Вселенной), и во-вторых, это утверждение должно оставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудь другого места (однородность Вселенной). Эти два предположения составляют суть космологического принципа.
Существуют три разные модели Фридмана, для которых выполним космологический принцип. В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная начинает сжиматься. Соответственно, в этом случае пространство сферическое, размеры ее конечны. Такая модель получила название «пульсирующей». Эта модель приемлема в том случае, если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной больше некоторой критической величины.
Во второй модели Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено как поверхность седла и бесконечное. Эта модель приемлема в том случае, если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной меньше некоторой критической величины и мировое пространство обладает геометрией Лобачевского.
В третьей модели Вселенная так же расширяется бесконечно, но пространство плоское и тоже бесконечное. Эта модель приемлема в том случае, если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине и мировое пространство оказывается евклидовым.
Общее в этих моделях: отсутствие центра, динамичность, в какой-то момент времени в прошлом расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю.
С другой стороны, амер. астроном Хабл в 1929 г., сопоставляя наблюдаемое систематическое доплеровское «покраснение» далеких галактик по мере их удаления от нас, установил, что эти галактики равномерно удаляются от нашей Галактики и друг от друга, т.е. вся наша Метагалактика (обозримая астрономическим наблюдением часть Вселенной) систематически равномерно расширяется. Напомним, что эффект Доплера – это увеличение длины волны света при движении источника этого света и наблюдателя друг относительно друга.
Получается, что у Вселенной было начало во времени?
Ответ на этот вопрос был получен в 1965 г. англ. математиком и физиком Р. Пенроузом. Он показал, что при сжатии звезды под действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхность которой сжимается до нуля, тоже самое происходит с ее объемом. Возникает сингулярность (точка, в которой теория относительности неприменима, т.к. бесконечная плотность материи и бесконечная кривизна пространства-времени) в области пространства-времени, которую образно называют «черной дырой».
И в том же 1965 г. американские ученые Пензиас и Вильсон наблюдали реликтовое излучение – поток фотонов, возникших в эпоху начала расширения Вселенной, что так же доказывало начало «жизни» Вселенной.
Для того, чтобы знать, какая из моделей Фридмана подходит для нашей Вселенной, необходимо знать нынешнюю скорость расширения Вселенной и ее среднюю плотность. Пока этими показателями наука не владеет.
Итак, современная синергетика допускает, что материя могла возникнуть из «ничего», т.е. из возбужденного вакуума, самопроизвольно, вследствие случайной (спонтанной) флуктуации (отклонение параметров от первоначальных) в точке сингулярности, т.е. появление виртуальных частиц и приобретение вакуумом особых свойств. Дальнейшее развитие либо возвращает систему в исходное состояние (состояние равновесия), либо удаляет от него, и система достигает точки бифуркации. Это переломная точка в развитии системы, когда возврат к начальным условиям необязателен и возможен необратимый переход в новое состояние: от виртуальных частиц к реальным. Это и есть Большой взрыв, который произошел 18-20 млр. лет назад одновременно и везде, заполнив с самого начала все пространство. Причем, каждая частица материи, возникнув, устремилась прочь от любой другой. С этого момента Вселенная начала существовать и расширяться. Но центра расширения нет, расширяется само пространство, т.е. происходит увеличение расстояния между галактиками.
Этапы развития Вселенной.
I период – эра элементарных частиц (очень ранняя, плотная и горячая). Включает три эпохи.
Эпоха андронов: время от начала Большого взрыва – 10-23 – 10-20 сек.; Т = 1010 – 1011 К. при такой температуре вся материя существовала в виде частиц и античастиц.
Эпоха лептонов: время от начала Большого взрыва – 10-20 – 1 сек. Из неустойчивых тяжелых частиц образовались легкие. Первые мгновения число частиц и античастиц было одинаково. С равной вероятностью шли процессы образования пары е+ + е- и их аннигиляции (уничтожения) ли распад на поток фотонов. К концу первой секунды из-за остывания процессы аннигиляции начинают преобладать. Если бы число частиц и античастиц было одинаковым, то осталось бы только излучение и вещества не образовалось бы. Вероятно на 100000000 частиц было 99999999 античастиц, т.е. на одну меньше. Поэтому строительный материал остался и вещество в дальнейшем образовалось.
Эпоха радиации: время от начала Большого взрыва – 1-100 сек. В этот период фотоны по численности преобладают и вещество отступило на второй план перед эл/м излучением.
II период – эра плазмы. Время от Большого взрыва – первый млн. лет; Т = 104 – 106 К. В этот период идет образование ядер водорода и гелия. В таких условиях атомы ионизированы. К концу периода по мере снижения температуры материя все более преобладает над излучением. Через млн. лет температура снизилась до 3 тыс. К и возникли условия для образования атомов.
III период – эра вещества. Все остальное время. Включает три эпохи.
Атомная эпоха. В этот период происходит разделение вещества и излучения. Температура понизилась, энергия квантов уменьшилась. Образуются атомы. Вместо плазмы Вселенная заполнена водородо-гелевым облаком.
Галактическая эпоха. Ее продолжительность 10 млр. лет. В ее начале Т = 3 тыс. К.
Звездная эпоха, в которой мы живем и сейчас.
Галактика представляет собой гиганское скопление звезд и их систем.
Состав галактики: 1) звезды и звездные скопления (одиночные звезды с планетными системами, двойные звезды, кратные звезды, звездные скопления); 2) туманности (диффузные и планетарные); 3) космические лучи и магнитные поля, разряженный межзвездный газ и межзвездная пыль.
Многообразие галактик. Галактики отличаются размерами, числом входящих в них звезд, светимостями, внешним видом. По внешнему виду различают: 1) эллиптические (самые изученные – пр.: гигантские, карликовые); 2) спиральные (самые многочисленные – пр.: наша Галактика, туманность Андромеды); 3) неправильные – не имеют четко выраженного центрального ядра (пр.: Большое и Малое Магеллановы облака). Из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Водород – это самый простой «кирпичик», из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. И масса звезд зависит от этого: чем массивнее звезда, тем более сложные атомы в ней синтезируются.
Наша Галактика по форме спиральная и называется Млечный путь. Она состоит где-то из 120 млрд. звезд. В центре сосредоточено незначительное количество самых ярких звезд – это ядро. В ядре не только звездные скопления, но и компактные массивные уникальные объекты, газовые диски и кольца из водорода – области звездообразования. Этот центр – мощный источник энерговыделения (радио, инфракрасного, рентгеновского и гамма излучения) От ядра отходят четыре спиральные ветви. Диаметр нашей Галактики приблизительно 100 световых лет. На расстоянии где-то 30 световых лет от центра нашей Галактики расположена наша Солнечная система. Ближайшей галактической системой является галактика – туманность Андромеды. Солнечная система движется вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/сек., совершая полный оборот за 200 млн. лет. Мы вместе со всей Галактикой летим по направлению к туманности Андромеды со скоростью 40 км/сек.
Галактики наблюдаются группами. Наша Галактика, ее спутники (Магеллановы облака), несколько карликовых галактик и туманность Андромеды – всего приблизительно 20, входят в местную группу (систему или скопление) галактик. Вся местная группа галактик движется со скоростью 600 км/сек. Это скопление входит в состав еще большей системы – блинообразное местное сверхскопление, насчитывающее приблизительно 10 тыс. галактик. А всего насчитывается миллиарды галактик, которые объединяются в Метагалактику – обозримую астрономическим наблюдением часть Вселенной.
Отсюда следует, что Вселенной на всех ее уровнях присуща структурность. Гигантские сверхскопления Галактик распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ образных ячеек, которые разделены пустотами гигантского масштаба (в десятки миллионов световых лет). По своей структуре Вселенная напоминает пчелиные соты, где стенки сот – это гигантские сверхскопления галактик.
В 1963 г. были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Было предположено, что квазары – это ядра новых галактик и, стало быть, процесс образования галактик продолжается и поныне.
Происхождение галактик. В настоящее время известно две группы гипотез образования галактик: бюраканское и классическое направления.
Бюраканское направление (автор В.А. Амбарцумян) допускает, что эволюция космических тел идет от сверхплотного к разряженному. Звезды и галактики образуются из дозвездной, сверхплотной материи.
Классическое направление (автор Я.Б. Зельдович) допускает, что эволюция космических тел идет от разряженного к плотному состоянию.
На современном тапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97 % вещества в нашей Галактики сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры и с разной характеристикой движения.
В недрах звезд при температуре порядка 10 млн. градусов и при очень высокой плотности атомы находятся в ионизированном состоянии. Оставшиеся ядра вступают во взаимодействие друг с другом, благодаря чему водород, имеющийся в изобилии в большинстве звезд, превращается при участии углерода в гелий. Эти и подобные ядерные превращения являются источником колоссального количества энергии, уносимой излучением звезд. Чем массивнее звезда, тем более сложные атомы в ней синтезируются. Наше Солнце как обычная звезда производит только гелий из водорода. Очень массивные звезды производят углерод – главный «кирпичик» живого вещества.
Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы – так называемые кратные системы, состоящие из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд. Звезды объединены также в еще большие группы – звездные скопления, которые могут иметь «рассеянную» или «шаровую» структуру.
Существуют очень крупные звезды – красные гиганты, сверхгиганты, нейтронные (их масса равна массе Солнца, но радиус 10-20 км. и состоят из огромного сгустка нейтронов), переменные (меняющие свой блеск и спектр), нестационарные (молодые), звездные ассоциации пр.
Солнце – ближайшая к нам звезда – раскаленный плазменный водородо-гелиевый шар, самосветящийся; звезда 2-го поколения, желтый карлик. Радиус Солнца больше радиуса Земли в 109 раз, а масса – в 330 тыс. раз. На Солнце протекают термоядерные реакции превращения водорода в гелий, выделяющаяся при этом энергия служит источником жизни на Земле. Возраст Солнца приблизительно 5 млр. лет.
Его структура: в центре – раскаленное ядро (Т = 15 * 106 К), в котором протекают ядерные реакции; далее идет зона лучистого переноса, которая доходит до конвективной зоны или зоны переноса энергии излучением, образующей в верхних слоях фотосферу (Т = 5900 К); самая последняя – это хромосфера, на ее поверхности Т = 106 К; края Солнца обрамляет ее корона. По своему составу оно на 70 % состоит из водорода, на 28 % из гелия и 2 % других элементов. Запаса водорода хватит еще не 5 млр. лет. Затем Солнце начнет расширяться до размеров красного гиганта и займет большую часть Солнечной системы, поглотив при этом Меркурий, Венеру и, вероятно, Землю. Если «захвата» Земли не произойдет, то тогда от мощного солнечного излучения засохнут моря и океаны, а температура будет доходить до 20000 К. на следующей стадии произойдет сгорание гелия, что обеспечит запас энергии еще на 100 млн. лет. Затем Солнце перейдет в фазу белого карлика с относительно высокой температурой на поверхности и низкой светимостью и, окончательно погаснув, превратится в черного карлика или звездный «труп».
Процесс эволюции звезд:
обычные звезды белые карлики
зв. ассоциации переменные зв. нестационарные зв. нейтронные зв. нов. и сверхнов. зв. газ. туман.
красные гиганты «черные дыры» белые дыры

Отличительной чертой планетоподобных несветящихся тел является величина их массы. Все различия между звездами и планетами являются следствием различия их масс.
Гипотезы происхождения планет. Первая гипотеза, предложенная фран. ученым Ж. Бюффоном в 1748 г. положила начало системе гипотез катастрофизма: планетная система родилась в результате катастрофического столкновения кометы с Солнцем (или со звездой – Дж.Х. Джинс).
Затем в 18 в. (1755 г. – Кант и 1796 г. – Лаплас) преложили научному миру свою космогоническую гипотезу Канта – Лапласа (см. тему 5).
