Концепции современного естествознания (КСЕ)
реклама
Основные положения по курсу «Концепции современного естествознания» (требование государственного общеобразовательного стандарта) 1.01 Научный метод познания Наука – сфера человеческой деятельности, функцией которой является выработка и теоретическая интерпретация объективных знаний Научное познание имеет тройственную задачу, связанную с описанием, объяснением, предсказанием возможного поведения процессов и явлений Научная грамотность – способность понимать достаточно хорошо, чтобы быть в состоянии следить за обсуждением спорных вопросов науки, техники и общества, а при необходимости – участвовать в нем. Свойства научного познания: - объективность – воспроизведение действительности такой, какой она существует сама по себе, вне и независимо от человека и его сознания - достоверность – связана с постоянной проверкой полученных результатов - системность – стремление к целостностному охвату объекта изучения, заключающееся в исследовании явлений и объектов как части целостностной системы и сведению многообразных типов связей элементов системы в единую теоретическую картину Методы научного познания: - наблюдение – преднамеренное и целенаправленное изучение объектов и явлений, опирающееся на чувственные способности человека - эксперимент – изучение объекта или явления путем активного, целенаправленного, строго контролируемого воздействия исследователя на изучаемый объект или явление. Эксперимент непременно должен обладать качеством воспроизводимости. - измерение – определение количественных значений, свойств и сторон изучаемого объекта или явления с помощью специальных средств. Это достигается совокупностью операций по определению отношения одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принятой за единицу. - дедукция – способ рассуждения или метод движения знаний от общего к частному - индукция – способ исследования и рассуждения, в котором общий вывод строится на основе обобщения частных посылок - анализ – мысленное или реальное расчленение, разложение объекта на составные элементы в целях всестороннего изучения - синтез – соединение, ранее выделенных частей предмета, в единое целое - абстрагирование – отвлечение от ряда, несущественных для данного исследования, свойств изучаемого явления с одновременным выделением интересующих свойств и отношений - моделирование – изучение объекта путем создания и исследования его копии, замещающей объект исследования с определенных сторон 1 - гипотеза – интуитивное научное предположение о природе наблюдаемых явлений, основанное на анализе экспериментальных данных - научный закон – многократно экспериментально проверенная и подтвержденная гипотеза переходит в разряд научных законов - научная теория – это группа научных законов, описывающая совокупность родственных явлений с единой точки зрения. Требования к гипотезам, законам, теориям: - они должны соответствовать принципу верификации (верификация – эмпирическое подтверждение теоретических положений науки) - они должны соответствовать принципу фальсифицируемости (опровергаемости) суть которого заключается в том, что из теоретических положений должны выводиться положения, поддающиеся проверке, и должен быть возможен результат эксперимента, демонстрирующий неверность теории. Принцип фальсифицируемости научных положений, т.е. их свойство быть опровергнутыми на практике, является критерием статуса научной или ненаучной теории. Принцип соответствия – теория, справедливость которой была экспериментально подтверждена для той или иной категории явлений, с разработкой новой, более общей теории, не устраняется как нечто неверное. Новая теория не отвергает старую, а лишь устанавливает границы ее применимости. Она совпадает со старой в рамках указанных границ. Примеры: 1) Квантовые эффекты существенны лишь при рассмотрении объектов, сравнимых с постоянной Планка (это микромир). При рассмотрении макроскопических объектов, их квантовые свойства оказываются несущественными, и квантовая механика переходит в классическую механику. Специальная теория относительности переходит в классическую механику, если скорости движения тел много меньше скорости света. Это и определяет границы применимости классической механики. 1.02 Естественнонаучная и гуманитарные культуры Наука – раздел культуры Естествознание – комплекс наук о природе Естественные науки: - исследуют повторяющиеся (типичные), универсальные процессы в природе - истолковывают явления - характеризуются упором на строго объективную количественную оценку изучаемых явлений Систему естественных наук можно представить в виде иерархической лестницы, каждая ступень которой является фундаментом для следующей науки, основывающейся на данных предыдущей: физика, химия, биология .Это обусловлено тем, что химические свойства веществ однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, которые описываются в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика, а биологические явления невозможно рассматривать вне связи с химическими и физическими факторами. Примеры дифференциации естественных наук: физика твердого тела, физика плазмы, органическая химия. Примеры интеграции естественных наук: биофизика, биохимия, астробиология. 2 Математика играет роль универсального языка естествознания, предназначенного не только для лаконичной записи различных утверждений, но и выступает в качестве аппарата – особого приема исследования и обобщения опытного материала. Гуманитарные науки (гуманитарно-художественная культура) исследуют рациональное и эмоциональное поведение людей и их установки, которые необходимы для социального, культурного, политического и экономического взаимодействия. В гуманитарных науках (в отличие от естественных наук): - нестрогий образный язык - изучаются явления, вероятность повторения которых мала - предмет изучения всегда историчен - выделение индивидуальных свойств изучаемых предметов - сложность (или невозможность) верификации и фальсификации - знание субъективно (различие этических, эстетических, религиозных и др. взглядов приводит к тому, что осуществляется индивидуальная оценка явлений, результатом чего и является многовариантность представлений, оценок и позиций по исследуемому явлению). Отличительные черты псевдонауки: - фрагматичность (несистемность) – отсутствие определенной системы псевдонаучных знаний, вследствие чего из них не выстраивается цельная картина мира - некритический подход к исходным данным (часто, в качестве последних выступают рассказы, пересказы «очевидцев», мифы, легенды) - невосприимчивость к критике - отсутствие общих законов - неверифицируемость и нефальсифицируемость псевдонаучных данных. Примеры псевдонаук: - астрология: занимается изучением зависимости судьбы человека от положения планет - уфология: занимается поисками внеземных цивилизаций - парапсихология: предметом ее изучения является взаимодействие человека с потусторонним миром - девиантная наука: в рамках ее имеют место фальшивые археологические находки. 1.03 Развитие научных исследовательских программ и картин мира (история естествознания, тенденции развития) Естественнонаучная картина мира – это система представлений об общих закономерностях в природе, сформированная в результате анализа и синтеза знаний, полученных в рамках различных естественнонаучных дисциплин. Таким образом, научная картина мира это теоретизированная система научного понимания внешнего мира. Фундаментальные вопросы, на которые отвечает научная картина мира: - о материи - о движении - о взаимодействии - о пространстве и времени - о причинности, закономерности и случайности - о космологии (общем устройстве и происхождении мира) 3 В древней Греции появилась первая программа рационального объяснения мира: - принцип причинности в первоначальной форме (Демокрит – каждое событие имеет естественную причину) и его позднейшее уточнение (причина должна предшествовать следствию) - атомистическая исследовательская программа Левкиппа и Демокрита: все состоит из дискретных атомов; все сводится к перемещению атомов в пустоте - континуальная исследовательская программа Аристотеля: все формируется из непрерывной, бесконечно делимой материи, не оставляющей места пустоте. Механистическая картина мира: - все явления объясняются законами Ньютона, т.е. механикой тел (атомов), их перемещением, столкновением, взаимодействием и т.д. - в основе механистической картины мира лежит геометрия Евклида - микромир аналогичен макромиру, управляется одними и теми же законами. Живая и неживая природа построены из механических деталей, но имеющих разные размеры и сложность. Квантово-полевая картина мира: - материя существует в виде вещества, поля, физического вакуума - причинность имеет вероятностный характер. Случайность и неопределенность – фундаментальные свойства вселенной См. Грядовой КСЕ стр.95 Современная картина мира См. Грядовой КСЕ стр.96 1.04 Развитие представлений о материи Разобьем эволюцию представлений о материи на этапы: 1 этап Милийская школа (VI – IV века до н.э.) Представители школы (Фалес, Анаксимандр, Анаксимен) считали, что в мире существует материальный первоисточник (первоначало) всего сущего (всех вещей). У разных мыслителей эта первооснова была разной: у Фалеса – вода, у Анаксимена – воздух, у Гераклита – огонь, у Анаксимандра – айперон (это вечное и бесконечное, находящееся в непрерывном движении единое материальное начало и источник конкретных вещей и явлений) 2 этап Атомистическая концепция (IV – III века до н.э.) Главным образом связана с именами Левкиппа и Демокрита. Основные положения: - в мире есть два начала: пустота (небытие) и атомы (бытие) - в абсолютной пустоте окружающего пространства существует бесконечное число мельчайших неделимых - атомов, которые имеют разнообразную форму и движутся в пустоте беспорядочно, иногда сталкиваются и отталкиваются друг от друга, но иногда сцепляются в разных положениях и сочетаниях, что означает образование вещей с разным качеством (даже Земля и звезды) - атомы никогда не возникают и никогда не погибают (т.е. вечны) 4 - атомы наделены свойством тяжести - атомы бывают самой разнообразной формы и различны по размерам, но все они столь малы, что невидимы - эта концепция не допускает беспредельной делимости материи. Континуальная концепция (концепция непрерывной материи) Аристотеля (IV век до н.э.) отрицает пустоту в природе, рассматривая материальный мир в виде, непрерывно заполняющей все пространство, субстанции, в которой совершаются движения. По Аристотелю – Космос ограничен сферой, в центре которой находится земной шар. За пределами этой сферы нет ничего – ни пространства, ни времени. Внутри этой сферы (т.е. во Вселенной) нет пустоты – все заполняет материя (первоматерия). Материя (первоматерия) – это непрерывная, бесконечноделимая и сама по себе не имеющая определенных качеств, бесформенная субстанция. В подлунном мире: - первоэлементы (стихии): земля, вода, воздух и огонь образуются соединением материи с формами (простейшие из форм – теплое, холодное, сухое и влажное) - вещества (металлы, глина, кровь и др.) образуются соединением первоэлементов (стихий) - тела образуются из веществ В надлунном мире все состоит из эфира. 3 этап (XVIII – XIX века) В механистической картине мира – независимыми началами мироздания являются вещественные тела, состоящие из мельчайших корпускул, и абсолютное пространство, в котором тела движутся по мере течения абсолютного времени В электромагнитной картине мира – материя состоит из вещества и непрерывного электромагнитного поля. Эффект Доплера заключается в изменении длины волны излучения (или частоты волны), воспринимаемого приемником от источника, при их движении друг относительно друга. При удалении приемника от излучателя, воспринимаемая им длина волны увеличивается (частота уменьшается), а при сближении – уменьшается (частота увеличивается) по сравнению со случаем их взаимной неподвижности. Эффект лежит в основе измерения скорости движения различных объектов и широко используется в авиации, космической технике, в астрофизике. Эффект Доплера характерен для любых волн (свет, звук и т.д.). Обнаружение доплеровского «красного смещения» в спектрах излучения далеких галактик привело к выводу о расширении Вселенной. В первоначальной электромагнитной теории Максвелла считалось, что все мировое пространство заполнено легчайшей упругой средой – мировым эфиром, колебания которого и есть свет. Химия: - каждому химическому элементу соответствует свой определенный атом - вещество – это совокупность молекул одинакового состава и строения - свойства вещества определяются не только составом, но и строением его молекул. 4 этап (XX век) - существуют различные формы материи: вещество, поле, физический вакуум (это состояние материи с минимальной энергией, порождающее виртуальные частицы) - атомы делимы - вещество – это материальное образование, состоящее из взаимодействующих элементарных частиц, имеющих массу покоя 5 - вещество составляет лишь небольшую часть Вселенной - в определенных ситуациях физическое поле может быть представлено как совокупность дискретных частиц – квантов поля - свойства материальных объектов неотделимы от свойств пространства и времени - атом – электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов - свойство вещества определяется электронным строением его молекул. Примеры: расположить представления о материи в порядке их возникновения: Пример 1. - существует несколько, качественно различных форм материи, но резкой грани между ними нет (3) - существует единая форма материи – вещество, состоящее из дискретных частиц (2) - в основе всех вещей лежит единое первоначало (1) Пример 2. - все мировое пространство заполнено легчайшей упругой средой – мировым эфиром, колебания которого и есть свет (2) - абсолютной пустоты не существует: физический вакуум является сложноустроенной формой материи, обладающей нетривиальными свойствами (3) - пустоты не существует: Вселенная плотно заполнена непрерывной, бесконечноделимой, бескачественной материей (1). 1.05 Развитие представлений о движении Рассмотрим эволюцию представлений о движении поэтапно: 1 этап Гераклит (VI век до н.э.) разработал концепцию непрерывного изменения, становления. В рамках этой концепции движение необратимо, невозможно вернуться в однажды пройденное состояние (у него возникает знаменитый образ реки, в которую нельзя войти дважды, поскольку в каждый момент она все новая) Аристотель (IV век до н.э.): - мир в целом приведен в движение перводвигателем (богом) - материи чуждо движение: сама по себе она может пребывать только в покое; она начинает движение лишь под действием внешних, независимых от нее, сил Аристотель разделил движение на два типа: Естественные движения: а) в надлунном мире, где все вечно, совершенно и неизменно – естественное движение небесных тел (планет) – равномерное круговое (это движение от бога необъяснимо) б) в подлунном мире (где четыре элемента имеют свои естественные места: Земля в центре, над ней сфера воды, над которой сфера воздуха и над всем этим сфера огня) все тела имеют врожденное свойство стремиться к своему естественному месту (т.е. к покою). В рамках этой концепции: - «естественное» движение в земных условиях, где все имеет начало и конец, должно быть прямолинейным - воздух из под воды стремиться вверх; огонь – вверх; камень – вниз и т.д. - сила стремления тела к естественному месту пропорциональна его массе, т.е. тяжелые тела падают быстрее, чем легкие. 6 Насильственные движения (на Земле): - источник «насильственного движения» тел это всегда внешняя причина, т.е. независимая от движущегося тела, контактная сила от другого тела - примеры насильственного движения: движение телеги обусловлено, прилагаемой лошадью, силой; камень летит потому, что к нему приложил силу человек и т.п. 2 этап Механистическая картина мира (механика Ньютона) – XVIII-XIX века. В механике Ньютона тела рассматриваются как материальные точки, т.