«Концепция современного естествознания» 1. Содержание понятия «естествознание».
advertisement
«Концепция современного естествознания» 1. Содержание понятия «естествознание». Естествозна́ ние — область науки, изучающая совокупность естественных наук, взятую как целое. Естествознание появилось более 3000 лет назад. Тогда не было разделения на физику, биологию, географию. Науками занимались философы. С развитием торговли и мореплавания началось развитие географии, а с развитием техники — развитие физики, химии. Естествознание - наука о явлениях и законах природы. Современное естествознание включает многие естественно-научные отрасли: физику, химию, биологию, а также многочисленные смежные отрасли, такие как физическая химия, биофизика, биохимия и многие другие. Естествознание затрагивает широкий спектр вопросов о многочисленных и многосторонних проявлениях свойств объектов природы, которую можно рассматривать как единое целое. 2. Тенденции развития современного естествознания. В настоящее время фактически происходит всемирная гуманитарноэкологическая революция, которая заменила научно-техническую революцию (условно — I960—1990 гг.), что пришла в свое время на смену революции промышленной (условно 1820—1960 гг.). Жизнь показала, что несоблюдение экологических ограничений приводит к непомерным расходам на реанимацию и искусственное воссоздание изувеченной или потерянной природы. Но вполне возобновить природно-ресурсный потенциал человечество уже не может. Начинаются конкуренция, борьба наций, народов и религий за жизненное пространство, природные ресурсы, рынки сбыта. Продолжается борьба и за пути развития. В Европе победил западный христианский выбор свободного рынка и римского права. В Азии же обстановка относительно этого остается достаточно напряженной. Как замечает Г.Ф. Реймерс, для решения проблемы необходимы глубокая перестройка культуры и морали, а также изменение международного права, формирования глобальных социоэкологических взаимосвязей и правил, новых законов культурного управления развитием человечества. Эти законы должны создаваться на глубоких знаниях взаимодействий между обществом и природой, обществом и человеком, между разными социальными, религиозными и этническими группами людей, разными культурами. [1, с.254-255] В настоящее время в сфере науки преобладают тенденции, учитывающие экологическое состояние нашей планеты. Эти тенденции охватывают все сферы промышленности, энергетики, народного хозяйства. Вот основные из них: Поиск альтернативных источников энергии – это использование энергии ветра, морей и океанов, внутреннего тепла Земли, Солнца. В области промышленности – переход к безотходным новейшим технологиям, которые базируются на замкнутых циклах использования воды и воздуха. Успехи в этом направлении есть и в Украине. По данным НАН, в начале 90-х гг. действовало более 150 предприятий, цехов и производств, которые использовали оборотную систему водопользования (Стахановский завод ферросплавов, Верхнеднепровский горно-металлургический комбинат и др.) Большие перспективы, в том числе и для промышленного производства, обещает введение переработки вторичных ресурсов в намного больших объемах, чем это делается сегодня. Современные производства развиваются в направлении все большего учета влияния производства на окружающую среду. Это выражается в разработке передовых и суперсовременных методов очистки промышленных и бытовых отходов. Разработка новых видов утилизации отходов. Основная масса отходов создается на предприятиях горнодобывающего, химико-металлургического комплекса, 1 машиностроительного, топливно-энергетического, строительного, целлюлознобумажного и агропромышленного комплексов. Самыми опасными являются соединения тяжелых металлов, нефтепродукты, непригодные для применения пестициды. Решение проблемы видится в создании отходоперерабатывающих комплексов с эффективными технологиями утилизации, переработки, приготовлением полезных веществ. Очень остро стоит проблема рекультивации свалок и использование освобожденных от мусора площадей. Разработка мероприятий по обезвреживанию и переработки радиоактивных и опасных отходов. 3. Математика - универсальный язык точного естествознания. Вряд ли вызывает сомнение утверждение: математика нужна всем вне зависимости от рода занятий и профессии. Однако для разных людей необходима и различная математика: для продавца может быть достаточно знаний простейших арифметических операций, а для истинного естествоиспытателя обязательно требуются глубокие знания современной математики, поскольку только на их основе возможно открытие законов природы и познание ее гармонического развития. Иногда к познанию математики влекут и субъективные побуждения. Об одном из них Луций Анней Сенека (4 до н.э. - 65 н.э.), римский писатель и философ, писал: «Александр, царь Македонский, принялся изучать геометрию - несчастный! - только с тем, чтобы узнать, как мала земля, чью ничтожную часть он захватил. Несчастным я называю его потому, что он должен был понять ложность своего прозвища, ибо можно ли быть великим на ничтожном пространстве». Известно, что еще в древние времена математике придавалось большое значение. Девиз первой академии - платоновской академии - «Не знающие математики сюда не входят» - ярко свидетельствует о том, насколько высоко ценили математику на заре науки, хотя в те времена основным предметом науки была философия. Простейшие в современном понимании математические начала, включающие элементарный арифметический счет и простейшие геометрические измерения, служат отправной точкой естествознания. «Тот, кто хочет решить вопросы естественных наук без помощи математики, ставит неразрешимую задачу. Следует измерять то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым не является», - утверждал выдающийся итальянский физик и астроном, один из основоположников естествознания Галилео Галилей (1564-1642). Математика имеет для естествознания непреходящее значение, а потому прежде чем обратиться непосредственно к анализу ее роли, целесообразно рассмотреть вопрос о ее достоинствах. Самое лаконичное и притом довольно удачное определение математики дает Николай Бурбаки (коллективное имя группы французских математиков). Он определяет современную математику как науку о структурах, «единственными математическими объектами становятся, собственно говоря, математические структуры». В данном случае под структурой имеется в виду определенным образом упорядоченное многообразие математических элементов (чисел, функций и т.п.). В основаниях любой математической дисциплины непременно обнаруживаются некоторые математические элементы и постилируемые различия между ними. При этом для построения математической системы используются, как правило, два метода: аксиоматический и конструктивистский. Назначение математики состоит в том, она вырабатывает для остальной науки, прежде всего для естествознания, структуры мысли, формулы, на основе которых можно решать проблемы специальных наук. Это обусловлено особенностью математики описывать не свойства вещей, а свойства свойств, выделяя отношения, независимые от каких-либо конкретных 2 свойств, то есть отношения отношений. Но поскольку и отношения, выводимые математикой, особые (будучи отношениями отношений), то ей удается проникать в самые глубокие характеристики мира и разговаривать на языке не просто отношений, а структур, определяемых как инварианты систем. Поэтому, кстати сказать, математики скорее говорят не о законах (раскрывающих общие, существенные, повторяющиеся и т.д. связи), а именно о структурах. Эти глубинные проникновения в природу и позволяют математике исполнять роль методологии, выступая носителем плодотворных идей. 4. Составные части современного естествознания (физика, химия, биология, психология; Общеизвестно, что естествознание — это совокупность наук о природе. Задачей естествознания является познание объективных законов природы и содействие их практичес­кому использованию в интересах человека. Естествознание возникает в результате обобщения наблюдений, получаемых и накапливаемых в процессе практической деятельности людей, и само является теоретической основой этой прак­тической деятельности. В XIX веке было принято естественные науки (или опытное познание природы) разделять на 2 большие груп­пы. Первая группа по традиции охватывает науки о явлени­ях природы (физика, химия, физиология), а вторая — о предметах природы. Хотя деление это довольно условное, но очевидно, что предметы природы — это не только весь окружающий материальный мир с небесными телами и зем­лей, но и неорганические составные части земли, и нахо­дящиеся на ней органические существа, и, наконец, человек. Рассмотрение небесных тел составляет предмет астрономи­ческих наук, земля составляет предмет ряда наук, из кото­рых наиболее разработаны геология, география и физика земли. Познание предметов, входящих в состав земной коры и на ней находящихся, составляет предмет естественной истории с ее тремя главными отделами: минералогией, бо­таникой и зоологией. Человек же служит предметом антро­пологии, наиболее важными составными частями которой являются анатомия и физиология. В свою очередь, на ана­томии и физиологии базируются медицина и эксперимен­тальная психология. В наше время такой общепризнанной классификации естественных наук уже не существует. По объектам иссле­дования самым широким делением является деление на науки о живой и так называемой неживой природе. Важ­нейшие большие области естествознания (физика, химия, биология) можно отличать по формам движения материи, которые они изучают. Однако этот принцип, с одной сто­роны, не позволяет охватить все естественные науки (на­пример математику и многие смежные науки), с другой сто­роны, он неприменим к обоснованию дальнейших класси­фикационных делений, той сложной дифференциации и взаимосвязи наук, которые столь характерны для современ­ного естествознания. В современном естествознании органически перепле­таются два противоположных процесса: непрерывной диф­ференциации естествознания и все более узкие области на­уки и интеграции этих обособленных наук. 5. Естественнонаучная революция Аристотеля. Первой естественно научной революцией, преобразовавшей астрономию, космологию и физику, было создание последовательного учения о геоцентрической системе мира, начатое еще в VI века до н.э., Анаксимандром и Аристотелем, эту научную революцию естественно назвать Аристотелевой. Геоцентрическая система мира (от др.-греч. Γῆ, Γαῖα — Земля) — представление об устройстве мироздания, согласно которому центральное положение во Вселенной занимает неподвижная Земля, вокруг которой вращаются Солнце, Луна, планеты и звёзды. 3 С древнейших времён Земля считалась центром мироздания. При этом предполагалось наличие центральной оси Вселенной и асимметрия «верх-низ». Землю от падения удерживала какая-то опора, в качестве которой в ранних цивилизациях мыслилось какое-то гигантское мифическое животное или животные (черепахи, слоны, киты). «Отец философии» Фалес Милетский в качестве этой опоры видел естественный объект — мировой океан. Анаксимандр Милетский предположил, что Вселенная является центрально-симметричной и в ней отсутствует какое-либо выделенное направление. Поэтому у находящейся в центре Космоса Земли отсутствует основание двигаться в каком-либо направлении, то есть она свободно покоится в центре Вселенной без опоры. Ученик Анаксимандра Анаксимен не последовал за учителем, полагая, что Земля удерживается от падения сжатым воздухом. Такого же мнения придерживался и Анаксагор. Точку зрения Анаксимандра разделяли пифагорейцы, Парменид и Птолемей. Не ясна позиция Демокрита: согласно разным свидетельствам, он последовал Анаксимандру или Анаксимену. Анаксимандр считал Землю имеющей форму низкого цилиндра с высотой в три раза меньше диаметра основания. Анаксимен, Анаксагор, Левкипп считали Землю плоской, наподобие крышки стола. Принципиально новый шаг сделал Пифагор, который предположил, что Земля имеет форму шара. В этом ему последовали не только пифагорейцы, но также Парменид, Платон, Аристотель. Так возникла каноническая форма геоцентрической системы, впоследствии активно разрабатываемая древнегреческими астрономами: шарообразная Земля находится в центре сферической Вселенной; видимое суточное движение небесных светил является отражением вращения Космоса вокруг мировой оси. Что касается порядка следования светил, то Анаксимандр считал звёзды расположенными ближе всего к Земле, далее следовали Луна и Солнце. Анаксимен впервые предположил, что звёзды являются самыми далёкими от Земли объектами, закреплёнными на внешней оболочке Космоса. В этом ему следовали все последующие учёные (за исключением Эмпедокла, поддержавшего Анаксимандра). Возникло мнение (впервые, вероятно, у Анаксимена или пифагорейцев), что чем больше период обращения светила по небесной сфере, тем оно выше. Таким образом, порядок расположения светил оказывался таким: Луна, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн, звёзды. Сюда не включены Меркурий и Венера, потому что у греков были разногласия на их счёт: Аристотель и Платон помещали их сразу за Солнцем, Птолемей — между Луной и Солнцем. Аристотель считал, что выше сферы неподвижных звёзд нет ничего, даже пространства, в то время как стоики считали, что наш мир погружен в бесконечное пустое пространство; атомисты вслед за Демокритом полагали, что за нашим миром (ограниченным сферой неподвижных звёзд) находятся другие миры. Это мнение поддерживали эпикурейцы, его ярко изложил Лукреций в поэме «О природе вещей». 6. Архимед и геометрия Евклида. Несомненно, Архимед (около 287--212 до н.