В 1894 г. От. Ю. Шмидт предложил свою гипотезу, согласно которой планеты образовались и холодного газопылевого облака, вращающегося вокруг Солнца. Частицы пыли и холодных газов слипались, образуя зародыши будущих планет.
Другой вариант гипотезы предложили англ. астроном Ф. Хойл и швед. физик Х. Альфвен в 1958 г., согласно которой Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск тоже начинал разгоняться, а Солнце тормозило свое движение, передавая момент количества движения диску. Затем в диске путем фрагментации и сжатия образовались планеты.
Развитие планеты. Стадии развития Земли состоят из двух этапов: ранняя история и геологическая история.
Ранняя история (протоархейская) характеризуется медленным темпом эволюции и состоит из трех фаз: фаза аккреции (возрождения), фаза расплавления внешней сферы Земли, лунная фаза.
Фаза аккреции. В эту фазу происходит непрерывное выпадение на растущую Землю тел разных размеров, в т.ч. и крупных. Земля приобрела приблизительно 95 % своей массы, оставаясь холодной. В конце фазы произошло разогревание Земли вследствие интенсивной метеоритной бомбардировки. И внешняя зона планеты расплавилась.
Фаза расплавления внешней сферы Земли. В этот период образуется ядро, мантия и земная кора. С образованием ядра (около 3,7 млр. лет назад) начались внутренние процессы тектонического и вулканического характера. Поверхность Земли представляет собой океан теплового раскаленного расплава с прорывающимися из него газами.
Лунная фаза (4,2 – 3,8 млр. лет назад). В эту фазу происходит остывание раскаленного вещества в следствие излучения тепла в Космос. Образуется тонкий слой первичной коры из базальтов и гранитов. Земная поверхность охлаждается до 1000 С.
Геологическая история (от архея до современности) характеризуется быстрым темпом эволюции. После охлаждения земной поверхности до 1000 С парообразная вода превратилась в жидкость. Образовались водоемы и возник круговорот воды в природе. Водная атмосфера превратилась в углекислую. В атмосфере преобладают газы – восстановители: водород, аммиак, сероводород, метан, угарный газ. Появление растений привело к формированию атмосферы современного типа.
Гипотезы развития Земли образуют две группы:
гипотезы катастроф, согласно которым развитие Земли происходит скачкообразно вследствие ряда произошедших геологических катастроф. После каждой создавался новый мир;
гипотезы эволюции, согласно которым на Земле происходят постоянные непрерывные изменения в одном направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводят к определенным результатам.
Строение планет (для самостоятельного изучения на примере Земли из школьного курса).
Тема 10. Химическая наука об особенностях взаимодействия атомно-молекулярного уровня организации материи.
Предмет познания химической науки и ее проблемы.
I этап в развитии химических знаний: проблемы и пути их решения.
II этап в развитии химических знаний: проблемы и пути их решения.
III этап в развитии химических знаний: проблемы и пути их решения.
IY этап в развитии химических знаний: проблемы и пути их решения.
Д.И. Менделеев называл химию «наукой о химических элементах и их соединениях». В научной литературе можно встретить и другие определения понятия «химия»:
«Наука о веществах и их превращениях».
«Наука, изучающая процессы качественного превращения веществ».
Но эти определения не учитывают, что химия является не просто суммой знаний о веществах, а упорядоченной, постоянно развивающейся системой знаний.
Химия как наука с момента своего зарождения ставила перед собой весьма практические цели. Поэтому все химические знания, которые были приобретены в течение многих веков, подчинены главной единой задаче химии – задача получения веществ с необходимыми свойствами (производственная задача). Она же является и главной проблемой химии, которая обуславливает развитие самой химии как науки. Вторая проблема непосредственно вытекает из первой – выявление способов управления свойствами вещества (задача научного исследования).
Эти две главные проблемы породили ряд второстепенных проблем, решение которых позволило выделить в развитии химии как науки четыре этапа развития: 1) проблема выяснения состава вещества, которая позволила выяснить, что есть истинное вещество и чем оно отличается от смеси, что есть истинный химический элемент и химическое соединение (XVII); 2) проблема выяснения структуры вещества, которая позволила выяснить, как и благодаря чему соединяются атомы в молекулах, какова связь между химическими и физическими явлениями (XVIII); 3) проблема управления химическими процессам (XIX); 4) проблема создания самоорганизующихся химических систем (XX).
Вся история развития химии является закономерным процессом смены способов решения ее проблем. История химии до 17 в. – это многочисленные бесплодные попытки решения вопроса о происхождении свойств вещества. За это время было предложено два принципиально разных объяснения происхождения свойств тел: атомистическое учение Демокрита и Эпикура и антиатомистическое учение Аристотеля и Анаксагора. В этот период натурфилософия и практическая ремесленная химия существовали раздельно.
Основные химические представления были впервые сформулированы и приняты на I Международном съезде химиков (Карлсруэ, Германия, 1860). Система химических представлений легла в основу атомно-молекулярной теории, основные положения которой в следующем:
все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном, самопроизвольном движении;
все молекулы состоят их атомов;
атомы и молекулы находятся в непрерывном движении;
атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.
Дальнейшее развитие химических знаний позволило дать более точное определение понятия «химия». Химия – это наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения.
I этап (XVII в.) – Учение о составе вещества.
Действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине XVII в. в работах англ. ученого Р. Бойля, который показал, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких материальных элементов эти тела составлены.
При исследовании состава вещества решались три главные проблемы:
проблема химических элементов;
проблема химического соединения;
проблема создания новых материалов, в состав которых входили бы открываемые элементы.
Решение проблемы химического элемента. Первым положил начало современным представлениям о химическом элементе как о «простом теле» Р. Бойль. Однако химики того времени еще не знали ни одного химического элемента. Химики, стремясь получить «простое вещество», пользовались методом прокаливания «сложных веществ», которое приводило к окалине. Окалину и принимали за новый химический элемент. Пример: железо – это сложное тело, состоящее из соответствующего элемента и универсального «невесомого тела» – флогистона (греч. – зажженный).
В 1680 – 1760 гг., благодаря развитию техники, появились точные количественные методы анализа, которые способствовали открытию истинных химических элементов. Благодаря этим методам были открыты фосфор, кобальт, никель, водород, фтор, азот, хлор и марганец.
В 1772 – 1776 гг. Лавуазье открыл кислород и установил его роль в образовании кислот, оксидов и воды, опровергнув, тем самым, теорию флогистона.
Решение проблемы химического соединения. Применение физических методов исследования вещества открыло физическую природу химизма, которая заключается во внутренних силах, объединяющих атомы в молекулы как единую квантово-механическую систему. В результате с этого времени химия стала по-новому решать проблему химического соединения. Химическое соединение определяется как качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких элементов, атомы которого за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицу.
Свой вклад в решение проблемы химического соединения внес фран. химик Ж. Пруст, который в 1801 – 1808 гг. установил закон постоянства состава вещества: «любое химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом, независимо от его происхождения и способа получения».
Теоретическое обоснование закона Пруста было дано англ. Дж. Дальтоном, который открыл закон кратных отношений: «если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества второго элемента относятся между собой как целые числа. Согласно этому закону атомы могут замещаться на другие атомы, например:
АВ + С АС + В
Молекулярная теория строения вещества позволила по-новому взглянуть на процессы, происходящие в газовой фазе, и дала начало новой науке – молекулярной физике.
В 1811 г. итал. ученый А. Авогадро установил, что при одинаковых физических условиях (температуре и давлении) равные объемы различных газов содержат равное число молекул (6 Ч 1023 молекул).
Решение практических задач, стоящих перед химиками в настоящее время, сопряжено с синтезом новых веществ и анализом их химического состава. Поэтому проблема состава вещества остается в химии актуальной.
II этап (XVIII- XIX вв.) – проблемы и их решение на уровне структурной химии.
Теория строения вещества Дж. Дальтона отвечала на вопрос: «Как можно отличить истинное вещество от смесей?». Но она не давала ответа на вопросы: «Каким образом объединяются атомы в молекулы?» «Существует ли какая-то упорядоченность в расположении атомов в молекуле?» «И как это может влиять на свойства вещества?»
На эти вопросы попытался дать ответ швед. химик И. Я. Берцелиус, который предложил новую модель атома в виде электрического диполя. Он выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы разных химических элементов обладают различной электроотрицательностью, и расположил их в своеобразный ряд по мере увеличения электроотрицательности. Он полагал, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а имеет определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами.
В 1840 г. фр. ученый Ш. Жерар показал, что структуры Берцелиуса справедливы не во всех случаях. Есть масса веществ, молекулы которых невозможно разложить на отдельные атомы под действием электрического тока. Именно такую систему Жерар предлагал называть молекулой. Он разработал теорию типов органических соединений.
Оставался открытым вопрос: какие же силы заставляют связываться атомы в молекулы? В 1857 г. нем. химик А. Кекуле обнародовал свои наблюдения о свойствах отдельных элементов, которые могут замещать атомы водорода в ряде соединений. Это были основополагающие положения теории валентности веществ. А. Кекуле вводит в обиход новый химический термин сродство, который обозначал количество атомов водорода, которое может заместить данный химический элемент. Число единиц сродства химического элемента ученый в последующем назвал валентностью атома. При объединении атомов в молекулу происходит замыкание свободных единиц сродства. Например:
Н- + Н- + -О- Н – О – Н
Схемы Кекуле не всегда можно было осуществить на практике. Это происходило потому, что формульный схематизм не учитывал реакционную способность веществ, вступающих в химическое взаимодействие.
Ответы на волнующие вопросы дала теория химического строения рус. ученого А.М. Бутлерова. в своей теории, основываясь на выкладках Кекуле, он указывал на важность того, с каким «напряжением», большей или меньшей энергией, это сродство связывает вещества между собой. Другими словами, А.М. Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей таких как, например, одинарной, двойной или тройной в органических соединениях. Его теория указала на причины активности одних веществ и пассивности других.
А в 1869 г. рус. химик Д.И. Менделеев совершил революцию в естествознании, установив связь между химическими и физическими свойствами отдельных элементов и взаимную связь между всеми химическими элементами, открыв периодический закон и составив периодическую систему химических элементов.
Периодический закон: «свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома».
Основной принцип построения таблицы – это размещение элементов в порядке возрастания их атомных весов. Тем самым он дал ответ на вопрос: какова же причина периодических изменений физических и химических свойств элементов – она кроется в периодичности строения электронных оболочек атомов. Основным постулатом таблицы являлось то, что валентность химического элемента определяется числом электронов на внешней электронной оболочке.
III этап (XIX) – учение о химических процессах.
Успех синтеза того или иного соединения часто зависел от каких-то непредсказуемых обстоятельств. Этот факт не устраивал производителей процессами. Необходимо было научиться управлять химическими процессами. Учение о химических процессах – это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии.
В основе этого учения находится химическая термодинамика и кинетика. Каждая химическая реакция обратима и представляет собой перераспределение химических связей. На практике равновесие смещается в ту или иную сторону, в зависимости от природы реагентов и условий процесса. Какими же методами пользуются химики, чтобы управлять химическими процессами?
Методы управления химическими процессами: 1) термодинамические – это методы, влияющие на смещение химического равновесия реакции. В решение этой проблемы внес свой вклад в 1884 г. гол. химик Я. Вант-Гофф, который обосновал закон, устанавливающий зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции.
В этом же году фр. химик А. Ле-Шателье сформулировал принцип подвижного равновесия, при котором основными управляющими рычагами реакции выступали температура, давление и концентрация реагирующих веществ.
кинетические – это методы, влияющие на скорость протекания реакции. В решение этой проблемы внес свой вклад в 1812 г. рус. академик К.С. Кирхгоф, открыв явление химического катализа. Катализ – это способ проведения химической реакции, особенность которого – активация молекул реагента при их контакте с катализатором. При этом происходит как бы «расслабление» химических связей в исходном веществе, «растаскивание» его на отдельные части, которые затем легче вступают во взаимодействие друг с другом.