е. абстрактные тела нулевых размеров, наделенных массой реального тела. Движение в классической механике определяется тремя законами Ньютона: I закон Ньютона (закон инерции): если на тело (материальную точку) не действует сила, то оно либо находится в покое, либо движется прямолинейно и равномерно. Не подверженные внешнему воздействию, тела называются свободными. Первый закон фактически постулирует, что существуют системы отсчета, в которых свободное тело или покоится или движется прямолинейно и равномерно. Такие системы называются инерциальными системами отсчета. II закон Ньютона: ускорение движущегося тела прямо пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально массе тела и направлено по прямой, по которой 1 эта сила направлена, т.е. a F ma F m III закон Ньютона (закон действия и противодействия): силы взаимодействия двух тел (материальных точек) равны по величине, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти материальные точки, т.е. F12 F21 . В механике Ньютона: - второй и третий законы Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчета - согласно второму закону Ньютона, масса тела есть мера его инертности - движение – механическое перемещение тел может происходить со сколь угодно большой скоростью - время – параметр движения; уравнения механики безразличны к знаку времени - любое сложное движение можно представить как сумму пространственных перемещений (принцип суперпозиции). В механистической картине мира признавался только один вид движения – механическое перемещение в пространстве и времени. На основании этого считалось: - атомы движутся по законам классической механики, и это движение позволяет объяснить все, происходящие в мире, явления - химические процессы – механические перемещения частиц, механическая форма движения - живой организм – механизм, и все процессы, протекающие в организме, можно описать с помощью законов механики и т.п. Электромагнитная картина мира (XIX век). В этой картине мира движение – не только перемещение зарядов, но и изменение электромагнитного поля. Таким образом, взаимодействие заряженных частиц представляет собой электромагнитную форму движения. Изменение электромагнитного поля сопровождается распространением электромагнитных волн. 7 Волновые процессы: - дифракция волн – огибание волнами препятствий; имеет место, если размеры препятствий порядка длины волны - интерференция волн – наложение волн, при котором происходит их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других; возникает при воздействии двух и более волн одинаковой частоты в случае, если разность фаз постоянна во времени (т.е. волны когерентны). 3 этап (XX век) Любое изменение материи называется движением. Так, например, движение – это возникновение и уничтожение тел, их рост и уменьшение, изменение качества, перемена мест. Соответственно существуют и различные виды движения материи: механическое, тепловое, полевое (электромагнитные волны), химическое, биологическое и т.п. Например: - превращение веществ – химическая форма движения - обмен веществ, процессы, происходящие на клеточном уровне, наследственность, изменчивость – биологическая форма движения. Движение тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света, описывается специальной теорией относительности. Движение мельчайших частиц подчиняется законам квантовой механики. Примеры: расположите представления о движении в порядке их возникновения. Пример 1. - атомы движутся по законам классической механики, и это движение позволяет объяснить все происходящие в мире явления (2) - материи чуждо движение само по себе: она может пребывать лишь в покое (1) - движение мельчайших частиц подчиняется закону квантовой механики (3) Пример 2. - все движущееся движимо другими телами, а мир в целом приведен в движение перводвигателем (1) - химические процессы – механическое перемещение частиц, механическая форма движения (2) - превращение веществ – химическая форма движения материи, более сложная, чем механическая (3). 1.06 Развитие представлений о взаимодействии Взаимодействие в физике – это воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения Аристотель (IV век до н.э.) рассматривал взаимодействие как одностороннее воздействие движущего на движимое. Им рассматривалась передача воздействия только через контакт между телами (т.е. рассматривалась только контактная сила), что и было первоначальной формой концепции близкодействия В классической механике (в механической картине мира XVIII – XIX века) взаимное действие тел друг на друга характеризуется силой. В основе представлений о взаимодействии, в этой теории, лежат два закона: - III закон Ньютона (объясняющий взаимодействие двух тел): силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположно 8 направлены. Этот закон применим как для контактирующих тел, так и для взаимодействующих на расстоянии - закон всемирного тяготения: два материальных тела, разделенные пространством, притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и направленной вдоль прямой, соединяющей их ( F = G*m1*m2/r2) Вышеуказанные законы сформулированы для двух взаимодействующих тел. Для определения взаимодействия нескольких тел применяется принцип суперпозиции: результат воздействия на частицу нескольких внешних сил (полей) есть сумма результатов воздействия каждой из сил (каждого из полей) В классической механике Ньютона, при взаимодействии тел на расстоянии, принята концепция дальнодействия: взаимодействие материальных тел не требует материального посредника (может передаваться через пустоту); взаимодействие передается мгновенно. Закон всемирного тяготения является примером дальнодействия (непосредственного взаимодействия тел на расстоянии) Классическая электродинамика (XIX век) (электродинамика Максвелла) – классическая теория электромагнитного взаимодействия. В электродинамике Максвелла впервые возникло представление о полевом механизме взаимодействия: - передача взаимодействия осуществляется материальным посредником – электромагнитным полем (в частном случае – электрическим или магнитным полем) - электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении, т.е. движущиеся заряды создают в пространстве электромагнитное поле - полевой механизм передачи взаимодействия заключается в том, что если заряд создает соответствующее поле, то именно оно и действует на другие заряды - колеблющиеся электрические заряды порождают электромагнитные волны, в которых происходит периодическая «перекачка» электрического поля в магнитное и обратно В электродинамике Максвелла утвердилась концепция близкодействия: - каждое действие на расстоянии должно происходить через материальных посредников - скорость передачи воздействия ограничена Согласно этой концепции, любое воздействие на материальный объект передается от источника последовательно между точками пространства. Именно поэтому это воздействие передается за конечный промежуток времени В современной картине мира (XX век) формулируется: - представление о квантово-полевом механизме передачи взаимодействий - взаимодействие осуществляется посредником – квантами полей - передача взаимодействия основывается на концепции близкодействия В настоящее время известны четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе. Для всех четырех видов взаимодействия общим является: - все фундаментальные взаимодействия носят обменный характер При обменном взаимодействии, объекты действуют друг на друга, испуская и поглощая виртуальные частицы (виртуальными частицами называются такие частицы, которые невозможно экспериментально обнаружить в ходе обменного процесса) Представим все четыре вида фундаментальных взаимодействий в порядке убывания их интенсивности (от более сильного взаимодействия к более слабому): Сильное (ядерное) взаимодействие: - ответственно за устойчивость (стабильность) атомных ядер, обеспечивая связь нуклонов в ядре, т.е. ему подвержены протоны и нейтроны 9 - превосходит силы электростатического отталкивания протонов в ядре и обеспечивает силы притяжения между ними - является короткодействующим и сосредоточено на расстояниях, не превышающих размеры ядра атома - переносчиками сильного взаимодействия являются виртуальные частицы – глюоны (масса покоя их равна нулю) - глюоны «склеивают» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и др. частиц Электромагнитное взаимодействие, характеризующее взаимодействие электрических зарядов, токов, электрических полей, сформулировано квантовой электродинамикой: - связывает: электроны и ядра в атомы; атомы – в молекулы; молекулы – в тела - переносчиками электромагнитного взаимодействия являются виртуальные частицы – кванты электромагнитного поля – фотоны (масса покоя их равна нулю) - радиус взаимодействия не ограничен (но преобладает в области масштабов от радиуса атома до нескольких километров) Слабое взаимодействие (или слабое ядерное взаимодействие): - им обусловлены процессы радиоактивного распада атомных ядер многих изотопов (типичный пример: процесс бета-распада ядра, в ходе которого свободный нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино) - радиус действия (порядка 10-17 м) во много раз меньше размера ядра атома - переносчиками являются виртуальные частицы – промежуточные векторные бозоны – частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов - играет важную роль в термоядерных реакциях (процессах), ответственных за энерговыделение в звездах, способствуя медленному протеканию ядерных процессов, обеспечивает длительное «горение» звезд и Солнца - называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью Гравитационное взаимодействие самое слабое из всех и характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы: - определяет движение планет в звездных системах, движение галактик, управляет эволюцией Вселенной - ему подвержены все частицы, поля, волны - радиус взаимодействия не ограничен - переносчиками гравитационного взаимодействия являются виртуальные частицы – кванты гравитационного поля – гравитоны - масса покоя гравитона равна нулю. До настоящего времени гравитоны экспериментально не обнаружены - общепринятой теорией гравитационного взаимодействия является общая теория относительности, которая предсказывает существование гравитационных волн, носителем которых и может быть гравитон Если интенсивность сильного взаимодействия принять за единицу, то относительные интенсивности других взаимодействий имеют следующие значения: - электромагнитного – 10-2 (т.е. в 100 раз слабее сильного) - слабого – 10-14 - гравитационного – 10-31 От интенсивности взаимодействия зависит время, в течение которого совершаются превращения элементарных частиц: - ядерные реакции (сильное взаимодействие) происходят в течение 10-24 – 10-23 с 10 - изменения, обусловленные электромагнитным взаимодействием, осуществляются в течение 10-21 – 10-19 с - изменения, обусловленные слабым взаимодействием (например, распад частиц) – в основном происходят в течение 10-10 с. Таким образом, в микромире процессы, происходящие за счет слабого взаимодействия, протекаю достаточно медленно, по сравнению с процессами, за которые отвечают электромагнитное и сильное взаимодействия. 2.07 Принципы симметрии, законы сохранения Симметрия и противоположное ей свойство природы – асимметрия (или неполная симметрия) являются фундаментальными понятиями естествознания, т.к. они, в известной мере, отражают степень упорядоченности систем, вследствие чего, помогают восприятию порядка в хаотической Вселенной и позволяют из разрозненных фрагментов знания получить целостную картину мира. Симметрия: - предполагает неизменность (инвариантность) объекта или свойств объекта по отношению к каким-либо преобразованиям, операциям, выполненных над объектом (простейший пример: если куб повернуть на 90, то он будет выглядеть точно так же, как и до поворота) - понятие симметрии, как неизменности свойств объекта по отношению к операциям, выполненных над объектом, можно применить к материальным объектам, физическим законам и математическим формулам. В природе не все объекты обладают симметрией, но не бывает и полного отсутствия симметрии (асимметрия – такое состояние, при котором симметрия отсутствует) Нарушенные (неполные) симметрии, примеры: - «живым» молекулам, в отличие от «неживых» молекул, присуща так называемая хиральность (хиральность – понятие, характеризующее свойство объекта быть несовместимым со своим отображением в идеальном плоском зеркале). Так ориентация ДНК – спираль, всегда правая - у высших биологических объектов, в отличие от низших, имеет место асимметрия – разделение полов, где каждый пол вносит в процесс самовоспроизведения, свойственную только ему, генетическую информацию - асимметрия на уровне элементарных частиц – это преобладание в нашей Вселенной частиц над античастицами Эволюция есть цепочка нарушений симметрии. Это обусловлено: - наибольшей симметрией обладают равновесные хаотические состояния системы - при переходе материи на более высокий уровень организации, упорядоченности – снижается энтропия (как мера хаотичности), а тем самым и симметрия Можно считать, что возникновение жизни в целом связано со спонтанным нарушением, имевшейся до того в природе, зеркальной симметрии (под действием радиации, температуры и т.п.) и нашло свое отражение в генах живых организмов. По мере упорядочения живых организмов (живых систем), их усложнения в ходе развития жизни (эволюции), асимметрия все больше и больше превалирует над симметрией, вытесняя ее из биологических и физиологических процессов. Простейшие симметрии: - однородность (одинаковые свойства во всех точках) 11 - изотропность (одинаковые свойства во всех направлениях) Симметрия пространства и времени. Пространство и время обладают тремя фундаментальными свойствами – тремя видами симметрии, связанными с однородностью времени, с однородностью и изотропностью пространства. Все, ниже описанные представления, справедливы лишь в предположении, что пространство и время образуют непрерывные континуумы, т.е. не дискретны (не состоят из кусков): - свойство, называемое непрерывностью пространства, заключается в том, что между двумя различными точками пространства, как бы близко они ни были, всегда есть третья - свойство, называемое непрерывностью времени, определяется тем, что между двумя моментами времени, как бы близко они ни были расположены, всегда можно выделить третий Однородность пространства – характеризует симметрию по отношению к переходу системы, как целого, в пространстве. Это собственно означает: - любые точки пространства равноценны, т.е. перенос любого объекта в пространстве не влияет на процессы, происходящие с этим объектом (например, свойства атомов на Земле и других небесных объектах одни и те же) - возможность произвольного выбора начала отсчета пространственных координат Изотропность пространства – характеризует симметрию по отношению поворота системы как целого в пространстве. Это означает: - любые направления в пространстве равноценны, т.е. в повернутой установке, лаборатории и т.п., все процессы протекают так же, как и до поворота - возможность произвольного выбора направлений системы пространственных координат Однородность времени – характеризует симметрию, относительно произвольного сдвига во времени. Это свойство означает: - любой физический процесс протекает одинаковым образом, независимо от того, когда он начался, т.е. позволяет сравнивать результаты аналогичных опытов, проведенных в разное время - возможность выбора любого момента времени за начальный. Двойственность свойств вышеуказанных симметрий связана с тем, что их можно рассматривать с двух точек зрения – как изменения положения самой системы (в пространстве и времени) и как изменения положения наблюдателя (и связанной с ним системы отсчета) Законы сохранения: - это физические законы, согласно которым числовые значения некоторых физических величин, характеризующих состояние системы, в определенных процессах не изменяются - эти законы играют роль принципа запрета: любой процесс, при котором нарушается хотя бы один из законов сохранения, невозможен Закон сохранения импульса системы тел (частиц): в замкнутой системе (т.е. результирующая всех сил равна нулю) сумма импульсов системы остается постоянной Закон сохранения момента импульса системы тел (частиц): в замкнутой системе сумма моментов импульсов системы остается постоянной (если к телам этой системы не приложены моменты внешних сил) Законы сохранения (и превращения) энергии: суммарная энергия в замкнутой (изолированной) системе не изменяется (остается постоянной) В 1918 г. Амалия Эмми Нетер установила связь между симметриями и законами сохранения. Теорема Нетер: каждому виду симметрии должен соответствовать определенный закон сохранения: 12 - следствием однородности пространства является закон сохранения импульса - следствием изотропности пространства является закон сохранения момента импульса - следствием однородности времени является закон сохранения энергии. 