э.) -- самый гениальный учёный Древней Греции. Он стоит в одном ряду с Ньютоном, Гауссом, Эйлером, Лобачевским и другими величайшими математиками всех времён. Его труды посвящены не только математике. Он сделал замечательные открытия в механике, хорошо знал астрономию, оптику, гидравлику и был поистине легендарной личностью. Сын астронома Фидия, написавшего сочинение о диаметрах Солнца и Луны, Архимед родился и жил в греческом городе Сиракузы на Сицилии. Он был приближён ко двору царя Гиерона II и его сына-наследника. Хорошо известен рассказ о жертвенном венце Гиерона. Архимеду поручили проверить честность ювелира и определить, сделан венец из чистого золота или с примесями других металлов и нет ли внутри него пустот. Однажды, размышляя об 4 этом, Архимед погрузился в ванну, и заметил, что вытесненная его телом вода пролилась через край. Гениального учёного тут же осенила яркая идея, и с криком “Эврика, эврика!” он, как был нагой, бросился проводить эксперимент. Идея Архимеда очень проста. Тело, погружённое в воду, вытесняет столько жидкости, каков объём самого тела. Поместив венец в цилиндрический сосуд с водой, можно определить, какое количество жидкости он вытеснит, т.е. узнать его объём. А, зная объём и взвесив венец, легко вычислить удельную массу. Это и даст возможность установить истину: ведь золото -- очень тяжёлый металл, а более лёгкие примеси, и тем более пустоты, уменьшают удельную массу изделия. Но Архимед на этом не остановился. В труде “О плавающих телах” он сформулировал закон, который гласит: “Тело, погружённое в жидкость, теряет в своём весе столько, каков вес вытесненной жидкости”. Закон Архимеда является (наряду с другими, позже открытыми фактами) основой гидравлики -- науки, изучающей законы движения и равновесия жидкостей. Именно этот закон объясняет, почему стальной шар (без пустот) тонет в воде, тогда как деревянное тело всплывает. В первом случае вес вытесненной воды меньше веса самого шара, т.е. архимедова “выталкивающая” сила недостаточна для того, чтобы удержать его на поверхности. А тяжело гружёный корабль, корпус которого сделан из металла, не тонет, погружаясь только до так называемой ватерлинии. Поскольку внутри корпуса корабля много пространства, заполненного воздухом, средняя удельная масса судна меньше плотности воды и выталкивающая сила удерживает его на плаву. Закон Архимеда объясняет также, почему воздушный шар, заполненный тёплым воздухом или газом, который легче воздуха (водородом, гелием), улетает ввысь. Знание гидравлики позволило Архимеду изобрести винтовой насос для выкачивания воды. Такой насос (кохля) до недавнего времени применялся на испанских и мексиканских серебряных рудниках. Из курса физики всем знакомо Архимедово правило рычага. Согласно преданию, учёный произнёс крылатую фразу: “Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю!”. Конечно, Архимед имел в виду применение рычага, но, он был несколько самоуверен: кроме точки опоры ему понадобился бы и совершенно фантастический рычаг -- невероятно длинный и при этом несгибаемый стержень. Достоверные факты и многочисленные легенды говорят о том, что Архимед изобрёл немало интересных машин и приспособлений. Евкли́ дова геоме́ трия (или элементарная геометрия) — геометрическая теория, основанная на системе аксиом, впервые изложенной в «Началах» Евклида (III век до н. э.). Элементарная геометрия — геометрия, определяемая в основном группой перемещений (изометрий) и группой подобия. Однако содержание элементарной геометрии не исчерпывается указанными преобразованиями. Так, к элементарной геометрии также относят преобразование инверсии, вопросы сферической геометрии, элементы геометрических построений, теорию измерения геометрических величин и другие вопросы. Элементарную геометрию часто называют евклидовой геометрией, так как первоначальное и систематическое её изложение, хотя и недостаточно строгое, было в «Началах» Евклида. Первая строгая аксиоматика элементарной геометрии была дана Гильбертом. 7. Гелиоцентрическая система мира Н.Коперника. Вторая естественнонаучная революция. Гелиоцентрическая система мира — представление о том, что Солнце является центральным небесным телом, вокруг которого обращается Земля и другие планеты. Противоположность геоцентрической системе мира. Возникло в античности, но получило широкое распространение с конца эпохи Возрождения. 5 В этой системе Земля предполагается обращающейся вокруг Солнца за один звёздный год и вокруг своей оси за одни звёздные сутки. Следствием второго движения является видимое вращение небесной сферы, первого — перемещение Солнца среди звёзд по эклиптике. Солнце считается неподвижным относительно звёзд. Никола́ и Копе́ рник (польск. Mikołaj Kopernik, нем. Nikolas Koppernigk, лат. Nicolaus Copernicus; 19 февраля 1473, Торунь — 24 мая 1543, Фромборк) — польский и прусский астроном, математик, экономист, каноник. Наиболее известен как автор гелиоцентрической системы мира, положившей начало первой научной революции. Гелиоцентрическая система в варианте Коперника может быть сформулирована в семи утверждениях: орбиты и небесные сферы не имеют общего центра; центр Земли — не центр вселенной, но только центр масс и орбиты Луны; все планеты движутся по орбитам, центром которых является Солнце, и поэтому Солнце является центром мира; расстояние между Землёй и Солнцем очень мало по сравнению с расстоянием между Землёй и неподвижными звёздами; суточное движение Солнца — воображаемо, и вызвано эффектом вращения Земли, которая поворачивается один раз за 24 часа вокруг своей оси, которая всегда остаётся параллельной самой себе; Земля (вместе с Луной, как и другие планеты), обращается вокруг Солнца, и поэтому те перемещения, которые, как кажется, делает Солнце (суточное движение, а также годичное движение, когда Солнце перемещается по Зодиаку) — не более чем эффект движения Земли; это движение Земли и других планет объясняет их расположение и конкретные характеристики движения планет. 8. Кеплер и его законы движения планет. Ио́ ганн Ке́ плер (нем. Johannes Kepler; 27 декабря 1571 года, Вайль-дер-Штадт — 15 ноября 1630 года, Регенсбург) — немецкий математик, астроном, оптик и астролог. Открыл законы движения планет. В конце XVI века в астрономии ещё происходила борьба между геоцентрической системой Птолемея и гелиоцентрической системой Коперника. Противники системы Коперника ссылались на то, что в отношении погрешности расчётов она ничем не лучше птолемеевской. Напомним, что в модели Коперника планеты равномерно движутся по круговым орбитам: чтобы согласовать это предположение с видимой неравномерностью движения планет, Копернику пришлось ввести дополнительные движения по эпициклам. Хотя эпициклов у Коперника было меньше, чем у Птолемея, его астрономические таблицы, первоначально более точные, чем птолемеевы, вскоре существенно разошлись с наблюдениями, что немало озадачило и охладило восторженных коперниканцев. Открытые Кеплером три закона движения планет полностью и с превосходной точностью объяснили видимую неравномерность этих движений. Вместо многочисленных надуманных эпициклов модель Кеплера включает только одну кривую — эллипс. Второй закон установил, как меняется скорость планеты при удалении или приближении к Солнцу, а третий позволяет рассчитать эту скорость и период обращения вокруг Солнца. Хотя исторически кеплеровская система мира основана на модели Коперника, фактически у них очень мало общего (только суточное вращение Земли). Исчезли круговые движения сфер, несущих на себе планеты, появилось понятие планетной орбиты. В системе Коперника Земля всё ещё занимала несколько особое 6 положение, поскольку только у неё не было эпициклов. У Кеплера Земля — рядовая планета, движение которой подчинено общим трём законам. Все орбиты небесных тел — эллипсы (движение по гиперболической траектории открыл позднее Ньютон), общим фокусом орбит является Солнце. Кеплер вывел также «уравнение Кеплера», используемое в астрономии для определения положения небесных тел. Законы планетной кинематики, открытые Кеплером, послужили позже Ньютону основой для создания теории тяготения. Ньютон математически доказал, что все законы Кеплера являются следствиями закона тяготения. Взгляды Кеплера на устройство Вселенной за пределами Солнечной системы вытекали из его мистической философии. Солнце он полагал неподвижным, а сферу звёзд считал границей мира. В бесконечность Вселенной Кеплер не верил и в качестве аргумента предложил (1610) то, что позже получило название фотометрический парадокс: если число звёзд бесконечно, то в любом направлении взгляд наткнулся бы на звезду, и на небе не существовало бы тёмных участков. Строго говоря, система мира Кеплера претендовала не только на выявление законов движения планет, но и на гораздо большее. Аналогично пифагорейцам, Кеплер считал мир реализацией некоторой числовой гармонии, одновременно геометрической и музыкальной; раскрытие структуры этой гармонии дало бы ответы на самые глубокие вопросы: Я выяснил, что все небесные движения, как в их целом, так и во всех отдельных случаях, проникнуты общей гармонией — правда, не той, которую я предполагал, но ещё более совершенной. Например, Кеплер объясняет, почему планет именно шесть (к тому времени были известны только шесть планет Солнечной системы) и они размещены в пространстве так, а не как-либо иначе: оказывается, орбиты планет вписаны в правильные многогранники. Интересно, что исходя из этих ненаучных соображений, Кеплер предсказал существование двух спутников Марса и промежуточной планеты между Марсом и Юпитером. Законы Кеплера соединяли в себе ясность, простоту и вычислительную мощь, хотя мистическая форма его системы мира основательно засоряла реальную суть великих открытий Кеплера. Тем не менее уже современники Кеплера убедились в точности новых законов, хотя их глубинный смысл до Ньютона оставался непонятным. Никаких попыток реанимировать модель Птолемея или предложить иную систему движения, кроме гелиоцентрической, больше не предпринималось. Через год после смерти Кеплера Гассенди наблюдал предсказанное им прохождение Меркурия по диску Солнца [13]. В 1665 году итальянский физик и астроном Джованни Альфонсо Борелли опубликовал книгу, где законы Кеплера применяются к открытым Галилеем спутникам Юпитера. 9. Закон всемирного тяготения И.Ньютона. В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения. Этот закон был открыт Ньютоном в 1666 г.. Он гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — то есть: Здесь G — гравитационная постоянная, равная м³/(кг с²). Сама идея всеобщей силы тяготения неоднократно высказывалась и до Ньютона. Ранее о ней размышляли Эпикур, Гассенди, Кеплер, Борелли, Декарт, Роберваль, Гюйгенс и другие.[1] Кеплер полагал, что тяготение обратно пропорционально расстоянию до Солнца и распространяется только в плоскости эклиптики; Декарт считал его результатом вихрей в эфире.[2] Были, впрочем, догадки с правильной 7 зависимостью от расстояния; Ньютон в письме к Галлею упоминает как своих предшественников Буллиальда, Рена и Гука[3]. Но до Ньютона никто не сумел ясно и математически доказательно связать закон тяготения (силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния) и законы движения планет (законы Кеплера). В своём основном труде «Математические начала натуральной философии» (1687) Исаак Ньютон вывел закон тяготения, основываясь на эмпирических законах Кеплера, известных к тому времени. Он показал, что: наблюдаемые движения планет свидетельствуют о наличии центральной силы; обратно, центральная сила притяжения приводит к эллиптическим (или гиперболическим) орбитам. Теория Ньютона, в отличие от гипотез предшественников, имела ряд существенных отличий. Ньютон опубликовал не просто предполагаемую формулу закона всемирного тяготения, но фактически предложил целостную математическую модель: закон тяготения; закон движения (второй закон Ньютона); система методов для математического исследования (математический анализ). В совокупности эта триада достаточна для полного исследования самых сложных движений небесных тел, тем самым создавая основы небесной механики. До Эйнштейна никаких принципиальных поправок к указанной модели не понадобилось, хотя математический аппарат оказалось необходимым значительно развить. 10. Универсальный закон сохранения М.Ломоносова. Выдающимся научным достижением Ломоносова является открытый им закон сохранения материи и движения. Первая формулировка этого всеобщего закона природы содержалась в письме Ломоносова к Л. Эйлеру, датированном 5 июля 1748 г. «Все встречающиеся в природе изменения происходят так,— писал ученый,— что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется какому-либо телу, столько же теряется у другого, сколько часов я затрачиваю на сон, столько же отнимаю от бодрствования, и т. д. Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому». В дальнейших своих исследованиях Ломоносов неоднократно ссылался на закон сохранения, экспериментально подтверждал его истинность. В многочисленных исследованиях и высказываниях, характеризующих существо процессов движения в их взаимосвязи с материей, Ломоносов значительно опережал выводы современного ему естествознания. В его работах были сделаны первые шаги в раскрытии диалектики природы, которую он пытался рассматривать не как застывшую, окостенелую систему, а в процессе непрерывного развития. «Тела,— писал он,— не могут ни действовать, ни противодействовать взаимно без движения... Природа тел состоит в действии и противодействии... а так как они не могут происходить без движения... то природа тел состоит в движении, и, следовательно, тела определяются движением»24. Однако Ломоносов, как уже говорилось, жил в век механистического материализма. Он понимал движение как простое механическое перемещение тел. В этих условиях не представлялось возможным полностью раскрыть подлинную физическую картину диалектического единства, глубокой 8 неразрывной связи материи и движения. Ломоносову принадлежит не только формулировка всеобщего закона природы, но и осуществление экспериментального подтверждения этого универсального закона. Опытную проверку принципа сохранения вещества наиболее убедительно можно было произвести путем исследования химических процессов. Именно при химических превращениях вещество одного тела частично или полностью переходит в другое тело. 11. Рождение науки об электричестве. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом. Рождение науки об электричестве Девятнадцатое столетие ознаменовалось огромными успехами в исследовании природы электричества и магнетизма. Первоначально электрические явления искры, молнии, свойства лейденских банок накапливать заряд - считались совершенно не связанными с явлениями магнетизма, наблюдаемыми в минералах некоторых видов, в поведении стрелки компаса и т.д. Однако датский физик Эрстед (1777-1851) и французский физик Ампер (1775-1836) продемонстрировали на опыте, что проводник с электрическим током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Эрстед высказал мысль, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое является вихревым. Ампер по существу стал творцом новой науки - электродинамики. Ампер заметил, что магнитные явления происходят тогда, когда по электрической цепи течет ток, причем величина магнитного действия зависит от интенсивности движения электричества, Для измерения этой интенсивности Ампер впервые вводит понятие силы тока, поэтому неслучайно единица силы тока носит его имя - ампер. С помощью своего учения о круговых токах, он сводит магнетизм к электричеству! Это действительно великое открытие. Ампер формулирует до сих пор не известный закон о взаимодействии токов. Более того, он высказывает следующую мысль: “Все явления, которые представляют взаимодействие тока и магнита, открытые Эрстедом, входят как частный случай в законы притяжения электрических токов”. Работа Ампера над созданием электродинамики продолжалась вплоть до 1826 г., когда вышел в свет его обобщающий труд “Теория электродинамических явлений, выведенная из опытов”. В этой работе Ампером была разработана не только качественная теория, но и количественный закон для силы взаимодействия токов. Это один из основополагающих законов электродинамики. Эстафета, принятая Ампером от Эрстеда, была передана в руки великого английского естествоиспытателя Майкла Фарадея (1791-1867). Он открыл явление электромагнитной индукции - возникновение тока в проводнике вблизи движущего магнита. Исследуя диэлектрики, Фарадей приходит к мысли о существенной роли среды в электрических взаимодействиях. Изучая характер магнитных явлений, Фарадей склоняется к мысли, что передача силы представляет собой явление, протекающее вне магнита. Он считает неверным, что эти явления представляют собой простое отталкивание и притяжение на расстоянии, полагая, что пространство, окружающее магнит, играет столь же существенную роль как и сам магнит. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом Открытия, сделанные Фарадеем в области электромагнетизма, были развиты выдающимся английским математиком и физиком Максвеллом (1831-1879). В его теории электромагнетизма была установлена органическая связь электричества и магнетизма. Основываясь на идеях, высказанных ранее Фарадеем, Максвелл вводит понятие электромагнитного поля. 9 Согласно теории Максвелла, каждая заряженная частица окружена полем невидимым ореолом, оказывающим воздействие на другие заряженные частицы, находящиеся поблизости, т.е. поле одной заряженной частицы действует на другие заряженные частицы с некоторой силой. Такие взгляды на природу взаимодействия резко отличались от ньютоновской концепции тяготения, где притяжение считалось силой прямого взаимодействия между разделенными пространством массами. В теории Максвелла движение частицы, помещенной в данную точку пространства, определялось силовой характеристикой напряженностью поля в этой точке. Теория электромагнитного поля Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике и естествознании. Именно на этом этапе развития физики электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия. Мир постепенно стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу о том, что должны существовать так называемые электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна быть равна скорости света. Отсюда был сделан совершенно новый вывод: свет есть разновидность электромагнитных волн. Предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны действительно были открыты в 1888г. Генрихом Герцем (1857-1894). Он сумел осуществить передачу и прием электромагнитных волн очень большой длины - радиоволн. Сегодня мы имеем дело с целым набором электромагнитных волн, длина которых варьирует от значений очень маленьких, меньше, чем 1/1 000 000 000 000 м до многих километров. Все вместе они составляют электромагнитный спектр. Это и гамма-, и рентгеновские лучи, ультрафиолетовые излучения, видимый свет, инфракрасное, микроволновое и радиоизлучение. Излучения всех этих видов распространяются в вакууме со скоростью света и имеет одну и ту же природу. Трудно представить какую-либо волну без среды, в которой она могла бы распространяться. Звуковые волны распространяются в различных материальных средах: воздухе, воде, твердом теле. Поверхностные волны движутся по поверхности воды. В какой же среде распространяются электромагнитные волны? Максвелл возродил старую идею о существовании эфира, заполняющего пространство, который и должен был служить носителем электромагнитных волн. Система отсчета, связанная с неподвижным эфиром, рассматривалась как абсолютный критерий состояния покоя и отождествлялась с абсолютным пространством. Вскоре были предприняты попытки экспериментального определения скорости Земли относительно эфира, но все они приводили к отрицательному результату. Эфир обнаружить не удавалось. Наиболее известны эксперименты американского физика Майкельсона (1852-1931). Постепенно становилось ясно, что никакой эксперимент не в состоянии выявить факт движения Земли относительно эфира. 12. Специальная теория относительности А.Эйнштейна. Наибольшую известность Эйнштейну принесла теория относительности, изложенная им впервые в 1905 г. в статье «К электро-динамике движущихся тел». Уже в юности Эйнштейн пытался понять, что увидел бы наблюдатель, если бы бросился со скоростью света вдогонку за световой волной. Будучи студентом, Эйнштейн изучал труды Максвелла, был убежден в существовании всепроникающего эфира и размышлял о том, как на него действуют различные поля (в частности, магнитное) и как можно экспериментально обнаружить движение относительно эфира. Теперь Эйнштейн решительно отверг концепцию эфира, что позволило рассматривать принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета как универсальный, а не только ограниченный рамками механики. 10 Исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, Эйнштейн сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, делавших излишней гипотезу о существовании эфира, которые составили основу обобщенного принципа относительности: 1) все законы физики одинаково применимы в любой инерциальной системе отчета и не должны меняться при преобразованиях Лоренца; 2) свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения источника. Эйнштейн выдвинул удивительный и на первый взгляд парадоксальный постулат, что скорость света для всех наблюдателей, как бы они ни двигались, одинакова. Этот постулат (при выполнении некоторых дополнительных условий) приводит к полученным ранее Х. Лоренцем формулам для преобразований координат и времени при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой. Но Лоренц рассматривал эти преобразования как вспомогательные, или фиктивные, не имеющие непосредственного отношения к реальному пространству и времени. Эйнштейн понял реальность этих преобразований, в частности, реальность относительности одновременности. Таким образом, принцип относительности, установленный для механики еще Галилеем, был распространен на электродинамику и другие области физики. Это привело, в частности, к установлению важного универсального соотношения между массой М, энергией Е и импульсом Р: E2 = М2c4 + P2с2 (где с - скорость света), которое можно назвать одной из теоретических предпосылок использования внутриядерной энергии. 13. Создание квантовой механики. Корпускулярно-волновой дуализм. Корпускуля́ рно-волново́ и дуали́ зм — принцип, согласно которому любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Был введён при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. Дальнейшим развитием принципа корпускулярно-волнового дуализма стала концепция квантованных полей в квантовой теории поля. Как классический пример, свет можно трактовать как поток корпускул (фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойства электромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, даже одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла. Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей, что наглядно показал эксперимент, проведённый французскими физиками Гранжье, Роже и Аспэ в 1986 году. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте и в эффекте Комптона. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон). В настоящий момент концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как служила только интерпретацией, способом описать поведение квантовых объектов, подбирая ему аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении. Методологически более корректной является формулировка квантовой теории через интегралы по траекториям (пропагаторная), свободная от использования классических понятий. 11 14. Теория гравитационного поля А.Эйнштейна. Общая теория относительности. Гравита́ ция (всеми́ рное тяготе́ ние, тяготе́ ние) (от лат. gravitas — «тяжесть») — универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Гравитация является самым слабым из четырех типов фундаментальных взаимодействий. В квантовом пределе гравитационное взаимодействие должно описываться квантовой теорией гравитации, которая ещё полностью не разработана. Теория Эйнштейна — Картана (ЭК) была разработана как расширение ОТО, внутренне включающее в себя описание воздействия на пространство-время кроме энергии-импульса также и спина объектов[5]. В теории ЭК вводится аффинное кручение, а вместо псевдоримановой геометрии для пространствавремени используется геометрия Римана — Картана. В результате от метрической теории переходят к аффинной теории пространства-времени. Результирующие уравнения для описания пространства-времени распадаются на два класса. Один из них аналогичен ОТО, с тем отличием, что в тензор кривизны включены компоненты с аффинным кручением. Второй класс уравнений задаёт связь тензора кручения и тензора спина материи и излучения. Получаемые поправки к ОТО в условиях современной Вселенной настолько малы, что пока не видно даже гипотетических путей для их измерения. О́ бщая тео́ рия относи́ тельности (ОТО; нем. allgemeine Relativitätstheorie) — геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодеиствием тел и полеи, находящихся в пространстве-времени, а деформациеи самого́ пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей. ОТО в настоящее время — самая успешная теория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что качественно и количественно подтвердило предсказания общей теории относительности. С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности — существования чёрных дыр. Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный, во-первых, с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории, а во-вторых, с тем, что сама теория указывает границы своей применимости, так как предсказывает появление неустранимых физических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообще сингулярностей пространства-времени. Для решения этих проблем был предложен ряд альтернативных теорий, некоторые из которых также являются квантовыми. Современные экспериментальные данные, 12 однако, указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют. 15. Космические модели Вселенной. Третья естественнонаучная революция. Третья глобальная естественно-научная революция радикально преобразовала научную картину мира, изменив астрономию, космологию и физику и означала полный отказ от всякого центризма. Существуют три разные модели Фридмана, для которых выполняется космологический принцип. Все варианты модели Фридмана имеют общее : в какой-то момент времени в прошлом (десять, двадцать миллиардов лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. В этот момент (называемый Большим взрывом) плотность Вселенной и кривизна пространства времени должны быть бесконечными. Поскольку математики не умеют обращаться с бесконечно большими величинами, это означает, что, согласно общей теории относительности во Вселенной должна быть точка, в которой сама эта теория неприменима. Такая точка называется особой или синигумерной. В этой точке наши теории неверны из-за бесконечной плотности материи и бесконечной кривизны пространства времени. Следовательно, если перед Большим взрывом и происходили какие-то события, по ним нельзя было спрогнозировать будущее. Следовательно, те события, которые происходили до Большого взрыва нужно исключить из модели и считать началом отсчета времени момент Большого взрыва. 16. Элементарные частицы и силы в природе. Элемента́ рная части́ ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части. Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, фотон, кварки и т. д) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы — протон, нейтрон и т. д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно (см. Конфайнмент). Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц. Все элементарные частицы делятся на два класса: фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино); бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны). Гравитационная сила. Эти силы носят гравитационный характер. Это означает, что всякая частица находится под действием гравитационной силы, величина которой зависит от массы и энергии частицы. Это очень слабая сила, которую мы вообще не заметили бы, если бы не ее два специфических свойства : гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения. В квантово – механическом подходе к гравитационному полю считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи, переносится частицей со спином 2, которая называется гравитоном. Гравитон не обладает собственной массой и поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землей объясняется тем, что частицы, из которых состоит Земля и Солнце обмениваются гравитонами. Несмотря на то, что в обмене участвуют лишь вертикальные частицы, создаваемый ими эффект безусловно поддается измерению, т.к. этот эффект – вращение Земли 13 вокруг Солнца. Реальные гравитоны распространяются в виде воли, но они очень слабые и их трудно зарегистрировать, это пока никому не удалось. Следующий этап взаимодействия создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами, но не отвечают за взаимодействие таких незаряженных частиц как гравитоны. Электромагнитные взаимодействия гораздо сильнее гравитационных : электромагнитная сила, действующая между двумя электронами, примерно в 10^40 больше гравитационной силы. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименно заряженные – притягиваются. 17. Объединение физики. Зарождение четвертой глобальной естественнонаучной революции. Четвертая глобальная естественно-научная революция предопределяется необходимым, но окончательно еще никем не осуществляемым синтезом, доминирующим в макромасштабах общей теории относительности Эйнштейна с выступающими на передний план в микромасштабах квантовыми представлениями о строении материи в единую физическую теорию, объединяющую все четыре фундаментальных взаимодействия - гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Можно надеяться на то, что в конце концов будет найдена полная, непротиворечивая единая теория, в которую все частные теории будут входить в качестве приближений и которую не нужно будет подгонять под эксперимент подбором значений входящих в нее произвольных величин. Работа по созданию такой теории называется объединением физики. Последние годы своей жизни Эйнштейн почти целиком посвятил поискам единой теории, но время для этого тогда еще не пришло: существовали частные теории гравитации и электромагнитных взаимодействий, но о ядерных силах было мало что известно. К тому же Эйнштейн отказывался верить в реальность квантовой механики, несмотря на ту огромную роль, которую он сам сыграл в ее развитии. Но принцип неопределенности является, по-видимому, фундаментальным свойством Вселенной, в которой мы живем. Поэтому он обязательно должен быть составной частью правильной единой теории.мы уже не раз сталкивались с миражами! Например, в начале века считалось, что все можно объяснить с помощью свойств, характеризующих непрерывное вещество, скажем, таких, как упругость и теплопроводность. Открытие строения атома и принципа неопределенности навсегда покончило с подобным подходом. Затем в 1928 г. физик, лауреат Нобелевской премии Макс Борн, выступая перед гостями Гёттингенского университета, сказал: "Физика в том смысле, в котором мы ее понимаем, через полгода кончится". В своей уверенности Борн основывался на недавно открытом Дираком уравнении для электрона. Все думали, что аналогичное уравнение должно существовать и для протона - второй из двух известных тогда частиц, и тогда теоретическая физика кончится. Но открытие нейтрона и ядерных сил развеяло и эти предсказания. И все же я уверен, что сейчас есть основания для осторожного оптимизма: мы, пожалуй, близки к завершению поисков окончательных законов природы. Теории относительности, которая представляет собой частную теорию гравитации, и о частных теориях, описывающих слабые, сильные и электромагнитные взаимодействия. Последние три теории могут быть объединены в так называемые теории великого объединения, которые нельзя считать достаточно удовлетворительными, потому что они не включают гравитацию и содержат величины, например относительные массы разных частиц, которые не вычисляются теоретически и должны подбираться из условия наилучшего согласия с экспериментом. Основная трудность построения теории, 14 которая объединяла бы гравитацию с остальными силами, связана с тем, что общая теория относительности представляет собой классическую теорию, т. е. не включает в себя квантово-механический принцип неопределенности. Другие же частные теории существенно связаны с квантовой механикой. Поэтому прежде всего общую теорию относительности необходимо объединить с принципом неопределенности. Мы знаем, что результатом такого объединения станет ряд удивительных следствий: черные дыры перестанут быть черными, а из Вселенной исчезнут сингулярности, и она станет полностью замкнутой и не имеющей границ. Но, как уже объяснялось в гл. 7, здесь возникают затруднения, связанные с тем, что в силу принципа неопределенности даже пустое пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц. Эти пары обладают бесконечной энергией, а потому в соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна Е = mc^2 их масса тоже должна быть бесконечна. Следовательно, под действием создаваемого ими гравитационного притяжения Вселенная должна, искривляясь, сворачиваться до бесконечно малых размеров. 18. Взаимосвязь естественных наук. Уровни организации материи. Все исследования природы сегодня можно наглядно представить в виде большой сети, состоящей из ветвей и узлов. Эта сеть связывает многочисленные ответвления физических, химических и биологических наук, включая науки синтетические, возникшие на стыке основных направлений (биохимия, биофизика и др.). Даже исследуя простейший организм, мы должны учитывать, что это и механический агрегат, и термодинамическая система, и химический реактор с разнонаправленными потоками масс, тепла, электрических импульсов; это, в то же время, и некая «электрическая машина», генерирующая и поглощающая электромагнитное излучение. И, в то же время, это - ни то и ни другое, это — единое целое. Современное естествознание характеризуется взаимопроникновением естественных наук друг в друга, но в нем есть и определенная упорядоченность, иерархичность. В середине 19-го века немецкий химик Кекуле составил иерархическую последовательность наук по степени возрастания их сложности (а точнее, по степени сложности объектов и явлений, которые они изучают). Такая иерархия естественных наук позволяла как бы «выводить» одну науку из другой. Так физику (правильнее было бы — часть физики, молекулярнокинетическую теорию) называли механикой молекул, химию, физикой атомов, биологию — химией белков или белковых тел. Эта схема достаточно условна. Но она позволяет пояснить одну из проблем науки — проблему редукционизма. Редукционизм (<лат. reductio уменьшение) определяется как господство аналитического подхода, направляющего мышление на поиск простейших, далее неразложимых элементов. Редукционизм в науке — это стремление описать более сложные явления языком науки, описывающей менее сложные явления или класс явлений (например, сведение биологии к механике и т.п.). Разновидностью редукционизма является физикализм — попытка объяснения всего многообразия мира на языке физики. Редукционизм неизбежен при анализе сложных объектов и явлений. Однако здесь надо хорошо осознать следующее. Нельзя рассматривать жизнедеятельность организма, сводя все к физике или химии. Но важно знать, что законы физики и химии справедливы и должны выполняться и для биологических объектов. Нельзя рассматривать поведение человека в обществе только как биологического существа, на важно знать, что корни многих человеческих действий лежат в глубоком доисторическом прошлом и являются результатом работы генетических программ, унаследованных от животных предков. 15 В настоящее время достигнуто понимание необходимости целостного, холистического (<англ. whole целый) взгляда на мир. Холизм, или интегратизм можно рассматривать как противоположность редукционизма, как присущее современной науке стремление создать действительно обобщенное, интегрированное знание о природе. Уровни организации жизни (уровни организации живой материи) — структурная организация биосистем, отражающая их уровневую иерархию в зависимости от степени сложности. Различают шесть основных структурных уровней жизни: Молекулярный Представлен разнообразными молекулами, находящимися в живой клетке, Клеточный - Представлен свободно живущими клетками и клетками, входящими в многоклеточные организмы, Организменный - Представлен одноклеточными и многоклеточными организмами растений, животных, грибов и бактерий, Популяционно-видовой - Представлен в природе огромным разнообразием видов и их популяций, Биогеоценотический - Представлен разнообразием естественных и культурных биогеоценозов во всех средах жизни Биосферный - Представлен высшей, глобальной формой организации биосистем — биосферой. 19. Химия в естествознании. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева. Формирование современного естествознания - это процесс очень сложный и многоплановый, включающий рассмотрение систем наук о природе, или естественных наук, взятых в их взаимной связи, в развитии этих наук в различные исторические эпохи. Одной из важнейших таких систем естествознания, на мой взгляд, является химическая наука. Современная химия развивается стремительными темпами, плодотворно сотрудничая с физикой, математикой, биологией и другими науками. Истоки химических знаний лежат в глубокой древности. В их основе потребность человека получить необходимые вещества, объяснить взаимодействие веществ для своей жизнедеятельности. Химия очень тесно связана с производством материальных ценностей и является больше практической наукой. Современные достижения химии в ее практической деятельности вносят большой вклад в общее миропонимание, в развитие естественнонаучных знаний, существенно отражаются на состоянии взаимодействия общества с природой. Добавляемые химией и химической производственной практикой знания о природе, о вещах и превращениях веществ, являются основой для формирования мировоззрения человека, развития общих представлений о мире, о природе человека, его деятельности. Еще с древних времен и вплоть до наших дней в развитии научной, в том числе и химической мысли, почти по всем направлениям можно констатировать позитивный и безостановочный прогресс. Научные знания продолжают постоянно углубляться и совершенствоваться. Для формирования у современного человека естественнонаучного способа мышления, целостного мировоззрения необходимы и знания основных положений химии, как одной из важнейших наук, ее исторического развития и современного понимания роли химии для жизни и деятельности человека. Роль вещества и знаний о веществе, природа химических знаний, пути и средства их формирования в историческом развитии - вот то, с чего в можно начать 16 изучение влияния химии на формирование и развитие современного естествознания. Периодический закон Д. И. Менделеева — фундаментальный закон, устанавливающий периодическое изменение свойств химических элементов в зависимости от увеличения зарядов ядер их атомов. Открыт Д. И. Менделеевым в марте 1869 года при сопоставлении свойств всех известных в то время элементов и величин их атомных масс. Термин «периодический закон» Менделеев впервые употребил в ноябре 1870, а в октябре 1871 дал окончательную формулировку Периодического закона: «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».[1] Графическим (табличным) выражением периодического закона является разработанная Менделеевым периодическая система элементов. Поиски основы естественной классификации химических элементов и их систематизации начались задолго до открытия Периодического закона. Трудности, с которыми сталкивались естествоиспытатели, которые первыми работали в этой области, были вызваны недостаточностью экспериментальных данных: в начале XIX века число известных химических элементов было ещё слишком мало, а принятые значения атомных масс многих элементов неточны. 20. Первый этап развития химии - ХУП в. Учение о составе вещества А.Лавуазье. Первый этап развития химии - учение о составе вещества. Заложен в работах английского ученого Р. Бойля, который доказал, что свойства тел зависят от того, из каких частиц эти тела составлены. Р. Бойль, что явилось первым уровнем химических знаний и отражено в законе «постоянства состава вещества» Ж. Пруста (1801-1808 гг): «Всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет од и тот же состав». Теоретическое обоснование закона Пруста было дано англичанином Дж. Дальтоном (1803 г.), 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». 17 В XVII столетии возник интерес химии к процессу горения. Итогом этих исследований стала теория флогистона, основанная на утверждении, что все горючие вещества богаты особым горючим веществом - флогистоном. В 1680-1760 гг. открыты фосфор, кобальт, никель, водород, фтор, азот, хлор и марганец. В 1772-1776 гг. открыт кислород и А.Л. Лавуазье установил роль кислорода в образовании кислот, оксидов и воды, опроверг теорию флогистона и создал принципиально новую теорию химии В XVIII в. Лавуазье, открыл закон сохранения массы: «Масса веществ никогда не создается и не уничтожается, а лишь переходит от одного вещества к другому». Продолжая исследования, Лавуазье установил, что в состав воздуха входит кислород и азот, Генри Кэвендиш доказал, что вода - это соединение водорода и кислорода. Важный этап в развитии химии связан с именем Якоба Берцелиуса, который предположил существование частиц (молекул), образованных из двух или более атомов и способных перестраиваться при химических реакциях. Заслугой Берцелиуса является введение химической символики, позволяющей обозначать не только элементы, но и химические реакции 1869 г. Д. И. Менделеев разработал основные положения учения о периодичности, сформулировал периодический закон и предложил короткую форму периодической системы элементов, это открытие стало выдающимся событием в химии, приведя ее в состояние стройной систематизированной науки. До середины XIX в. развитие химии происходило беспорядочно и хаотически: открывались и описывались новые химические элементы, химические реакции, благодаря чему накопился огромный эмпирический материал, который был систематизирован в 1860 г. на первом международном химическом конгресс, где были сформулированы и приняты основополагающие принципы, теории и законы химии, к заявившие о химии, как самостоятельной науке. Учение о составе веществ является первым уровнем химических знаний. До 2030-х гг. XIX в. вся химия не выходила за пределы этого подхода. Но постепенно рамки состава (свойств) - стали тесны химии, и во второй половине XIX в. главенствующую роль в химии постепенно приобрело понятие «структура», ориентированное, что и отражено непосредственно в самом понятии, на структуру молекулы реагента. Химическим соединением называется атомно-молекулярная система, обладающая следующими признаками: 1) содержанием большего числа атомов ограниченного числа «сортов»; 2) каждому сорту атомов соответствует определенная координация постоянных, определяющих индивидуальность химического соединения, распределение атомов по сортам (состав); 3) способностью существовать в виде одного или нескольких химических веществ. На этом уровне решались вопросы определения химического элемента, химического соединения и получения новых материалов на базе более широкого использования химических элементов. Первое научное определение химического элемента, когда еще не было открыто ни одного из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие. Открытие французским химиком А. Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об «огненной материи» (флогистоне). В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном. В 1999 г. было сообщено, что путем физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент. 18 Вопросы, связанные с химическими соединениями, длительное время не вызывали споров в среде химиков. Казалось очевидным, что именно относится к химическим соединениям, а что - к простым телам или смесям. В результате химических и физических открытий претерпело изменение классическое определение молекулы. Молекула понимается как наименьшая частица вещества, которая в состоянии определять его свойства и в то же время может существовать самостоятельно. Представления о классе молекул расширились, в него включают ионные системы, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образующиеся на основе водородных связей и представляющие собой уже макромолекулы. Они обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в строго постоянном составе. С открытием физиками природы химизма как обменного взаимодействия электронов химики совершенно по-другому стали рассматривать химическое соединение. «Это качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы-молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты. Химическое соединение - понятие более широкое, чем «сложное вещество», которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента. Это О2, графит, алмаз и другие кристаллы без посторонних включений в их решетку в идеальном случае». 21. Второй этап развития химии как науки - XIX в. Структурная химия. Главным достижением этого этапа является установление связи между структурой молекулы и функциональной активностью (реакционной способностью) соединения. На этом этапе работы Дж. Дальтона, И.Я. Берцелиуса, Ш. Жерара привели к разработке теории различных типов органических соединений, они показали, что частицы вещества (Ш. Жерар предлагал называть их молекулами) представляют как бы единую целую систему взаимосвязанных друг с другом атомов. А. немецкий химик А. Кекуле (1857 г) ввел новый химический термин сродство, который, посуществу, определял валентность в-ва. Под валентностью атомных частиц понимается их свойство вступать в химическое взаимодействие, количественной мерой которого является суммарное число неспаренных электронов, неподеленных электронных пар и вакантных орбиталей, участвующих в образовании химических связей. Понятие структура молекулы у А. Кекуле свелось к построению наглядных формульных схем. Развитие структурной химии связано с теорией химического строения органических соединений русского химика А.М.Бутлерова, в результате химия из науки аналитической, занимающейся изучением состава готовых веществ, превращалась в синтетическую, способную создавать новые вещества и новые материалы. Структурная химия положила начало триумфальному шествием органического синтеза, но она ограничена сведениями только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии, чего недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения этого вещества. Так, согласно структурным теориям, должны быть вполне осуществимы многие реакции, которые практически не идут. Большое количество реакций органического синтеза, основанных лишь на принципах структурной химии, имеют столь низкие выходы продукции и такие большие отходы в виде побочных продуктов, что не могут быть использованы в промышленности. К тому же такой синтез требовал в качестве исходного сырья дефицитных активных реагентов и сельскохозяйственной 19 продукции, в том числе и пищевой, что крайне невыгодно в экономическом отношении. Современная структурная химия достигла больших результатов: химики заявляли о своих ничем не сдерживаемых возможностях, и за вторую половину XIX века число было вновь синтезированы более миллиона новых химических соединений, большая часть современных лекарственных препаратов - это продукты органического синтеза. 22. Третий этап развития химии как науки (первая половина XX в.) Учение о химических процессах. На этом этапе химики научились управлять химическими процессами, стала бурно развиваться химическая промышленность, в большом количестве стали производить синтетические материалы, заменяющие дерево, металл, растительные масла. На основе переработки нефти возникло производство искусственных волокон, этилового спирта, каучуков, растворителей, азот воздуха научились превращать в удобрение. Учение о химическом процессе, начало формирования которого относят ко второй половине XIX-го века, базируется на постулате, что свойства вещества определяются его составом, структурой и организацией системы, в которой это вещество находится. Зарождение новой концепции химии связано с появлением экспериментальных фактов, указывающие на невозможность объяснения химических реакция только на основе особенностей состава вещества и структуре его молекул. Свойства веществ в общем случае зависят и от концентрации реагентов, от внешних условий и окружающей среды, в которых находится система, и от наличия в системе веществ (катализаторов, растворителя, примесей, и т. п.), стехиометрически не участвующих в химической реакции. Предметом изучения в рамках этой концептуальной системы является вся химическая кинетическая система, для которой само вещество, его состав и структура его молекул рассматриваются как подсистема, как часть системы. Многие эмпирические понятия получают теоретическое обоснование в рамках статистической механики и термодинамике, химической термодинамике, химической кинетике и теории каталитических реакций. Создание учения о химическом процессе позволило решать вопросы управления химическими реакциями и процессами, создать новую химическую технологию. Учение о химических процессах является следующим по сложности уровнем химических знаний. Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется и условием протекания химических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на: 1. термодинамические, влияющие на направленность химических процессов 2. кинетические, влияющие на скорость химических процессов (ведущую роль здесь играют каталитические методы). 23. Четвертый этап развития химии как науки (вторая половина XX в.) Эволюционная химия. 1960 – 1979 г. появился новый способ решения основной задачи химии, в основе которого – использование в химических процессах таких условий, когда происходит самосовершенствование катализаторов химических реакций, т.е. самосовершенствование химических систем. Под самоорганизацией понимается способность системы, состоящей из хаотического множества несвязанных элементов, к самоупорядочению, что свойственно живым системам. Химический реактор на уровне эволюционной химии представляет собой некое подобие живой системы, способной к саморазвитию. Таким образом, четвертый этап развития 20 химии, который продолжается и до настоящего времени, устанавливает связь самоорганизации системы реагентов с поведением этой системы. Эволюционную химию, считают предтечей биологии - наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем. Истоки эволюционной химии связаны с давнишней мечтой химиков - освоить опыт лаборатории живого организма и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь. Первым ученым, осознавшим важность исключительно высокой упорядоченности, организованности и эффективности процессов в живых организмах, был один из основателей органической химии, шведский ученый Якоб Берцелиус (1779- 1848). Однако на практике эволюционная химия зарождается в 1950 – 1960 г.г. Под эволюционными проблемами следует понимать проблемы синтеза новых высокоорганизованных соединений без участия человека. Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение как материального состава растительных и животных тка­ней, так и химических процессов, происходящих в организме. 24. Химические соединения. Закон Ж.Пруста, Дж. Дальтона, А. Авогадро. Хими́ ческое соедине́ ние — сложное вещество, состоящее из химически связанных атомов двух или нескольких элементов (гетероядерные молекулы). Некоторые простые вещества также могут рассматриваться как химические соединения, если их молекулы состоят из атомов, соединённых ковалентной связью (азот, кислород, иод, бром, хлор, фтор, предположительно астат). Состав химического соединения записывается в виде химических формул, а строение часто изображается структурными формулами. В подавляющем большинстве случаев химические соединения подчиняется закону постоянства состава и закону кратных отношений. Однако известны довольно многочисленные соединения переменного состава (бертоллиды), например: PaO2,18—PaO2,21. Химические соединения получают в результате химических реакций. Сложные вещества могут разлагаться с образованием нескольких других веществ. Образование химических соединений сопровождается выделением (экзотермическая реакция) или поглощением (эндотермическая реакция) энергии. Физические и химические свойства химических соединений отличаются от свойств веществ, из которых они получены. Химические соединения разделяются на неорганические и органические. Известно более 100 тыс. неорганических и более 3 млн органических соединений. Каждое химическое соединение, которое описано в литературе, имеет уникальный идентификатор — CAS-номер. Сложные вещества: оксиды (H2O, CaO, CO2, P2O5 (P4O10) и др.) основания (Na(OH), Ca(OH)2, Al(OH)3, Fe(OH)3 и др.) кислоты (HCl, HNO3, H2SO4, H3PO4 и др.) соли (NaCl, KNO3, Fe2(SO4)3, LiBr и др.) Закон постоянства состава (Ж.Л. Пруст, 1801—1808гг.) — любое определенное химически чистое соединение независимо от способа его получения состоит из одних и тех же химических элементов, причем отношения их масс постоянны, а относительные числа их атомов выражаются целыми числами. Это один из основных законов химии. Закон постоянства состава не выполняется для бертоллидов (соединений переменного состава). Однако условно для простоты состав многих бертоллидов записывают как постоянный. Например, состав оксида железа(II) записывают в виде FeO (вместо более точной формулы Fe1-xO). 21 Продолжая исследования, Дальтон через некоторое время опубликовал таблицу относительных атомных весов шести элементов — водорода, кислорода, азота, углерода, серы, фосфора, приняв массу водорода равной 1. Заметим, что Дальтон не дал описания способа, которым он определил относительные веса, но в его записях от 6 сентября 1803 года мы находим таблицу расчета этих параметров на основе данных различных химиков по анализу воды, аммиака, диоксида углерода и других веществ. Столкнувшись с проблемой расчета относительного диаметра атомов (из которых, как считал ученый, состоят все газы), Дальтон использовал результаты химических экспериментов. Предполагая, что любое химическое превращение всегда происходит по наиболее простому пути, Дальтон приходит к выводу — химическая реакция возможна лишь между частицами различных весов. С этого момента концепция Дальтона перестает быть простым отражением идей Демокрита. Распространение этой теории на вещества привело исследователя к закону кратных отношений, а эксперимент идеально подтвердил его вывод. Стоит отметить, закон кратных отношений был предугадан Дальтоном в докладе, посвященном описанию содержания различных газов в атмосфере, прочтенном в ноябре 1802 года: «Кислород может соединяться с определенным количеством азота, или уже с удвоенным таким же, но не может быть какого-либо промежуточного значения количества вещества». Существует мнение, что это предложение было добавлено некоторое время спустя после прочтения доклада, однако опубликовано лишь в 1805 году. В работе «Новый курс химической философии» все вещества были разбиты Дальтоном на двойные, тройные, четверные и т. п. (в зависимости от количества атомов в молекуле). Фактически, он предложил классифицировать структуры соединений по общему количеству атомов — один атом элемента X, соединяясь с одним атомом элемента Y, дает двойное соединение. Если же один атом элемента X соединяется с двумя Y (или наоборот), то такое соединение будет тройным. Различные атомы и молекулы в книге Джона Дальтона Новый курс химической философии (1808). Для визуализации своей теории Дальтон использовал собственную систему символов, также представленную в «Новом курсе химической философии». Закон Авога́ дро — одно из важных основных положений химии, гласящее, что «в равных объёмах различных газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и то же число молекул». Было сформулировано ещё в 1811 году Амедео Авогадро (1776—1856), профессором физики в Турине. Первые количественные исследования реакций между газами принадлежат французскому ученому Гей-Люссаку. Он является автором законов о тепловом расширении газов и закона объемных отношений. Эти законы были объяснены в 1811 году итальянским физиком Амедео Авогадро. 25. Структурная химия. Проблемы и решения. Структурная химия — раздел, область химии, изучающая связь различных физических и физико-химических свойств различных веществ с их химическим строением и реакционной способностью. Структурная химия рассматривает не только геометрическое строение молекул; изучению подвергается следующее — длины химических связей, валентные углы, координационные числа, конформации и конфигурации молекул; эффекты их взаимного влияния, ароматичность. Структурная химия положил начало триумфальному шествием органического синтеза, но она ограничена сведениями только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии, чего недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения этого вещества. Так, согласно структурным теориям, должны быть вполне осуществимы многие реакции, которые 22 практически не идут. Большое количество реакций органического синтеза, основанных лишь на принципах структурной химии, имеют столь низкие выходы продукции и такие большие отходы в виде побочных продуктов, что не могут быть использованы в промышленности. К тому же такой синтез требовал в качестве исходного сырья дефицитных активных реагентов и сельскохозяйственной продукции, в том числе и пищевой, что крайне невыгодно в экономическом отношении. Современная структурная химия достигла больших результатов: химики заявляли о своих ничем не сдерживаемых возможностях, и за вторую половину XIX века число было вновь синтезированы более миллиона новых химических соединений, большая часть современных лекарственных препаратов - это продукты органического синтеза. Проблемы и решения - речь идет об особом уровне развития химических знаний, на котором главенствующую роль играет структура молекулы реагента. Свойства веществ, и их качественное разнообразие, обусловлены не только их составом, но и структурой их молекул. Химия превращается из аналитической науки, занимающейся изучением состава готовых веществ, в науку преимущественно синтетическую, способную создавать новые вещества и новые материалы. 26. Учение о химических процессах. Проблемы и решения. Учение о химических процессах является следующим по сложности уровнем химических знаний. Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется и условием протекания химических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на: 1. термодинамические, влияющие на направленность химических процессов 2. кинетические, влияющие на скорость химических процессов (ведущую роль здесь играют каталитические методы). Учение о химических процессах - это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. На этом уровне развития химических знаний химия становится наукой не только о веществах, как законченных предметах, а наукой о процессах и механизмах превращений веществ. Благодаря этому химия обеспечила: много тоннажное производство синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах; пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов; производство искусственных волокон, каучуков, этилового спирта и многих растворителей на базе нефтяного сырья; производство азотных удобрений на основе азота воздуха; появление технологии нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспечивающими непрерывные высокопроизводительные процессы. Среди большого количества проблем: в одних случаях их просто не удается осуществить, в других случаях их трудно остановить, например, реакции горения и взрыва, в третьих случаях их невероятно трудно ввести в одно желательное русло, т.к. они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием нескольких побочных продуктов. В основе учения о химических процессах находится химическая термодинамика (термодинамические методы которой позволили управлять химическими процессами только в аспекте их направления в прямую или обратную стороны) и кинетика (выполняющая функцию управления скоростью химических процессов). 23 27. Эволюционная химия - высшая ступень развития химических знаний. До недавнего времени об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, химиков не интересовал вопрос о «происхождении видов» вещества, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека: новая молекула конструировалась им по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание из кирпичей. Живые организмы из блоков собрать нельзя. Теперь возникла необходимость решать эволюционные проблемы применительно к своим объектам и у химиков. При этом под эволюционными проблемами следует понимать проблемы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся к тому же более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию считают наукой о самоорганизации и о саморазвитии химических систем. Истоки возникновения эволюционной химии уходят в далекое прошлое и связаны с давнишней мечтой химиков - «освоить опыт лаборатории живого организма» и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь. 28. Биология в естествознании. Биоло́ гия (греч. βιολογία — βίος, биос, «жизнь»; др.-греч. λόγος — учение) — наука о жизни (живой природе), одна из естественных наук, предметом которой являются живые существа и их взаимодействие с окружающей средой. Биология изучает все аспекты жизни, в частности, структуру, функционирование, рост, происхождение, эволюцию и распределение живых организмов на Земле. Классифицирует и описывает живые существа, происхождение их видов, взаимодействие между собой и с окружающей средой. Как особая наука биология выделилась из естественных наук в XIX веке, когда учёные обнаружили, что живые организмы обладают некоторыми общими для всех характеристиками. Термин «биология» был введён независимо несколькими авторами: Фридрихом Бурдахом в 1800 году, в 1802 году Г. Р. Тревиранусом [1] и Жаном Батистом Ламарком. В основе современной биологии лежат пять фундаментальных принципов: клеточная теория, эволюция, генетика, гомеостаз и энергия[2][3]. В наше время биология — стандартный предмет в средних и высших учебных заведениях всего мира. Ежегодно публикуется более миллиона статей и книг по биологии, медицине и биомедицине. 29. Традиционная или натуралистическая биология. Биологическая система К.Линнея. Традиционная или натуралистическая биология. Ее объектом изучения является живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности -«Храм природы», как называл ее Эразма Дарвина. Истоки традиционной биологии восходят к средним векам, хотя вполне естественно здесь вспомнить и работы Аристотеля, который рассматривал вопросы биологии, биологического прогресса, пытался систематизировать живые организма («лестница Природы»). Оформление биологии в самостоятельную науку -- натуралистическую биологию приходится на 18-19 века. Первый этап натуралистической биологии ознаменовался созданием классификаций животных и растений. К ним относятся известная классификация К. Линнея (1707 -- 1778), являющаяся традиционной систематизацией растительного мира, а также классификация Ж.-Б. Ламарка, применившего эволюционный подход к классифицированию растений и животных. Традиционная биология не утратила своего значения и в настоящее время. В 24 качестве доказательства приводят положение экологии среди биологических наук а также во всем естествознании. Ее позиции и авторитет в настоящее время чрезвычайно высоки, а она в первую очередь основывается на принципах традиционной биологии, поскольку исследует взаимоотношения организмов между собой (биотические факторы) и со средой обитания (абиотические факторы). Карл Линней (1707—1778), «Systema Naturae» (1735) была переиздана по меньшей мере тринадцать раз ещё при его жизни. Он разделил природный мир на три царства: минеральное, растительное и животное. Линней использовал четыре уровня (ранга): классы, отряды, роды и виды. Линней определил основные положения научной систематики. Главным в систематике, по мнению Линнея, является построение естественной системы, которая, в отличие от каталожного списка, «сама по себе указывает даже на пропущенные растения». Он же был автором одной из популярных искусственных систем растений, в которой цветковые растения распределялись по классам в зависимости от числа тычинок в цветке. Введённый Линнеем метод формирования научного названия для каждого из видов используется до сих пор (применявшиеся ранее длинные названия, состоящие из большого количества слов, давали описание видов, но не были строго формализованы). Использование латинского названия из двух слов — название рода, затем видовой эпитет — позволило отделить номенклатуру от таксономии. Данное соглашение о названиях видов получило имя «бинарная номенклатура». 30. Физико-химическая биология: общий обзор. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ - комплексная наука о физико-химических основах жизнедеятельности организмов. Включает биохимию, биофизику, молекулярную биологию и биоорганическую химию. Термин широко употребляется с кон. 70-х гг. 20 в. На протяжении всей истории развития биологии физические и химические методы были важнейшим инструментом исследования биологических явлений и процессов живой природы. Важность внедрения таких методов в биологию подтверждают экспериментальные результаты, полученные с помощью современных методов исследования, зародившихся в. смежных отраслях естествознания - физике и химии. В этой связи неслучайно в 1970-х годах в отечественном научном лексиконе появился новый термин "физико-химическая биология", состоящий из привычных и давно известных нам слов. Появление этого термина свидетельствует не только о синтезе физических, химических и биологических знаний, но и о качественно новом уровне развития естествознания, в котором происходит непременно взаимное обеспечение отдельных его отраслей. Физико-химическая биология содействует сближению биологии с точными науками - физикой и химией, а также становлению естествознания как единой науки о природе. В то же время изучение структуры, функций и репродукции фундаментальных молекулярных структур живой материи не лишает биологию ее индивидуальности и особого положения в естествознании, так как молекулярные структуры 25 наделены биологическими функциями и обладают вполне определенной спецификой. Внедрение физических и химических методов способствовало развитию экспериментальной биологии, у истоков которой стояли крупные ученые: К. Бернар (1813- 1878), Г. Гельмгольц (1821- 1894), Л. Пастер (1822- 1895), И.М. Сеченов (1829- 1905), И.П. Павлов (1849-1936), С.Н. Виноградский (1856- 1953), К.А. Тимирязев (1843- 1920), И.И. Мечников (1845- 1916) и многие другие. Экспериментальная биология постигает сущность процессов жизнедеятельности преимущественно с применением точных физических и химических методов, при этом иногда прибегая к расчленению биологической целостности, т. е. живого организма с целью проникновения в тайны его функционирования. Современная экспериментальная биология вооружилась новейшими методами, позволяющими проникнуть в субмикроскопический, молекулярный и надмолекулярный мир живой природы. Можно назвать несколько широко применяемых методов: метод изотопных индикаторов, методы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, методы фракционирования, методы прижизненного анализа и др. 31. Эволюционная биология. Теория эволюции Ч.Дарвина. Эволюционная биология - это наука, которая изучает, как происходила и происходит эволюция, исследует механизмы, закономерности и пути эволюции. Выдающийся биолог Феодосий Добржанский сказал: «Биология приобретает смысл только в свете эволюции». Эволюционная биология дает ключ к пониманию принципов, по которым устроена жизнь на Земле. Базируясь на знании эволюционной истории живых организмов и понимании процессов, которые определяют их наследственные изменения и приспособление друг к другу и окружающей среде, эволюционная биология дает объяснение всем биологическим явлениям: от молекулярных до биосферных. Она объясняет, как и почему ныне живущие организмы, включая нас самих, стали такими, какие они сейчас. Эволюционная биология внесла фундаментальный вклад в понимание того, как устроен мир вокруг нас и какое место мы занимаем в этом мире. Идеи, методы и подходы эволюционной биологии внесли и продолжают вносить фундаментальный вклад во многие отрасли биологии, такие как генетика, молекулярная биология и биология развития, физиология, экология, а также в геологию, палеонтологию, медицину, сельскохозяйственные науки, психологию, антропологию, информатику и другие науки. Понимание механизмов эволюции чрезвычайно важно для разработки методов сохранения фауны и флоры. Без анализа механизмов эволюции популяций исчезающих видов невозможна разработка эффективных методов их сохранения в природе. Изучение и сравнение геномов различных видов позволяет выделять гены, которые могут оказаться полезными для повышения продуктивности культивируемых растений и домашних животных. Тот же подход используется для выделения и картирования генов, вызывающих наследственные болезни человека. Методы и принципы эволюционной биологии позволяют установить механизмы появления и распространения инфекционных болезней, анализировать эволюцию устойчивости патогенных бактерий и вирусов к лекарственным средствам. Эволюцио́ нное уче́ ние (также эволюционизм и эволюционистика) — система идей и концепций в биологии, утверждающих историческое прогрессивное развитие биосферы Земли, составляющих её биогеоценозов, а также отдельных таксонов и видов, которое может быть вписано в глобальный процесс эволюции вселенной. Первые эволюционные идеи выдвигались уже в античности, но только труды Чарльза Дарвина сделали эволюционизм фундаментальной концепцией биологии. Хотя единой и общепризнанной теории биологической эволюции до сих 26 пор не создано, сам факт эволюции сомнению ученых не подвергается, так как имеется огромное число подтверждающих научных фактов и теорий. 32. Формы и уровни жизни. Формы жизни живой и неживой материи: Организм (позднелат. organismus от позднелат. organizo — устраиваю, сообщаю стройный вид, от др.-греч. ὄργανον — орудие) — живое тело, обладающее совокупностью свойств, отличающих его от неживой материи. Организм — это основная единица жизни, реальный носитель её свойств, так как только в клетках организма происходят процессы жизни. Как отдельная особь организм входит в состав вида и популяции, являясь структурной единицей популяционно-видового уровня жизни. Организмы — главный предмет изучения в биологии. Для удобства рассмотрения все организмы распределяются по разным группам и категориям, что составляет биологическую систему их классификации. Самое общее их деление — на ядерные и безъядерные. По числу составляющих организм клеток их делят на внесистематические категории одноклеточных и многоклеточных. Особое место между ними занимают колонии одноклеточных. Формирование целостного многоклеточного организма — процесс, состоящий из дифференцировки структур (клеток, тканей, органов) и функций и их интеграции как в онтогенезе, так и в филогенезе. Многие организмы организованы в сообщества (например, семья или рабочий коллектив у людей). Самое главное отличие живых организмов от элементов неживой природы — постоянный обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Вот основные свойства живого: Питание — усвоение питательных веществ, пищи живым организмом. Выделение — процесс вывода ненужных или вредных для организмов продуктов жизнедеятельности. Движение — изменение тела или частей тела особи в пространстве. Рост — увеличение массы и размеров особи за счёт процессов биосинтеза. Развитие — усовершенствование организма в течение жизни. Раздражимость — способность организма избирательно реагировать на воздействия окружающей среды. Размножение — воспроизведение себе подобных особей. Наследственность — свойство передавать потомкам свои признаки. Уровни организации жизни (уровни организации живой материи) — структурная организация биосистем, отражающая их уровневую иерархию в зависимости от степени сложности. Различают шесть основных структурных уровней жизни: Молекулярный Представлен разнообразными молекулами, находящимися в живой клетке; Клеточный - Представлен свободно живущими клетками и клетками, входящими в многоклеточные организмы; Организменный - Представлен одноклеточными и многоклеточными организмами растений, животных, грибов и бактерий; Популяционно-видовой - Представлен в природе огромным разнообразием видов и их популяций; Биогеоценотический - Представлен разнообразием естественных и культурных биогеоценозов во всех средах жизни; Биосферный - Представлен высшей, глобальной формой организации биосистем — биосферой. 27 33. Происхождение жизни. А.И.Опарин. Алекса́ ндр Ива́ нович Опа́ рин (1894—1980) — советский биолог и биохимик, создавший теорию возникновения жизни на Земле из абиотических компонентов; академик АН СССР (1946; член-корреспондент с 1939), Герой Социалистического Труда (1969). Возникновение жизни или абиогенез — процесс превращения неживой природы в живую. В узком смысле слова под абиогенезом понимают образование органических соединений, распространённых в живой природе, вне организма без участия ферментов. Альтернативой абиогенеза в этом смысле является панспермия. В разное время относительно возникновения жизни на Земле выдвигались следующие гипотезы: Гипотеза биохимической эволюции Гипотеза панспермии Гипотеза стационарного состояния жизни Гипотеза самозарождения Теории самозарождения и стационарного состояния представляют собой только исторический или философский интерес, так как результаты научных исследований противоречат выводам этих теорий. Теория панспермии не решает принципиального вопроса о возникновении жизни, она только отдаляет его в ещё более туманное прошлое Вселенной, хотя и не может исключаться как гипотеза о начале жизни на Земле. 34. Современное развитие эволюционной теории Ч.Дарвина. Молекулярно-генетический подход. Появление эволюционных теорий Ж. Б. Ламарка, а затем Ч. Дарвина во второй половине 19 века усилило интерес к проблемам изменчивости и наследственности, т. к. эволюция возможна только на основе возникновения у живых существ изменений и их сохранения у потомков. Социальный дарвинизм провозгласил закономерности биологической эволюции, принципы естественного отбора в качестве определяющих факторов общественной жизни. Основная идея этого направления сводится к тому, что в основании социальной структуры лежат природные способности человека, а все социологические положения должны находиться в соответствии с естественными законами. Ч. Дарвину, в главных его работах: «Происхождение видов путём естественного отбора» (1859 г.), «Изменение домашних животных и культурных растений» (1868 г.), «Происхождение человека и половой отбор» (1871 г.), удалось раскрыть такие факты, которые при их обобщении, как оказалось, имеют универсальное значение. Идея эволюции, а также исторический метод были взяты на вооружение всем естествознанием. Представления о роли изменчивости и отбора в становлении новых форм живого претерпевали изменения с течением времени. В настоящее время различают три типа изменчивости: Наследственная изменчивость – это изменчивость, обусловленная возникновением новых генотипов (аналог «неопределённой изменчивости» Ч. Дарвина). Ненаследственная изменчивость – это изменчивость, которая отражает изменения не генотипа, а фенотипа под влиянием условий внешней среды (аналог «определённой изменчивости» Ч. Дарвина). Онтогенетическая изменчивость – это изменчивость, отражающая изменения в ходе индивидуального развития всего организма (онтогенеза). Современный эволюционизм – это не только дарвинизм в его изначальном виде, а многогранное комплексное учение, сформировавшееся за годы, прошедшие со 28 времён создания теории Ч. Дарвина. В 1930-1940 годах появилась на свет новая синтетическая теория. Она представляла собой синтез дарвинской концепции естественного отбора с генетикой и экологией. Существует два основных отличия синтетической теории эволюции от теории Ч. Дарвина. Это, во-первых, признание в качестве элементарной единицы эволюции не организма и даже не вида, а местной популяции и, во-вторых – выделение двух типов эволюции: микроэволюции и макроэволюции. Микроэволюция обозначает совокупность эволюционных процессов в популяциях сопровождающих изменением генофонда и образованием новых видов она доступна для непосредственного изучения в лабораторных условиях. Изучение микроэволюции возможно посредством наблюдения за изменениями животных и растений в природе. Макроэволюция (или филогенез) – это эволюционные преобразования, протекающие в течение длительного исторического периода и приводящие к образованию надвидовых таксонов. Изучение макроэволюции в лабораторных условиях невозможно, вследствие её исторической протяжённости. Филогенез требует дополнительных источников исследования. Такие данные предоставляли дополнительные смежные дисциплины: сравнительная морфология, палеонтология и эмбриология. В настоящее время учёные перешли на изучение эволюционных процессов на молекулярно-гинетическом уровне. Объектами изучения учёных стали белки и нуклеотиды, изъятые как из ныне живущих организмов, так и из геологических слоёв залегания ископаемых. Главной проблемой макроэволюции является расшифровка последовательности филогенеза и наследственных связей между организмами. Эта наука развивается, достижения в этой области знаний непосредственно связаны с прогрессом в области молекулярной биологии и генетики. 35. Законы генетики Менделя. Открытие генетической роли нуклеиновых кислот. Начало генетике как науке было положено чешским учёным Г. Менделем, который скрещивал между собой различные сорта гороха и наблюдал за изменениями их окраски, формы, вида и других признаков. Мендель установил, что у получаемых гибридов в первом поколении одни признаки подавляют другие. Каждому из наследуемых признаков Мендель поставил в соответствие материальную частичку живого, передаваемого из поколения в поколение, - элементарную носительницу информации, и назвал её геном. Изучая поведение и характер взаимодействия генов по их проявлению в потомстве, Мендель открыл свои знаменитые законы скрещивания генов и сделал доклад в 1865 на собрании Брюнского общества естествоиспытателей и, напечатанный на следующий год в трудах этого общества. Но в течение почти 35 лет в мире не было, ни одного учёного, который мог бы по достоинству оценить работу учёного и продолжить его исследования. Они были «настолько хорошо забыты наукой», что в 1900 году три исследователя – де Фриз в Голландии, Корренс в Германии и Чермак в Австралии, проводя свои исследования по делению клеток, вторично, не зависимо друг от друга, открыли законы Менделя. Их поразило сходство его результатов с результатами, полученными ими. Но, не смотря на то, что обнаружив позже статью учёного, они уступили приоритет открытия законов наследственности их первооткрывателю – Менделю, датой рождения генетики принято считать 1900 год. Дальнейшее развитие генетики связано с рядом этапов, каждый из которых характеризовался преобладающими в то время направлениями исследований. Границы между этими этапами в значительной мере условны – этапы тесно 29 связаны друг с другом, и переход от одного этапа к другому становился возможным благодаря открытиям, сделанным в предыдущем. В начале XX века было установлено, что описанные Менделем генетические факторы находятся в хромосомном клеточном ядре. Параллельно с генетиками биохимики изучали химический состав ядер живых клеток. Впервые молекулы ДНК были выделены из ядер живых лейкоцитов швейцарским биохимиком Ф. Мишером во второй половине прошлого века. Имя Мишера прославила и увековечила в истории науки его статья, опубликованная в 1871 голу в «Журнале медицинской химии», издававшемся в Берлине. Именно в ней он описал выделение «нуклеина» из клеток гноя – лейкоцитов и лимфоцитов. Название новому веществу Иоганн образовал от латинского «нуклеус», которое означает ядро (орех), поскольку вещество действительно выделялось из клеток ядра. А. Коссель обратился к нуклеину Мишера и, начиная с 1855 года, за шесть лет выделил и определил структуру четырёх оснований кислой фракции Мишера. Он обнаружил, что в состав нуклеиновых кислот входят пуриновые и пиримидиновые основания, а также простейшие углеводы. Химиков уже не удивлял тот факт, что в биополимерах кислое и щелочное «уживаются» бок обок. Гуанин Коссель назвал «сарцином», поскольку его много в «саркосе» - мясо по-гречески. Аденин он нашёл в большом количестве в желтке яиц. Сахар тимусной кислоты, в отличии от рибозы, содержащий на одну молекулу кислорода меньше стали называть «безкислородным», или дезоксирибозой. Так родились известные теперь всему миру – ДНК и РНК. Коссель выделил также из хроматина различных тканей белок со щелочной реакцией – «гистон». Из гистона он выделил аминокислоты гистидин, тирозин и лизин. Так, прямо в лаборатории, рождалась научная терминология современной биологии. Косселя по праву считают создателем физиологической химии. Коссель за исследование нарушения нуклеино-кислотного обмена и отложения оснований ДНК и РНК в суставах при подагре был награждён Нобелевской премией. А далее в дело вступил Фебус Теодор Левин, учёный от бога, которого считают американским биохимиком, на самом деле, он уроженец России. В начале 1900 года в лаборатории П. Левина в США был расшифрован углеводный компонент этих нуклеиновых кислот. Был определён порядок расположения частей нуклеотида – мономера нуклеиновых кислот, а также места присоединения основания и фосфора к сахарному кольцу. Левен и немец Фёльген опубликовали цепочную схему строения нуклеиновых кислот, историческая правда заключается в том, что цепь была одна. Фёльген сделал в 1914 году самое большое открытие, но оно оказалось не востребованным из-за начавшейся войны. Сугубо химическая реакция Фёльгена с использованием анилинового красителя фуксина из каменноугольной смолы приводила к тому, что тимусная кислота (ДНК) давала характерное тёмно-розовое окрашивание, в то время как дрожжевая (РНК) – нет. Если бы тогда коллеги обратили на это удивительное открытие внимание, природа гена могла быть открыта на три десятилетия раньше. В установлении роли ДНК в клетках также было несколько этапов. Особенно усиленно разработкой этого вопроса занимались американские учёные О. Эвери, К. Мак-Леоду и М. Мак-Карти. В 1944 году им удалось установить, что свободная молекула ДНК обладает трансформирующей активностью, т.е. способностью переносить свойства одного организма к другому. Это было революционное открытие, родившее новую науку, изучавшую вопросы наследственности на молекулярном уровне. Центральное место в этой науке отводилось исследованию роли ДНК. ДНК, являясь «хранительницей» материальной основы генетической информации контролирует биосинтез белка в клетках и отвечает за изменчивость 30 клеток. Именно молекула ДНК отвечает за передачу наследственной информации от одной клетки к другой. 36. Открытие молекулярных механизмов генетической репродукции и биосинтеза белка (Дж.Бидл, Э.Тэйтум). Рождение новой науки – молекулярной генетики связывают с опытами двух американцев Дж. Билда и Э. Тэйтума. В 1941 году они установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Появилась знаменитая фраза: «Один ген – один белок». Позже было выяснено, что основной функцией генов является кодирование синтеза белка. В 1952 году Дж. Билд, Э. Тэйтум и Дж. Ледерберг были удостоены Нобелевской премии за эти исследования. А в 1962 году Нобелевская премия была присуждена Ф. Крику и Дж. Уотсону за установление молекулярного строения ДНК. На повестку дня был вынесен новый вопрос, каким образом записана генетическая программа и как она реализуется в клетке. Согласно модели Уотсона – Крика генетическую информацию ДНК несёт последовательность расположения четырёх оснований: А, Т, Г, Ц. Необходимо было выяснить, как всего четыре основания могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцати аминокислот. Решил эту, казалось бы, неразрешимую задачу русский по происхождению американский физик-теоретик Г. Гамов. Он предложил для кодирования одной аминокислоты использовать сочетание из трёх нуклеотидов ДНК. Эта элементарная частица наследственного материала, кодирующая одну аминокислоту, получила название «кодон». В 1961 году гипотеза Г. Гамова была подтверждена американским экспериментальным исследователем Ф. Криком и др. Так был расшифрован молекулярный механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при создании белков. 37. Молекулярно-генетические механизмы изменчивости. На молекулярно-генетическом уровне существует несколько механизмов изменчивости. Среди них – мутации генов – механизм непосредственного преобразования самих генов, находящихся в конкретной хромосоме при сильном внешнем воздействии. При этом механизме порядок расположения генов в хромосоме не изменяется. К другому типу механизмов можно отнести рекомбинацию генов, располагающих в конкретной хромосоме. При этом сами гены не изменяются, а происходит перемещение генов с одного участка хромосомы на другой или же обмен генами между двумя хромосомами. Это так называема классическая рекомбинация генов, которая имеет место главным образом у высших организмов при половом размножении. При этом общий объём генетической информации остаётся неизменным. Однако, существует ещё один тип изменчивости генов – нереципрокная рекомбинация или неклассическая рекомбинация генов, при которой происходит увеличение общего объёма генетической информации. Этот тип изменчивости возникает за счет включения в геном клетки новых, привнесённых извне генетических элементов, которые носят название трансмиссивные (переносимые) генетические элементы. Начало изучения этого механизма изменчивости было положено в 1952 году, когда П. Ледерберг и Н. Циндер открыли явление трансдукции (латинское Перемещение) генов. Суть этого явления состоит в возможности переноса молекул ДНК не в «голом виде», как при трансформации, а в составе вирусов бактерий. 31 В последнее время этот вид рекомбинации был тщательно изучен. Было обнаружено несколько трансмиссивных генов, различающихся структурой генома и способом связывания с хромосомой клетки-хозяина. Среди них – плазмиды – сложные генетические элементы в виде двухцепочной кольцевой ДНК, широко распространённые в клетках живых организмов, в том числе и высших. Это самые активные переносчики генетической информации. Именно им мы «обязаны» тем, что после длительного использования каких-либо лекарств, наступает «привыкание» к этим лекарствам. Патогенные бактерии, с которыми мы боремся медикаментозным путём, связываются плазмидами, придающими этим бактериям устойчивость и новое лекарство перестаёт действовать на бактерии, они на него не реагируют. Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов. Эти проблемы были затронуты известным генетиком В.П. Эфроимсоном. Так его исследования описывал в журнале «Наука и жизнь» в конце 1974 года Б. Медников: «В.П. Эфроимсон после тщательного анализа множества фактов создал стройную теорию возникновения многообразия (полиморфизма) генных комплексов у человека. Согласно Эфроимсону, главную роль в этом играет отбор в системе «паразит – хозяин». Вирусы и бактерии, паразитические простейшие, вроде малярийного плазмодия, а также (да простит читатель!) гельминты в разных конкретных условиях проводили у разных популяций человека селекцию тех или иных форм гена. Инфекционные болезни – мощный фактор отбора, способный широко распространить мутантный ген». Возникла новая наука – генная инженерия, целью которой стало создание новых форм организмов, в том числе и высших, наделённых свойствами ранее у них отсутствующих. Теоретическую основу этой науки составляет создание рекомбинантных (гибридных) молекул с новыми (нужными) свойствами. Наука вторглась в самое святое – создание новых живых организмов и научилась управлять этим процессом. 38. Молекулярные основы обмена веществ. Существует три типа обмена веществ (метаболизма): катаболизм или диссимиляция, амфоболизм, анаболизм или ассимиляция. Все три типа метаболизма к настоящему времени полностью расшифрованы. Не последнюю роль сыграла при этом фундаментальная для всего естествознания идея единства состава и механизмов функционирования живой природы независимо от уровня организации, представляющих её структуру. Эта идея получила название концепция биохимического единства и возникла ещё во второй половине прошлого века, но получила своё распространение благодаря голландским микробиологам А. Клюйверу и Г. Донкеру в 1926 году. В настоящее время накоплен богатый фактический материал о том, каким образом осуществляется регулировка метаболизма в клетках. Изучается специфика биокатализа (ферментного катализа) и разрабатываются теоретические механизмы действия различных ферментов. Открыты так называемые аллостерические ферменты, в которых имеется два центра связывания с молекулами, т.е. вещество, вступающее в данную реакцию, а другое вещество – распознающий конечный и промежуточный продукт реакции. Второй центр, связываясь с продуктом реакции, изменяет свою конформацию (пространственную структуру), что влияет на скорость биокатализа. Поэтому эти ферменты названы ещё иначе: регулирующие ферменты или эффекторы. Невозможно перечислить все достижения в области регуляции метаболизма клеток. Эта область постоянно развивается и пополняется новыми научными открытиями, каждое из которых не перестаёт удивлять совершенством 32 механизмов регуляции процессов макромолекулярном уровне. обмена веществ, осуществляемых на 39. Онтогенетический уровень жизни. Онтогенетический уровень – следующая, более комплексная ступень организации жизни на Земле. Прежде чем охарактеризовать явления, происходящие на этом уровне, надо определить понятие «особь». Жизнь всегда представлена в виде дискретных индивидуумов. Это в равной мере присуще микроорганизмам, растениям, грибам и животным, хотя в указанных царствах индивиды имеют различное морфологическое содержание. Так, одноклеточные состоят из ядра, цитоплазмы, множества органелл и мембран, макромолекул и т.д. Сложность индивидуума у многоклеточных во много раз выше, поскольку он образован из миллионов и миллиардов клеток. Но одноклеточная и многоклеточная особи обладают системной организацией и регуляцией и выступают как единое целое. Индивид (индивидуум, особь) – элементарная неделимая единица жизни на Земле. Разделить особь на части без потери «индивидуальности» невозможно. Конечно, в ряде случаев вопрос об определении границ индивида, особи не столь прост и самоочевиден. Например, не вполне ясно, можно ли считать особью отдельные организмы, составляющие колонии коралловых полипов, мшанок, сифонофор. Каждая из таких частей хотя и существует в виде отдельного самостоятельного индивидуума, но зависит от других частей; между отдельными «особями» колонии существует разделение функций и взаимосвязь. Не прост вопрос определения особи у таких комплексных организмов, как лишайники, являющиеся сложным симбиотическим сообществом водорослей, грибов и специфических микроорганизмов. Грибок Septobasidium в симбиозе с насекомым-червецом из семейства Coccidae дает новое симбиотическое образование – лакк, которое как единый организм введено в культуру человеком. Вопрос о границах индивида у растений, способных к вегетативному размножению, или у животных, размножающихся фрагментацией (например, гидра), не менее сложен. Тополиная роща, выросшая из черенков с одного родительского дерева, генетически одно и то же существо (пока не произойдет какая-либо соматическая мутация, делающая одно из новых растений генетически отличным от остальных). Во многих подобных неопределенных ситуациях приходится придавать понятию «особь» так называемое операциональное значение, указывая в каждом случае, к какой области биологии она относится. С эволюционной точки зрения особью следует считать все морфофизиологические единицы, происходящие от одной зиготы, гаметы, споры, почки и индивидуально подлежащие действию элементарных эволюционных факторов. На онтогенетическом уровне единицей жизни служит особь с момента ее возникновения до смерти. По существу, онтогенез – это процесс развертывания, реализации наследственной информации, закодированной в управляющих структурах зародышевой клетки. На онтогенетическом уровне происходит не только реализация наследственной информации, но и апробация ее посредством проверки согласованности в реализации наследственных признаков и работы управляющих систем во времени и пространстве в пределах особи. Через оценку индивидуума в процессе естественного отбора происходит проверка жизнеспособности данного генотипа. Онтогенез возник после дополнения конвариантной редупликации новыми этапами развития. В ходе эволюции возникает и постепенно усложняется путь от генотипа к фенотипу, от гена до признака. Как будет показано далее, возникновение онтогенетических дифференцировок лежит в основе возникновения всех эволюционных новообразований в развитии всякой группы организмов. В ряде экспериментальных эмбриологических работ установлены 33 отдельные закономерности онтогенеза (см. гл. 14). Но все еще не создана общая теория онтогенеза. Мы до сих пор не знаем, почему в онтогенезе строго определенные процессы происходят в должное время и в должном месте. Пока можно предполагать, что элементарными структурами на онтогенетическом уровне организации жизни служат клетки, а элементарными явлениями – какие-то процессы, связанные с дифференцировкой. В общей форме ясно также, что онтогенез совершается вследствие работы саморегулирующейся иерархической системы, определяющей согласованную реализацию наследственных свойств и работу управляющих систем в пределах особи. 34 Оглавление 1. Содержание понятия «естествознание ..................................................................................1 2. Тенденции развития современного естествознания ......................................................1 3. Математика - универсальный язык точного естествознания....................................2 5. Естественнонаучная революция Аристотеля .....................................................................3 6. Архимед и геометрия Евклида ....................................................................................................4 7. Гелиоцентрическая система мира Н.Коперника. Вторая естественнонаучная революция ..........................................................................................................................................................5 8. Кеплер и его законы движения планет ..................................................................................6 9. Закон всемирного тяготения И.Ньютона ..............................................................................7 10. Универсальный закон сохранения М.Ломоносова .....................................................8 11. Рождение науки об электричестве. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом.............................................................................................................................................9 12. Специальная теория относительности А.Эйнштейна ........................................... 10 13. Создание квантовой механики. Корпускулярно-волновой дуализм ............ 11 14. Теория гравитационного поля А.Эйнштейна. Общая теория относительности .......................................................................................................................................... 12 15. Космические модели Вселенной. Третья естественнонаучная революция 13 17. Объединение физики. Зарождение четвертой глобальной естественнонаучной революции ......................................................................................................... 14 18. Взаимосвязь естественных наук. Уровни организации материи ................... 15 19. Химия в естествознании. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева .......................................................................................... 16 20. Первый этап развития химии - ХУП в. Учение о составе вещества А.Лавуазье ........................................................................................................................................................ 17 21. Второй этап развития химии как науки - XIX в. Структурная химия ............ 19 22. Третий этап развития химии как науки (первая половина XX в.) Учение о химических процессах ............................................................................................................................... 20 23. Четвертый этап развития химии как науки (вторая половина XX в.) Эволюционная химия................................................................................................................................. 20 24. Химические соединения. Закон Ж.Пруста, Дж. Дальтона, А. Авогадро ........ 21 25. Структурная химия. Проблемы и решения ................................................................. 22 26. Учение о химических процессах. Проблемы и решения ...................................... 23 27. Эволюционная химия - высшая ступень развития химических знаний ..... 24 28. Биология в естествознании ................................................................................................ 24 29. Традиционная или натуралистическая биология. Биологическая система К.Линнея ........................................................................................................................................................... 24 30. Физико-химическая биология: общий обзор............................................................. 25 31. Эволюционная биология. Теория эволюции Ч.Дарвина ...................................... 26 32. Формы и уровни жизни ......................................................................................................... 27 33. Происхождение жизни. А.И.Опарин ................................................................................ 28 34. Современное развитие эволюционной теории Ч.Дарвина. Молекулярногенетический подход ................................................................................................................................. 28 35. Законы генетики Менделя. Открытие генетической роли нуклеиновых кислот 29 36. Открытие молекулярных механизмов генетической репродукции и биосинтеза белка (Дж.Бидл, Э.Тэйтум)............................................................................................. 31 37. Молекулярно-генетические механизмы изменчивости ...................................... 31 38. Молекулярные основы обмена веществ ...................................................................... 32 35