IV этап (вторая половина XX в.) – эволюционная химия.
В 1960 – 1979 гг. появился новый способ решения основных проблем химии, который получил название «эволюционная химия». В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения химических продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. самоорганизации химических систем.
Для самоорганизации необходимы как дополнительная энергия, так и способность системы к этой самоорганизации. Наблюдая за химическими процессами, происходящими в живых клетках, химики обнаружили способность биологических систем к самоорганизации. Основная роль в этих реакциях отводится биохимическим катализаторам – ферментам. Но при вычленении их из живой материи, они становятся очень неустойчивыми, при хранении быстро портятся, теряя свою активность.
Поэтому химики долгое время работали над созданием стабильных ферментов и в результате научились получать иммобилизованные ферменты – выделяемые из живого организма и прикрепленные к твердой поверхности путем их адсорбции. Такие биокатализаторы очень стабильны и устойчивы в химических реакциях и их можно использовать многократно. Основоположником химии иммобилизованных систем является рус. химик И.В. Березин.
Одновременно с этим в 1960-х годах были отмечены случаи самосовершенствования некоторых химических катализаторов в ходе химической реакции. Почему это происходило?
Ответ на этот вопрос попыталась дать теория химической эволюции и биогенеза, предложенная в 1964 г. рус. проф. А.П. Руденко. Ее сущность – химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем. В ходе реакции происходит отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Саморазвитие систем происходит за счет постоянного поглощения катализаторами потока энергии, который выделяется в ходе самой реакции.
Химическая реакция энергия тепла катализатор самосовершенствование катализатора.
Теория саморазвития открытых каталитических систем имеет ряд важных следствий:
общая классификация этапов химической эволюции, а на ее основе классификация катализаторов по уровню их организации;
принципиально новый метод изучения катализа как динамического явления, связанного с изменением катализаторов в ходе реакции;
конкретная характеристика пределов химической эволюции и перехода от хемогенеза к биогенезу.
Тема 11. Особенности биологического уровня организации материи.
Элементарная основа жизни. Отбор химических элементов для построения живых систем.
Вещественная основа жизни. Структура и свойства этих веществ.
Сущность живого, его основные признаки с точки зрения синергетики.
Основы и механизм воспроизводства жизни.
Структурные уровни живого. Гипотеза Гея-Земли.
Клетка – структурная единица жизни. Изучение клетки. Клеточная теория. Отличительные особенности животной, растительной, грибной и бактериальной клетки.
Систематизация живой материи. Вклад К. Линнея, Ж.Б. Ламарка и Ч. Дарвина в систематику живой материи. Современная систематика органического мира.
Эволюция форм жизни. Вклад Ж.Б. Ламарка и Ч. Дарвина в развитие эволюционного учения. Синтетическая теория эволюции. Концепция коэволюции.
В результате великих открытий второй половины XX в. биология вышла на молекулярный уровень изучения своих объектов и явлений, и естествознание обрело контуры целостной науки, исследующей единую природу во всех ее проявлениях.
Однако, биология, будучи «равной среди равных» в системе естественных наук, отмечена особым знаком судьбы. До сих пор нет единой точки зрения на ее «образ» как теоретической науки. Биология как бы существует одновременно в трех «лицах», развивается в трех основных направлениях: традиционная (натуралистическая) биология, физико-химическая биология и эволюционная. Общим среди этих трех направлений является одна цель – познание феномена Природы – жизнь и один живой объект исследования.
В настоящее время ведутся усиленные поиски объединяющего начала для всех трех «образов» биологии и создания единой теории жизни.
Основу живых систем составляют только шесть элементов, получивших название органогены. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая весовая доля которых в организме составляет 97,4 %. За ними следуют 12 элементов, которые принимаю участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем и объединены в группу микроэлементы. Это натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель, весовая доля которых в организмах примерно 1,6 %. Еще около 20 элементов участвуют в построении и функционировании узко специфических биосистем, которые объединены в группу ультрамикроэлементы. Их доля от общей массы составляет примерно 1 %.
Химическая картина живых систем свидетельствует о тщательном отборе химических элементов для построения организмов. Геохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических и биологических систем. Определяющим фактором является строение и свойства атомов. Природа отбирает химические элементы, способные к образованию прочных, энергоемких и лабильных связей.
Указанным условиям отвечает углерод как органоген № 1, т.к.:
углерод образует практически все типы связей, известные в химии: одинарные, ветвистые, замкнутые, двойные, тройные и пр. Большое количество связей в молекулах органических веществ обеспечивает их высокую информационную емкость. За счет связей в молекулах органических веществ создаются большие запасы энергии;
связи между атомами углерода лабильны, т.е. легко подвергаются расщеплению, перемещению, перераспределению;
соединения углерода активны при невысоких температурах и их активность может меняться;
углерод обладает окислительно-восстановительной двойственностью;
атомы углерода вырабатываются в недрах больших звезд и его много во Вселенной.
Все это позволяет создавать углероду разнообразные лабильные, низко электропроводные, студенистые, насыщенные водой длинные скрученные структуры, и в соединениях с другими органогенами создает вещества, обладающие замечательными каталитическими, строительными, энергетическими, информационными, двигательными, регуляторными и другими свойствами.
Элементы – органогены, благодаря своим свойствам обеспечивают динамичность всего живого, организацию и самоорганизацию жизни, аккумуляцию энергии, устойчивость и регулирование процессов, самовоспроизводство, т.к. они легко соединяются между собой, имеют маленькую атомную массу, их соединения легко растворяются в воде, они достаточно устойчивы и распространены во Вселенной.
Из 7,7 млн. органических веществ в построении живого участвую несколько сотен. Вещественную основу жизни составляют две группы веществ: неорганические вещества – вода (75-80 %) и минеральные соли (1-1,5 %) и органические вещества – белки (10-20 %), нуклеиновые кислоты (1-2 %), углеводы (0,2-8 %), липиды (1-5 %), АТФ (0,1-0,2 %) и низкомолекулярные органические вещества (0,1-0,5 %).
Особенности строения и свойства этих веществ.
Вода. Роль воды в клетке определяется ее химическими и структурными свойствами. Эти свойства связаны с малыми размерами молекул воды, их полярностью и способность соединяться друг с другом водородными связями. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи, вода является хорошим растворителем для полярных веществ, называемых гидрофильными. Неполярные вещества, например липиды, практически в воде нерастворимы, т.е. они гидрофобны. Вода является основной средой, где протекают большинство химических реакций. Вода обладает наивысшей удельной теплоемкостью из всех известных жидкостей и высокой теплопроводностью и поэтому участвует в процессах терморегуляции организма. Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение, что важно для передвижения растворов по тканям. Вода используется в качестве источника кислорода и водорода (фотосинтез).
Минеральные соли необходимы для нормальной жизнедеятельности клетки. Минеральные соли поддерживают кислотно-щелочной баланс цитоплазмы и напряженность (тургор) клеточных оболочек, влияют на процессы возбудимости, активируют ферменты. Соли кальция входят в состав костей, раковин, наружного скелета ракообразных. Повышение уровня солей калия в организме оказывает токсическое воздействие на сердечную и другие мышцы. При его недостатке нарушается функция ряда органов (приведите свои примеры значения минеральных солей для организма).
Белки – высокомолекулярные органические соединения, состоящие из остатков аминокислот, которые являются структурными единицами белков. Белки разных организмов содержат по 20 различных аминокислот и отличаются друг от друга их чередованием и частотой встречаемости в полипептидной цепи. В зависимости от пространственной конфигурации полипептидных цепей различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры белковой молекулы. Свойства белка определяются также пространственным расположением полипептидных цепочек. Все особенности строения и функционирования макромолекул белка определяются его первичной структурой, которая обусловлена последовательностью аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Мономерами белков являются аминокислоты.
Белки в клетке выполняют структурную (строительную), сократительную (двигательную), ферментативную (каталитическую), сигнальную, защитную, транспортную, регуляторную и энергетическую функции.
Углеводы – органические соединения, в состав которых входят углерод, водород и кислород. Углеводы делятся на моносахариды – простые сахара, состоящие из трех или более атомов углерода (глюкоза, фруктоза, рибоза и дезоксирибоза); дисахариды, образованные из двух молекул моносахаридов с выделением молекулы воды (сахароза, лактоза, мальтоза и др.); полисахариды, образованные из множества остатков молекул моносахаридов (крахмал, гликоген, целлюлоза).
Углеводы в клетке выполняют энергетическую, запасающую, строительную и опорную функции. Мономером сложных углеводов является глюкоза.
Жиры или липиды – это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот. Важнейшими группами липидов являются стероиды (холестерол, половые гормоны, витамин Д и др.), терпены (ростовые вещества растений), воска, фосфо- и гликолипиды, липопротеины.
Липиды в клетке выполняют энергетическую, структурную, защитную (участвуют в процессах терморегуляции организма) функции и служат источником воды.
Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные органические соединения, хранящие и передающие наследственную информацию. Нуклеиновые кислоты впервые описал в 1868 г. Ф. Мишер, однако модель молекулы ДНК была предложена только в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком, за что они и получили нобелевскую премию. Различают дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. Мономером нуклеиновых кислот является нуклеотид, состоящий из азотистого основания, пятиатомного углерода и остатка фосфорной кислоты. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепочек и представляет собой двойную спираль. ДНК локализуется в ядре клетки, здесь она входит в состав хромосом. Кроме того, ДНК содержится в матриксе митохондрий и пластид. Важнейшим свойством ДНК является его способность к самоудвоению (редупликация). В основе синтеза ДНК лежит принцип комплементарности. Благодаря матричному синтезу наследственная информация в дочерних клетках строго соответствует материнской. Последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК кодирует наследственную информацию.
Молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной цепочки. Существует три вида РНК – информационная (и-РНК), транспортная (т-РНК) и рибосомальная (р-РНК). Они отличаются размерами молекул, структурой и функцией. Все виды РНК синтезируются на молекуле ДНК как копии ее участков. И-РНК переносит информацию с молекулы ДНК на рибосомы, где эта информация реализуется при биосинтезе белка. Т-РНК осуществляет перенос аминокислот в процессе биосинтеза белка. Р-РНК входит в состав рибосом, на которых синтезируется белок.
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) – мононуклеотид, содержащий аденин, рибозу и три остатка фосфорной кислоты. АТФ в клетке выполняет энергетическую роль и является участником всех биохимических реакций.
Свойства веществ, обеспечивающие их участие в построении живых систем:
высокая упорядоченность и сложная организация на молекулярном уровне;
зеркальная асимметрия и хиральная чистота. Зеркальная асимметрия обуславливает существование зеркальных изомеров, которые отличаются друг от друга, как предмет отличается от своего отображения. Эти изомеры отличаются только оптической активностью, т.е. они по-разному вращают плоскость поляризованного луча. Остальные свойства у них одинаковые. Способность органических веществ существовать в двух зеркальных формах называется хиральностью. Смесь равных количеств
·- и d-изомеров оптической активностью не обладает и называется рацелической. В неживой природе наблюдается рацелизация, т.е. равновесие между
·- и d-формами. Следовательно, неживая природа зеркально симметрична. В живой природе все вещества, слагающие организмы, обладают хиральной чистотой: все белки содержат только
·-аминокислоты, поэтому вторичная структура белков – правозакрученная спираль; все нуклеиновые кислоты содержат только d –сахара, поэтому ДНК и РНК – левозакрученные спирали. Природа знает лучше. Она создала хиральную чистоту и не терпит хиральной загрязненности. Рацелические НК и белки не способны свертываться в спираль и осуществлять свои функции.