2.08 Эволюция представлений о пространстве и времени Материальные структуры (все, существующее во Вселенной, живое и неживое) определенным образом упорядочены. Существуют две формы описания упорядоченности материальных тел и процессов: пространственная и временная. Сторонники субстанциональной концепции (Демокрит, Аристотель, Ньютон и др.) трактовали пространство и время как инвариантные самостоятельные сущности, существующие наряду с материей и независимо от нее. Поэтому, соотношение между пространством и временем, с одной стороны, и материей – с другой, представлялось как отношение между двумя самостоятельными субстанциями. Демокрит: пространство ассоциируется с пустотой, в которой происходит вечное движение атомов, т.е. пространство – это «вместилище» тел Аристотель, отрицая пустоту, делает вывод, что пространство – это совокупность мест, занимаемых телами; понятия «предыдущее» и «последующее» являются выражением изменения движения. Таким образом, по Аристотелю: - пространство определяется местом расположения тел - время есть мера движения Ньютон (механистическая картина мира) развил идеи Демокрита, Аристотеля и др. до четкого представления об абсолютном пространстве и абсолютном времени, независимых друг от друга и не связанных с материей. Пространство у него неизменно и неподвижно и, т.к. его свойства не зависят ни от чего, в том числе и от времени, то убрав из пространства все материальные тела, пространство останется и его свойства сохранятся. Время, по Ньютону, течет одинаково во всей Вселенной, и это течение не зависит ни от чего. Ньютоновские представления о пространстве, времени и следствия из этих представлений: - абсолютное пространство – это независимо существующее «вместилище» материальных тел - абсолютное время – это независимое от материи «вместилище» событий - относительное время задается последовательностью событий - пространство однородное, изотропное, трехмерное и описывается геометрией Евклида - пространственные размеры тел, в покоящихся и движущихся системах отсчета, остаются одинаковыми - справедлив классический закон сложения скоростей (например: скорость человека, идущего по движущемуся вагону, для наблюдателя, находящегося на земле, складывается из скорости человека относительно вагона и скорости вагона относительно земли) Концепция мирового эфира: вплоть до XX века в физике господствовало представление о невидимой субстанции («тонкой материи»), заполняющей мировое пространство – мировом эфире 13 Опыты Майкельсона – Морли, пытающихся обнаружить мировой эфир, заключались в измерении скорости света в направлениях по движению и перпендикулярно направлению движения Земли вокруг Солнца. Эти опыты показали: - скорость света в различных направлениях есть величина постоянная (т.е. не зависит от движения источника света) - нарушение классического закона сложения скоростей - неверность гипотезы «мирового эфира». Эфира нет. В современной картине мира понимание пространства и времени сформировано теорией относительности Эйнштейна: - пространство и время неразрывно связаны между собой, т.е. составляют единое четырехмерное пространство-время (специальная теория относительности) - вблизи тяготеющих масс (под действием сил гравитации) пространство-время «искривляется» и уже не является Евклидовым пространством (общая теория относительности) - пространство и время имеют относительный характер: так результаты измерений длин объектов и интервалов времен зависит от того, в какой системе отсчета они измеряются - отказ от идеи абсолютного пространства и времени, мирового эфира и других выделенных систем отсчета - существует тесная взаимосвязь между пространством, временем, материей и ее движением - убрав из пространства все материальные объекты – исчезает пространство и время. 2.09 Специальная теория относительности (СТО) Создателями СТО являются: Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн. Представления СТО справедливы только для процессов, происходящих в инерциальных системах отсчета. Принципу относительности Эйнштейна предшествовал принцип относительности Галилея, сформулированный только для механических процессов (т.е. только для классической механики – механики Ньютона). Принцип относительности Галилея представим в двух эквивалентных формах: - внутри равномерно движущейся лаборатории (системы отсчета) все механические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся - равномерное движение лаборатории (системы отсчета, связанной с телом отсчета – лабораторией) невозможно обнаружить никакими механическими опытами, проводимыми внутри нее Поясним это принцип на следующем примере: если пассажир (наблюдатель) электрички (движущейся равномерно) уронил некий предмет (например, часы), то для него они упадут вертикально вниз, а для человека (наблюдателя), стоящего на земле, предмет будет падать по параболе, поскольку электричка движется, в то время как предмет падает. У каждого из наблюдателей своя система отсчета. Но, хотя описания событий, при переходе из одной системы отсчета в другую, меняются, есть универсальные вещи, остающиеся неизменными. Если вместо описания падения предмета задаться вопросом о природе закона, вызывающим его падение, то ответ на него будет один и тот же и для наблюдателя в неподвижной системе координат, и для наблюдателя в движущейся системе координат. Иными словами, в то время как описание событий зависит от наблюдателя, то законы механики (в дальнейшем Пуанкаре и Эйнштейн обобщили это на все физические законы) от него не зависят, т.е. являются инвариантными. Принцип относительности (как в классической механике, так и в СТО) тесно связан с привилегированными системами отсчета, так называемыми инерциальными системами отсчета. 14 Инерциальными называются системы отсчета, относительно которых материальная точка (тело) без внешних воздействий (или если внешние воздействия компенсируются): - покоится - движется равномерно и прямолинейно Всякая система отсчета, покоящаяся или движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной системы отсчета, также является инерциальной (т.е. все инерциальные системы отсчета равноправны) Исходные принципы классической механики базируются на формулах преобразования координат и времени так называемым преобразованием Галилея. Пользуясь этими преобразованиями, можно переводить рассмотрение движения какого-либо тела (частицы) из одной инерциальной системы отсчета в другую как, например, рассмотренный ранее пример с падением предмета в электричке. Все законы классической механики инвариантны относительно перехода из одной инерциальной системы отсчета в другую, проводимого с помощью преобразований Галилея. Преобразования Галилея базируются на одинаковости (инвариантности) времени в различных инерциальных системах отсчета и классическом законе сложения скоростей. Из преобразований Галилея (т.е. из классической механики) следует, что при переходе от одной системы отсчета к другой, неизменными (инвариантными) остаются: - время - размеры тела - масса тела Перейдем к специальной теории относительности. Основу СТО составляют два постулата (принципа) Эйнштейна: Принцип относительности (первый постулат Эйнштейна, являющийся обобщением принципа Галилея на все физические процессы): все физические процессы во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Сформулируем этот принцип и в другом эквивалентном виде: законы природы инвариантны во всех инерциальных системах отсчета. Принцип инвариантности (постоянства) скорости света (второй постулат Эйнштейна): скорость света в вакууме постоянна во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света. Постулат о постоянстве скорости света вызывает наибольшее непонимание, т.к. он находится в очевидном противоречии с классическим правилом сложения скоростей. То, что скорость света имеет такое необычное свойство, можно почувствовать при рассмотрении следующего мысленного эксперимента: пусть космонавт находится в космическом корабле, корабль удаляется от Земли с постоянной скоростью 200000 км/с, а наблюдатель на Земле направляет пучок света, распространяющийся со скоростью 300000 км/с, в сторону космического корабля. Свет, догоняя космический корабль, через маленькие дырочки проходит сквозь этот корабль и уходит далее в космос. Поскольку космонавт (вместе с кораблем) движется со скоростью 200000 км/с относительно Земли, то ему , на основании классического закона сложения скоростей должно было казаться, что относительно него свет распространяется со скоростью 300000 км/с - 200000 км/с = 100000 км/с. Но как следует из принципа постоянства скорости света, если действительно поставить такой эксперимент, то космонавту (т.е. наблюдатель в движущейся инерциальной системе отсчета) будет казаться, что свет распространяется, относительно него, со скоростью 300000 км/с. На основании этого же принципа и наблюдатель на Земле тоже будет считать, что свет распространяется относительно него тоже со скоростью 300000 км/с. 15 Эйнштейн понял, что единственное объяснение, позволяющее двум, движущимся относительно друг друга, наблюдателям получить одинаковые значения скорости света, заключается в том, что их восприятие времени и пространства неодинаково, что часы космического корабля идут не так, как на земле, одинаковые линейки у обоих наблюдателей имеют разные размеры и т.д. Т.е., на основании СТО, скорость света в космическом корабле равна 300000 космических километров в космическую секунду, а на Земле - 300000 земных километров в земную секунду. Вышеприведенный пример наглядно показывает, что если скорости других объектов относительны, так как зависят от скорости движения измеряющего наблюдателя, то скорость света не относительна – она абсолютна. Этот же пример показывает относительность времени и пространства. Скорость света соответствует максимально возможной в природе скорости передачи сигнала. Принцип постоянства скорости света был впервые подтвержден в опытах МайкельсонаМорли. Сами авторы этим опытом пытались подтвердить или опровергнуть существование мирового эфира. Мировой эфир представлялся как механическая среда, (невидимая невесомая субстанция) передающая «толчок» действия от одной точки к другой, т.е. передающая волновой процесс распространения света. В экспериментах Майкельсона-Морли сравнивались скорости света при направлении луча света вдоль и поперек орбитального движения Земли. Разницы при этом обнаружено не было, что указывает на постоянство скорости света, независимо от того, в какой инерциальной системе отсчета рассматривается распространение света (для луча света, распространяющегося вдоль направления движения Земли, система отсчета подвижная, для распространяющегося поперек - неподвижная). Из постулатов СТО следует, что пространственный интервал и временной интервал (длительность события) относительны, т.е. зависимы от движения наблюдателя. Однако объективность описания природы требует, чтобы изучаемое явление можно было характеризовать величинами, не зависящими от выбора системы отсчета. Инвариантной величиной в СТО является так называемый пространственно-временной интервал между событиями, включающий в себя временную и пространственные характеристики материальных процессов. Т.е. СТО делает мир четырехмерным: к трем пространственным измерениям добавляется время. Все четыре измерения неразрывны, поэтому речь идет уже не о пространственном расстоянии между объектами, как это имеет место в трехмерном мире, а о пространственно-временных интервалах между событиями, которые объединяют их удаленность друг от друга, как во времени, так и в пространстве. Т.е. пространство и время рассматриваются как четырехмерный пространственно-временной континуум, или попросту пространство-время. В этом континууме наблюдатели, движущиеся относительно друг друга, могут расходиться во мнении о том, произошли ли два события одновременно, или одно предшествовало другому, но пространственновременной интервал для обоих наблюдателей будет одним и тем же. В СТО показано, что нельзя передать воздействие (свет, информацию и т.д.) со скоростью, превышающей скорость света, а это делает невозможным нарушение причинноследственных связей (т.к. именно передача воздействия со сверхсветовой скоростью привела бы к нарушению причинно-следственных связей). Ненарушимость причинноследственных связей можно назвать инвариантностью причинно-следственных связей. Из СТО следует и закон взаимосвязи энергии и массы: между полной энергией, изолированного от внешних воздействий, тела и его массой есть однозначная связь: E mc 2 . этот закон справедлив и для покоящегося тела: E0 m0 c 2 , показывая, что даже покоящиеся тела имеют очень большую энергию, включающую энергию взаимодействий и теплового движения атомов и молекул, энергию ядерного взаимодействия и др. энергии. Этот закон показывает: какие бы взаимные превращения разных видов материи не происходили, изменение энергии в системе соответствует эквивалентному изменению массы. Т.е. энергия и масса являются двумя, однозначно связанными, характеристиками 16 материи. Этот закон раскрывает источник энергии, используемой ядерной энергетикой. Масса продуктов радиоактивного распада, протекающего в ядерном реакторе, меньше массы исходного вещества. Разность масс исходной и конечной (называемой дефектом массы), помноженная на квадрат скорости света ( E mc 2 ), показывает энергию, производящуюся в ядерных реакторах. Переход из одной инерциальной системы отсчета в другую, в СТО, осуществляется при помощи преобразований Лоренца. Из преобразований Лоренца (т.е. из СТО) следует, что при увеличении скорости подвижной инерциальной системы отсчета относительно неподвижной: - длина отрезка в направлении движения уменьшается относительно отрезка в неподвижной системе - ход времени в подвижной системе, относительно времени в неподвижной системе отсчета, замедляется Приведенные выше следствия объясняют, рассмотренный нами ранее, мысленный эксперимент: космонавт, определяя скорость света, делит свои маленькие километры на маленькие секунды и получает тот же результат, что и земной наблюдатель, который делит большие километры на большие секунды. Следствиями СТО является относительный характер: - расстояний (длины отрезка), т.е. пространства - одновременности событий, т.е. времени - массы тела Следствиями СТО являются: - пространство и время существуют как единая четырехмерная структура пространство-время и описывается евклидовой геометрией - эквивалентность массы и энергии - с увеличением скорости движения тела отсчета темп времени на нем замедляется - с увеличением скорости движения тела его линейный размер уменьшается - с увеличением скорости движения тела его масса возрастает - когда скорость тела приближается к скорости света, его линейный размер стремится к нулю, а масса тела стремится к бесконечно большой - инвариантность (неизменность) пространственно-временного интервала между событиями - инвариантность причинно-следственных связей Соответствие СТО и классической механики: их предсказания совпадают при малых скоростях движения (гораздо меньших скорости света). Приложение СТО к описанию механических процессов, в которых скорости тел сопоставимы со скоростью света, называется релятивистской механикой. 2.10 Общая теория относительности (ОТО) ОТО создана Альбертом Эйнштейном (1915г.). В ОТО (ее еще называют теорией тяготения) Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы отсчета. Одним из основных принципов СТО является принцип эквивалентности: - масса инертная и масса гравитационная равны между собой (это положение, которое является следствием, впервые найденного Галилеем равенства ускорений, свободно падающих тел, независимо от их масс и состава, было неоднократно подтверждено экспериментально) - равенство инертной и гравитационной масс позволило Эйнштейну сформулировать основные положения принципа эквивалентности: не существует эксперимента, с помощью которого можно было бы отличить действие на пробное тело, ускоренного 17 движения тела отсчета по отношению к «неподвижным» звездам, от состояния покоя пробного тела в гравитационном поле. Существует множество вариантов изложения этого принципа. Приведем, часто используемую, но не совсем точную формулировку принципа эквивалентности: - невозможно отличить движение тел под действием силы тяжести от движения под действием сил инерции. В этой формулировке учитывается, что сила инерции (фиктивная сила) равна, взятому с обратным знаком, произведению массы пробного тела на ускорение тела отсчета, по сути дела, полностью определяется ускорением тела отсчета, т.е. делает обе формулировки равноправными (что не совсем правильно). Далее Эйнштейн постулирует, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел (как в механике Ньютона) и полей, находящихся в четырехмерном пространстве-времени, а деформацией («искривлением») упругой ткани пространствавремени под воздействием массы и энергии, присутствующей в ней материи. При этом, чем тяжелее (массивнее) тело, тем сильнее пространство-время «прогибается» под ним, и тем, соответственно, сильнее гравитационное поле. Масса тела, искривляя пространствовремя, делает кратчайшее расстояние между двумя точками четырехмерного пространства не прямолинейным отрезком, а отрезком кривой (называемой геодезической линией) по которой и движется пробное тело в гравитационном поле. Согласно этому положению (т.е. ОТО) Земля обращается вокруг Солнца подобно маленькому шарику, пущенному кататься по геодезической линии вокруг конуса воронки, образованной в результате «продавливания» четырехмерного пространства-времени тяжелым шаром – Солнцем. То, что нам кажется силой тяжести, в ОТО является по сути чисто внешним проявлением искривления пространства-времени, а вовсе не силой в ньютоновском понимании. Поскольку искривление пространства-времени тем сильнее, чем больше, вызывающие его, масса-энергия, то свойства пространства и времени должны рассматриваться в тесной связи с материей. В понимании ОТО, четырехмерное пространство-время – это атрибут материи, обусловленный взаимосвязью, расположенных в нем тел. Это обоснованно и потому, что «пустого» пространства не существует, в нем всегда присутствуют вещества, излучение и различные физические поля. Гравитация (тяготение) и время. Рассмотрим следующее явление: пусть луч света удаляется от массивного тела (например, Земли), которое и испустило этот свет. Фотоны (частицы, обладающие массой лишь в движении), по мере удаления от Земли, теряют свою кинетическую энергию, т.к. гравитационное поле Земли как бы «тормозит» фотоны. Но, т.к. скорость движения фотонов, согласно СТО, изменяться не может, то уменьшение энергии фотона, согласно формуле Планка ( E ), означает уменьшение частоты волны 1 света. Сама частота колебаний обратно пропорциональна периоду колебания ( ), это T означает, что: уменьшение частоты автоматически означает увеличение периода, что эквивалентно замедлению времени. Таким образом, если наблюдатель находится в космосе, то свет от источника, находящегося на поверхности Земли, придет к наблюдателю с меньшей частотой, чем свет от такого же источника на высокой горе. Наблюдатель сделает вывод, что на поверхности Земли время идет медленнее, чем на высокой горе. Но так как гравитационное поле у поверхности Земли сильнее, чем на вершине горы, то можно сделать вывод: сильное гравитационное поле замедляет время. Например, атомные часы на поверхности Солнца должны идти медленнее тех же самых часов на Земле. То, что часы должны замедлять свой ход в гравитационном поле, было проверено в экспериментах, в которых два идентичных экземпляра (атомных) часов были помещены – один на земле, другой – на верхнем этаже высокого здания. Этот эффект замедления времени (достаточно малый) был обнаружен – нижние часы отстали от верхних. 18 Из вышеприведенного опыта можно сделать вывод – частота волны света в поле тяготения должна смещаться в сторону более низких значений. Это говорит о том, что в результате этого эффекта, линии солнечного спектра должны смещаться в сторону красного цвета, по сравнению со спектрами соответствующих земных источников (Солнце намного массивнее Земли). Действительно, красное смещение в спектрах небесных тел было обнаружено в двадцатых годах прошлого столетия при исследовании излучений от Солнца и спутника Сириуса. В ОТО установлено также, что гравитационное поле, через которое проходит свет, действует на него и искривляет его траекторию. Это объясняется тем, что фотоны (частицы света) в движении обладают массой и на них притяжение действует также, как на любую, обладающую массой, частицу. Этот факт был подтвержден экспериментально. На основании всего вышесказанного можно привести некоторые следствия общей теории относительности: - искривление луча света в гравитационном поле (т.е. отклонение светового луча от прямолинейной траектории) - замедление хода времени в гравитационном поле (т.е. в поле силы тяжести время замедляет свой ход) - массы, создающие поле тяготения, искривляют четырехмерное пространствовремя вблизи этих массивных тел, и оно описывается неевклидовой геометрией - частота света в поле тяготения должна смещаться в сторону более низких значений - пространство-время есть атрибут материи, обусловленный взаимосвязями, расположенных в нем тел. Эмпирическими подтверждениями ОТО явились: - отклонение траектории луча света от звезды, находящейся в непосредственной близости от поверхности Солнца (подтвердилось при жизни Эйнштейна при наблюдении во время солнечного затмения смещения положения звезд вблизи солнечного диска в 1919 г.) - обнаружение красного смещения в спектрах звезд в поле тяготения - смещение перигелия Меркурия (перигелием орбиты называется точка, в которой небесное тело оказывается ближе всего к Солнцу), т.е. Меркурий движется не просто по эллипсу, а по эллипсу, который сам медленно поворачивается. Смещение перигелия Меркурия – прецессия, вычисленная Эйнштейном на основании ОТО в 1916 г, полностью совпала с, наблюдаемой в течение столетий, аномальной прецессией перигелия Меркурия - замедление времени в гравитационном поле. Соответствие ОТО и классической механики: их предсказания совпадают в слабых гравитационных полях. Дополнение к ОТО – «черные дыры» ОТО предсказывает существование во Вселенной сверхмассивных объектов – «черных дыр». Чтобы пояснить свойства «черных дыр», введем некоторые вспомогательные понятия: вторая космическая скорость, т.е. скорость объекта, позволяющая ему покинуть сферу влияния тяготения Земли, равна 11,2 км/с; вторая космическая скорость, применительно к любым притягивающим телам, например Солнцу, называется скоростью убегания. Так, например, для Солнца скорость убегания составляет 618 км/с, а для нейтронных звезд – примерно 200000 км/с (2/3 скорости света). Теория относительности утверждает, что наибольшая возможная скорость физического тела, излучения и т.п. не может превышать скорость света. Поэтому, наиболее простое определение «черной дыры» - это объект, для которого скорость убегания равна скорости света. 19 Более полное определение «черной дыры»: «черная дыра» - область в пространствевремени (внутри которой находится сверхмассивный космический объект), гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (и сам свет в том числе). Граница этой области называется горизонтом событий, а ее характерный размер – гравитационным радиусом (радиусом Шварцшильда). Образование «черных дыр». «Черные дыры» появляются в результате эволюции достаточно массивных звезд (с массами более 3.6 массы Солнца). Эволюция звезды: пока в недрах звезды не истощился запас ядерного топлива, ее равновесие удерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод и т.д., вплоть до железа у массивных звезд). Выделяющееся при этом тепло, компенсирует потерю энергии, уходящей от звезды с ее излучением. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление в недрах звезды, препятствуя ее сжатию под действием собственной гравитации. Однако, со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься. Если определить гравитационный коллапс как сжатие сверхмассивного тела под действием собственной гравитации, то этот процесс можно представить в следующей формулировке: если энергия термоядерного синтеза становится меньше энергии тяготения, то происходит гравитационный коллапс. Однако, если радиус звезды уменьшается до значения гравитационного радиуса, то коллапс продолжается до превращения звезды в «черную дыру». Обнаружение «черных дыр». «Черные дыры» недоступны для непосредственного наблюдения, т.к. находятся на огромных расстояниях от Земли и имеют настолько сильное гравитационное притяжение, что покинуть их не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Однако, «черные дыры», находятся, как правило, в центре галактик с большой плотностью вещества, и засасывают это вещество. При этом гравитационные силы настолько велики, что заставляют падать частицы в «черную дыру» с огромным ускорением и излучать фотоны (в рентгеновском диапазоне). Именно это рентгеновское излучение и выдает присутствие «черной дыры». Резюмируем все вышесказанное: - если масса космического объекта находится внутри сферы с гравитационным радиусом, то такой объект называется «черной дырой» - «черные дыры» недоступны для непосредственного наблюдения - обнаружение «черных дыр» во Вселенной возможно потому, что окружающие ее частицы падают на нее с огромным ускорением, излучая фотоны. Этот процесс сопровождается сильным рентгеновским излучением - излучение не может покинуть «черные дыры» - время в «черной дыре» практически останавливается для наблюдателя со стороны. Можно сказать и следующим образом: время на поверхности сферы, ограниченной гравитационным радиусом, останавливается. - «черная дыра» образуется, если: радиус звезды уменьшается до значения гравитационного радиуса; происходит гравитационный коллапс массивной звезды - гравитационный коллапс определяется как сжатие сверхмассивного тела (газопылевого облака, звезды) под действием собственной гравитации - гравитационный коллапс происходит, если энергия термоядерного синтеза звезды становится меньше энергии тяготения. 3.11 Микро-, макро-, мегамиры В современном естествознании имеют дело с чрезвычайно большой совокупностью сильно различающихся по своему масштабу и по уровню сложности объектов. Взяв за 20 ориентир пространственно-временной масштаб, привычный для человека, всю совокупность объектов можно условно представить тремя областями. Микромир: - это мир предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых объектов - пространственная размерность объектов в микромире исчисляется от 10-16 см до 10-6 см - микромир целиком стал областью интересов квантовой физики - основные структуры микромира: элементарные частицы; атомные ядра; атомы; молекулы; биологические системы (нуклеиновые кислоты, белки, вирусы, бактерии, клетки) Макромир: - это мир, непосредственно окружающих человека, объектов - пространственная размерность объектов в макромире исчисляется от 10-5 см до 104 км - основные структуры макромира: газообразные, жидкие и твердые тела; биологические системы (организмы, биогеоценозы, биосфера) и т.д. - изучение объектов микромира проведено в основном в рамках классического естествознания Мегамир: - основные структуры мегамира: планеты; планетные системы (например, Солнечная система); звезды; галактики; скопление галактик; Метагалактика; Вселенная - изучение объектов мегамира осуществляется астрономией, астрофизикой и космологией - пространственная размерность объектов в мегамире простирается от 104 км до 1023 км - в мегамире существенными являются гравитационные взаимодействия больших масс, масс космического масштаба. Единицы измерений расстояний в мегамире: - астрономическая единица (а.е.) – расстояние от Земли до Солнца, равная примерно 150 млн. км, применяется для определения космических расстояний в пределах Солнечной системы - межзвездные и межгалактические расстояния измеряются в единицах: а) световой год- расстояние, которое световой луч преодолеет за один год, равный примерно 10 триллионов километров (1013 км); б) парсек (п.к.) равен 3,26 светового года, т.е. приблизительно 3*1013 км Звезда: - самосветящееся небесное тело, состоящее из раскаленных газов (плазмы), по своей природе похожи на Солнце - основным источником энергии звезд являются реакции термоядерного синтеза, при которых из легких ядер образуются более тяжелые (чаще всего это превращение водорода в гелий) Атрибуты планет: - небесные тела, обращающиеся вокруг звезд - светятся отраженным светом от звезд - достаточно массивны, чтобы под действием собственного гравитационного поля стать шарообразными - достаточно массивна, чтобы своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от других небесных тел Галактики: - системы из миллиардов звезд (не менее 1000 млрд. звезд), связанных взаимным тяготением и общим происхождением Галактики по форме условно разделяются на три типа: - эллиптические галактики, обладающие формой эллипса с различной степенью сжатия 21 - спиральные галактики представлены в форме спирали, включая спиральные ветви - неправильные галактики – не обладают выраженной формой Наша галактика – Млечный путь, ее основные характеристики: - гигантская (более 100 млрд. звезд) - спиральная - диаметр около 100 тысяч световых лет Метагалактика: часть Вселенной со всеми находящимися в ней галактиками и др. объектами, которая доступна для исследования современными астрономическими методами. Она содержит несколько миллиардов галактик Вселенная – все сущее, т.е. весь существующий материальный мир. Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее удаленных из наблюдаемых объектов – более 10 млрд. световых лет Космос – плохо определяемый термин. Он обозначает или Вселенную в целом или пространство за пределами Земли. Примеры правильных последовательностей в структурной иерархии (от меньшего к большему): а) звезда – звездная система – Метагалактика – Вселенная б) элементарные частицы – ядра атома – атомы – молекулы в) кварк – протон – ядро – атом г) протон – ядро атома углерода – атом углерода – молекула сахара д) элементарные частицы – атомы – молекулы – макротела. 3.12 Структуры микромира Ранее элементарными частицами называли частицы, входящие в состав атома и неразложимые на более элементарные составляющие, а именно электроны и ядра. Позднее было установлено, что ядра состоят из более простых частиц – нуклонов (протонов и нейтронов), которые в свою очередь состоят из других частиц. Поэтому элементарными частицами стали считать мельчайшие частицы материи, исключая атомы и их ядра. На сегодняшний день открыты сотни элементарных частиц, что требует их классификации. Классификация элементарных частиц по временам жизни: - стабильные: частицы, время жизни которых очень велико (в пределе стремится к бесконечности). К ним относятся электроны, протоны, нейтрино. Внутри ядер стабильны также нейтроны, но они нестабильны вне ядра - нестабильные (квазистабильные): элементарные частицы – это такие частицы, которые распадаются за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, и время жизни которых больше 10-20 сек. К таким частицам относится свободный нейтрон (т.е. нейтрон вне ядра атома) - резонансы (нестабильные, краткоживущие). К резонансам относятся элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия. Время жизни для них меньше 10-20 сек. Классификация частиц по участию во взаимодействиях: - лептоны: к их числу относятся и нейтроны. Все они не участвуют в водовороте внутриядерных взаимодействий, т.е. не подвержены сильному взаимодействию. Они 22 участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд участвуют и в электромагнитном взаимодействии - адроны: частицы, существующие внутри атомного ядра и участвующие в сильном взаимодействии. Самые известные из них это протон и нейтрон. На сегодня известны шесть лептонов: - к одному семейству с электроном относятся мюоны и тау-частицы, которые похожи на электрон, но массивнее его. Мюоны и тау-частицы нестабильны и со временем распадаются на несколько других частиц, включая электрон - три электрически нейтральных частицы с нулевой (или близкой к нулю, на этот счет ученые пока не определились) массой, получившие название нейтрино. Каждое из трех нейтрино (электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино) парно одному из трех разновидностей частиц электронного семейства. У самых известных адронов, протонов и нейтрино имеются сотни родственников, которые во множестве рождаются и тут же распадаются в процессе различных ядерных реакций. За исключением протона, все они нестабильны, и их можно классифицировать по составу частиц, на которые они распадаются: - если среди конечных продуктов распада частиц имеется протон, то его называют барион - если протона среди продуктов распада нет, то частица называется мезон. Сумбурная картина субатомного мира, усложнявшаяся с открытием каждого нового адрона, уступила место новой картине, с появлением концепции кварков. Согласно кварковой модели, все адроны (но не лептоны) состоят из еще более элементарных частиц – кварков. Так барионы (в частности протон) состоят из трех кварков, а мезоны – из пары кварк – антикварк. Кварки обладают дробным электрическим зарядом: 1/3 или 2/3 заряда электрона или протона. Кварки не могут пребывать в свободном, не связанном друг с другом внутри элементарных частиц, состоянии. О самом факте существования кварков можно судить только по свойствам, проявляемым адронами, в состав которых они входят. Сегодня, согласно теории, предсказывается существование шести разновидностей кварков, и в лабораториях уже открыты элементарные частицы, содержащие все шесть типов. Всю вышеприведенную классификацию можно представить в виде схемы: Элементарные частицы Лептоны – слабо взаимодействующие частицы Адроны – сильно взаимодействующие частицы Барионы Электроны Мюоны Тау-частицы Мезоны Электронное нейтрино Мюонное нейтрино Тау-нейтрино Кварки Частица и античастица. Почти каждой элементарной частице соответствует своя античастица. Античастица – элементарная частица, имеет те же значения массы и других физических характеристик частицы, которой она вроде бы соответствует, но 23 отличающаяся от нее знаками электрического заряда, магнитного момента и др. Например, электрон несет отрицательный заряд, а парная ему частица позитрон – положительный. Существую также частицы, которые не имеют античастиц, например, фотон. При взаимодействии частицы с парной ей античастицей, происходит их взаимная аннигиляция («уничтожение») – обе частицы прекращают свое существование, а их масса преобразуется в энергию, которая рассеивается в пространстве в виде вспышки фотонов и прочих сверхлегких частиц. Наблюдаются также процессы, противоположные аннигиляции – рождение пар частица-античастица. Например, рождение из гаммаизлучения пары электрон – позитрон. Таким образом, речь идет не об уничтожении или самопроизвольном возникновении материи, а лишь о взаимопревращениях частиц. Эти взаимопревращения лимитируются законами сохранения, такими как: - закон сохранения электрического заряда: при всех превращениях, в которых участвуют элементарные частицы, суммарный электрический заряд этих частиц остается неизменным - закон сохранения барионного заряда: разность между числом барионов и числом их античастиц (антибарионов) не изменяется при любых процессах - закон сохранения энергии: суммарная энергия всех частиц до взаимодействия и после остается неизменной. При взаимопревращениях и взаимодействиях элементарных частиц должны выполняться и другие законы сохранения: импульса, момента количества движения, числа лептонов и других, на которых останавливаться не будем. По современным представлениям, к фундаментальным частицам (или «истинно» элементарным частицам), не имеющим внутренней структуры и конечных размеров, относятся: - кварки и лептоны - частицы, обеспечивающие фундаментальные взаимодействия: гравитоны, фотоны, векторные бозоны, глюоны. Фундаментальные частицы кварки и лептоны являются своего рода строительным материалом атомного ядра – кирпичиками, из которых сложена Вселенная. Гравитоны, фотоны, векторные бозоны, глюоны – носители сил, удерживающих частицы вместе. Это своего рода «цемент», которым скреплена Вселенная. Вещество можно представить как совокупность корпускулярных структур: кварки – нуклоны (протоны, нейтроны) – атомные ядра – атомы с их электронными оболочками. Размеры и масса ядра в сравнении с атомом: - масса ядра примерно равна (чуть меньше) массе атома - размер атомного ядра в сотни тысяч раз меньше размеров всего атома (диаметр ядра лежит в пределах от 10-12 до 10-13 см). Основной метод изучения элементарных частиц состоит в том, что ядро-мишень бомбардируется мощным пучком протонов и электронов, а ученые ведут наблюдения за осколками ядра, образующимися в результате столкновения. Этот метод реализуется на «ускорителях элементарных частиц», имеющих различные модификации, и называющихся циклотронами, синхротронами и т.п. Приведем некоторые факты (случайно выбранные и не претендующие на полноту) из вышеизложенного: - стабильные элементарные частицы: протон, нейтрон, фотон, электрон - фотон – частица с нулевой массой покоя - частицы, существование которых подтверждено экспериментально: фотоны, глюоны, мезоны - гравитоны не найдены экспериментально - фундаментальные частицы, образующие строительный материал вещества: лептоны, кварки 24 - к стабильным частицам относятся: электрон, протон - нестабильными частицами являются резонансы - протон имеет положительный электрический заряд, электрон – отрицательный - протон состоит из трех кварков - в настоящее время истинно элементарными частицами (т.е. такими, которые нельзя составить ни из каких других, известных нам ныне, частиц) являются: электрон, позитрон, все виды нейтрино, фотоны и кварки - фотон не входит в состав атома, а рождается непосредственно при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой. 3.13 Химические системы 1. Наименьшая структурная единица элемента, сохраняющая его химические свойства – это атом 1.1. В химических превращениях атом сохраняет свою индивидуальность 2. Хлор-35 и Хлор-37 являются изотопами 3. Индивидуальность химического элемента определяется зарядом ядра атома 4. Свойства химического элемента определяются электронным строением его атома 5. Согласно современной точке зрения, систематизация элементов по периодам периодической системы связана с числом энергетических уровней, по которым распределены электроны 5.1. Согласно современной точке зрения, систематизация элементов по подгруппам периодической системы связана с одинаковым электронным строением валентных подуровней 6. Молекула – это структурная единица вещества молекулярного строения 6.1. Молекула – квантово-механическая система, образованная в результате электромагнитного взаимодействия электронов и ядер нескольких атомов 7. Одной из отличительных особенностей молекул полимера является большая величина молекулярной массы 8. Теоретической основой систематизации химических элементов является периодический закон Д.И.Менделеева 8.1. Физический смысл периодического закона Д.И.Менделеева был вскрыт при создании современной теории строения атома 8.2. С современной точки зрения, систематизирующим фактором периодической системы Д.И.Менделеева является заряд ядра атома 9. Основоположником системного подхода в химии является Дж.Дальтон 10. Согласно атомно-молекулярному учению, в основе которого лежит принцип дискретного строения, вещество состоит из одинаковых молекул. Молекулы вещества состоят из атомов Атом – это квантово-механическая система, образованная в результате электромагнитного взаимодействия электронов и ядра Систематизирующий фактор, который был взят Менделеевым при разработке им периодической системы химических элементов – это атомная масса Изотопы – разновидности атомов одного химического элемента, имеющие одинаковый заряд, но разные массовые числа (т.е. разное число нейтронов) Наиболее верное определение, которое соответствует понятию полимеры: это высокомолекулярные соединения природного, синтетического или искусственного происхождения, обладающие особым комплексом физико-химических и механических свойств, которые отличают их от низкомолекулярных соединений 25 Система, состоящая из большой совокупности молекул одного вида, представляет собой вещество Соединение атомов в молекулы обусловлено химическим взаимодействием (электромагнитным) Определенный химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательных электронов, составляющих слой электронной оболочки атома Основная масса атома сосредоточена в его ядре Номер химического элемента в периодической таблице Менделеева связан с числом электронов. 3.14 Особенности биологического уровня организации материи Иерархическая организация живого: клетка – единица живого Иерархическая организация природных биологических систем: биополимеры – органы – клетки – ткани – органы – организмы – популяции – виды Иерархическая организация природных экологических систем: особь – популяция – биоценоз – биогеоценоз –экосистемы более высокого ранга (саванна, тайга, океан) – биосферы Химический состав живого: вода, ее роль для живой природы: - высокая полярность воды и, как следствие – химическая активность и высокая растворяющая способность - высокая теплоемкость воды, высокие теплоты испарения и плавления – основа для поддержания температурного гомеостаза живых организмов и регулирования тепла планеты - аномальная плотность в твердом состоянии – причина существования жизни в замерзающих водоемах - высокое поверхностное натяжение – жизнь на поверхности гидросферы, передвижение растворов по сосудам растений Химический состав живого: особенности органических биополимеров как высокомолекулярных соединений – высокая молекулярная масса, способность образовывать пространственные и надмолекулярные структуры, разнообразие строения и свойств Симметрия и асимметричность живого Хиральность молекул живого Открытость живых систем Обмен веществ и энергии Самовоспроизведение Гомеостаз как относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды живой системы Каталитический характер химии живого Специфические свойства ферментивного катализа: чрезвычайно высокие избирательность и скорость, главные причины которых – комплементарность фермента и реагента, высокомолекулярная природа фермента 1 Системность живого Неотъемлемое свойство живого – системный характер, или системность. Под биологической (живой) системой понимается совокупность взаимодействующих 26 элементов, которая образует целостный объект, имеющие новые качества, не свойственные входящим в систему качеств элементов. Таким образом, живой, целостной системе присущи следующие качества: а) множественность элементов, b) наличие связей между элементами и с окружающей средой, c) согласованная организация взаимоотношений элементов как в пространстве, так и во времени, направленное на осуществление функций системы. 2 Клетка Кле́тка — элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. 3 Иерархическая организация биологических систем Биологические системы организованы согласно определенной иерархии, от простого к сложному: биополимеры – клетки – ткани – органы – организмы – популяции – виды. Эта иерархия четко просматривается как на внутриклеточном (например, ген – ДНК – ядро), так и внеклеточном уровне. 4 Иерархическая организация природных экологических систем На уровне взаимоотношений отдельных организмов с окружающей средой и друг с другом начинаются экологические взаимодействия. Экологические системы также организованы в подчинении определенной иерархии: особь – популяция – биоценоз – биогеоценоз – экосистемы более высокого ранга (тайга, саванна, океан и т.п.) – биосфера. Таким образом, выделяют уровни организации живой материи, каждый из которых имеет свою элементарную единицу: а) Молекулярно-генетический. Элементарная единица – ген, b) Клеточный. Элементарная единица – клетка, c) Организменный (онтогенетический). Элементарная единица – отдельная особь (организм), d) Популяционно-видовой. Элементарная единица – популяция, e) Биоценотический. Элементарная единица – совокупность популяций, f) Биосферный. Элементарная единица – биогеоценоз. Совокупность биогеоценозов составляют биосферу и обуславливают все процессы, протекающие в ней. 5 Элементы - органогены Элементами органогенами или биогенными элементами называют химические элементы, составляющие основную часть органического вещества: углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор. 6 Макроэлементы К макроэлементам относят химические элементы, содержащиеся в организме в значительных количествах и потребность в которых у живых организмов высока. К ним относят элементы – органогены, а также калий, кальций, магний, натрий и хлор. 7 Микроэлементы Микроэлементами называются элементы, содержание которых в организме мало, но они участвуют в биохимических процессах и необходимы живым организмам. К главным микроэлементам относят бром, железо, йод, кобальт, марганец, медь, молибден, селен, фтор, хром, цинк. 8 Углерод Атом углерода - обладает способностью образовывать полимеры - соединяться в системы с разной структурой – в цепи и кольца, с которыми могут связываться атомы других элементов. Поэтому число соединений углерода на два порядка превышает число всех других соединений всех химических элементов, вместе взятых. Именно благодаря такому разнообразию соединений углерода оказывается возможным огромное разнообразие различных ферментов, гормонов и антител, а также нуклеиновых кислот. Оксид углерода 27 СО2 – представляет собой газ, который очень подвижен, благодаря чему углерод широко доступен биологическим объектам. Углерод способен связываться с другими атомами близких радиусов (с кислородом, азотом, серой), с образованием стабильных относительно непрочных связей, что приводит к формированию функциональных групп, которые обуславливают химическую активность органических соединений. Биологические полимеры состоят из целого набора органических молекул, зачастую различного состава (так например, белки состоят из различных аминокислот), имеют высокую молекулярную массу. Разные молекулы биополимеров, например белков, могут объединяться, образуя еще более сложные надмолекулярные комплексы. В связи с различием в составе и строении биополимеры проявляют самые разнообразные свойства. 9 Вода а) Молекула воды имеет малые размеры и полярна. В связи с этим, вода – лучший из известных растворителей, благодаря чему обеспечивается широкий набор химических веществ и их растворов, необходимых биологическим объектам. В воде растворяются кислоты, щелочи и соли, в результате образуются положительно и отрицательно заряженные ионы, что значительно увеличивает реакционную способность химических соединений, обеспечивающих функционирование биологических объектов. b) Удельная теплоемкость воды больше, чем у других жидкостей. Именно поэтому земные океаны способны поглощать и отдавать тепло в огромных количествах без существенного изменения температуры воды, а следовательно и атмосферы. Этим демпфирующим свойством – свойством тепловой инерции – обеспечивается относительное постоянство температуры окружающей среды, что чрезвычайно важно для оптимального протекания биологических процессов для существования живых организмов. c) Вода обладает способностью к аномальному расширению при замерзании: в отличие от большинства веществ, вода в твердом состоянии (лед) имеет меньшую плотность, чем жидкая, благодаря чему вода в твердой фазе – лед – не тонет в воде. В противном случае, лед накапливался бы на дне водоемов, что уменьшило бы запасы жидкой воды, столь необходимой биологическим объектам. d) Поверхностное натяжение воды выше, чем у других жидкостей (за исключением ртути), и поэтому она способна легко подниматься по капиллярам почвы и тканей растений, обеспечивая их жизнедеятельность. Кроме того, высокое поверхностное натяжение обеспечивает возможность обитания маленьких живых организмов на поверхностности водоемов. e) В сравнении с другими аналогичными соединениями, вода имеет низкую температуру плавления, что позволяет биологическим реакциям протекать в жидкой фазе в широком диапазоне температур, в том числе при достаточно высоких температурах, и следовательно, с высокой скоростью. f) У теплокровных организмов, благодаря воде, осуществляется гомеостаз – процесс поддержания постоянства внутренней среды живого организма. 10 Симметрия и асимметричность живого В живой природе огромное большинство живых организмов обнаруживает различные виды симметрий (формы, подобия, относительного расположения). Причем организмы разного анатомического строения могут иметь один и тот же тип внешней симметрии. У животных встречаются следующие типы симметрии: центральная, осевая, радиальная, билатеральная, двулучевая, поступательная, поступательно-вращательная. Внешняя симметрия может выступить в качестве основания классификации организмов. Асимметрия живого проявляется уже на молекулярном уровне: Все белки построены на основе левых стереоизомеров аминокислот. Молекулы стереоизомеры имеют одинаковый 28 атомный состав, одинаковые размеры, одинаковую структуру - в то же время они различимы, поскольку являются зеркально асимметричными, т.е. объект оказывается нетождественным со своим зеркальным двойником. Такое свойство молекул называют хиральностью. Хиральные молекулы обладают одинаковыми химическими свойствами, но различными оптическими свойствами. Каждое вещество может входить в состав живой материи только в том случае, если оно обладает вполне определенным типом симметрии. Молекулы аминокислот в любом живом организме могут быть только левыми, сахара только правыми стереоизомерами. Асимметрию можно рассматривать как разграничительную линию между живой и неживой природой. Для неживой материи характерно преобладание симметрии, при переходе от неживой к живой материи уже на микроуровне преобладает асимметрия. Симметрия лежит в основе вещей и явлений, выражая нечто общее, свойственное разным объектам, тогда как асимметрия связана с индивидуальным воплощением этого общего в конкретном объекте. 11 Основные свойства живых систем Живые системы обладают рядом общих признаков, которые их характеризуют. Ни один признак не является основным, отличие живого от неживого определяет совокупность всех признаков: а) Единство химического состава. Хотя в состав живых систем входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы, соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. В живых организмах ~ 98% химического состава приходится на шесть элементов: кислород (~62%), углерод (~20 %),водород (~10%), азот (~3%), кальций (~2.5%), фосфор (~1%). Кроме того, живые системы содержат совокупность сложных биополимеров, которые неживым системам не присущи. b) Открытость живых систем. Живые системы – открытые системы. Живые системы используют внешние источники энергии в виде пищи, света и т.п. Через них проходят потоки веществ и энергии, благодаря чему в системах осуществляется обмен веществ метаболизм. c) Саморегуляция – свойство живых систем автоматически устанавливать и поддерживать на определенном уровне те или иные физиологические (или другие) показатели системы. d) Самоорганизация – свойство живой системы приспособляться к изменяющимся условиям за счет изменения структуры своей системы управления. e) Самоуправление – свойство живых систем самостоятельно вырабатывать управляющие факторы в процессе переработки информации, которой живая система обменивается с внешней средой. f) Самовоспроизведение - свойство живых систем воспроизводить себе подобных. g) Изменчивость - свойство живых систем приобретать новые признаки и свойства. Это явление противоположно наследственности и играет роль в процессе отбора организмов, наиболее приспособленных к конкретным условиям. h) Способность к росту и развитию. Рост - увеличение в размерах и массе с сохранением общих черт строения; рост сопровождается развитием - возникновением новых черт и качеств. i) Раздражимость живых систем. Раздражимость связана с передачей информации из внешней среды к живой системе и проявляется в виде реакций системы на внешние воздействия. j) Целостность и дискретность. Живая система дискретна, так как состоит из отдельных, но взаимодействующих между собой частей, которые в свою очередь также являются живыми системами. Вместе с тем живая система целостна, поскольку входящие в нее элементы обеспечивают выполнение своих функций не самостоятельно, а во взаимосвязи с другими элементами системы. 12 Гомеостаз 29 Гомеостаз - способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Гомеостаз выступает в роли фундаментальной характеристики живых организмов и понимается как поддержание внутренней среды в допустимых пределах. 13 Фермент Ферменты - белковые молекулы или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах. Реагенты в реакции, катализируемой ферментами, называются субстратами, а получающиеся вещества — продуктами. Ферменты специфичны к субстратам: фермент взаимодействует только со своим субстратом и не способен катализировать иные реакции. 4.15 Динамические и статистические закономерности в природе В естествознании известны два типа теорий – динамические и статистические. Одно из основных положений научного метода состоит в том, что мир предсказуем – т.е. для данного набора обстоятельств есть только один возможный (и предсказуемый) исход. Основной линией раздела между обоими видами теорий является их подход к описанию исходного и некоторого последующего состояния системы (хотя, безусловно, есть различия и в описании (расчете) путей от исходного состояния к последующим). Выяснение различия между подходами к описанию состояния системы и является главной задачей этого раздела. Исторически, первыми появились динамические теории. Лучшим примером динамической теории является механика Ньютона. Если применить закон механики к любой планете Солнечной системы и запустить планету с заданного места с заданной скоростью, то можно предсказать ее местоположение, скорость и ускорение в любой момент времени в будущем. Применив эти же законы к полету камня, брошенного с заданной скоростью, можно рассчитать траекторию движения камня, и она, согласно теории, может быть только такой, какой она была вычислена. Из однозначного характера закономерностей, в классической механике вытекает представление о жесткой детерминированности (предопределенности) множества событий в природе. Успехи ньютоновской механики были столь впечатляющими, что французский механик П.Лаплас (XVIII век) сформулировал представление, впоследствии получившее наименование классического лапласовского детерминизма. Суть лапласовского детерминизма можно в общем сформулировать в следующем виде: дайте мне начальные условия для всех объектов во Вселенной, и я, с помощью законов механики, предскажу дальнейшее (можно и предшествующее) развитие событий. Вышесказанное позволяет кратко представить основные посылки механистического детерминизма: - возможна единственная траектория движения материальной точки при заданном начальном состоянии - принятие лапласовской концепции о полной выводимости всего будущего (и прошлого) Вселенной из современного состояния с помощью законов механики. Динамические теории – это все теории, которые, подобно ньютоновской механике, позволяют по известным взаимодействиям и начальному состоянию однозначно предвычислить будущее состояние системы. Долгое время считалось, что никаких других законов кроме динамических не существует. Если же какие-то явления и процессы не вписывались в, предусмотренные динамическими законами, рамки, т.е. не могли быть описаны абсолютно точно с помощью определенного набора величин, то, делался вывод о недостатке наших познавательных 30 способностей. Однако, проблема соответствия или несоответствия явлений и процессов динамическим ториям оказалась намного сложнее, чем оценка достаточности или недостаточности наших познавательных способностей. Рассмотрим следующий наглядный пример. В XIX веке было обещано вознаграждение тому, кто первым сможет ответить, стабильна ли наша Солнечная система. Вопрос о стабильности можно переформулировать: если бы вы могли оказаться в далеком будущем, увидели бы вы все планеты точно там, где они находятся сегодня, так же расположенными и движущимися с теми же скоростями? На этот вопрос нельзя ответить однозначно, поскольку в Солнечной системе восемь планет, не считая их спутников, астероидов и комет, у которых есть свои собственные маленькие спутники с неизвестными нам орбитами. Хотя Солнечная система и приводится как показательный пример часового механизма Вселенной и принципа детерминизма, но ее будущее, на сегодняшний день, нельзя точно предсказать. Пример Солнечной системы показывает, что даже для систем, казалось бы полностью детерминистических в классическом механистическом смысле, возможность делать точные предсказания неочевидна. Начиная с XVIII века, рядом ученых разрабатывалась программа исследований, по окончательное оформление которой в теорию получило название – молекулярнокинетическая теория газов. В рамках этой теории устанавливалась связь макроскопических параметров в газе – температуры и давления со скоростями движения микроскопических тел (молекул или атомов). Движение молекул рассчитывалось по уравнениям ньютоновской механики, в рамках которой, молекулы представлялись как материальные точки. В первоначальной версии, т.е. в элементарной молекулярнокинетической теории, делалось грубое предположение, что все молекулы в замкнутом сосуде имеют одинаковые скорости. Это явное противоречие с реальностью было устранено Дж. Максвеллом, который в 1866 году вывел закон распределения молекул по скоростям, и такое распределение молекул позволяло удовлетворить закон сохранения энергии при отдельных соударениях частиц. Таким образом, Максвелл охарактеризовал состояние системы молекул не полным набором значений координат и скоростей всех частиц (что, вообще, практически сделать невозможно), а вероятностью того, что эти значения лежат внутри определенных интервалов. Так в физику впервые, хотя и неявно, пришли понятия теории вероятности, приведшие к чисто статистическим закономерностям. Дальнейшее развитие естествознания показало, что большая часть, происходящих в природе процессов, не может быть описана теориями динамического типа, а описывается теориями статистического типа. Статистические законы – это форма причинной связи, при которой данное (начальное) состояние системы определяет все ее последующие состояния не однозначно, а с определенной вероятностью. Статистические законы позволяют определить лишь спектр возможных значений параметров системы и вероятность того, что этот или иной параметр системы примет данное конкретное значение, а также однозначно рассчитать средние значения параметров системы. Соответствие динамических и статистических теорий. История развития науки показывает, как первоначально возникшие динамические теории сменяются статистическими, описывающими тот же круг явлений в макроскопических системах, в которых не рассматривают поведение отдельных элементов этой системы (например, единичной молекулы в газе) и изменения их характеристик, а оперируют величинами, характеризующими систему в целом, т.е. макропараметрами (например, давление в газе, плотность газа и т.д.). таким образом, можно сказать, что динамические теории строятся на основании усреднения законов поведения громадного числа частиц в 31 равновесных (или слаборавновесных) условиях, и не учитывают вариации, полученных на основании этих теорий, результатов, которые бы изменялись под влиянием на систему окружающей ее среды. В реальных процессах всегда происходят неизбежные отклонения – флуктуации. Флуктуации – это случайные отклонения параметров системы (или всей системы) от средних значений параметров (или среднего, т.е. наиболее вероятного состояния системы). Когда флуктуации значительны, в сложных системах с большим числом элементов, которые к тому же зависят от постоянно меняющихся внешних условий, статистические законы глубже и точнее описывают исследуемые процессы. Главное отличие статистических законов от динамических – в учете случайного (флуктуаций). В современном естествознании законы динамического типа сочетаются с законами статистического типа. Законы динамического типа используются для систем и процессов, в которых допустимо пренебречь влиянием реально существующих случайных факторов. Если же этого сделать нельзя, то применяют статистические теории, которые дают более глубокое, детальное и точное описание реальности. Резюмируем все вышесказанное. Состояние системы в естественных науках может задаваться: - значениями измеряемых величин, характеризующих эту систему, на данный момент времени - вероятностями, с которыми та или иная величина, характеризующая систему, принимает заданные значения. Динамические научные теории: - описывают состояние системы значениями измеряемых величин, характеризующих систему - позволяют точно рассчитать и однозначно предсказать значения физических величин, характеризующих изучаемую систему, на данный момент времени (на любой момент времени) - не учитывают и не позволяют описывать флуктуации – случайные отклонения системы от наивероятнейшего состояния - не используют аппарат теории вероятности. Статистические научные теории: - позволяют рассчитывать и предсказывать лишь вероятность того, что величина, характеризующая систему, примет то или иное значение - описывают состояние системы на языке вероятностей, с которыми та или иная величина, характеризующая систему, принимает заданные значения - позволяют точно и однозначно рассчитать средние значения физических величин, характеризующих изучаемую систему - позволяют рассчитать характерную величину флуктуаций случайных отклонений системы от ее наивероятнейшего состояния - учитывают случайные отклонения от нормы - описывают вероятное поведение систем, состоящих из огромного числа элементов. Соответствие между динамическими и статистическими законами: - динамической теории соответствует более точный статистический аналог, который полнее и глубже описывает реальность - статистическая теория всегда описывает более широкий класс явлений, чем ее динамический аналог - статистические законы более полно и глубоко отражают объективные связи в природе, т.к они учитывают реально существующую в мире случайность - классическая механика Ньютона (динамическая теория) является приближением квантовой механики (статистической теории) при описании движения макрообъектов 32 - все фундаментальные статистические теории содержат в качестве своего приближения соответствующие динамические теории при условии, что можно пренебречь случайностью. Динамическими теориями являются: - механика - электродинамика - термодинамика - теория относительности Статистическими теориями являются: - молекулярно-кинетическая теория газов - квантовая механика, другие квантовые теории - эволюционная теория Дарвина Основные понятия статистических теорий: - случайность (непредсказуемость) - вероятность (числовая мера случайности) - среднее значение величины - флуктуация – случайное отклонение системы от среднего (наиболее вероятного состояния). 4.16 Концепции квантовой механики Квантовая механика изучает законы поведения микрочастиц (атомов, элементарных частиц и т.д.) М.Планк (изучая тепловое движение тел, 1900г.): атомы излучающего тела отдают электромагнитную энергию порциями (квантами), причем энергия одного кванта E пропорциональна частоте излучения : E h ( h 6, 63 1034 Дж с – постоянная Планка). А.Эйнштейн (изучая явления фотоэффекта, 1905г): свет не только излучается, но распространяется и поглощается квантами (кванты света – фотоны, существуют только в движении). А.Эйнштейн (1909г): свет одновременно обладает и корпускулярными (квантовыми) и волновыми (электромагнитными) свойствами. Т.е. свету присущ корпускулярно-волновой дуализм (двойственность). Л де Бройль (1924г) сформулировал универсальный корпускулярно-волновой дуализм: каждый микрообъект проявляет себя одновременно и как частица (имеющая импульс и энергию) и как волна (с частотой и длиной волны). Де Бройлю удалось сформулировать соотношение, связывающее импульс квантовой h h h частицы p mV с длиной волны, которая ее описывает ( p или ). p mV Экспериментальное подтверждение наличия волновых свойств микрочастиц (К.Дэвиссон, Л.Джермер, 1927г) привело к выводу о том, что это универсальное явление природы, общее свойство материи. Следовательно, волновые свойства должны быть присущи и макроскопическим телам. Однако, волновые свойства макротел (и в частности, человеческого тела) не могут быть экспериментально обнаружены. Это объясняется тем, что длина волны (обратно пропорциональная массе объекта, согласно отношению Де Бройля) при большой массе столь мала, что ее обнаружение лежит за пределами возможности экспериментальной техники. Мысленный эксперимент «микроскоп Гейзенберга» 33 В классической физике, построенной на ньютоновских принципах и применяемой к объектам макромира, принимается, что процесс измерения не влияет на измеряемые свойства объекта. Однако, так ли обстоит дело в микромире, позволяет понять следующий мысленный эксперимент: чтобы точно определить положение электрона в пространстве, необходимо направить на него электромагнитную волну, «осветить» его и посмотреть в некий сверхсильный «микроскоп». Но при этом сам микрообъект (например, электрон), являющийся объектом излучения, в результате взаимодействия, с направленным на него другим микрообъектом (квантом света – фотоном), изменит свое положение в пространстве. Таким образом, сам факт замера приводит к изменению положения измеряемого объекта, и неточность измерения обуславливается самим фактом проведения измерения, а не степенью точности используемого измерительного прибора. Этот мысленный эксперимент, отражающий тот факт, что измерение невозможно без взаимодействия, взаимодействие – без воздействия на измеряемый объект и, как следствие, искажение результатов измерения, позволил В.Гейзенбергу (1927г) сформулировать принцип неопределенности (соотношение неопределенности): h x p h ( x V т.к. p mV ) здесь x - неопределенность (погрешность m измерения) пространственной координаты микрочастицы, p (или V ) – неопределенность импульса (или скорости) частицы, m - масса частицы, h - постоянная Планка. Принцип неопределенностей касается и других характеристик микрочастиц. Еще одна такая взаимосвязанная пара – это энергия и время протекании квантовых процессов. Принцип Гейзенберга играет в квантовой механике ключевую роль, хотя бы потому, что достаточно наглядно объясняет, как и почему микромир отличается от знакомого нам макромира. Принцип неопределенности говорит о том, что если бы нам удалось абсолютно точно установить местоположение квантовой частицы, о ее скорости мы бы не имели ни малейшего представления; если бы нам удалось точно зафиксировать скорость частицы, мы бы не имели понятия, где она находится. Однако, принцип неопределенности не утверждает, что у квантовых частиц отсутствуют определенные координаты и скорости (или что эти величины абсолютно непознаваемы) – он утверждает лишь, что мы не в состоянии достоверно узнать и то и другое одновременно. Принцип дополнительности Бора (1927г) Соотношение неопределенностей является конкретным выражением более общего положения – принципа дополнительности Бора. Квантовомеханический принцип дополнительности: результаты, полученные в разных экспериментах, не могут быть связаны в единую картину, но они необходимы для исчерпывающего описания квантового объекта. В дальнейшем Бор придал принципу дополнительности широкий философский смысл: полное понимание свойств любого объекта исследования требует дополняющих взглядов на него с разных, несовместимых между собой, точек зрения. Статистический характер квантового описания природы. Из-за принципа неопределенностей, описание объектов квантового микромира носит иной характер, нежели привычное описание объектов ньютоновского макромира. Вместо пространственных координат и скорости, которыми привыкли описывать механическое движение, в квантовой механике объекты описываются, так называемой, волновой функцией. Гребень «волны» соответствует максимальной вероятности нахождения частицы в пространстве в момент измерения. Движение такой волны описывается уравнением Шрёдингера, которое и говорит нам, как изменяется со временем состояние квантовой системы. 34 Принципиальные отличия квантовой механики от классической механики заключаются прежде всего в том, что: - ее законы являются статистическими по своей природе - ее предсказания имеют вероятностный характер Резюмируем все вышесказанное: - в классической механике можно точно вычислить значения координат и скорости объекта - в квантовой механике можно вычислить лишь вероятность того или иного значения координат, скорости и энергии частицы в заданный момент времени - состояние системы в классической механике задается координатами и скоростями всех материальных точек системы - состояние объекта (или системы объектов) в квантовой механике задается волновой функцией объекта (или системы объектов) - корпускулярные свойства света легче наблюдать, когда его длина волны достаточно мала - волновые свойства человеческого тела затруднительно наблюдать ввиду его большой массы покоя - если в данном квантовом состоянии физические величина Х не имеет определенного значения, это означает, что можно предсказать лишь вероятность того или иного результата измерения Х - при взаимодействии макроскопического измерительного прибора с квантовым объектом, в процессе измерения изменяется состояние измеряемого квантового объекта. Принцип дополнительности Бора (в узком квантовомеханическом смысле): - результаты, полученные в разных экспериментах, не могут быть связаны в единую картину, но они необходимы для исчерпывающего описания квантового объекта - все величины, характеризующие объект, можно разделить на такие группы, что измерение величин из одной группы делает невозможным или неточным измерение соответствующих величин из другой группы - дополнительные физические величины всегда связаны тем или иным соотношением неопределенности - дополнительными величинами являются: координаты и импульс; энергия и время - при точном измерении физической величины невозможно измерить точно дополнительную ей величину (это следует из принципа неопределенности) - принцип дополнительности отражает невозможность невозмущенных измерений (это следует из принципа неопределенности). Принцип дополнительности Бора (в широком философском смысле): - полное понимание свойств любого объекта исследования требует взгляда на него с разных, несовместимых, дополняющих друг друга точек зрения - исследование реальности всегда сопровождается ее изменением, а результат исследования зависит от того как оно выполняется - значение принципа дополнительности состоит в том, что он подчеркивает равноценность разных, в том числе несовместимых точек зрения - однозначно, одним методом невозможно описать явление, объект или субъект – необходимо привлечь дополнительные представления - никакое отдельное знание о предмете не может быть самодостаточным, требуется дополнение в лице других наук. Примеры проявления принципа дополнительности (в широком смысле): - культура как цельность ее научной и гуманитарно-художественной составляющей - человек как цельность его биологического и социального начал - естественнонаучная и гуманитарная культуры – это два, взаимодополняющих друг друга, способа постижения мира человека 35 - взаимоотношения между объектом исследования и исследователем являются одним из примеров принципа дополнительности - биологическая и социальная сущности в человеке – это две, дополняющие друг друга, характеристики - соотношения между хаосом и порядком в процессе самоорганизации материи являются одним из примеров действия принципа дополнительности - анализ и синтез – два метода научного познания, которые связаны друг с другом по принципу дополнительности. 4.17 Принцип возрастания энтропии Энергия (общая мера различных форм движения и взаимодействия всех видов материи): энергия тела(системы)-это способность тела(системы) совершать работу. Различные виды энергии: -механическая (энергия движения макроскопических тел) -электрическая(энергия возникшая в результате движения электронов между атомами) -химическая(энергия, вызываемая движением электронов внутри атомов) -ядерная или атомная (энергия обусловленная взаимодействиями внутри атомов и ядер атомов) -тепловая(энергия беспорядочного движения молекул и атомов) Изолированные (закрытые) системы - это системы, которые не могут обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Если могут-то это открытые системы. Необратимые процессы - это процессы, в которых невозможно вернуть систему в исходное состояние без вмешательства извне, т.е. такие процессы могут самопроизвольно протекать в одном определенном направлении. Вечный двигатель первого рода - воображаемая машина, которая будучи раз запущена в ход, совершала бы работу неограниченно долгое время, не заимствуя энергию извне. Вечный двигатель второго рода - воображаемая машина, которая целиком превращала бы в работу теплоту, извлекаемую ею из окружающих тел. Первое начало термодинамики: теплота сообщаемая телу, расходуется на увеличение его внутренний энергии и на совершение этим телом работы. Закон сохранения энергии (обобщающий первое начало термодинамики):суммарная энергия изолированной системы не изменяется. Из этого закона следует невозможность создания вечного двигателя первого рода. Второе начало термодинамики. Этот закон термодинамики имеет как минимум три равноправные формулировки. Все они логически эквиваленты между собой и из любой формулировки второго начала математически выводятся две другие. Первая формулировка 2 начала: Невозможна самопроизвольная передача тепла от холодного тела к теплому. Это же можно выразить следующим образом: теплообмен направлен от горячего к холодному. Этот закон говорит о направленности физических процессов. Вторая формулировка 2 начала: Никакой двигатель не может преобразовать теплоту в работу со стопроцентной эффективностью. Эту же формулировку можно трактовать как невозможность создания вечного двигателя второго рода. Прежде чем приведем третью формулировку, введем понятие энтропии. Энтропия: 36 1) Энтропия-это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия, тем хаотичнее движении материальных частиц, составляющих систему. Соответственно, повышая упорядоченность системы, энтропия уменьшается. 2) Энтропия-это мера некачественности энергии. Чем больше энтропия системы (т.е. система хаотичней), тем меньше полезной работы та может произвести при заданном запасе энергии, т.к. энтропию можно рассматривать и как количественную меру той теплоты, которая не переходит в работу. 3) Энтропия-это мера необратимого рассеяния энергии. 4)Энтропия является мерой отсутствия порядка в системе, мерой ее бесструктурности, мерой отсутствия информации, необходимой для управления системой. Третья формулировка 2 начала: В изолированной системе энтропия не может убывать. Это формулировка предполагает, что в закрытых системах энтропия может только возрастать и достигнув своего максимума в состоянии теплового равновесия системы, далее она не изменяется. Эта формулировка (энтропия возрастает) предполагает, что в закрытых системах предоставленных самим себе, первоначальный порядок спонтанно переходит в беспорядок и приводит к разрушению первоначальных структур. Второе начало термодинамики называют также - законом рассеяния энергии. Второе начало термодинамики (ее 3 формулировка) неприменима к открытым системам. В открытых системах энтропия может, как увеличиваться - при подводе тепла извне, так и уменьшаться - при теплоотдаче в окружающую среду. Состояние живых систем (в частности организм) в любой момент времени характерно тем, что элементы системы постоянно разрушаются и строятся заново. Этот процесс называется биологическим обновлением. Для обновления элементов в живых организмах требуется постоянный приток извне веществ и энергии, а также отвод во внешнюю среду тепла и продуктов распада. Так как живые системы являются открытыми системами , то такой взаимообмен с окружающей средой происходит и поэтому живые организмы в процессе своего развития, непрерывно, за счет обмена веществ, создают из менее упорядоченных систем более упорядоченные и их энтропия уменьшается. В течении времени жизни организма его элементы постепенно подвергаются распаду и переходя к концу жизни энтропия организма возрастает. Резюмируем вышесказанное: 1.Энтропия - физическая величина, поскольку она характеризует превращение энергии. 2.Энтропия может служить: -мерой беспорядка и бесструктурности -мерой некачественности энергии системы -индикатором направления времени -количественной мерой той теплоты, которая не переходит в работу. 3. Возможные формулировки второго начала термодинамики: -с течением времени структуры в замкнутой системе разрушаются -с течением времени энтропия замкнутой системы возрастает -теплота самопроизвольно переходит только от горячего тела к холодному -это закон рассеяния энергии 4. Закон роста энтропии применим лишь к замкнутым системам, и не противоречит выводам биологии (об уменьшении энтропии), имеющим дело с открытыми системами 5. В процессе развития организма (являющимся открытой системой), энтропия может и увеличиваться, и уменьшаться 6 . Энтропия незамкнутой системы (открытой системы) может, как возрастать, так и убывать 7. Качество любой формы энергии определяется легкостью ее превращения в другие формы энергии 8. Самая некачественная форма энергии это тепловая при низкой температуре 37 9. При воздействии на систему извне (т.е. система открыта), можно повысить совершенство системы, степень ее упорядоченности. При этом энтропия системы уменьшается 10. Выброс энергии с Земли в космическое пространство всегда был гораздо меньше, чем поступление ее от Солнца плюс производство на Земле. 4.18 Закономерности саморегуляции. Принципы универсального эволюционизма Синергетика: - область научных исследований коллективного поведения частей сложных систем, связанных с неустойчивостями и касающихся процессов самоорганизаций. - является теорией самоорганизации в природных и социальных системах. - междисциплинарная универсальная теория самоорганизации процессов самой разной природы. Возникла на стыке физики, биологии и других наук. Самоорганизация: - спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного действия многих подсистем. - необратимый процесс спонтанного возникновения порядка и организации из хаоса и беспорядка в открытых неравновесных системах. - при самоорганизации энтропия системы уменьшается за счет обмена энергией и веществом с окружающей средой. Объектами исследования синергетики могут быть системы, которые удовлетворяют следующим необходимым условиям, т.е. системы должны быть: - открытыми - нелинейными - диссипативными - неравновесными Нелинейные системы – это системы , для которых даже малые изменения в исходном состоянии приводят к быстронарастающему отклонению ее от исходного состояния. В этом проявляется неустойчивость системы. Диссипативные системы – способные рассеивать (перераспределять) энергию. К диссипативным системам относится любой живой организм. Неравновесные системы – системы в которых присутствуют неоднородность в пространстве того или иного макропараметра (например, наличие в системе перепадов температур, давления, концентрации химических веществ и др.) Признаками неравновесности системы является перетекание в ней потоков веществ, энергии и др. Большинство реально существующих систем – это открытые неравновесные системы. Процесс самоорганизации характеризуется переходом системы из одного состояния в принципиально новые более упорядоченные состояния. Для возникновения упорядочения в системах необходим приток энергии и ее диссипация в системе. За счет энергии поступившей извне возникает некая обобщенная движущая сила (например, перепад давления, перепад концентраций вещества и т.п.) Под действием этой силы система из равновесного или слаборавновесного состояния постепенно переходит к неравновесному состоянию, система становится нелинейной и возникшие флуктуации начинают играть все более заметную роль. В конце концов, наступает момент времени – точка бифуркации, когда система становится перед выбором одного из нескольких принципиально возможных состояний. Этот выбор возможных состояний носит непрогнозированный вероятностный характер. После осуществления выбора, система становится более упорядоченной, по сравнению с исходной, а ее поведение прогнозируемой . Если движущая сила будет увеличиваться, то система может придти к новой точке бифуркации и т.д. 38 Точка бифуркации (точка ветвления) – критическое состояние системы, при котором она становится неустойчивой относительно флуктуаций и возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый более высокий уровень упорядоченности. В масштабе Вселенной самоорганизация проявляется в эволюции космологических сильно неравновесных систем. Процессы самоорганизации имеют место и при формировании геологического облика Земли (геологическая эволюция). Живой организм, биологический вид, популяция, экосистема и биосфера представляют собой открытые системы, далекие от равновесия, которые характеризуются определенной упорядоченностью. К процессам самоорганизации относятся: - кооперативное поведение насекомых - эффекты самодостраивания (регенерация живых тканей) - интуиция в процессе мышления - вся жизнь на Земле, а также ее возникновение. Примерами самоорганизации могут служить: - ячейки Бенара : возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом температуры, т.е. равномерно подогреваемых снизу. - реакция Белоусова-Жаботинского – класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и др.) изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды. - лазер (переход лазера в режим генерации) : при накачке энергии лазер работает как обычная лампа, причем микроскопические ячейки, подобно антеннам, излучают свет независимо друг от друга. При определенном значении энергии антенны начинают работать самостоятельно в одной фазе, что приводит к мощному излучению. Таким образом, происходит скачкообразный переход к новому качественному состоянию. - возникновение кристаллов в достаточно концентрированном растворе Пороговый характер (внезапность) явлений самоорганизации: К закономерностям самоорганизации в любой системе относится внезапность, быстрота формирования диссипативной структуры,т.к.развитие кризисной ситуации достигается быстрым переходом диссипативной системы на новый более высокий уровень упорядоченности. При самоорганизации происходит ; - синхронизация частей системы - понижение энтропии системы - повышение энтропии окружающей систему среды Универсальный эволюционизм, его причины (положения): - все существует в развитии -развитие есть чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций) - законы природы как принцип отбора допустимых состояний из всех мыслимых - фундаментальная и неустранимая роль случайности и неопределенности - непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации : прошлое влияет на настоящее и будущее, но не предопределяет его - устойчивость и надежность природных систем, как результат их постоянного обновления - эволюция Вселенной и ее структур обусловлены ее собственными законами, действующими объективно и познаваемыми рационально - Вселенная существует и может существовать лишь в развитии Приведем несколько положений, следующих из вышеизложенного : 39 - общие закономерности самоорганизации изучают синергетика, неравновесная термодинамика - примерами самоорганизации систем могут служить: а) возникновение кристаллов б) генерация лазерного излучения в) возникновение ячеек Бенара г) колебательные реакции Белоусова-Жаботинского д) популяции е) планета Земля ( геологическая эволюция) - в точке бифуркации: а) система пребывает в критическом состоянии, переход из которого осуществляется скачком б) неоднозначен выбор пути дальнейшего развития - поведение системы вблизи точки бифуркации: а) по мере приближения к точке бифуркации флуктуации в системе нарастают б) элементы возникающие в точке бифуркации упорядоченной структуры формируются из флуктуаций, случайно возникших до точки бифуркации - состояние, когда человек тяжело болен и имеются варианты развития: либо выздороветь либо умереть, либо болезнь примет хроническую форму – и есть точка бифуркации - в ходе самоорганизации системы: а) в системе происходит превращения хаоса в порядок и энтропия системы уменьшается б) в окружающей среде системы увеличивается беспорядок и ее энтропия возрастает 5.19 Космология (мегамир) Космология – это наука о Вселенной в целом, ее свойствах, структуре, эволюции. Космологические представления Аристотеля: - Вселенная ограничена сферой на которой находятся звезды. За этой сферой ничего нет. В центре Вселенной – земля. - шарообразная Вселенная неоднородна: в подлунном мире все состоит из земли, воды, воздуха, огня; в надлунном мире вплоть до ограничивающей сферы все заполнено гипотетическим эфиром. Геоцентрическая система Птолимея ( развитие идей Аристотеля): В центре Вселенной сферическая Земля, а вокруг нее обращаются Луна, Солнце, планеты по сложной системе окружностей – «эпициклов», «деферентов», и, наконец, все это было заключено в сферу неподвижных звезд. Гелиоцентрическая система Коперника: в центре мира неподвижное Солнце, вокруг которого обращаются планеты (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутоний) Ньютоновская космология (в ее основе лежит система Коперника) : Вселенная – безграничная, бесконечная, однородная, неизменная. Вселенная Эйнштейна: однородна, изотропна и равномерно заполнена материей, преимущественно в форме вещества. Космологическая модель Фридмана: основана на уравнениях, выведенных из общей теории относительности и описывает нестационарную эволюцию Вселенной. Выводы из модели Фридмана указывали на то, что материя в однородной и изотропной Вселенной не может находиться в покое – Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться. Если плотность материи меньше некоторого критического значения, то гравитационное притяжение будет слишком мало, чтобы остановить расширение. Если же плотность материи больше критической, то в какой-то момент в будущем из-за 40 гравитации расширение Вселенной прекратиться и начнется сжатие. В этом случае Вселенную ожидает коллапс, в результате которого вновь образуется сгусток, возникнут условия для нового Большого Взрыва и последующего потом расширения. Следовательно, Вселенная может пульсировать между состояниями максимального расширения и коллапса. Это и есть модель пульсирующей Вселенной. Наблюдаемая часть Вселенной (метагалактика) представляется с Земли: - однородной и изотропной на больших масштабах (более 200 мегапарсек) - сильно неоднородной на меньших масштабах Спектральный анализ является одним из основных методов исследования Вселенной : он позволяет на основе анализа, пришедшего из космоса света, установить количественный и качественный состав небесных тел, их температуру, скорость движения по лучу зрения и т.п. Химический состав Вселенной полученный на основе спектрального анализа более чем на 99 % - водород и гелий и в незначительных количествах все остальные элементы. Из модели однородной изотропной Вселенной, при ее расширении должно наблюдаться удаление Галактик от Земли. Однако астрономы могут наблюдать только так называемое «красное смещение». Связь между «красным смещением» и скоростью удаления Галактик устанавливается с помощью эффекта Доплера (изменение частоты и длины волны излучения, регистрируемое приемником, в результате движение источника или движения приемника). Если источник света приближается к наблюдателю, то длина видимой им волны укорачивается, и он наблюдает так называемое фиолетовое смещение ( из всех видимых цветов гаммы светового спектра фиолетовому соответствуют самые короткие длины волн). Если же источник света удаляется, то происходит кажущееся смещение в сторону красной части спектра (удлинение волн). В 1929 году Э.Хаббл с помощью телескопа оснащенного приборами спектрального анализа обнаружил, что свет, идущий от Галактик, которые он наблюдал, смещался в красную часть цветового спектра видимого света. Это говорило о том, что наблюдаемые Галактики удаляются, «разбегаются» от наблюдателя. Эффект «красного смещения» был использован Хабблом для измерения расстояния до галактик и скорости их удаления. Закон Хаббла: Скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию до них. Т.е. чем дальше Галактика, тем она удаляется быстрее. Коэффициент пропорциональности в этом законе называется постоянной Хаббла. В 1998 году появились наблюдения, которые убедительно показывают, что Вселенная расширяется не с замедлением, а с ускорением. Возраст Вселенной по современным оценкам 12-15 млрд. лет. Модель «Большого Взрыва» (Г.Гамов, 1948 г.) 1. «Исходное начало» Вселенной было представлено сверхплотным и сверхгорячим состоянием. 2. Это состояние возникло в результате предыдущего сжатия всей материальноэнергетической составляющей Вселенной. 3. Этому состоянию соответствовал чрезвычайно малый объем. Состояние Вселенной, когда все вещество Вселенной в начальный момент сосредоточенно в крайне небольшом объеме с бесконечно высокой плотностью, называется сингулярным. 4. Энергия – материя, которая достигнув некоторого предела плотности и температуры в этом сингулярном состоянии, взорвалась, произошел Большой Взрыв (речь идет не о обычном взрыве). 5. Большой Взрыв придал определенную скорость движения всем фрагментам исходного физического состояния до Большого Взрыва. 6. Поскольку исходное состояние было сверхгорячим, то расширение должно сохранить остатки этой температуры, по всем направлениям расширяющейся Вселенной, в виде так называемого реликтового излучения. 41 В 1964 г. Было обнаружено реликтовое излучение. Излучение этого фона дали температуру 2,7 К, что достаточно близко к предсказанной Гамовым 10 К. Обнаруженное реликтовое излучение является подтверждением модели Большого Взрыва. Последовательность стадий эволюции Вселенной : инфляционное расширение – рождение вещества – формирование звезд первого поколения – образование элементов тяжелее гелия. Антропный принцип – устанавливает зависимость человека, как сложной системы и космического существа, от физических параметров Вселенной (в частности, от фундаментальных физических постоянных – постоянной Планка, скорости света, массы протона и электрона и др.). Физические расчеты показывают, что если бы изменилась хотя бы одна из фундаментальных постоянных (при неизменности других параметров и сохранении всех физических законов), то стало бы невозможным существование тех или иных физических объектов – ядер, атомов и т.д. Например, если уменьшить массу протона на 30% , то в нашем физическом мире отсутствовали бы любые атомы, кроме атома водорода, а тем самым отсутствовала бы сама жизнь. Согласно антропному принципу: факт существования во Вселенной сложно устроенного наблюдателя (человека разумного) накладывает сильные ограничения на параметры. Антропный принцип применяется в слабом и сильном вариантах: - слабый антропный принцип: фундаментальные константы таковы, какими их видит наблюдатель. Т.е. на свойства Вселенной накладываются ограничения наличием нашей разумной жизни. То, что наблюдают астрономы, зависит от присутствия наблюдателя. - сильный антропный принцип : свойства Вселенной должны быть такими, чтобы в ней обязательно была жизнь. Т.е. значения фундаментальных констант находятся в таких пределах, чтобы существовал наблюдатель. Согласно космологическим моделям: - происхождение легких химических элементов (вплоть до железа) связано с термоядерными реакциями внутри звезд (в недрах стабильных звезд). - образование тяжелых химических элементов (тяжелее железа) происходит в результате взрыва звезд. Резюмируем некоторые положения: - модель расширяющейся Вселенной подтверждается открытием Хабблом пропорциональности между скоростью разбегания галактик и расстоянием до них - модель Большого Взрыва подтверждается обнаружением реликтового излучения (т.е. микроволнового фонового излучения) - оба вышеприведенных наблюдательных факта свидетельствуют и в пользу конечного возраста Вселенной - сменится ли расширение Вселенной ее сжатием, в модели Фридмана зависит только от средней плотности материи во Вселенной - в последние годы 20 века и начала 21 века экспериментально обнаружено, что Вселенная расширяется с ускорением - наиболее общепринятой моделью Вселенной в современной космологии является модель однородной, изотропной горячей нестационарно расширяющейся Вселенной - современная космология строит модели Вселенной на основе общей теории относительности Эйнштейна - согласно модели Большого Взрыва: все вещество Вселенной в начальный момент было сосредоточено в небольшом объеме (бескончно малом) с бесконечно высокой плотностью. Такое состояние Вселенной называется сингулярностью. 5.20 Геологическая эволюция Земля: 42 - третья по дальности от Солнца планета - находится от Солнца на расстоянии 1 а.е.= 150 млн.км - форма Земли слегка сплюснутый шар – эллипсоид - средний радиус Земли 6371 км - средняя плотность земного вещества 5,5 кг/м куб - наклон оси Земли к плоскости орбиты 66,5 град В начале 20 века было открыто явление радиоактивности. Это позволило разработать метод определения абсолютного возраста геологических объектов (и любых веществ). Метод получил название изотопного (радиоактивного) датирования. С помощью этого метода установлен возраст Земли. Земля возникла примерно 4,5 млрд. лет назад. Атмосфера Земли Окружающая Землю атмосфера условно делится на несколько слоев. Приведем их в порядке от Земли и выше. 1. Тропосфера – высота примерно 11 км, содержит ¾ всего воздуха атмосферы. 2. Стратосфера – находится над Землей на высоте 11-50 км. Это самый спокойный слой атмосферы. Там не бывает ветров, разреженный воздух и там предпочтительней летать самолетом. 3. Мезосфера – 50-80 км над Землей. Именно в этом слое сгорают метеориты. 4. Термосфера – слой очень разреженного воздуха на высоте 80-480 км над Землей. Этот слой включает в себя ионосферу – слой электрически заряженных частиц, от которого отражаются радиоволны, исходящие от Земли. 5. Экзосфера – верхний слой почти не содержащий воздуха. Внутри атмосферы находится тонкий слой газа – озон. Озон – разновидность кислорода. Он поглощает испускаемые Солнцем ультрафиолетовые лучи. Если бы не было озонового слоя излучение, достигнув Земли ,убило бы все живое. Химический состав атмосферы: азот - 78%, кислород - 21%, аргон - 0,9%, водяной пар - 0,1% и далее по нисходящей: метан – 0,0006%, углекислый газ – 0,00003 %, аммиак – 0,00001 % и т.д. Внутреннее строение Земли Не имея прямой информации о глубинах Земли (самая глубокая буровая скважина имеет глубину около 12 км), используются данные, которые дают геофизические исследования. Свойства глубоких частей планеты известны по наблюдениям за тем, с какой скоростью и в каком направлении распространяются в Земле ударные волны, возникающие при землетрясениях (их называют еще сейсмическими волнами). Сейсмические волны бывают различных типов: продольные, поперечные и поверхностные. Сквозь разные вещества эти волны двигаются с разной скоростью, их удается «уловить» и записать с помощью сейсмографов. Некоторые типы волн не распространяются через жидкие среды. Установлено, что они не проходят через внешнюю часть ядра, указывая тем самым на его жидкое состояние. Исследуя границы изменения скоростей сейсмических волн , удалось установить внутреннее строение Земли. Приведем установленные слои в порядке от поверхности Земли вглубь: 1. Земная кора – верхний слой горных пород, выходящий на поверхность Земли. Толщина Земной коры на континентах до70 км, а в океанах – всего 6 км. Температура у основания порядка 1000 град.С. 2. Мантия – это слой горных пород. Температура у основания порядка 3700 град.С. Вещество мантии (магма) находится в состоянии одновременно напоминающем и твердое. И жидкое. Мантия не находится в покое. В ней происходит круговорот веществ. Нагретые в глубине массы вещества поднимаются вверх к земной коре. Там они остывают и опускаются. Возникают гигантского масштаба вертикальные кольцеобразные течения. 43 Вместе с верхней частью мантии земная кора образует слой толщиной около ста километров под океанами и еще больше под материками – литосферу. Под литосферой находится узкий слой – астеносфера, находящийся частично в расплавленном состоянии таком, что его вязкость гораздо меньше, чем вязкость остальной части мантии. Толщина слоя мантии около 2900 км. 3. Внешнее ядро состоит из расплавленного железа. Температура у основания порядка 2200 град.С Толщина внешнего ядра около 2200 км. 4. Внутреннее ядро – твердый железоникелевый шар. Температура порядка 4500 град. С. Радиус ядра около 1055 км. Химический состав земной коры: кислород – 47%, кремний – 28 %, алюминий – 8%, железо – 5%, кальций – 3,6 %, натрий – 2,8% , калий – 2,6 %, магний – 2%. Тектоника литосферных плит. Перенос тепла из центра Земли вызывает перемещение магмы (вещества мантии). Горячая магма из глубины мантии поднимается , охлаждается, а затем вновь погружается, замещаясь новым горячим веществом. