Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
для студентов бакалавриата
Кафедра Философии и социологии
Автор: д.ф.н., проф. Иконникова Н.И.
Вводная часть
Уважаемые студенты!
Вашему вниманию предлагается обзорная (установочная) лекция по курсу «Концепции современного естествознания».
Курс «Концепции современного естествознания» введен в соответствии с государственным образовательным стандартом РФ. Курс предназначен для студентов вузов гуманитарных специальностей, не изучающих в вузе естественные науки. Изучается курс один семестр, заканчивается написанием контрольной работы и экзаменационным зачетом.
Главная задача курса – помочь студентам освоить основы современного естествознания, его концепции и принципы, исходя из которых познается природа, объективный мир и, в конечном счете, разрабатывается научная картина мира. Научная картина мира глубоко влияет на мировоззрение современного человека, на осознание его места в мире, на понимание глобальных перспектив человечества. Без этих знаний невозможно правильно ориентироваться в современной культуре, объективно оценивать проблемы и перспективы цивилизации на пороге третьего тысячелетия.
Кроме того, усвоение основных методов и принципов научного мышления, которым пользуется современное естествознание, позволит специалистам гуманитарных и общественных наук расширить профессиональные возможности, вооружить мышление дополнительными средствами познания, которые успешно работают в познании природы. Наконец, сам человек, будучи природным и социальным существом успешнее исследуется, если привлекаются средства из разных наук и интегрируются для решения научных задач, связанных с проблемой человека.
Методы и принципы современного естествознания часто приобретают значение общенаучных и могут быть использованы и в гуманитарных науках. Усвоение и привлечение таких методов как системно-структурый и структурно-функциональный анализ, ставшие эффективным средством в исследовании экономических проблем, яркое тому подтверждение, хотя зародились они в биологии, хотя сам системный подход известен еще из философии Древней Греции.
Необходимость познания основополагающих идей и понятий современного естествознания диктуется еще и тем, что оно позволяет разумно противостоять давлению разного рода мистическим течениям, расцветающим, как правило, в кризисные периоды, и паразитирующим на духовных трудностях человека, связанных со сменой ценностей и идеалов. Специалист, знающий принципы современного естествознания, может успешно противостоять, с одной стороны, догматизму в мышлении, а с другой, интеллектуальному анархизму. Это позволяет ему вырабатывать взвешенную, объективную и строго обоснованную позицию, как в профессии, так и в гражданских делах.
Одна из задач современного высшего образования – развитие творческого мышления у будущих специалистов. Оно позволит им лучше адаптироваться ко все более ускоряющимся процессам социально-экономической реальности и более эффективно решать встающие в связи с этим научные и практические проблемы. Курс «Концепции современного естествознания» должен способствовать обогащению творческих возможностей будущего ученого или специалиста в области общественно-политической и социально-экономической деятельности.
Изучение курса позволит так же уяснить, как наука в XX веке сообщила всем процессам общественной жизни ускорение и динамизм, преобразовывая, с одной стороны, наше понимание Природы и Космоса, места человека во Вселенной и на Земле; а с другой – углубила понимание «тайн» нашего «Я», законов социальной эволюции, исторических изменений форм общества, форм культуры и цивилизации, и наконец форм человеческого разума, форм рациональности в истории культуры человечества. Новое мышление, добытое наукой, является едва ли не самым важным событием современной цивилизации, а может быть и более важным, чем сами открытия науки и техники.
Как целостное знание курс «Концепции современного естествознания» имеет свой объект – целостную картину мира и свой предмет – законы природы, раскрывающие различные стороны этой единой картины мира, и научно-теоретическое и научно-экспериментальное мышление, которое осуществляется в комплексе естественных наук.
Научное мышление в естествознании развивается в сложных формах исследовательской деятельности по освоению природных и космических явлений. В нем можно усматривать четыре основных направления:
Кроме того, изучая становление и развитие научного мышления, специалист получает возможность мыслить о собственном мышлении, взвешивая его достижения и просчеты и таким образом развивая профессиональное самосознание, развивая способности к рефлексии, то есть к самооценке, самопознанию и, следовательно, к самосовершенствованию.
В науке XXI века, замечена существенная специфика и различие в культуре мышления гуманитариев и естественников. Мышление гуманитариев отличается более развитым ценностным отношением к реальности. В таком мышлении логическая и формальная строгость размываются и отходят на второй план по сравнению с содержательностью и смыслами. Это ограничивает возможности доказательности и особенно математизации рассуждений. В этом можно усматривать недостаток этого мышления. В мышлении естественников, наоборот, формально-логический, математический и строго формализованный способ доказательства превалирует и как бы заглушает ценностно-содержательный аспект, что так же не может не давать негативных последствий. Изучение концепций современного естествознания позволяет понять эти крайности и уменьшить разрыв между естественнонаучной и социогуманитарной составляющей современного научного мышления. Все это должно способствовать развитию профессиональных качеств современного выпускника вуза.
В КОПР и учебном пособии Иконниковой Н.И. анализ концепций и принципов естествознания, дается в развитии, выделяются три этапа или три уровня этого развития:
КОПР состоит из восьми глав, каждая из которых сопровождается ключевыми вопросами и тестами, там, где необходимо дается иллюстративный материал (схемы, таблицы и т.п.). Каждая глава завершается списком рекомендуемой дополнительной литературы.
Обращаем ваше внимание на то, что нумерация глав КОПР частично не совпадает с нумерацией и количеством тем в рабочей программе курса. Однако разница эта несущественна. Все темы, предусмотренные программой, имеются и в КОПР. Но в последней включена дополнительная тема – под № 4: «Пространство и время в современной научной картине мира». Изучить ее нужно обязательно, иначе могут остаться непонятыми многие особенности современных представлений о физических процессах в нашей Вселенной. Программой же курса изучение проблем пространства и времени предусмотрено в теме №3 «Структурные уровни организации материи. Физические концепции строения мира и его развития».
Кроме того, обозначенная в рабочей программе как «Панорама современного естествознания» тема №8 является по сути планом организации семинарского занятия, а не особой самостоятельной темой курса (поэтому такой темы нет в КОПР). Представленные в ней вопросы «собраны» из предыдущих семи тем и предназначены для закрепления пройденного на учебных занятиях материала.
Тема 1. Естественно-научная и гуманитарная культура. Общая характеристика современного естествознания и тенденций его развития
В первой главе КОПР дается анализ проблемы соотношения и взаимосвязи культуры человечества в целом и науки, определяется специфика естественных и гуманитарных наук, устанавливается роль этих наук в культурном развитии человечества; в создании материальной и духовной культуры; в развитии природно-социальных условий существования человека; в понимании роли человека как субъекта культуры и науки; в анализе различий роли естественных и гуманитарных наук в познании природы и общества; в формировании как культуры, так и самого человека; в развитии с одной стороны, условий жизни человека, а с другой – в развитии способностей и сущностных сил самого человека.
Культура, в широком смысле слова существует как вторая природа, т.е. искусственная среда обитания, сотворенная самим человеком. Таким образом, первое, что следует подчеркнуть: человек в отличие от животных живет как в природе, т.е. в среде обитания, возникшей естественным образом задолго до человека, так и в культуре, т.е. в среде созданной трудом и творчеством человечества, из поколения в поколение производящим и накапливающим материальные и духовные средства жизнедеятельности, превратившихся, наконец, в сложную и гигантскую систему зданий, сооружений; технических и технологических устройств; достижений науки, искусства и философии; социальных, экономических и политических систем. Культура, таким образом, рассматривается как вся совокупность материальных, духовных и социальных средств жизнедеятельности человека, созданных человеком и употребляемых для удовлетворения своих потребностей и собственного развития.
Культура включает в себя три типа средств жизнедеятельности человека или три типа ценностей. Во-первых, материальные ценности, которые имеют витальный, жизнеобеспечивающий смысл. Они удовлетворяют материальные потребности человека. Это предметы потребления, средства их производства. Это – пища, одежда, лекарства и т.д. Во-вторых, духовные ценности, которые удовлетворяют духовные потребности человека: этические, эстетические, научные, религиозные и т.п. Они создаются искусством, наукой, религией, философией и существуют как произведения искусства, религиозные учения, научные знания или философские идеи. В-третьих, это нормы и регулятивы, правила и законы поведения людей; управление их общения и сотрудничества в обществе с другими людьми. Они координируют совместную, общественную жизнедеятельность людей. Это – нормы морали, обряды и ритуалы, мировоззренческие или религиозные образцы и идеалы; политические программы или своды юридических законов.
Исторически исходными являются материальные ценности. Чтобы их создавать, человек должен обращаться к природе и ее ресурсам. Для своего существования человек извлекает из природы три типа ресурсов: 1) вещество, которое выступает в качестве сырья; 2) энергию, которая необходима для обработки вещества и создания материального производства и 3) информацию – которая добывается различными способами познания и служит для понимания и управления взаимодействия человека с природой и обществом.
Чтобы целенаправленно и сознательно использовать природные ресурсы, необходимо знать их свойства и качества. Науки о природе (естествознание) служат этим целям и задачам. Научные знания, добытые естествознанием, превращаются затем в технику, в технологию производства материальных, т.е. жизнеобеспечивающих или другими словами витальных ценностей. Расширяя границы познания, естественные науки, в конечном счете, разрабатывают картину мира, создают модели Вселенной, а это имеет место уже не только практически – производственный смысл, но и мировоззренческий, а, следовательно, духовный.
Наряду с этим человек использует для жизни ресурсы культуры, общества и своего собственного «Я». Здесь свою задачу выполняют науки об обществе – общественные науки и науки о человеке – гуманитарные науки. Они изучают сущность человека, его способности и виды творчества, развивают эти способности, обогащают содержание культуры, совершенствуют формы и методы общественной жизни. Все эти ресурсы имеют субъективное происхождение и субъективные формы существования.
Естествознание имеет дело с природными объектами, т.е. абсолютно объективного происхождения и поэтому основная его задача – дать знания объективные по-своему смыслу и содержанию. Все что имеет субъективный смысл, в содержание естественной науки не включается. Гуманитарные науки не могут исключать фактор субъективности. Поэтому в содержание наук неизбежно включается оценочный момент, имеющий субъективную природу. Задача естественной науки – знать предмет только объективно: задача гуманитарной науки – знать объект не только объективно, но и в его субъективной оценке и понимании.
Поскольку человек существует как в природе, так и в культуре, обществе; то, следовательно, ему одинаково необходимо знать и то и другое, т.е. уметь синтезировать естественные и гуманитарные знания. Следовательно, необходимо знать какую роль играет наука не только в развитии материальной, но и духовной культуры.
Роль науки в культуре XXI века существенно возросла, она глубоко предопределяет все сферы деятельности человека: производство, медицину, военное дело и т.д. Кроме того, наука глубоко проникла в познание природы человека, тайн его психики и т.д. Все это требует оценки места, роли, возможностей и предела вторжения науки в человеческую жизнь. Возникает задача нравственного понимания науки этического исследования ее самой и ее результатов, т.е. задача разработки этики науки и самосознания науки.
Тема 2. Методы и структура научного познания. Логика и закономерности развития естествознания
Во второй главе КОПР и Разделе I учебного пособия Иконниковой Н.И. (см. оглавление) Вы найдете материал, посвященный анализу сущности науки; логике и закономерностям ее развития; изучению природы научного метода; современным тенденциям и закономерностям развития научного знания о природе и Вселенной в целом. Наука рассматривается как общественный способ познания, так как наряду с ней в обществе существуют способы производственного и художественного освоения действительности. Существует наука в форме системы объективно истинных знаний о природе, обществе и человеке. Наука в XXI веке это профессиональная деятельность по добыче информации, доведения ее до кондиции научного знания, поиску путей и методов его эффективного использования.
Наряду с научными знаниями, в обществе существуют различного рода знания вненаучного происхождения (результат других форм общественного сознания): религиозные, моральные, эстетические и т.д., существует обыденное сознание, связанное с индивидуальным опытом человека. Научное знание имеет принципиальные отличия. Прежде всего, оно формируется в соответствии с принципом объективности; оно логически или математически доказательно и эмпирически проверяемо; развивается в форме эмпирических фактов, теоретических систем принципов или законов. Возникло научное познание 2,5 тыс. лет назад, а собственно в науку современного типа превратилось с XVII века. С XX века наука существует в различного рода институтах и представляет собой развитую отрасль общественного производства.
Познание в науке осуществляется на двух уровнях: эмпирическом и теоретическом. В соответствии с этим в структуре научного знания можно выделить основные элементы: установленные и исходные эмпирические факты; понятия и принципы, обобщающие эти факты; система объяснений, доведенная, как правило, до установления определенных законов; теоретическая модель объекта, введенная в контекст складывающейся на данном этапе научной картины мира. Истинность научных знаний проверяется различными способами – практическим внедрением, эмпирической подтверждаемостью или возможностью эмпирического или теоретического опровержения в конкретных границах познания. Главное заключается в том, что любой способ проверки на истинность должен быть свободно и независимо воспроизводимым. Таким образом, наука требует рациональности познания; понимания содержания знания, границ его истинности и способов проверки. Рационализм – основной идеал научного мышления, постепенно становится общепринятым и для других сфер общественной жизни.
Несмотря на грандиозные успехи науки, знания ее относительны и ограничены. Ограниченность науки обусловлена следующими факторами: субъективностью восприятия объектов познания; опыт человечества так же всегда ограничен историческим условием развития. Непознанный мир всегда шире познанного. Человек оснащен познавательными средствами, эвристические, технические и технологические возможности которых всегда ограничены и конечны. Сам человек существо макроскопическое, но ему приходится познавать объекты микромира и мегамира, чувственно-образное отражение которых ему не доступно. И, наконец, всякая научная теория конкретна и не может иметь неограниченных познавательных и объяснительных возможностей.
Наука имеет свою логику и закономерность развития. Она движется от конкретных и единичных фактов к абстрактному и общему знанию о них, а затем, с помощью общих и абстрактных понятий, дается объяснение конкретным фактам. Такова логика движения научного познания. В историческом развитии наука прошла три основных этапа. Первый, связан с античной философией, когда познание носило умозрительно-логический характер, когда еще не было эксперимента и теоретических систем доказательства (за исключением геометрии Евклида). Второй этап связан с возникновением и развитием классической науки, когда естествознание оформилось в самостоятельную систему наук о природе. Возникли такие науки как физика, химия, механика, биология и т.п. Познание на этом этапе развития науки носило уже опытно-теоретический характер, когда возникли и получили развитие эксперимент и наблюдение как основные формы эмпирического познания; когда широко стали использоваться гипотеза и теория, индукция и дедукция как системы логического доказательства; когда началась математизация научного познания. Третий этап связан со становлением современной науки. На этом этапе научная деятельность превратилась в профессиональное занятие, возникли государственные научные учреждения, познание стало индустриализоваться и автоматизироваться; возникла интеллект техника, а во взаимодействии наук стало действовать не только их специализация, но и комплексирование. В целом познание на этом этапе развития науки носит индустриально-комплексный характер.
В развитии науки можно установить как эволюционные фазы, так и революционные. Эволюционная фаза, это, по Куну, нормальное развитие науки, когда имеющиеся образцы научного познания не подвергаются сомнению и задача заключается в том, чтобы максимально широко их использовать для познания как можно большего круга явлений. Революционная фаза возникает тогда, когда вдруг резко меняются основополагающие принципы познания и наука перестраивает способ понимания и объяснения познаваемого круга явлений. Например, когда физика перешла от классического (однозначного) детерминизма к вероятностному пониманию причинности. Кроме того, доказано, что в развитии науки можно наблюдать смену исследовательских программ, когда на одной фазе преимущественно используются одна группа методов, соединенных в единую исследовательскую программу, а на другой фазе изобретаются новые методы и на их базе становится возможным формирование исследовательской программы нового типа. Но, несмотря на все различия в этапах и фазах развития науки она устойчиво работает над единой и инвариантной задачей – построением картины мира. В этой работе она прошла три революции: Первая – связанна с Аристотелевским геоцентрическим пониманием мира, когда Земля считалась неподвижным центром вращающихся небесных сфер. Эта картина мира была основана на умозрительных допущениях, но Аристотель отделил собственно науку (физику) от философии, заложил основы естествознания, которые просуществовали до XVII века. Вторая революция произошла с возникновением гелиоцентрического понимания мира Коперника, когда Ньютон сформировал законы движения небесных тел, когда возникла механистическая картина мира. В результате этой революции сложилась система классического естествознания с разделением на классические естественные науки. Третья научная революция привела к современной науке и началась с теорий относительности Эйнштейна, открытия ядра атома и фотона в физике, гена в биологии, постоянной Хаббла в космологии и т.д.
Современная наука глубоко преобразовала концептуальные принципы познания мира. В ней получили широкое развитие идеи вероятностного понимания, системного анализа, математического моделирования, тотального эволюционизма, всеобщей взаимосвязи явлений и объектов в масштабах Вселенной, обнаружения способности материи в своем развитии к самоорганизации и самоуправлению; разработке и использованию методов синергетики. В конечном счете, созданная современной наукой картина мира глубоко и принципиально отличается от картины мира классической науки. Новая наука создала новую модель Вселенной.
Тема 3. Структурные уровни организации материи. Физические концепции строения мира и его развития
Третья и четвертая главы КОПР (третья тема в рабочей программе курса) и Раздел II учебного пособия Иконниковой Н.И. посвящены анализу структурных уровней организации материи; изучению основных физических характеристик материального мира, его законам, структуре и пространственно-временной его организации.
Современная наука оснастила познание системным подходом, методами системно-структурного моделирования. Это универсальные средства познания. В качестве системы можно рассматривать любой объект: атом, организм, общество, галактику и т.д. В любой системе выделяют структуру и элементы, структуру функций и возможных видов взаимодействий, структуру связей в координации и субординации элементов. Всякая система существует как целостное образование с интегративными свойствами и характеристиками, которые не могут иметь вид суммы свойств элементов. Естествознание изучает системы трех классов и типов – с одной стороны это системы неживой природы, живой природы и социальные системы, а с другой, это системы микромира, макромира и мегамира. В этом проявляется системный характер организации материального мира. Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности данной нам в ощущениях, которая копируется, фотографируется, отображается этими ощущениями, существуя независимо от них.
Микромир – это мир предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности (начала образования Вселенной) до 10-24 сек. Самая большая система микромира – атом.
В настоящее время современные нанотехнологии, например, сканирующие туннельные микроскопы (испытаны в 1981 году) и сканирующие атомно-силовые микроскопы (1986 г.) позволяют различать объекты, имеющие размеры около 0,1 диаметра атома водорода. А сами частицы получают с помощью ускорителей и коллайдера. Микромир – это мир элементарных частиц и полей.
Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносится с масштабами человеческого опыта. Пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах, сутках и годах.
Макромир имеет несколько уровней организации:
I. физический (механический) уровень рассматривает строение веществ, их физические свойства и движение;
II. химический уровень значительно более сложный, он исследует химические процессы и реакционную способность веществ.
Все вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии, состоят из молекул. Молекулы образуют кристаллические решетки, руды, скалы и другие объекты, т.е. то, что мы можем почувствовать, увидеть и т.д. Такие огромные образования как горы, океаны – это все молекулы, связанные между собой. Молекулы – новый уровень организации, они все состоят из атомов, которые в этих системах рассматриваются как неделимые, т.е. элементы системы.
Несмотря на то, что физический и химический уровни организации макромира изучают молекулы, химический уровень значительно более сложный, т.к. исследует химические процессы и именно химический процесс делает химию более сложной наукой, чем физика, показывает не сводимость химического уровня организации материи к физическому.
III уровень организации макромира - биологический, который в свою очередь имеет несколько уровней:
IV. социальный уровень – человеческое общество (его исследуют социальные науки, которые вместе с естественными изучают ноосферу).
Как уже говорилось выше, самый маленький элемент макромира – атом, а самая большая система – планета Земля. В состав макромира входят как неживые системы, так и живые системы различного уровня. Каждый уровень организации макромира содержит как микроструктуры, так и макроструктуры. Например, молекулы – вроде бы, должны относится к микромиру, поскольку они нами непосредственно не наблюдаются. Но, у нас есть сейчас возможность видеть с помощью микроскопов часть атома водорода. С другой стороны – есть огромные молекулы, чрезвычайно сложные по своему строению, например, ДНК ядра длиной почти в 1 см, и если бы молекула была толще, мы бы ее увидели невооруженным глазом.
Мегамир – следующий уровень организации материи. Это – мир огромных космических масштабов и скоростей, в котором расстояние измеряется световыми годами, а время существования – миллионами и миллиардами лет. Это мир галактик и их скоплений, звезд и планет, где в космическое пространство выбрасывается огромное количество энергии, и путешествуют такие странники как кометы, астероиды.
Высшие уровни организации материи нельзя сводить к низшим, поскольку с каждым новым уровнем появляются такие особенности, которых нет на предыдущих.
Микромир, макромир и мегамир теснейшим образом взаимосвязаны. Во всех мирах существуют общие правила «игры». К таким правилам относятся законы сохранения (неизменность некоторых физических величин во времени) и законы симметрии (неизменность некоторых физических величин в пространстве). Внимание! У студентов бакалавриата тема 4 «Пространство и время в современной научной картине мира», данная в КОПР по существующей программе не рассматривается как отдельная, а изучается в теме 3 «Структурные уровни организации материи». Темы 3 и 4 КОПР объединяются, поскольку существуют особенности свойств пространства и времени на различных уровнях организации материи.
МИКРОМИР – элементарные частицы и поля.
Под веществом понимают частицы и тела, у которых есть масса покоя, а поля и их кванты массы покоя не имеют, но обладают энергией, импульсом и другими свойствами. Однако поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу, так как при рассмотрении структуры вещества, на долю частиц приходится очень маленькая часть общего объема (10-38), т.е. поля входят в структуру вещества. Кроме того, мы можем наблюдать непрерывные взаимопереходы полей и частиц друг в друга.
В современной квантовой теории под полем понимается система с переменным числом частиц. Так, с современной точки зрения в природе существует совокупность двух полей (электрического и магнитного) – это электромагнитное поле, оно представляет собой особый вид материи, т.е. существует объективно, независимо от нашего сознания. Магнитное поле всегда порождается переменным электрическим, и наоборот, переменное магнитное поле всегда порождает переменное электрическое поле. Электрическое поле, вообще говоря, можно рассматривать отдельно от магнитного, так как носителями его являются частицы – электроны и протоны. Магнитное поле без электрического не существует, так как носителей магнитного поля нет. Электромагнитные колебания – это колебания электрических и магнитных полей, которые сопровождаются периодическим изменением заряда, тока и напряжения.
Простейшие электромагнитные волны — это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, по расчетам Максвелла, должна быть приблизительно равна 300 000 км/с.
Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов продемонстрировал 7 мая 1895 г. русский физик А. Попов. Этот день считается днем рождения радио.
Свет – это электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом, т. е. длин волн в интервале 380 - 770 нм.
Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация. Он может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта. Имеет конечную скорость распространения в вакууме 300 000 км/с, а в среде скорость убывает.
Наиболее наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции. Интерференцией света называют пространственное перераспределение светового потока при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности (интерференционная картина). Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны.
Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении у края преграды называют дифракцией света. Дифракция объясняется тем, что световые волны, приходящие в результате отклонения из разных точек отверстия в одну точку на экране, интерферируют между собой. Происходит явление поляризации, т. е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости – плоскости поляризации. Явление поляризации доказывает волновую природу света и поперечность световых волн.
В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями – квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой Е = hv, где h – постоянная Планка, равная, v – частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Г. Герцем и изученного экспериментально русским ученым А. Г. Столетовым. Фотоэффект – это явление испускания электронов веществом под действием света.
Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе его теории лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода. Работа выхода – это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла.
Самое низкое энергетическое состояние поля, в котором вообще нет квантов, называется вакуумом. В состоянии вакуума отсутствуют частицы, и он не обладает механическими свойствами (тела при движении в нем не испытывают трения). Однако вакуум, обладая реальными свойствами, не является «пустым пространством». В вакууме в малых пространственных областях (10-33 см) постоянно происходят процессы рождения и уничтожения частиц и античастиц разного сорта. Образно говоря, вакуум похож на «кипящий бульон», состоящий из элементарных частиц. Поэтому в квантовой теории возникло представление о физическом вакууме как о «квантовой жидкости», находящейся в вечном движении и описывающейся уравнениями квантовой гидродинамики. Если на вакуум воздействовать зарядом, то его состояние проявляется как электромагнитное поле; если массой – то, как гравитационное. Исходя из этого, физики считают вакуум источником вещества и энергии во Вселенной.
Сейчас известны свыше 350 элементарных частиц обнаруженных как экспериментально, так и теоретически вычисленных. Термин «элементарная частица» первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных объектов.
Вы знаете, что во всех телах макромира можно выделить относительно простые структурные элементы, т.е. существует структурная иерархия. Например, молекула может быть разложена на атомы. Поиск самых простых частиц вещества показал, что абсолютной элементарности не существует, что частицы имеют ту или иную структуру, но, исторически сложившееся название продолжает существовать. Поэтому только условно можно назвать три класса частиц, у которых не обнаружена внутренняя структура: лептоны, кварки и бозоны.
В настоящее время к группе элементарных частиц относятся частицы, распады которых происходят с дефектом масс, сравнимых по величине с массой исходной частицы или массами распадных частиц.
Почти каждая элементарная частица имеет соответствующие ей античастицы, а основными характеристиками являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.
Основой современной стандартной модели стало представление, что:
Стандартная модель включает два вида взаимодействия: сильное и электрослабое.
Сильное взаимодействие осуществляют кварки. Сегодня известны шесть кварков и их антикварки, входящих в три семейства (или поколения). Семейство 1 состоит из верхнего и нижнего кварков; семейство 2 – из очарованного и странного; семейство 3 – из истинного и красивого кварков. Верхний, очарованный, истинный имеют заряд +2/3; нижний, странный, красивый – заряд -1/3. Кварки обмениваются виртуальными частицами, называемыми глюонами.
Электрослабое взаимодействие осуществляют лептоны. Существует шесть лептонов и антилептонов. Они также объединяются в три семейства. Семейство 1 состоит из электрона и электронного нейтрино; семейство 2 – из мюона и мюонного нейтрино; семейство 3 – из тау и тау-нейтрино. Электрон, мюон и тау имеют заряд -1; электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино – заряд 0. Лептоны взаимодействуют, обмениваясь виртуальными частицами: фотоном, двумя W-бозонами и одним Z-бозоном.
Согласно стандартной модели атом имеет следующее строение: протоны (состоят из двух верхних и одного нижнего кварка, связанных глюонами) и нейтроны (состоят из одного верхнего и двух нижних кварков, связанных глюонами). Связь электронов с протонами в ядре обеспечивается фотонами. Верхний и нижний кварки, а также электрон и электронное нейтрино стабильны, другие кварки и лептоны – нестабильны и через короткое время распадаются на более устойчивые частицы. Все частицы, кроме глюона и фотона, обладают массой. Нулевая масса фотона обусловливает большую дальность электромагнитного взаимодействия, поскольку его переносчик может перемещаться со скоростью света.
Все кварки и лептоны – фермионы, переносчики взаимодействий – бозоны. К бозонам относятся: фотон, W+-бозон, W--бозон, Z-бозон, глюон и бозон Хиггса, который ищут с помощью коллайдера.
Существующая в настоящее время модель будет дополняться и возможно пересматриваться.
При переходе к исследованию микромира оказалось, что одни и те же объекты обнаруживают как волновые, так и корпускулярные свойства. Это явление получило название корпускулярно-волновой дуализм.
Одним из следствий этого положения стал принцип неопределенности В. Гейзенберга, что нельзя одновременно точно знать два параметра частицы – координату и скорость. Это означает, что, мы знаем, где частица находится в данный момент, то нельзя определить скорость, и, наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы.
Другим фундаментальным принципом квантовой механики является принцип дополнительности Н. Бора. Он гласит, что понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу.
В микромире корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как и в мире больших тел. Они обе законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными.
МАКРОМИР
Физический (механический) уровень макромира рассматривает строение веществ, их физические свойства и движение Так, любое вещество состоит из молекул, а его физические свойств зависят от того, каким образом упорядочены молекулы и как они взаимодействуют между собой.
Молекулярно-кинетическая теория – раздел физики, изучающий свойства различных состояний вещества, основывающийся на представлениях о существовании молекул и атомов как мельчайших частиц вещества. В ее основе лежат три основных положения:
Известно пять агрегатных состояний вещества: газ, жидкость, твердое тело, плазма и конденсат Бозе-Эйнштейна.
Газ расширяется, пока не заполнит весь отведенный ему объем. Молекулы находятся в непрерывном беспорядочном движении и практически не вступают во взаимодействие друг с другом. Если увеличить или уменьшить объем сосуда, молекулы равномерно перераспределятся в новом объеме. Молекулярно-кинетическая теория связывает молекулярные свойства газа с его макроскопическими свойствами, такими как температура и давление. Процесс, происходящий с данной массой газа при одном постоянном параметре – температуре, давлении или объеме называется изопроцессом. Изотермическим называют процесс, протекающий при постоянной температуре. Изохорным называют процесс, протекающий при постоянном объеме. Изобарным называют процесс, протекающий при постоянном давлении.
В отличие от газа жидкость при заданной температуре занимает фиксированный объем, однако и она принимает форму заполняемого сосуда, но только ниже уровня его поверхности. Молекулы находятся в тесном контакте друг с другом, но и имеют свободу относительно друг друга (как бусинки в банке). В результате при наливании жидкости в сосуд, молекулы быстро растекаются и заполняют нижнюю часть объема сосуда, принимая его форму, но, не распространяясь на весь объем сосуда.
Испарение – парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Неравномерное распределение кинетической энергии молекул при тепловом движении приводит к тому, что при любой температуре кинетическая энергия некоторых молекул жидкости или твердого тела может превышать потенциальную энергию их связи с другими молекулами. Большей кинетической энергией обладают молекулы, имеющие большую скорость, а температура тела зависит от скорости движения его молекул, следовательно, испарение сопровождается охлаждением жидкости. Скорость испарения зависит: от площади открытой поверхности, температуры, концентрации молекул вблизи жидкости. Конденсация – процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.
Вследствие постоянного испарения воды с поверхностей водоемов, почвы и растительного покрова, а также дыхания человека и животных в атмосфере всегда содержится водяной пар. Поэтому атмосферное давление представляет собой сумму давления сухого воздуха и находящегося в нем водяного пара. Давление водяного пара будет максимальным при насыщении воздуха паром. Насыщенный пар в отличие от ненасыщенного не подчиняется законам идеального газа. Так, давление насыщенного пара не зависит от объема, но зависит от температуры.
Большинство явлений, наблюдаемых в природе, например быстрота испарения, высыхание различных веществ, увядание растений, зависит не от количества водяного пара в воздухе, а от того, насколько это количество близко к насыщению, т. е. от относительной влажности, которая характеризует степень насыщения воздуха водяным паром. При низкой температуре и высокой влажности повышается теплопередача и человек подвергается переохлаждению. При высоких температурах и влажности теплопередача, наоборот, резко сокращается, что ведет к перегреванию организма. Наиболее благоприятной для человека в средних климатических широтах является относительная влажность 40–60%. Относительной влажностью называют отношение плотности водяного пара (или давления), находящегося в воздухе при данной температуре, к плотности (или давлению) водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах
Твердое тело имеет собственную форму, не растекается по объему контейнера и не принимает его форму. Атомы прикрепляются друг к другу химическими связями, и их положение друг относительно друга фиксировано. При этом они могут образовывать как жестские упорядоченные структуры (кристаллические решетки), так и аморфные тела (полимеры). Каждый может легко разделить тела на твердые и жидкие. Однако это деление будет только по внешним признакам. Для того чтобы выяснить, какими же свойствами обладают твердые тела, надо их нагревать. Одни тела начнут гореть (дерево, уголь) – это органические вещества. Другие будут размягчаться (смола) даже при невысоких температурах – это аморфные. Третьи будут изменять свое состояние, не меняя форму. Это и есть кристаллические тела. Такое поведение кристаллических тел при нагревании объясняется их внутренним строением. Кристаллические тела – это такие тела, атомы и молекулы которых расположены в определенном порядке, и этот порядок сохраняется на достаточно большом расстоянии. Пространственное периодическое расположение атомов или ионов в кристалле называют кристаллической решеткой. Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.
Кристаллические тела бывают монокристаллами и поликристаллами. Монокристалл обладает единой кристаллической решеткой во всем объеме.
Поликристалл представляет собой соединение мелких, различным образом ориентированных монокристаллов (зерен) и не обладает анизотропией свойств. Большинство твердых тел имеют поликристаллическое строение (минералы, сплавы, керамика).
Основными свойствами кристаллических тел являются: определенность температуры плавления, упругость, прочность, зависимость свойств от порядка расположения атомов, т. е. от типа кристаллической решетки.
Аморфными называют вещества, у которых отсутствует порядок расположения атомов и молекул по всему объему этого вещества. В отличие от кристаллических веществ аморфные вещества изотропны. Это значит, что свойства одинаковы по всем направлениям. Переход из аморфного состояния в жидкое происходит постепенно, отсутствует определенная температура плавления. Аморфные тела не обладают упругостью, они пластичны. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т.п.
Упругость — свойство тел восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил или других причин, вызвавших деформацию тел. Пластичность — свойство твердых тел под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после того, как действие этих сил прекратится.
Плазма характеризуется частичным или полным срывом электронов с их атомных орбит, при этом сами свободные электроны остаются внутри вещества. Плазма, будучи ионизированной, в целом остается электрически нейтральной, поскольку число положительных и отрицательных зарядов в ней остается равным. Мы можем наблюдать как холодную и в незначительной степени ионизированную плазму (например, в люминесцентных лампах), так и полностью ионизированную горячую плазму (например, внутри Солнца).
При сверхнизких температурах скорости молекул снижаются настолько, что мы не можем точно определить их местоположение. Это происходит в силу принципа неопределенности Гейзенберга. Когда температура снижается настолько, что степень неопределенности положения атомов оказывается сопоставимой с размерами группы атомов, к которой они принадлежат, вся группа начинает вести себя как единое целое. Именно такое состояние вещества называется конденсатом Бозе-Эйнштейна.
Изменение внутренней энергии без совершения работы называется теплопередачей. При этом энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность (непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излучение (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче является количество теплоты.
Эти способы количественно объединены в закон сохранения энергии, который для тепловых процессов читается так: изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теплоты, переданной системе, и работы внешних сил, совершенной над системой.
МЕГАМИР (космос, Вселенная) – взаимодействующая и развивающаяся система небесных тел.
Космические расстояния настолько огромны, что расстояние измеряется скоростью света (около 300 тысяч километров, что равняется приблизительно семи оборотам вокруг Земли). Приблизительно за восемь минут свет преодолевает путь от Солнца до Земли. Единица длины, равная пути, который свет проходит за год, называется световым годом. Ею измеряют не время, а расстояния. Например: ближайшие к нам галактики – Магеллановы облака находятся от нас в 200 тысяч световых лет, а созвездие Андромеды в 1800 тысяч световых лет. Некоторые галактики удалены от нас на расстояния, которые свет проходит за миллиарды лет.
В последнее время появились доказательства того, что вещество, доступное нашему наблюдению, составляет лишь незначительную долю всей материи во Вселенной – 4%, большинство массы составляет «темная вещество» – 23% и «темная энергия» – 73%. Считается, что «темная энергия» вызывает ускоряющееся расширение Вселенной, а «темное вещество» отвечает за быстрое вращение галактик и их скоплений.
Видимое вещество во Вселенной представлено в плотном и диффузном состоянии. Диффузная материя заполняет межзвездное пространство и существует в виде межзвездного газа и пыли, состоящих из разобщенных атомов и молекул. В среднем, в 1 см3 находится 1 атом, но это не вакуум.
Химический состав межзвездного газа сходен с химическим составом наружных слоев звезд. Преобладают атомы водорода, гелия, металлов, простейшие молекулярные соединения (например, СО, CN). В состав космической пыли входят свыше 50 разных органических молекул.
Межзвездный газ и пыль образуют туманности (газопылевые облака).
Плотное вещество находится преимущественно в звездном состоянии (около 97%) и 3% приходится на планеты, астероиды, кометы и др. объекты.
Звезды представляют собой гигантские плазменные образования различной величины, массы, светимости, температуры поверхностных слоев, с разной характеристикой движения. От температуры звезды зависит ее цвет. Например, если температура поверхностных слоев равна 4000оК, ее цвет красный, 7000оК – желтый, свыше 10000оК – белый или голубой. Ядерные превращения в недрах звезд являются источником колоссального количества энергии, излучаемого звездой.
Звезды образуют системы. Простейшие системы – кратные – состоят из двух, трех, четырех и больше звезд, вращающихся вокруг общего центра тяжести. Более большие группы – скопления имеют «рассеянную» или «шаровую» структуру и включают сотни тысяч звезд (№ 58).
Самые большие системы – галактики. Они разнообразны по форме и размерам. Различают неправильные, спиральные и эллиптические галактики. К спиральным галактикам относится наша Галактика, внутри которой расположена Солнечная система. Она состоит из свыше 150 млрд. звезд самых различных типов и умеет форму уплощенного диска. Наибольший диаметр равен 100 тысячам световых лет, а толщина около 1500 световых лет. В центре диска располагается галактическое ядро, сплюснутое шарообразное облако звезд. Ядро Галактики представляет собой гигантский вихрь газово-пылевых облаков и скопления старых красноватых звезд. В его центре расположена массивная черная дыра. От ядра отходят спиральные рукава (в нашей Галактике их четыре), в состав которых входят молодые, горячие, голубые звезды.
Наша Галактика и туманность Андромеды – самые большие из известных нам галактик. Например, масса некоторых карликовых галактик в миллион раз меньше нашей, правда, есть и в сотни раз больше нашей.
В 1963 г. были обнаружены квазары (квазизвездный радиоисточник). Они удалены от нас на расстояния, превышающие самые удаленные из известных нам галактик. Поскольку мы все же их можем наблюдать, то это означает, что их светимость во много десятков раз превышает светимость даже самых больших галактик, причем яркость квазаров меняется, а, следовательно – это не галактики и мы пока не понимаем их природу.
Есть более высокие уровни организации во Вселенной: скопления и сверхскопления галактик. Например, в состав нашей Местной группы, размером несколько миллионов световых лет, входят наша Галактика и Туманность Андромеды и 35 малых галактик-спутников, каждая из которых удерживается на гигантской орбите гравитационным притяжением всей группы. Местная группа находится на периферии архипелага галактик, сосредоточенного вокруг скопления в созвездии Дева, где насчитывают около 30 тысяч галактик. Такие скопления объединяются в сверхскопления. Ближайшее и наиболее известное из них – Великая стена, плоский массив галактик на расстоянии примерно 200 миллионов световых лет от нас.
К настоящему времени обнаружен еще целый ряд далеких сверхскоплений галактик. Считается, что в крупных масштабах Вселенная имеет ячеистую структуру, в узлах и ребрах которой располагаются сверхскопления галактик.
Другие объекты – Планеты – несветящиеся тела, вращающиеся вокруг звезд, отличающиеся своими размерами, массой и расстоянием от звезды. Метеориты – каменные, металлические, ледяные. Среди них есть такие размером с пылинку, но бывают и обломки, весящие миллионы тонн. Кометы, состоящие изо льда с примесями метана и аммиака. Вторгаясь в атмосферу Земли, обломок кометы порождает огромный сияющий болид, способного создать ударную волну, которая регистрируется по всему миру. Метеоры – остатки разрушившихся комет. Старые кометы, проходя вблизи Солнца, подвергаются распаду и испаряются. Их остатки рассеиваются вдоль всей кометной орбиты. Там, где эта орбита пересекается с земной, нас поджидает метеорный рой. Однако большинство метеоров при входе в атмосферу тают, или настолько малы, что можно отыскать только крупицы неледяных составляющих кометного ядра.
Тема 4. Развитие химических концепций
II уровень макромира – химический.
Химия – наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава строения. Это система знаний о химических элементах и их соединениях, энергетике химических процессов, реакционной способности веществ, катализаторах и т.д. Современная химия занимается получением веществ с заданными свойствами и выявлением способов управления свойствами вещества. Основные химические представления были впервые сформулированы и приняты на первом Международном съезде химиков, состоявшимся в Германии в 1860 году.
Химической системой является молекула, а атом – элемент химической системы. Следовательно, с точки зрения химического уровня организации материи, атом представляется как далее неделимый компонент, входящий в состав молекулы. Основное положение Дальтона, что каждому химическому элементу соответствует особый вид атома, легло в основу всей современной химии. Этот факт остается непреложным и теперь, когда мы знаем, что каждый атом сам по себе является сложной структурой.
Д. И. Менделеев предположил, что если химические элементы расположить в порядке возрастания атомных весов, то их химические свойства укладываются в определенную схему. Системный подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодическую таблицу химических элементов. Этот закон у него звучал так: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов». В современном звучании этот закон формулируется так: «Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядра атомов (порядкового номера)».
Химические элементы вплоть до урана, который содержит 92 протона и 92 электрона, встречаются в природе. Начиная с 93 номера, идут искусственные элементы, созданные в лаборатории. Пока самый большой заявленный учеными номер – 118. Большинство атомных ядер нестабильно. Рано или поздно они самопроизвольно (спонтанно) распадаются на более мелкие ядра и элементарные частицы.
Разновидности химического элемента с одним и тем же числом протонов в ядре (оно соответствует номеру элемента), но разным числом нейтронов, т.е. имеющие разную атомную массу, называются изотопами. Другими словами, ядра изотопов отличаются числом нейтронов. Если сравнить массы ядер с массами нуклонов, то окажется, что масса ядра тяжелых элементов больше суммы масс протонов и нейтронов в ядре, а для легких элементов масса ядра меньше суммы масс протонов и нейтронов в ядре.
У всех нам хорошо знакомых химических веществ (железо, кислород, кальций и пр.) имеется хотя бы один стабильный изотоп. Тяжелые изотопы являются нестабильными частицами. У различных изотопов время полураспада варьирует от миллиардов долей секунды до миллиардов лет. То есть некоторые ядра живут практически вечно, а некоторые распадаются буквально моментально.
Радиоактивные элементы, рождаются по-разному, например, под воздействием космических лучей, состоящих из частиц с высокими энергиями или в результате радиоактивного распада других элементов.
С открытием сложного строения атома стала ясна причина связи атомов друг с другом. Она получила название «химическая связь» и указывала на то, что между атомами действуют силы взаимодействия электрических зарядов, носителями которых являются электроны и ядра атомов.
Природа химической связи, согласно современным представлениям, объясняется взаимодействием электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, которые участвуют в образовании химических соединений. Однако одной лишь способности к взаимодействию недостаточно для образования связи. Две молекулы должны сблизиться и принять такую ориентацию, при которой атомы, способные образовывать химические связи, могли бы состыковаться, как космические корабли на орбите. Поэтому трехмерная структура имеет первостепенное значение для многих химических процессов.
В образовании химической связи между атомами главную роль играют электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно (валентные электроны). В зависимости от характера распределения электронной плотности между взаимодействующими атомами различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.
Важнейшей характеристикой химической связи, определяющей ее прочность, является энергия связи. Количественно она обычно оценивается с помощью энергии, затрачиваемой на ее разрыв.
Для разрешения вопроса о принципиальной возможности различных процессов вводится понятие внутренняя энергия. Внутренняя энергия – общий запас энергии системы, который складывается из энергии движения и взаимодействия молекул, энергии движения и взаимодействия ядер и электронов в атомах, в молекулах и т.п.
Русский химик Н. Н. Семенов считал, что химический процесс – это мост от простых физических объектов, таких как электрон, протон, молекула к образованию живой системы – клетки. Именно химический процесс делает химию более сложной наукой, чем физика, показывает не сводимость химического уровня организации материи к физическому уровню.
Многие химические реакции обратимы и представляет собой перераспределение химических связей. Однако на практике равновесие смещается в ту или иную сторону в зависимости от природы реагентов и условий процесса.
Конечно, есть реакции, которые не требуют особых средств управления: например, реакция нейтрализации или реакции, сопровождающиеся образованием осадков или газов. Однако подавляющее большинство химических реакций – трудноконтролируемые: или их просто не удается осуществить, хотя они в принципе осуществимы; либо их трудно остановить; либо сложно получить желаемый результат, поскольку образуются десятки побочных реакций.
Химическая кинетика объясняет качественные и количественные изменения химических процессов, происходящих во времени, выявляет механизм реакций.
Обычно реакция протекает в нескольких промежуточных стадий, которые, складываясь, дают суммарную реакцию. Скорость химических реакций – зависит от природы реагирующих веществ и от условий, в которых она протекает. Важнейшими условиями протекания химических реакций являются концентрация веществ, температура, присутствие катализаторов, давление.
Отличие химического уровня организации от молекулярного подуровня биологического уровня макромира
На каждом уровне организации материи действуют свои специфические закономерности, и имеются свои особенности пространства и времени. Так, на нашей планете мы сталкиваемся с определенными особенностями жизни на всех уровнях организации в отличие от неживых объектов.
Так, органические молекулы существуют в двух структурных формах, схожих и в то же время отличных, как левая и правая рука. Например, если через раствор аминокислот пропустить когерентный поляризованный свет, то под действием света молекулы будут вращаться. Одни аминокислоты будут вращаться вправо (правовращающиеся), другие молекулы – влево (левовращающиеся). Вращение в ту или иную сторону связано с положением центрального атома углерода. В неживой природе аминокислоты и моносахара (право- и левовращающиеся), представлены приблизительно в равном количестве. В организмах: все аминокислоты, входящие в состав белков – только левые, а все сахара организмов – правые изомеры. Подобное явление связано с избирательность ферментов, образующих органические молекулы из этих мономеров в клетке. Оптическая асимметрия называется «хиральная чистота».
В организмах органические синтезы проходят оптически избирательно, и вещество становится асимметричным и на других уровнях организации молекул.
Матричные синтезы характерны только для организмов, в неживой природе им аналогов нет. Например, в одной из цепей ДНК имеется информация о каком-то белке. Однако другая, комплиментарная ей цепь ДНК эту информацию не несет. Она выступает как матрица – форма для синтеза «смысловой» цепи. Другими словами, две цепи ДНК физически идентичны (состоят из нуклеотидов), а функционально – отличны (снова проявление асимметрии).
Ферменты матричного синтеза – не просто отдельные катализаторы, ускоряющие реакцию. Они всегда образуют сложные комплексы, работающие как единое целое, как некая молекулярная машина, способная обеспечить точность соответствия синтезируемого полимера используемой матрице. Так, для синтеза белков требуется участие более сотни ферментов, образующих сложные надмолекулярные комплексы. Случайное возникновение такой системы исключено.
Величина биомолекул доходит до сотен тысяч молекулярного веса и встречается только в живых организмах.
Благодаря наличию ферментативных систем, скорость прохождения реакций в клетке немыслима для неорганических структур. Например, синтез белков и других биополимеров в клетке происходит за долю секунды или несколько секунд, а на синтез этих веществ на производстве или в лабораторных условиях (при наличии всех необходимых условий и катализаторов) требуются месяцы или годы.
В клетке поддерживается гомеостаз – постоянные условия существования: давление, кислотность среды, температуры и др., а в лабораторных условиях требуется применение высоких температур, давления и т.д., которые совершенно не допустимы в клетках. В химии подавляющее большинство реакций – трудноконтролируемые: или их просто не удается осуществить, хотя они в принципе осуществимы; либо их трудно остановить; либо сложно получить желаемый результат, поскольку образуются десятки побочных реакций.
Отсюда, в неорганической химии, молекулы, участвующие в реакциях, просты, а механизмы реакций очень сложны. В организмах, наоборот, схема реакций проста, а сами молекулы сложны.
Энергетические процессы в клетке происходят в двух органеллах: хлоропластах и митохондриях в виде образования молекул АТФ, содержащих колоссальное количество энергии. Особенность энергетических процессов происходящих в организмах проявляется и в том, что энергия расходуется ступенчато, маленькими порциями и никогда не выделяется сразу (в отличие от процесса горения, который имеет ту же формулу, что и процесс дыхания).
В физике есть закон однородного и симметричного распределения молекулярных и атомных элементов, согласно ему всякое тело стремиться принять ту форму, при которой оно проявляет минимум энергии на поверхности. Например, капля воды пока не упала на пол, принимает форму сферы (минимум энергии на поверхности). На основании этого закона в природе никогда не встречаются пентагональные системы (максимум энергии на поверхности). Действительно, все известные нам кристаллы – 4, 6, 8-угольные, но мы не знаем таких кристаллов, которые имели бы пятиугольную форму. Однако в живой природе пятиугольник и додекаэдр встречаются достаточно часто. Например, форма тела лучевиков и иглокожих (морские звезды, офиуры).
Кроме перечисленных отличий, существуют еще и другие, например: рост живых и неживых систем. Кристаллы увеличиваются в процессе агглютинации (склеивания), т.е. направление роста извне – внутрь. Любая живая система растет путем экспансии изнутри и наружу. Это выражается: 1) в росте организма; 2) расширения среды обитания; 3) усложнения форм взаимодействия с окружающей средой, 4) в постоянном увеличении потребляемой извне энергии.
Следующие отличительные особенности – самосохранение живых систем, их приспособляемость к внешней среде, самовоспроизведение и наследственность.
Одно из важнейших свойств, характерное для абсолютно всех живых существ, обитающих на Земле, является обмен веществом и энергией с окружающей средой. Так, на В. И. Вернадского произвела впечатление статья в газете, где описывалась стая саранчи, которая летела с территории Африки в Европу в течение трех суток. За это время в одной этой стае с материка на материк переместилось столько же железа, меди и марганца, сколько выработало человечество за весь XIX век. Поэтому ученый и приравнивал воздействие живых существ на Земле к действию геологических факторов, например, таких как землетрясения.
Тема 5. Современные концепции биологической формы организации материи. Проблемы генетики
В макромире самый сложный уровень организации материи биологический. Давайте на нем подробнее остановимся.
Мир живого чрезвычайно многообразен, имеет сложную структуру. Как и на других уровнях организации, здесь существуют свои «кирпичики». На уровне, изучаемом физикой, такую роль играют физический вакуум и кварки, на уровне химической организации – атом, а в биологии – это информационные молекулы (ДНК, РНК, некоторые белки).
Отсюда первый уровень живых систем – молекулярный уровень, который включает в себя способ существования и самовоспроизводства сложных информационных органических молекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты. Кроме того, в последнее время к этому уровню стали относить организмы, не имеющие клеточного строения: вирусы.
Молекула ДНК является носителем кода, который управляет химизмом всего живого. Основные кирпичики, из которых построена ДНК, – это нуклеотиды, связанные друг с другом в длинную полинуклеотидную цепь. Молекула состоит из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом по принципу комплементарности: напротив аденина стоит тимин, напротив гуанина – цитозин. Вся молекула ДНК имеет по всей длине равную ширину и напоминает по внешнему виду скрученную лестницу. На одной цепи ДНК записана информация о химических превращениях, происходящих в клетке. Другая цепь является матрицей.
Гены, открытые Г. Менделем, на самом деле не что иное, как отрезки смысловой цепи ДНК. У человека их около 20 тыс. При делении клетки ДНК определенным образом сворачивается и образует новую структуру – хромосому. Все ДНК человека помещаются в 46 хромосом.
РНК – той же природы, что и ДНК. Информация, содержащая в гене ДНК, переписывается на матричные, или информационные РНК (мРНК, или иРНК). В цитоплазме находятся молекулы РНК еще двух классов– рибосомальные РНК (рРНК), они входят в состав рибосом, и – транспортные РНК (тРНК), и они оба играют ключевую роль в окончательной сборке молекулы белка. Процесс сборки белка представляет собой присоединение определенной молекулы тРНК, несущей на себе аминокислоту, к молекуле иРНК и рибосоме.
Белки – это цепочки аминокислот. Под действием взаимодействий между боковыми группами аминокислот, а также между аминокислотами и окружающей их водой белок принимает трехмерную форму.
Клеточный уровень организации
Клетка – это уже «кирпичик» организации системы более высокого уровня организации – многоклеточного организма. Установлено, что:
По сложности и красоте устройства живая клетка не уступает звездам и галактикам. Ее тщательно отлаженный механизм совершенствовался миллиардами лет эволюции. Сами клетки имеют различный уровень организации: у одних есть ядро – эукариоты (животные, растения и грибы), другие его не имеют – прокариоты (бактерии, сине-зеленые водоросли). Размер эукариотов значительно превышает размер прокариотов (иногда более чем в тысячу раз).
Прокариоты не имеют мембранных органелл. Клетка состоит из плазматической мембраны, цитоплазмы и клеточной стенки. Обособленного ядра нет, имеется кольцевая двухцепочечная ДНК в центре цитоплазмы. В ДНК содержится до 1,5 тыс. генов, большинство которых представлены в виде одной копии.
У эукариотов (растения, животные и грибы) имеется ядро, в котором находятся хромосомы, образованные линейными двухцепочечными ДНК. В зависимости от вида число генов варьирует от 5 тыс. до 200 тыс. 45% всех генов представлено несколькими копиями, а число копий одного гена может достигать нескольких тысяч.
В эукариотических клетках имеются органеллы: эндоплазматическая сеть, где происходит синтез белков, аппарат Гольджи используемый как склад, вакуоли, лизосомы, необходимые для пищеварения, хлоропласты и митохондрии. Хлоропласты осуществляют в растениях фотосинтез, а митохондрии – энергетические станции клетки. Они осуществляют внутриклеточное дыхание. У растений и грибов клетки есть клеточная стенка. У животных клеточная стенка отсутствует. Многие клетки имеют органеллы передвижения – реснички, жгутики, ложные ножки. У одноклеточных организмов есть светочувствительные глазки, специальные приспособления для определения силы тяжести.
Уровень многоклеточного организма (организменный)
В многоклеточном организме клетки частично теряют свою самостоятельность: они начинают «работать» не только на себя, но и на весь многоклеточный организм.
Клетки образуют ткани. Ткань – это совокупность клеток, имеющих сходное происхождение, строение и функции. Каждый тип тканей имеет несколько видов. Несколько типов тканей образуют органы, которые имеют определенное строение, функцию и положение в теле. Органы, объединенные единой функцией и связанные в своем развитии, составляют систему органов. Например, пищеварительная, дыхательная, эндокринная и другие системы. Для выполнения какой-либо работы несколько систем объединяются в функциональную систему (например, при беге усиленно работают опорно-двигательная, дыхательная, кровеносная, нервная системы, а пищеварительная – нет). Все системы органов взаимосвязаны и объединены в единое целое – организм. Каждый организм – это чрезвычайно сложная система и по структуре, и по функциям, и по связи с окружающей средой.
Последующие уровни организации живых систем относятся к надорганизменным – это популяционный (видовой) и биогеоценотический (экосистемный), биосферный.
Популяционный или видовой уровень – самый мелкий уровень надорганизменных систем.
Видом считают совокупность особей, обладающих наследственными сходствами морфологических, физиологических и биохимических особенностей, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям жизни и занимающих в природе определенную область – ареал.
Из биологической концепции вида вытекают критерии, позволяющие отличать один вид от другого:
Все эти критерии приводят к репродуктивной изоляции вида, невозможности скрещиваться с представителями других видов.
Особи любого вида распространены в пределах ареала неравномерно: густонаселенные участки сменяются редконаселенными, поскольку в разных участках ареала различные условия жизни. Совокупность особей одного вида свободно скрещивающихся между собой и относительно обособленных от других представителей этого вида, называют популяцией. Другими словами, в природе вид реально существует только в виде популяций, отсюда и двойное название уровня.
Причины возникновения разнообразия видов – мутации, изоляция и миграция особей, т.е. процессы видообразования, где единицей эволюции является популяция.
Биогеоценотический (экосистемный) уровень. Популяции разных видов связаны с факторами внешней среды и входят в состав природных комплексов. Такие комплексы (биогеоценозы или экосистемы) слагаются из абиотических, биотических и антропогенных факторов (№ 51).
Абиотические факторы – факторы неживой природы, определяющие условия жизни организмов. К ним относятся – свет, температура, влажность, соленость и кислотность, газовый и почвенный состав и т.д.
Биотические факторы – определенные виды растений, животных, микроорганизмов, живущих на данной территории и взаимосвязанных между собой, образующих самые разные внутривидовые отношения: конкуренция, хищничество, паразитизм, симбиоз и др.
К антропогенным факторам относится влияние человека на ту или иную экосистему.
В свою очередь, экосистемы бывают разных уровней:
Экосистема – не просто сумма популяций и условий среды, а система взаимодействий между ними. Благодаря этим взаимодействиям у экосистем появляются новые свойства, главное из которых способность к самоподдержанию благодаря круговороту веществ и потоку энергии.
Взаимосвязанность разных сообществ, обмен между ними веществом и энергией позволяет рассматривать все живые организмы и среду их обитания как одну очень протяженную и разнообразную экосистему – биосферу.
Тема 6. Биосфера. Ноосфера. Человек
Под биосферой понимается совокупность всех живых организмов на нашей планете вместе со средой обитания. Это гигантская экосистема, элементами которой являются все остальные экосистемы.
Согласно В. И. Вернадскому, биосфера состоит из живого вещества, биокосного и косного вещества. Под живым веществом он понимал совокупность всех живых организмов. Косное вещество – неживое вещество, никогда не подвергавшееся воздействию организмов (например, обнажившийся после землетрясения базальт). Биокосное вещество – видоизмененное организмами неживое вещество (например, почвы, илы).
Биокосное вещество всегда можно отличить от косного вещества по составу, поскольку живые организмы вызывают биогенную миграцию атомов – используют в процессе своей жизнедеятельности определенные изотопы большинства элементов, которые многократно проходят через тела организмов. Именно деятельность организмов определяет состав атмосферы, гидросферы, состав и структуру почв, залежи каменного угля и нефти, осадочных пород, руд.
Вернадский считал, что живое вещество имеет следующие свойства:
Живое вещество обладает следующими функциями:
В настоящее время к этим функция добавляется еще одна – антропогенная (человек, входя в состав живого вещества, активно меняет биосферу в результате своей деятельности).
Другими словами, и жизнь, и косное вещество находятся в тесном непрерывном взаимодействии, в круговороте химических элементов. При этом живое вещество служит основным системообразующим фактором и связывает биосферу в единое целое.
Появление человека качественным образом изменило биосферу и результаты ее планетарного влияния. Постепенно стал происходить переход от простого приспособления, как у других организмов, к разумному поведению и целенаправленному изменению окружающих факторов.
В таком взаимодействии природа не остается нейтральной, организмы активно приспосабливается к новым условиям существования и присутствию в природе человека. Созданная человечеством материальная культура огромна, темпы ее развития постоянно увеличиваются, что поставило перед человечеством ряд новых, чрезвычайно острых проблем.
Огромное влияние человека на природу и масштабные последствия его деятельности послужили основой для создания учения о ноосфере как вне биосферной оболочки мысли, окружающую Землю; как состояние планеты, когда человек становится крупнейшей преобразующей геологической силой, сопоставимой с землетрясениями, вулканической деятельностью; как главный фактор перестройки и изменения биосферы.
Ноосфера – качественно иная, высшая стадия биосферы, связанная с коренным преобразованием не только природы, но и самого человека. Речь идет о таком этапе в жизни человечества, когда преобразующая деятельность человека будет основываться на строго научном и разумном понимании всех происходящих процессов и сочетаться с «интересами природы».
Система «природа-биосфера-человек»
Изучение закономерностей эволюции биосферы в системе «природа-общество» вызвало к жизни целый ряд новых проблем как для биологии так и для наук об обществе. Во-первых, это экологические проблемы, которые возникли в XX веке и обостряются по мере все более широкого и все более мощного использования природы, в том числе и биосферы, в обеспечении потребностей человека. Здесь и истощение ресурсов, и разрушение биосферных циклов, вызывающих деградацию природы и загрязнение среды обитания животных и человека. Экология, это то новое направление в биологии, которое должно изучить эти процессы, понять их причины и закономерности и найти пути и методы разрешения их. Для XXI века это настолько важно и существенно, что речь идет о выживаемости человечества.
Система «природа-биосфера-человек» во многом зависит в своем развитии от человека, от той нагрузки, которую она может объективно вынести, сохранив себя как среду обитания человека. Здесь важно исследовать границы этого давления, понять те сценарии, по которым возможно сбалансированное и эффективное развитие биосферы и человека, уяснить каким должно быть по параметрам человечество в будущем, чтобы не дойти до самоистребления. Прогнозы на этот счет привели к формированию понятия ноосфера – сфера разума. Учение о ноосфере это уже скорее не столько биологическая наука сколько наука о роли разума человека в преобразовании биосферы на рациональных принципах и основаниях. Таким образом, биология вышла на уровень тех проблем, которые относятся уже к человеческому обществу, к его культуре, к цивилизации, техносфере и т.д. Одна из лидирующих наук естествознания XXI века вдруг обнаружила свое гуманитарное значение и социальную роль, затрагивающую глубинные основания социальной эволюции, развития человечества и человека.
Тема 7. Человек как предмет естественно-научного познания
Эта глава КОПР посвящена роли естествознания и его методов в познании природы и сущности человека как биологического вида «homo sapiens». Человек - центральное и связующее звено биосферы и культуры, природы и общества. Будучи биологическим видом, он в своем генезисе существенно зависит от предшествующей геопланетарной, химической и в особенности биологической эволюции, а через них с Солнечной системой и возможно за ее пределами. Часто говорят, что наука имеет больше свидетельств в пользу того, что человек – дитя планеты нежели других каких-либо обстоятельств. Многие параметры нашей планеты таковы, что именно только при их соблюдении возможен человек в том виде каким он возник и существует. Например, физиология и биохимия показали, что в организме человека задействованы именно те химические элементы, которые широко действовали и на предшествующих этапах эволюции. Биологическое происхождение человека подтверждается в частности тем, что в его развитии действуют многие принципы биологической эволюции: изменчивость, наследственность и т.п. Кроме того существует идентичность в биохимии живого, в клеточном, тканевом, органовом, анатомическом и т.д. строении. Дарвин в XIX в. выдвинул идею происхождения человека от обезьяны и с тех пор она углубляется и все более основательно подтверждается. Например, современная генетика установила, что 90% ген у шимпанзе и человека идентичны. Существует целый ряд других свидетельств в пользу биологического родства приматов и человека.
Антропология достаточно тщательно исследует генезис человека как особого биологического вида. Она углубилась в прошлое его эволюции более чем на 10 млн. лет; она может показать как шла эволюция человека последние 2 млн. лет; установив, что для этого «дали» австралопитеки, питекантропы, синантропы и неандертальцы. Генетика, цитология, анатомия и физиология дают массу подтверждений выводу о том, что человек высший продукт биологической эволюции, генетически связан с ней и без нее существовать не сможет. Таким образом, если для других наук человек существо общественное и социальное, то для биологии он прежде всего существо биологическое.
Проблема соотношения биологического и социального в человеке одна из самых трудных для современной науки. Человек как «homo sapiens» создал свою среду обитания – социум и теперь уже невозможен без социальных качеств, без опыта и наследия социальных достижений. Поэтому можно утверждать, что эволюция человека идет под влиянием двух программ: 1) биогенетической и 2) социальной. Отсутствие одной из них делает «homo sapiens» невозможным. Существуют новые разделы в науке, которые пытаются изучить биосоциальную сущность человека – это социальная биология, биоэтика, социогенетика и генетика человека и т.д. Установлено, что понятия генотин, фенотип и многие другие работают при исследовании сущности человека. В целом существует задача, чтобы проследить действие многих факторов, влияющих на формирование биосоциальной сущности человека: биологические задатки, передаваемые по наследству в генах, социокультурные факторы и особенности способов жизнедеятельности человека в обществе, наличие интеллекта, разума и т.д.
Успехи генетики и социобиологии показали, что человек, как и другие биологические существа, имеет комплекс фундаментальных биологических потребностей. Но в отличие от даже высших приматов, он удовлетворяет эти потребности в социальной и цивилизационной форме. Таким образом, в понимании сущности человека недопустимы как биологизаторские так и социологизаторские крайности. Человек – это существо, эволюция социальной сущности которого имеет глубоко эшелонированное биологическое основание.
В связи с достижениями генной инженерии и биотехнологии открылись возможности целенаправленного влияния на изменчивость и наследственность в развитии организмов вообще и в частности человека. Это обоюдоострое достижение – оно может быть использовано как в положительных так и в отрицательных целях. Это поставило проблему нравственной и этической ответственности ученых перед человечеством. Возникла и интенсивно развивается биоэтика, перед которой стоят очень важные нравственные и мировоззренческие проблемы.
Развитие экологии показало, что человек как биологическое существо по многим направлениям зависит от влияния окружающей среды. Здесь особенно важно знать достижения генетики и экологии человека. Интересны в этом плане результаты полученные Чижевским и Гумилевым о социальных ритмах и этапах развития этносов, данные и выводы Фрейда, Юнга, Фромма и других. Генетика и экология человека поставили много проблем важных для понимания сущности современной цивилизации, закономерностей ее развития, прогнозов и сценариев этого развития на ближайшее и отдаленное будущее. Без биологических наук эти проблемы не могут быть решены и научно и эффективно, а это лишнее подтверждение того, что современное образование требует синтеза и интеграции естественных и гуманитарных наук.
Кроме основного текста курс содержит комплекс тестовых заданий и ключевых вопросов. Они должны помочь студенту, с одной стороны, уточнять свои знания через фиксированное знание ответа на тест, а с другой – углублять знания через анализ смысла и ответа на ключевые вопросы. В конечном счете необходимо знать как полное содержание курса, так и логику его построения. Знание теоретической части курса и эмпирического обоснования его необходимы для положительного результата обучения.
Спасибо за внимание.
PAGE 19