каталитическая активность. Все биохимические реакции являются каталитическими. При этом катализаторами являются ферменты, к которым в клетке относятся НК и белки. Ферменты имеют строго определенный состав и строение частиц, что обеспечивает специфичность их действия, т.е. каждый фермент катализирует строго определенную реакцию. Ферменты имеют различную энергоемкость, что обеспечивает их лабильность. Фермент, чаще всего, состоит из двух частиц: белковой части (апофермента) и небелковой части (кофермента).
В 19 в. Ф. Энгельс определяет жизнь в своей работе «Диалектика природы», как «способ существования белковых тел, существенным моментом которых является обмен веществ с окружающей средой». Это определение опередило свое время, но устарело сейчас, т.к. сами по себе белковые молекулы не способны к самовоспроизводству.
В середине 20 в. М.В. Волькенштейн дает такое определение жизни: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, самовоспроизводящиеся, саморегулирующиеся системы, построенные из биополимеров: белков и нуклеиновых кислот».
Вирусы – это переходная форма от неживого к живому, т.к. вирусы имеют ДНК, но не имеют белков-ферментов и поэтому могут размножаться только в живых клетках, используя ее ферментативную систему.
С точки зрения химика – земная жизнь – это существование белков и НК на фоне воды.
Фундаментальными свойствами живого являются самообновление, самовоспроизведение и саморегуляция. Они обуславливают основные признаки жизни – обмен веществ и энергии, размножение, развитие, наследственность и изменчивость, дискретность и целостность, гомеостаз.
Обмен веществ и энергии состоит из двух взаимосвязанных процессов – ассимиляции (синтеза органических веществ) и диссимиляции (процесса распада сложных органических веществ с выделением энергии). Именно обмен веществ и обеспечивает относительное постоянство химического состава организма (гомеостаз).
Еще одно свойство живых организмов – это способность к самовоспроизводству. Благодаря этой способности не прекращается существование вида. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в ДНК.
С этим свойством живого тесно связано явление наследственности (способность организма передавать свои признаки и свойства, а также особенности развития следующим поколениям) и изменчивости (способность организма приобретать новые признаки и свойства). Именно изменчивость создает материал для отбора наиболее приспособленных к данным условиям существования особей. В конечном счете это приводит к появлению новых видов живых организмов.
Любому живому организму свойственна также способность к росту и развитию. В результате развития возникает новое качественное состояние живой материи.
Еще одно общее свойство всех живых организмов – это раздражимость. Это свойство связано с передачей информации из внешней среды биологической системе. Благодаря этому свойству живые организмы способны избирательно реагировать на меняющиеся условия внешней среды, приспосабливаясь к ней.
И, наконец, всеобщим свойством живой материи является дискретность, т.е. прерывистость. Любая биологическая система состоит из отдельных взаимодействующих частей, которые вместе образуют структурно-функциональное единство.
Отдельные функции встречаются у неживых систем, но только их комплекс отличает живое от неживого.
Основные признаки живого с точки зрения синергетики:
живые системы способны к избыточному самовоспроизводству, что ведет к борьбе за жизнь и естественному отбору;
компактность. Живые системы содержат информацию о строении и функциях организма в ДНК, размеры и масса которой ничтожна, по сравнению с самим организмом;
живые системы – это высокоорганизованные системы с низкой энтропией (мера хаоса, мера обесцененной энергии). Чтобы не достичь состояния термодинамического равновесия, т.е. смерти, организм должен постоянно бороться с возрастанием энтропии. Для этого есть два пути:
поглощая из внешней среды высокомолекулярные вещества пищи с низкой энтропией, живые организмы возвращают в окружающую среду низкомолекулярные вещества с высокой энтропией. Следовательно, живые системы – это открытые системы;
деятельность, благодаря которой энергия превращается в полезную работу. Бездеятельность ведет к бесполезному рассеиванию энергии, т.е. возрастанию энтропии (смерти);
жизнь организма зависит от двух факторов: наследственности и изменчивости. Следовательно, для живых систем характерно диалектическое единство симметрии и асимметрии;
живые организмы – это системы с обратной связью, т.е. реакцией на внешнее воздействие. Различают два вида обратной связи: отрицательная, т.е. такое поведение, которое уменьшает внешнее воздействие. Цель такого поведения – обеспечить стабильность (постоянство) – гомеостаз; и положительная связь, т.е. такое поведение, которое усиливает внешнее воздействие. Благодаря положительным связям организмы могут эволюционировать, эффективно использовать внешнее воздействие;
живые системы – это неравновесные системы, что дает возможность реагировать на внешние воздействия; обеспечивает случайное поведение системы, не зависящей от предистории; создает приток энергии в систему, определяя в ней порядок и уменьшая энтропию.
Таким образом, с позиции синергетики, живые системы – это сложные, упорядоченные, компактные, открытые, неравновесные, самовоспроизводящиеся системы с низкой энтропией и обратной связью. Живой считается система, способная эволюционно самоорганизовываться, адаптивно и агрессивно взаимодействовать с окружающей средой, повышать свою структурную организацию и кооперировать свои внутренние процессы.
В основе воспроизводства жизни лежат процессы размножения. Размножение – свойство живого организма воспроизводить себе подобных, обеспечивающее непрерывность и преемственность жизни в ряду последовательных поколений. В процессе эволюции сформировались два типа размножения – бесполое и половое. Бесполое размножение – это способ размножения, в котором участвует только одна родительская особь; за счет деления ее соматических клеток образуются новые особи, генотипически идентичные исходной родительской. При бесполом размножении половые клетки не образуются. К бесполому размножению относятся вегетативное размножение, при котором новый организм образуется из части материнского (части тела, почкование, фрагментация) и спорообразование (размножение посредством спор). Половое размножение – способ размножения, при котором новая особь развивается в результате слияния половых клеток (женских – яйцеклеток и мужских – сперматозоидов или спермий). Процесс слияния половых клеток носит название оплодотворения. Таким способом размножаются все эукариоты. Различают три разновидности полового размножения: конъюгация (сближение двух соматических клеток и образование между ними цитоплазматического мостика, через который осуществляется обмен наследственным материалом, после чего особи расходятся – у инфузорий); копуляция (слияние двух одинаковых или разных по форме, размерам и подвижности половых клеток – гамет); партеногенез (новый организм развивается из неоплодотворенной яйцеклетки – у плоских червей, насекомых, сложноцветных, пасленовых, злаковых и др.)
Основой размножения является процесс деления клеток. В природе различают три типа деления клеток: митоз, мейоз и амитоз. Митоз – это непрямой способ деления соматических клеток, при котором образуется две дочерние клетки с идентичным набором хромосом, что был в родительском ядре. Митоз впервые наблюдал в спорах плаунов рус. ученый И.Д. Чистяков в 1874 г. Биологическое значение митоза состоит в том, что происходит строго одинаковое распределение между дочерними клетками материальных носителей наследственности – молекул ДНК, входящих в состав хромосом. Амитоз – прямое деление интерфазного ядра путем перетяжки без образования веретена деления (у одноклеточных организмов, опухолевых клетках, клетках печени, хрящевых клетках). Мейоз – это непрямое деление половых клеток и спор, при котором образуется четыре дочерние клетки с уменьшенным вдвое количеством хромосом. Впервые он был описан В. Флемингом в 1882 г. у животных и Э. Страсбургером в 1888 г. у растений. Важнейшее значение мейоза заключается в обеспечении постоянства кариотипа в ряду поколений организмов данного вида и обеспечении чрезвычайного разнообразия генетического состава гамет.
Основной структурной единицей новых клеток является белок, который синтезируется на рибосомах клетки. Информация о структуре белков организма закодирована в ДНК, расположенной в хромосомах. Участок ДНК, кодирующий информацию об одном белке, называется геном. Многообразие генов ДНК составляет генетический код данного организма или генотип. Биосинтез белка протекает в три этапа: редупликации (удвоение молекул ДНК), транскрипции (в ядре осуществляется списывание информации о структуре белковой молекулы с ДНК на и-РНК по принципу комплементарности (дополнительности) и трансляции (синтез полипептидных цепей белков по матрице и-РНК).
В процессе биосинтеза белка принимают участие следующие вещества: аминокислоты (из них строится белок), нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК (участвуют в хранении и передаче наследственной информации), АТФ (обеспечивает энергией все биохимические процессы), ферменты (являются катализаторами биохимических процессов).
Под уровнем организации живой материи понимают то функциональное место, которая данная биологическая структура занимает в общей системе организации мира.
Все объекты живой и неживой природы по строению представляют собой системы, для которых характерно иерархическое соподчинение входящих в них элементов, т.е. структурных уровней организации.
Проблема различной степени упорядоченности и организованности живой материи возникла у натуралистов еще в 18-19 вв. Первым толчком к ее проявлению послужило провозглашение в 1830 г. клеточной теории. А в 1846 г. М. Шлейден сформулировал положение о существовании живых тел «различного порядка организованности». Незадолго до этого Э. Геккель выдвинул гипотезу, согласно которой протоплазма клетки не однородна, а состоит из каких-то надмолекулярных частиц.
В 1920 г. амер. философы Г. Браун и Р. Селларс разработали новое понятие «структурные уровни». Согласно их теории, эти уровни различаются не только классами сложности, но и закономерностями их функционирования. Они выдвинули идею иерархической соподчиненности уровней, т.е. вхождение каждого последующего уровня в предыдущий с образованием единого целого, в котором нижний уровень «виден» в самом высшем. Так родилась концепция многоуровневой иерархической «матрешки».
Обычно выделяют такие уровни организации живой материи: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный.
Молекулярный уровень организации подразумевает, что любая система состоит из биологических макромолекул органических веществ. С молекулярного уровня начинаются процессы жизнедеятельности.
Клеточный уровень определяет, что структурной и функциональной единицей всех живых организмов является клетка. К неклеточной форме жизни относят вирусы.
Организменный (онтогенетический) уровень включает саморегулирующуюся иерархическую систему, определяющую согласованную реализацию наследственных признаков и функций, осуществляющихся в пределах автономной живой особи. Термин онтогенез был введен Э. Геккелем еще в 1866 г., который подразумевал под ним рассмотрение особенностей структурной и функциональной организации отдельных организмов (как многоклеточных, так и одноклеточных). Другими словами, онтогенетический уровень – это уровень изучения организма как единого целого. Единицей организменного уровня является особь, которая рассматривается как живая система от момента ее зарождения до смерти, т.е. в процессе онтогенеза.
Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. Популяция – это совокупность особей одного вида, имеющих общей генофонд и населяющих определенное пространство с относительно однородными условиями. Термин «популяция» был впервые введен в 1903 г. дат. генетиком В. Иогансоном. Популяция является элементарной единицей эволюции. Вид – это совокупность особей, обладающих наследственным сходством морфологических, физиологических и биохимических особенностей, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство.
Биогеоценотический уровень организации – это эволюционно сложившаяся, пространственно организованная, длительно самоподдерживающаяся, однородная природная система функционально взаимосвязанного комплекса живых организмов и окружающей среды. Понятие биогеоценоз было предложено в 1877 г. нем. ученым К. Мебиусом. Такая система характеризуется относительно самостоятельным обменом веществ и особым типом использования потока солнечной энергии. Живыми компонентами биогеоценоза служат продуценты – производители питательных веществ (зеленые растения и хемосинтетики), консументы – потребители питательных веществ (растительноядные животные, хищники, паразитические растения) и разлагающие органику редуценты. Неживыми компонентами являются солнечная энергия, атмосфера и вода. Устойчивость биогеоценозов зависит от многообразия живых организмов внутри системы и многообразия пищевых (трофических) связей между ними.
Биосферный уровень организации – это совокупность всех биогеоценозов Земли. Термин «биосфера» был введен авст. геологом Э. Зюссом в 1875 г., а учение о биосфере как активной оболочке Земли, в которой осуществляется совместная деятельность всех живых организмов, создал рус. ученый В.И. Вернадский в 1919-1926 гг. Биосфера (по Вернадскому) – это одна из оболочек Земли, состав и энергетика которой в существенных своих чертах определена работой живого вещества.
Объединяющим фактором в пределах каждого уровня организации является обмен веществ и энергии. Однако, несмотря на специфичность каждого из уровней организации все они взаимосвязаны и подчиняются общим закономерностям существования живой материи. Каждый последующий уровень является следствием предыдущего.
Гипотеза Гея-Земли. Эта гипотеза возникла в последние два десятилетия на основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции. Ее авторы – англ. химик Дж. Лавлок и амер. микробиолог Л. Маргулис. Сущность этой гипотезы – Земля является саморегулирующейся системой, созданной биотой (совокупностью всех живых организмов Земли) и окружающей средой, способной сохранять химический состав атмосферы и, тем самым, поддерживать благоприятное для жизни постоянство климата. Другими словами, Земля – это живая саморегулирующаяся система. Мы – обитатели и часть квазиживой целостности, которая обладает способностью глобального гомеостаза. Снисходительна к нарушениям, если «она» в хорошей форме, т.е. в пределах своей способности к саморегуляции. Когда подобная система попадает в состояние стресса, близкого к границам саморегуляции, даже маленькое потрясение может толкнуть «ее» к переходу в новое стабильное состояние или полностью уничтожить.
Свою гипотезу Дж. Лавлок и Л. Маргулис вывели из того, что вначале была обнаружена химическая неравновесность атмосферы Земли, которая стала рассматриваться как признак жизни. По мнению Дж. Лавлока, если жизнь представляет собой глобальную целостность, ее присутствие может быть обнаружено через изменение химического состава атмосферы планеты. Таким образом, сохранение длительной химической неравновесности атмосферы Земли обусловлено совокупностью жизненных процессов на Земле.
Одним из первых для исследования строения животных и растительных тканей использовал микроскоп Р. Гук в 17 в. При помощи микроскопа Гук обнаружил в 1665 г. клетки на срезе пробки и ввел в науку этот термин для обозначения единиц строения живой материи. Позже Левенгук в 1674 г. описал сперматозоиды человека, бактерии, простейших и ядра в клетках крови. Эти наблюдения за клетками не сопровождались какими-либо существенными открытиями до тех пор, пока в начале XIX в. не была сформулирована клеточная теория, основы которой были заложены нем. учеными Т. Шванном и М.Я. Шлейденом в 1839 г. Положения клеточной теории: 1) клетка – главная структурная единица всех живых организмов; 2) клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ; 3) размножение клеток происходит путем деления, и каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки; 4) в сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой ими функции и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно взаимосвязаны и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции. Значение клеточной теории в развитии науки состоит в том, что благодаря ей стало понятно: клетка – это важнейшая составляющая часть всех живых организмов.
Клетки весьма многообразны. У клеток разный срок существования. Жизненный цикл любой клетки завершается или делением и продолжением жизни, или гибелью. Размеры клеток колеблются от одной тысячной сантиметра до 10 см. Клетка имеет сложную структуру. Она обособляется от внешней среды мембраной, которая обеспечивает взаимодействие клетки с внешним миром: обмен с ним веществом, энергией и информацией. Другой, не менее важной, частью клетки является ядро, в котором хранится наследственная информация обо всем организме в хромосомах. Клетки могут содержать одно или много ядер (эукариоты). Но могут быть безъядерными, т.е. без четко обособленного ядра, хотя ядерное содержимое имеется и размещено в цитоплазме клетки (прокариоты). Третьей основной частью всех клеток является цитоплазма, которая состоит из коллоидного раствора – гиалоплазмы и органоидов (ЭПС, рибосом, митохондрий, пластид, аппарата Гольджи, лизосом, центриолей и др.). Цитоплазма содержит большое количество воды с растворенными в ней солями и органическими веществами. Цитоплазма – среда для всех внутриклеточных физиологических и биохимических процессов. Она способна к движению.
Отличительные особенности растительной, животной, грибной и бактериальной клеток. Растительные, грибные и животные клетки образуют надцарство ядерных организмов или эукариот. Бактериальные клетки и сине-зеленые водоросли образуют надцарство безъядерных организмов или прокариот. Основными отличиями прокариот от эукариот является отсутствие у прокариот четко обособленного ядра и ядерное содержимое (молекулы ДНК) размещено в самой цитоплазме. Они имеют вид колец. Большинство органоидов отсутствуют (комплекс Гольджи, лизосомы, митохондрии, вакуоли, пластиды). Их функции в клетках прокариот выполняют своеобразные мембранные структуры. Среди структур клетки эукариот в клетках прокариот присутствуют рибосомы, клеточная стенка и клеточная мембрана и у некоторых – жгутики.
В клетках грибов и животных среди органоидов в отличие от растительной клетки отсутствуют пластиды (хлоропласты), поэтому клетки грибов и животные клетки не способны синтезировать органические вещества из неорганических под действием лучей Солнца, как это делают растения. Также отсутствуют клеточная оболочка (целлюлозная), запасающие вакуоли (есть только у грибов). Запасающим углеводом у растений является крахмал, а у животных и грибов – гликоген. Растительные клетки по способу питания – автотрофы, а животные клетки и клетки грибов – гетеротрофы.
Органический мир на Земле отличается поразительным многообразием видов (по некоторым сведениям, около 5 млн.). Изучить это многообразие было бы невозможно без систематики – науки, занимающейся вопросами классификации живых существ. Система классификации основана на выделении определенных соподчиненных друг другу систематических категорий – видов, родов, семейств, отрядов, классов, отделов и пр.
Систематика живой материи – это основное поле деятельности традиционной биологии, которая имеет давние истоки своего зарождения (средние века), а ее становление в самостоятельную науку приходится на 18-19 вв.
Вершиной искусственной классификации стала система, созданная К. Линнеем в 18 в., которая систематизировала растительный мир по произвольно выбранным, единичным внешним признакам (поэтому она оказалась искусственной). Однако, она четко отображала закономерности, реально существующие в природе и позволяла выделить растения в отдельные группы. К. Линней называл эти группы таксонами. Он же ввел в научную терминологию бинарную номенклатуру с обозначением рода и вида, а также принцип иерархического соподчинения таксонов и их наименования – классы, отряды, роды, виды, разновидности.
Более близкими к природе была система, созданная позже Ж.-Б. Ламарком в 1803 г. Труд Ж.-Б. Ламарка «Естественная история растений» был построен по принципу развития от простого к сложному. В нем ученый акцентировал внимание на происхождении отдельных групп растений и на основе этого пытался установить родственные связи между разными группами растений.
Учение Ч. Дарвина придало систематике новое, эволюционное содержание, которое наиболее полно отражает в естественной системе отношения между организмами, существующие в природе.
Парадигма искусственной систематизации сменилась принципами естественной классификации, основанной на теории эволюции и исходившей не только из внешнего сходства форм, но и из общности происхождения, родства.
Современная систематика использует для классификации и описания не только частные признаки, но и различные особенности строения, экологии, поведения и т.п., характеризующие организмы. Чем полнее учитываются эти особенности, тем в большей мере сходство отражает родство организмов, объединяемых в ту или иную группу (или таксон).
Главная задача современной систематики – создание такой системы органического мира, которая бы наиболее полно отражала взаимоотношения между организмами.
Современная система живой природы составляет самая крупная таксономическая единица – империя. Мир живой природы в настоящее время представлен двумя империями: 1) доклеточная (вирусы и бактериофаги); 2) клеточная. Клеточная империя, в свою очередь представлена двумя надцарствами: 1) ядерные (эукариоты); 2) безъядерные (прокариоты – бактерии и сине-зеленые водоросли). Основным отличием эукариот и прокариот является отсутствие у прокариот обособленного ядра и более примитивное строение клетки. В науке до сих пор не решен вопрос: Какой тип клеточной организации (прокариоты или эукариоты) был первым? Доминирует мнение о появлении первой прокариотической клетки. При этом неоднозначно решается вопрос: Каким путем появляется из прокариотической клетки эукариотическая? Здесь существуют два мнения: 1) аутогенное – происходило постепенное усложнение морфологической структуры клетки путем дифференциации однородного клеточного содержимого (соответствует идеи эволюции); 2) симбиотическое – несколько прокариот в результате симбиоза дали начало одной эукариотической клетке (соответствует идеи коэволюции).
В свою очередь, надцарство ядерных представлено в современной систематике тремя царствами: 1) грибы; 2) растения; 3) животные. Основным отличием между царствами является способ питания. По способу питания все организмы представлены двумя группами: 1) автотрофы (сами создают органические вещества из неорганических при наличии энергии). В зависимости от вида использованной энергии автотрофы представлены двумя подгруппами: а) фотосинтетики (растения) – используют энергию Солнца для синтеза питательных веществ; б) хемосинтетики (бактерии: серобактерии, железобактерии и пр.) – используют энергию химических реакций; 2) гетеротрофы (используют готовые органические вещества в пище). В зависимости от того, питаются эти организмы соками живых или отмерших организмов, гетеротрофы подразделяются на две подгруппы: а) сапрофиты (человек, грибы и др.) – питаются соками отмерших организмов; б) паразиты (некоторые растения, животные, грибы) – питаются соками живых организмов.
Какой вид питания был первичным? По этому поводу в науке не существует единого мнения. Некоторые (Б. Найт, П. Филдс – 1932) считают автотрофный тип питания первичным, т.к. автотрофы не зависят от сложного органического субстрата, им нужен углекислый газ и вода, которых предостаточно было в первозданной атмосфере, а остальное создадут сами. Другие (Опарин – 1924) придерживаются мнения, что гетеротрофный тип питания был первичным, т.к. первые гетеротрофы удовлетворяли свои потребности за счет веществ, сформировавшихся в первичном бульоне. Доминирует подход о первичности гетеротрофного типа питания.
На протяжении тысячелетий господствовало объяснение, что будто бы все виды организмов были созданы однажды в их нынешних формах и больше никогда не изменялись. Описание растений и животных ограничивалось характеристикой только внешних признаков. Такова была и наиболее совершенная для своего времени, но оставшаяся в рамках старой парадигмы и поэтому во многом искусственная, классификация швед. ботаника К. Линнея. Он, занимаясь систематикой, отрицал эволюцию живых организмов.
Используя рациональные методы, ряд ученых (фран. Ж.Л.Л. Бюффон, англ. Э. Дарвин, нем. И.В. Гете, рус. М.В. Ломоносов) пришли к выводу, что организмы, населяющие Землю, претерпевают качественные изменения.
Интенсивное проникновение эволюционной парадигмы в биологию началось в конце 18 в. благодаря работам фран. Ж.Б. Ламарка. Он объяснял изменчивость видов двумя факторами: влиянием внешней среды и наследственность. Но он неверно выделил движущие силы эволюции, определяя их как тренировку органов, стремление к совершенству.
Обобщив отдельные эволюционные идеи, Ч. Дарвин в 1859 г. создал стройную, развернутую теорию эволюции.
Главное историческое значение теории – раскрытие механизма эволюции, в котором решающим фактором, определившим выживание, является приспособленность к среде (адаптация), а движущими силами эволюции он определил естественный отбор, наследственность и изменчивость.
Основные принципы теории эволюции базируются на следующих постулатах:
в любой популяции, виде животных наблюдается изменчивость у составляющих ее особей;
некоторые из этих изменений имеют генетическую основу, т.е. унаследованы от родительских особей;
рождается, как правило, значительно большее число организмов, чем доживает до размножения;
выживают те, которые наиболее приспособлены.
В дальнейшем, пополнившись данными генетики, экологии, теория Ч. Дарвина трансформировалась в синтетическую теорию эволюции, которая имеет два существенных отличия от дарвиновской: 1) признание в качестве эволюционной элементарной единицы не вид, а популяцию. Вид – это совокупность особей, обладающих наследственным сходством морфологических, физиологических и биохимических особенностей, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство. Популяция – это совокупность особей одного вида, имеющих общий генофонд и населяющих определенное пространство с относительно однородными условиями обитания; 2) выделение 2-х типов эволюции: микро- (видообразование, как и у Ч. Дарвина) и макро- (филогенез), приводящая к образованию надвидовых таксонов (отряды, классы, отделы и пр.).
Главные выводы:
Учение о биологической эволюции – это наука о причинах, движущих силах и закономерностях изменений и развития живых организмов.
Весь ход эволюции видов ведет к тому, что генетические и иные признаки, обеспечивающие выживание, встречаются от поколения к поколению все чаще в данном виде (популяции), определяя главное направление ее развития.
Появление элементарных эволюционных изменений в популяции зависит от следующих эволюционных факторов:
перестройки носителей наследственности – генов (мутационный процесс);
популяционных волн (резкие колебания численности особей из-за различных природных колебаний: урожая, засухи, похолодания и т.п.);
изоляции (возникновение барьеров, уменьшающих возможности обмена генетической информации между популяциями географического и биологического характера);
естественного отбора.
Эволюция – это направленный процесс исторических изменений живых организмов.
В 20 в. появляется альтернативная эволюционной концепция коэволюции, которая смогла объяснить возникновение полов, факты альтруизма у животных (забота о потомстве, повиновение вожакам и пр.). Она использует другой подход к объяснению движущих сил эволюции.
Как химическая эволюция – результат взаимодействия химических элементов, так по аналогии биологическая эволюция может рассматриваться как результат взаимодействия организмов. Более сложные организмы получаются в результате длительного симбиоза двух и более простых организмов. Пример: травоядные животные могли развиться в результате симбиоза животных и микроскопических паразитов – растений, способных производить ферменты для переваривания веществ (клетчатки); митохондрии в клетках могли произойти от аэробных бактерий; хлоропласты растений когда-то были фотосинтезирующими бактериями.
Л. Маргулис, одна из сторонников этой концепции, считает, что симбиоз – это образ жизни большинства организмов. Пример: 90 % растений существуют вместе с грибами; появление лишайников, слоевище которых состоит из одноклеточных микроскопических водорослей и нитей грибницы. Эндосимбиоз (внутренний симбиоз партнеров) является фактором усложнения строения многих организмов. Изучения ДНК простых организмов подтверждает, что сложные растения произошли в результате симбиоза простых.
Такая симбиотическая коэволюция хорошо согласуется с данными синергетики, и ею можно объяснить образование колоний амеб под влиянием недостатка пищи и образование муравейника. Так происходит переход от целесообразности на уровне организмов к целесообразности на уровне сообществ и жизни в целом, определяемый тем, что существуют не внешние по отношению к сообществам, а объективные внутренние надорганизменные механизмы эволюции.
С токи зрения концепции коэволюции естественный отбор является не «автором», а скорее «редактором» эволюции.
Тема 12. Человек как предмет естественно-научного познания.
Концепции происхождения жизни.
Проблема антропогенеза.
Биологическое и социальное в онтогенезе и филогенезе человека.
Бессознательное и сознательное в человеке.
Проблема происхождения жизни всегда беспокоила умы людей. В настоящее время существует несколько конкурирующих концепций, пытающихся объяснить происхождение жизни. Это концепция биохимической эволюции, креационистская теория, гипотеза панспермизма, концепция самопроизвольного многократного зарождения жизни из неживого вещества.
Концепция биохимической эволюции. Целая эпоха в истории изучения проблемы происхождения жизни связана с трудами А.И. Опарина и его учениками. Его основополагающий труд «Происхождение жизни» был опубликован в 1924 г. В нем были изложены все те идеи, которые составили основу гипотезы Опарина. Главная из них – зарождение жизни на Земле – длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. Земля – планета с пригодными для этого условиями:
размер планеты оптимальный для силы тяготения и удержания атмосферы;
расстояние от Солнца обеспечивает достаточное количество энергии для поддержания воды в жидком состоянии;
период вращения планеты оптимальный, чтобы уберечь Землю от переохлаждения и перегрева;
излучение Солнца постоянно. Центральная звезда стабильна, ей не грозит взрыв.
Физическая эволюция Земли создала стабильные атомы. В ходе химической эволюции из них возникли предбиологические структуры. Следовательно, биологической эволюции предшествовал абиогенный синтез органических веществ из неорганических. Этому способствовали следующие условия: восстановительный характер атмосферы, высокие температуры и давление, мощные электрические заряды, различные виды излучений.
Этапы химической эволюции. 1-ая стадия – образование биологических мономеров из неорганических веществ. Она состоит из 4-х этапов: 1) возникновение атомов химических элементов; 2) синтез неорганических газов – водорода, кислорода, азота, угарного и углекислого газов, метана, аммиака и др.; 3) образование простых органических веществ – ацетилена, этилена, этана, муравьиной кислоты и др.; 4) образование органических мономеров – аминокислот, моносахаридов, кислот и др.
2-ая стадия – образование сложных биологических полимеров.
3-я стадия – формирование мембранных структур и первичной клетки.
Переход от химической эволюции к биологической связан с возникновением простейших фазово-обособленных органических систем – коацерватов. Коацерваты – это коллоидный раствор полипептидов, полисахаридов и других веществ в виде сгустков.
Однако, перед учеными, поддерживающими идею биохимической эволюции сразу же возник вопрос: а что произошло раньше – белки или же нуклеиновые кислоты, ответственные за воспроизводство живого.
Гипотезы, утверждавшие первичность структуры белка (без ДНК) объединились по направлению голобиоза (сторонники – А.И. Опарин, Дж. Бернал), а гипотезы, утверждающие первичность молекул – хранителей наследственной информации, объединились по направлению генобиоза (сторонник – Дж. Холдейн).
Сильной стороной данной концепции является то, что она находится в соответствии с гипотезой эволюции неживой материи и зарождение жизни представлено в ней как закономерный процесс.
Слабые стороны данной концепции. В ней не решены два главных вопроса всей проблемы: 1) что именно является движущей силой саморазвития химических систем и перехода химической эволюции к биологической; 2) каков был доклеточный предок.
Креационистские теории. В отличие от естественнонаучных гипотез объясняют происхождение жизни существованием Бога – Создателя. Эта гипотеза основывается на Библейском содержании. В креационистской теории сотворения мира животный и растительный миры создаются сразу по желанию Бога во всей своей красе и во всем разнообразии. Каждый род и вид флоры и фауны уникальны с самого рождения, потому что являются воплощением Божественного Плана. Воля и энергия Творца служат первым толчком для превращения неживой материи в живую. В настоящее время появляются научные факты в пользу данной концепции. Так Уилсон, исследовав митохондральную ДНК, признаки которой передаются только по женской линии, установил, что оно идентично у всех ныне живущих людей, за исключением одного народа – ашанти, живущем на западе Африки. То есть, мы все – предки одной женщины!?
Гипотеза панспермизма. Автором учения считается Анаксагор. Еще в 6 в. до н.э. высказал мысль о том, что всюду рассеяны невидимые зародыши жизни, являющиеся причиной всего живого. Эти взгляды научно оформились в 19 в. Ю. Либих считал, что жизнь существует вечно и переносится с планеты на планету метеоритами в виде спор, которые, попадая в благоприятные условия жизни, размножаются и дают начало новой жизни. С. Аррениус считал, что семена жизни переносятся на маленьких пылинках силой светового давления. В.И. Вернадский в своем учении о биосфере также решал проблему происхождения жизни. Он считал, что в условиях Земли никогда не наблюдалось зарождение живого от неживого. Живое вещество на Землю могло быть занесено из Космоса, где жизнь вечна.
Концепция самопроизвольного многократного зарождения жизни из неживого вещества (17-19 вв.). Еще Аристотель считал, что животные могут зарождаться каждый раз, когда мокрое тело становится сухим и наоборот. В 17 в. считали, что рыбы могут самозарождаться из ила, черви – из почвы, мухи – из гнилого мяса. Вант-Гельмонт описывал методику получения мышей из смеси грязного белья, пшеницы и сыра. В 18 в. считали, что в организмах действует жизненная сила, которая присутствует всюду и достаточно ее вдохнуть, чтобы неживое стало живым. В 19 в. Э. Дарвин и Ж.-Б. Ламарк писали о возможности самозарождения некоторых грибов и бактерий.
Однако, уже в 17 в. удалось полностью опровергнуть данные взгляды. В 1668 г. итал. врач Ф. Реди опытным путем показал, что самозарождение невозможно. Он использовал для доказательства несколько сосудов с мясом, часть из которых были закрыты, а часть нет. В открытых сосудах через некоторое время появились личинки мух, а в закрытых нет. На основе этого Ф. Реди сформулировал принцип – «Все живое из живого». Однако, виталисты (сторонники жизненной силы) не согласны были с выводами Ф. Реди и не считали это доказательством, т.к. в закрытые сосуды не поступал воздух, в котором присутствовала жизненная сила.
В 1862 г. Л. Пастер усовершенствовал методику опытов Ф. Реди, доказывающих происхождение живого только от живого. Он создал специальную колбу, в которую воздух поступал через специальное горлышко, изогнутое S – образно. А споры и бактерии не могли попасть туда и оседали в S – образном колене этой колбы. И поэтому бульон длительное время хранился не портясь. Таким образом, в 19 в. была полностью доказана невозможность многократного самопроизвольного зарождения живого из неживого.
Как естественнонаучные, так и креационистские теории происхождения жизни, не имея под собой достаточно научных доказательств продолжают существовать вместе, и склонность исследователя к признанию правильности той или иной гипотезы определяется на данном этапе познания не столько научными фактами, сколько собственным мировоззрением.
Человек – сложная целостная система, которая является компонентом более сложных систем – биологических и социальных. Первый вопрос (проблема), который требует решения – это ответить на вопрос: как биологический организм мог превратиться в социальное существо, в носителя культуры. По словам П. Тейяр де Шардена, человек является «осью и вершиной эволюции» мира и «расшифровать человека, значит, в сущности, попытаться узнать, как образовался мир и как он должен продолжать образовываться».
До 19 в. в европейской мысли господствовала теистическая антропологическая концепция (креационистская) – мир появился в результате божественного творения по принципу: «И сказал Бог: да будет и стало». Это же относится и к акту творения человека.
Интенсивное научное осмысление этой проблемы началось в 19 в. Это было связано с утверждением эволюционной теории. В 1871 г. в книге «Происхождение человека и половой отбор» Ч. Дарвин выдвинул гипотезу о происхождении человека от обезьяноподобного предка. Однако, в своей теории Ч. Дарвин не включил влияние социального фактора на развитие человека. В ней отсутствует качественной отличие ума человека от животного.
Внимание на это было обращено в трудовой теории антропогенеза Ф. Энгельса, который считал, что труд не отменяет действия биологических законов, но преобразует характер действия естественного отбора. Сторонники данной теории именно с трудовой деятельностью связывают развитие руки, речи, мозга, мышления, сотрудничества людей и сплочения их в социальные коллективы, т.е. становление человека и общества (процесс антропосоциогенеза).
Сторонники сальтационистских концепций утверждают скачкообразный характер развития жизни, придавая решающее значение в эволюции случайным явлениям. В основных положениях это течение близко неокатастрафизму, согласно которого основное значение в смене форм жизни на Земле имеют массовые вымирания, обусловленные глобальными катастрофами.
Указанные подходы в общем виде согласуются с теорией самоорганизации систем (синергетики). С этой теорией согласуется и эволюционная теория антропогенеза П. Тейяр де Шардена, согласно которой переход к «Феномену человека» определялся внутренними силами самого организма, будущего Homo sapiens. По мнению Тейяр де Шардена появление человека разумного – это скачок в антропогенезе, это процесс коллективный и «первым человеком» является и может быть только множество людей.
Вторая проблема антропогенеза связана с решением вопроса о многовариантности эволюции человека. Антропогенез не следует представлять в виде линейного процесса. Следует прислушаться к мнению Р. Левонтина, концепция которого хорошо согласуется с теорией самоорганизации. «Все попытки доказать, что тот или иной ископаемый является нашим прямым прародителем, отражают устаревшее представление об эволюции как о строго линейном процессе и о том, что все ископаемые формы должны составлять некую единую последовательность, соединяющую прошлое с настоящим».
Говоря о нелинейности процесса антропогенеза, следует также иметь в виду, что эволюция осуществляется в процессе возникновения новых ответвлений, большая часть которых очень быстро исчезает. У нас нет близких родственников среди живших и живущих ныне предков. Это касается и неандертальцев, которые длительное время считались предками кроманьонцев, а последние – предками современного человека. Сейчас считают, что неандертальцы – это один из подвидов человека разумного. У современного человека почти нет неандертальских генов. Неандертальцы и люди современного типа не имели друг перед другом никаких преимуществ на протяжении 50 тыс. лет. Неандертальцы обладали высокоразвитыми логическими представлениями. Их хоронили в позе спящего, клали цветы и посыпали порошком охры (попытка пробудить силы природы). Они обладали уникальной технологией отделки каменного материала. Их исчезновение – до сих пор остается загадкой. Одна из гипотез их деградации – это переход на специальную ветвь развития. Они имели клювовидные лобные доли (у людей современного типа этот признак не встречается). Такой человек был способен к спонтанной и немотивированной агрессии. Следовательно, неандертальские группы были нестабильны.
Третья проблема антропогенеза – это установление прародины человека. По этому поводу в науке существует два подхода: 1) африканская (родина человечества Африка); 2) азиатская (родина человечества о. Ява). Доминирует африканская концепция. Предполагают очень раннюю миграцию из Африки на Восток. Результатом явилось наличие двух центров антропогенеза – Запад и Восток.
Продолжается ли биологическая эволюция человека после возникновения человека разумного? Эволюция человека продолжается на всем протяжении его существования (филогенез). Но она относится к социальной стороне жизни, а биологическая эволюция перестала играть решающую роль. Политические, экономические и социальные изменения во многих странах, обусловившие улучшение жизни людей, прямо влияют на состояние их здоровья. Это свидетельствует об уменьшении зависимости человека от естественного отбора. Естественный отбор происходит, главным образом, на уровне зародышевых клеток. Обираются наиболее жизнеспособные половые клетки, которые обеспечивают выживаемость зародыша человека. Выживаемость зародыша также обусловлена влиянием биологических факторов. Нежизнеспособные зародыши выбраковываются Природой.
Меняется ли биологическая природа, физический облик, умственные способности человека? Физическое здоровье за историю человечества улучшилось. Показатель – увеличение средней продолжительности жизни. Относительно умственных способностей пока нет данных, подтверждающих генетическую зависимость роста интеллекта детей с продолжающимся эволюционным развитием головного мозга (размеры его остаются неизменными).
Современная биология и антропология полагают, что процесс биологической эволюции человека как вида прекратился. При ответе на вопрос, какое же будущее ожидает человечество с точки зрения вида, иногда высказывается мнение, что все виды животных и растений постепенно вымрут вследствие деградации генома (генетической программы развития). Главная опасность состоит не в старении вида, а во все большем загрязнении биосферы различного рода загрязнителями и с недостатками и несовершенством нашей культуры.
Таким образом, если на заре зарождения человечества основными факторами, определяющими формирование человека как вида, были биологические факторы – естественный отбор, наследственность и изменчивость (ему приходилось бороться с хищниками за жизнь, с силами природы за выживаемость, добывать пищу, огонь), то при формировании общества на первый план выходят социальные факторы (труд, речь, мышление), которые обусловили в дальнейшем формирование человека как биосоциального существа.
Относительно соотношения биологического и социального в онтогенезе человека существуют самые различные точки зрения. Социал – дарвинисты полагают, что развитие человека и общества определяется биологическими факторами, а двигателем общественного развития и эволюции человека является борьба за существование и естественный отбор. Принципы евгеники, которые были сформулированы двоюродным братом Ч. Дарвина – Ф. Гальтоном, направлены на изучение влияний, которые могут улучшить наследственные качества (здоровье, умственные способности, одаренность) будущих поколений. Однако, эти идеи использовались для оправдания расизма (фашизма). Гальтон в 1870 г. в книге «Наследственный гений» утверждал превосходство северной (нордической) расы людей над южной. Он полагал, что представители превосходящей расы не должны вступать в брак с представителями отсталой расы.
С точки зрения антропогенеза раса – это вторичная форма адаптации к окружающей среде. Расообразование началось после завершения биологической эволюции человека современного типа. С тех пор расовая картина человечества стабильна.
В 1996 г. англ. ученые Дж. Уэйнскот и А. Хилл, исследуя последовательность нуклеотидов ДНК, сделали вывод, что все народы мира происходят от одной маленькой группы доисторических африканцев, связанных между собой кровными родственными узами. Американские ученые Р. Канн и М. Стоунинг пришли к аналогичным выводам, изучая географическое распределение генов митохондрий, передаваемых только по женской линии.
В современной литературе существует два различных подхода к решению проблемы о роли социальных и биологических факторов в индивидуальном развитии человека (онтогенезе): панбиологизм, который утверждает, что индивидуальное развитие целиком обусловлено генами (генотипом); пансоциологизм (наиболее актуален), который утверждает, что все люди рождаются с одинаковыми генетическими задатками, а главную роль в развитии их способностей играют воспитание и образование, т.е. фенотип.
С вопросами биологического и социального тесно связана проблема соотношения бессознательного и сознательного в поведении человека, в проявлении его как личности.
На протяжении длительного времени в науке и философии доминировал принцип антропологического рационализма – человек, мотивы его поведения и само бытие рассматривались как проявление сознательной жизни. Этот взгляд нашел яркое воплощение в знаменитом высказывании фран. ученого и философа Р. Декарта: «Мыслю, следовательно существую».
Но, начиная с нового времени, в учении о человеке все большее место занимает проблема бессознательного. Определяющее влияние на разработку этой проблемы оказал З. Фрейд, утвердивший бессознательное как важнейший фактор человеческого измерения и существования. Согласно его концепции, психика человека состоит из 3-х пластов: 1) нижний и мощный пласт «Оно» – находится за пределами сознания (подводная часть айсберга). В нем сосредоточены различные биологические влечения, страсти и вытесненные из сознания идеи; 2) сравнительно небольшой слой сознательного – это «Я» человека; 3) верхний пласт человеческого духа – «Сверх-Я» – это идеалы и нормы общества, сфера долженствования и моральная цензура общества.
По Фрейду, личность, человеческое «Я» вынуждено постоянно терзаться и разрываться между несознательными влечениями и побуждениями («Оно») и нравственно-культурной цензурой общества («Сверх-Я»). В итоге, собственное «Я» (сознание человека) не является «хозяином в собственном доме». Сфера «Оно», всецело подчиненная принципу удовольствия и наслаждения, оказывает решающее влияние на мысли, чувства и поступки человека. Драматизм человеческого существования усиливается тем, что среди бессознательных влечений имеется и врожденная склонность к разрушению и агрессии. Таким образом, фрейдовский человек – это система противоречий между биологическими влечениями и социальными нормами, сознательным и бессознательным, инстинктом жизни и смерти. Человек (по Фрейду) – это, прежде всего, эротическое существо, управляемое бессознательными инстинктами.
Швейцарский психолог и культуролог К.Г. Юнг выступил против трактовки человека как существа эротического. Он дифференцировал фрейдовское «Оно», выделив в нем помимо «личностного бессознательного», еще более глубокий слой – «коллективное бессознательное» (архетипы), которое является отражением опыта предшествующих поколений. Архетипы лежат в основе мифов, сновидений и т.п. таким образом, по Юнгу человек, прежде всего существо архетипное.
Наиболее видным представителем неофрейдизма или современного фрейдизма является немецко-американский психолог и социолог Э. Фромм. Он попытался соединить психоаналитические идеи Фрейда с марксистской концепцией человека. По его мнению, одним из наиболее важных факторов развития человека является противоречие, вытекающее из его двойственной природы (биологической и социальной). Это противоречие Фромм назвал «экзистенциальной дихотомией» (раздвоенность). Она связана с тем, что из-за отсутствия сильных инстинктов, которые помогают в жизни животным, человек должен принимать решения, руководствуясь сознанием. Но результат при этом не всегда оказывается продуктивным, что порождает тревогу и беспокойство. Поэтому «цена, которую человек платит за сознание» – это неуверенность. Следовательно, поведение человека оказывается обусловленным все-таки побуждениями и конфликтами в области бессознательного. Дискуссия по этим вопросам продолжается.
Тема 13. Биосфера и ноосфера.
Учение В.И. Вернадского о биосфере и ее планетные характеристики.
Функции живого вещества в биосфере.
Система: природа – биосфера – человек и противоречия в этой системе. Влияние человека на природу. Техносфера.
Учение В.И. Вернадского о ноосфере. Концепция устойчивого развития и стратегия выживания.
Сегодня общепризнанной является система взглядов на биосферу, которую создал В.И. Вернадский. Сам Вернадский ссылается на Ж.-Б. Ламарка, заметив, что «он дал нам представление о роли биосферы в истории нашей планеты». Однако, Ламарк не использовал термин биосфера. Термин биосфера впервые был использован в 1875 г. авст. геологом Э. Зюссом. Под биосферой понималась вся совокупность живых организмов вместе со средой их обитания. Однако, Зюсс ничего не говорил о геологической роли биосферы и ее зависимости от планетарных факторов Земли. Впервые идею о геологических функциях «живого вещества» высказал В.И. Вернадский в 1919 г. По Вернадскому биосфера – это одна из оболочек Земли, состав и энергетика которой в существенных своих чертах определены работой живого вещества.
Труды Вернадского не только внесли определенный вклад в развитие многих разделов естествознания, но и принципиально изменили научное мировоззрение 20 в., определили положение человека и его научные мысли в эволюции биосферы, позволили по-новому взглянуть на окружающую природную среду, поставили много актуальных проблем и наметили пути их решения.
Фундаментом научного мировоззрения Вернадского служит понятие живого вещества. По его представлениям живые организмы без пропусков заполняют всю поверхность планеты. Размножением, питанием, дыханием они создают определенное давление на среду, т.е. являются мощной биогеохимической силой, меняют течение всех химических реакций, участвуют в круговороте всех химических элементов.
В его учении четко прослеживаются эмпирические обобщения:
Первым выводом из учения о биосфере является принцип целостности биосферы.
С принципом целостности биосферы и неразрывной связи в ней живых и косных компонентов связан принцип гармонии биосферы и ее организованности.
Роль живого в эволюции Земли.
Космическая роль биосферы в трансформации энергии.
Растекание жизни есть проявление ее геохимической энергии.
Понятие автотрофности.
Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается разножением.
Формы нахождения химических элементов: 1) горные породы и минералы; 2) магма; 3) рассеянные элементы; 4) живое вещество.
Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности.
Биосфера представляет один и тот же химический аппарат с самых древних геологических периодов. Само живое вещество не является случайным созданием.
Всюдность жизни в биосфере.
Постоянство количества живого вещества в биосфере.
На основе эмпирических выводов Вернадский делает теоретические выводы:
Жизнь вечна, т.к. вечен Космос. И всегда передавалась путем биогеоценозов.
Живое вещество не могло произойти от косного. Наоборот, эволюция земных оболочек идет под влиянием живого вещества.
Живое вещество могло быть занесено из Космоса, где жизнь вечна, и укрепиться на Земле.
Жизнь на Земле была всегда. Время существования планеты – это время существования на ней жизни. Жизнь была распространена всюду.
Идея всегдашней оживленности жизни. То есть, возможна биосфера, состоящая из одних прокариот. Такой она была в прошлом. Прокариоты нельзя рассматривать отдельно от среды, т.к. они изменяют ее своей жизнедеятельностью. Они вездесущи, встроены почти в каждую геохимическую реакцию. Результаты их деятельности впечатляют.
Верхняя граница биосферы находится в стратосфере – на высоте 20-25 км от поверхности Земли. Верхний предел жизни ограничивается озоновым слоем, задерживающим ультрафиолетовые и космические излучения. Нижняя граница жизни проходит по литосфере – на глубине 2-3 км. жизнь сосредоточена главным образом в верхней части литосферы – в почве и на ее поверхности. В водной оболочке планеты – гидросфере – нижняя граница жизни отмечается на глубине около 11 км. Совокупность всех живых организмов биосферы называется живым веществом, а количественное выражение ее – биомассой.
Биомасса растений на Земле составляет приблизительно 3 Ч 1012 т, животных – всего лишь 1-3 % биомассы растений. Распределение биомассы на Земле зависит от природно-климатических условий, скорости воспроизводства живых организмов и их размножения. Биомасса Мирового океана почти в 1000 раз меньше, чем на суше. Суммарная биомасса суши составляет 97 % всей биомассы Земли. В живом веществе абсолютно преобладает фитомасса; много меньше роль зоомассы и микроорганизмов. Общий вес живого вещества на Земле оценивается в триллион тонн. Ежегодная продукция живого вещества на Земле – 230 млрд т., из них на материках – 170 млрд т., в океане 60 млрд т. Но интенсивность жизненных циклов в океане значительно выше, чем на суше.
Основные принципы естественного устройства биосферы:
биосфера использует внешние источники энергии;
биосфера использует вещество в основном в форме круговоротов, обуславливая тем самым развитие жизни;
в биосфере существует огромное многообразие видов и биологических сообществ.
Какие именно геохимические функции выполняла и выполняет биосфера? В процессе круговорота веществ живое вещество выполняет следующие функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную, энергетическую, средообразующую, транспортную. Эти функции можно конкретизировать на следующих примерах.
Основная планетная функция живого вещества на Земле заключается в связывании и запасении солнечной энергии в процессе фотосинтеза. Эта энергия затем идет на поддержание множества других геохимических процессов в биосфере.
В биосфере в результате жизнедеятельности м/о осуществляется такие химические процессы как окисление и восстановление элементов. Пример: денитрифицирующие бактерии, серо- и железобактерии. Геологический результат их деятельности – образование осадочных месторождений серы, залежей сульфидов металлов, возникновение железных и железомарганцевых руд.
Процессы разложения также осуществляются при участии м/о и животных. В круговорот включаются основные продукты разложения – углекислый газ, аммиак, вода, которые образуются в процессе минерализации. Кроме этого, в почве часть освобождающихся веществ вновь конденсируются с образованием почвенного гумуса со значительным запасом энергии, которая является основой плодородия почвы.
Природные воды, обогащенные этими продуктами, становятся химически высокоактивными и выветривают горные породы.
Жизнедеятельность живых организмов определяет кислородный режим современной воздушной оболочки. Значительная часть его идет на окисление минеральных веществ.
Углекислый газ поступает в атмосферу за счет дыхания всех организмов. Расходуется же в процессах органического синтеза, а также на выветривание горных пород и образование карбонатов.
Азот из атмосферы фиксируется м/о. После их смерти он переходит в доступные растениям соединения и включаются в цепи питания и разложения.
Продуцируя и потребляя газообразные вещества, организмы биосферы поддерживают постоянство состава воздушной оболочки.
Живое вещество перераспределяет атомы в биосфере, концентрируя их в себе: кальций, кремний, натрий, алюминий и т.п. Отмирая, они образуют скопления этих веществ. Возникают залежи известняков, фосфоритов и др.
Человечество является составной частью и продолжением единой природы. Оно не в состоянии существовать и развиваться вне природы. Связь человека с окружающей средой особенно ярко выражена в сфере материального производства посредством извлекаемых природных ресурсов. Таким образом, Природа является естественной основой жизнедеятельности человека и общества в целом. Наиболее тесно человек связан с такими составляющими природы и биосферы как географическая среда и окружающая среда.
Географическая среда – это часть природы, которая вовлечена в сферу жизни человека, в производственный процесс. Многообразие свойств природы явилось естественной основой разделения труда. Следовательно, от особенностей географической среды зависит конкретные направления человеческой деятельности (развитие тех или иных отраслей производства). Неблагоприятные природные условия существенно тормозили общественное развитие.
Но если бы человек находил все необходимые ему средства к существованию в природе в готовом виде, то не было бы стимулов для совершенствования производства, а, следовательно, и для собственного развития.
Таким образом, не только наличие тех или иных природных условий для производства, но и их недостаток также оказывал ускоряющее влияние на развитие общества. В этом проявляется взаимодействие составляющих системы природа – биосфера – человек.
Масштабы созданной человечеством материальной культуры огромны. И темпы ее развития постоянно увеличиваются. В наши дни техномасса (все созданное человеком за год) уже на порядок превышают биомассу. Уровень воздействия человека на окружающую среду зависит, в первую очередь, от технической вооруженности общества.
Техника все менее остается только вспомогательной силой для человека. Все больше проявляется ее автономность (автоматические линии, роботы, межпланетные станции, компьютерные системы). По аналогии с живым веществом, мы можем говорить о техновеществе как совокупности всех существующих технических устройств и систем.
Дальнейшее развитие техники требует просчета оптимальных вариантов взаимодействия составных частей техновещества и последствий его влияния на природу. В результате преобразования человеком естественной среды можно говорить уже о реальном существовании нового ее состояния – техносферы, которая выражает совокупность технических устройств и систем вместе с областью технической деятельности человека. Ее структуру можно представить следующим образом: техногенное вещество, технические системы, атмосфера + космос, гидросфера, верхняя часть литосферы и живое вещество.
Техносфера все больше преобразует природу, изменяя прежние и создавая новые ландшафты (горы мусорных свалок, заброшенные карьеры, залежи пустых пород при разработке полезных ископаемых и т.п.), способствуя деградации окружающей природной среды, исчерпанию невозобновимых и возобновимых природных ресурсов, приводя к исчезновению флоры и фауны, загрязняя атмосферу, гидросферу, литосферу и пр.
Технические ландшафты из отходов производства, уничтожение признаков жизни в целых регионах, загнанная в резервации (пр.: заповедники) природа и пр. – вот реальные плоды негативного влияния человека, вооруженного техникой, на окружающую среду.
Огромное влияние человека на природу и масштабные негативные последствия его деятельности послужили основой для создания учения о ноосфере (сфере разума). Впервые его ввел в научный оборот в 1927 г. фран. ученый Э. Леруа. Вместе с Тейяром де Шарденом он рассматривал ноосферу как некое идеальное образование, внебиосферную оболочку мысли, окружающую Землю.
Само учение о ноосфере было создано в трудах В.И. Вернадского. Вернадский начал развивать данную концепцию с начала 30-х гг. после детальной разработки учения о биосфере. Он употреблял понятие ноосфера в разных смыслах: 1) как состояние планеты, когда человек становится крупнейшей преобразующей геологической силой; 2) как область активного проявления научной мысли; 3) как главный фактор перестройки и изменения биосферы.
В его учении это не просто сфера приложения знаний человека при высоком уровне техники. Речь идет о таком этапе в жизни человечества, когда преобразующая деятельность человека будет основываться на строго научном и действительно разумном понимании всех происходящих процессов и обязательного сочетания своей деятельности с «интересами природы».
В настоящее время под ноосферой понимается сфера взаимодействия человека и природы, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным определяющим фактором развития. В структуре ноосферы можно выделить в качестве составляющих человечество, общественные системы, совокупность научных знаний, сумму техники и технологий в единстве с биосферой. Гармоничная взаимосвязь всех составляющих структуры есть основа устойчивого существования и развития ноосферы.
Человечество только вступает в данное состояние. И так будет до тех пор, пока человечество не решит глобальных проблем планеты, прежде всего экологическую.
Таким образом, ноосфера – это тот идеал, к которому следует стремиться человечеству.
Существующие глобальные экологические проблемы были обусловлены двумя группами причин: 1) объективные – предельные способности природы к самоочищению и саморегуляции, физическая ограниченность земельной территории в рамках одной планеты, безотходность производства в природе и отходность человеческого производства, познание и использование человеком законов развития природы происходило в процессе использования самой природы; 2) субъективные – недостатки организационно-правовой и экономической деятельности государства по охране окружающей среды, дефекты экологического воспитания и образования, которые породили экологическое невежество (нежелание изучать законы взаимодействия человека и природы) и экологический нигилизм (нежелание руководствоваться этими законами в своей деятельности).
Наличие глобальных экологических проблем заставило человечество задуматься о путях их решения и выхода из экологического кризиса. Такой путь был предложен в концепции устойчивого развития, которая была предложена специальной, независимой международной комиссией, учрежденной Генеральной Ассамблеей ООН в 1983 г. Сущность этой концепции – это сбалансированное эколого-экономическое развитие без ущерба для будущих поколений.
Эта же комиссия определила основные условия перехода к сбалансированному развитию:
оживление экономического роста, достижение справедливых отношений и удовлетворение основных нужд людей;
сдерживание роста населения;
исключение расточительного использования природных ресурсов;
экономическое развитие по возможности за счет возобновляемых природных ресурсов;
пересмотр экономических решений, связанных с ухудшением экологической обстановки;
изменение политики в отношении с/х;
принятие закона о безопасности пищевых продуктов;
изменение характера производства (снижение материалоемкости изделий, уменьшение количества отходов на производстве, использование безотходных технологий, переход на вторичное сырье и пр.);
экономическое стимулирование;
предоставление больших полномочий и средств органам управления по охране окружающей среды;
принятие только экологически сбалансированного бюджета;
снижение гонки вооружений.
II-ая Международная конференция ООН по проблемам охраны окружающей среды, которая проходила в Рио-де-Жанейро в 1992 г., разработала на основе этой концепции стратегию устойчивого развития для всего человечества. Эта стратегия раскрывается в пяти основополагающих документах, принятых на этой конференции: 1) «Повестка дня на 21 век» – программа того, как сделать развитие устойчивым с экономической, социальной и экологической точки зрения; 2) «Декларация по окружающей среде и развитию» - ее 27 принципов определяют права и обязанности стран в деле обеспечения развития и благосостояния людей; 3) Заявление о принципах, касающихся управления, защиты и устойчивого развития всех видов лесов; 4) Рамочная конвенция об изменении климата с целью стабилизации концентрации газов, вызывающих парниковый эффект; 5) Конвенция о сохранении биологического разнообразия на Земле.
Реализация стратегии устойчивого развития возможна на базе соблюдения шести принципов: 1) принципа сохранения; 2) принципа согласования; 3) принципа приоритета; 4) принципа безопасности; 5) принципа сочетания; 6) принципа разумного компромисса (самостоятельно раскройте сущность и свое понимание каждого их этих принципов).




























13PAGE 145115


13PAGE 14415






Заголовок 1 Заголовок 2 Заголовок 3 Заголовок 4 Заголовок 5 Заголовок 6 Заголовок 7 Заголовок 8 Заголовок 915

Приложенные файлы

  • doc 8937444
    Размер файла: 525 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий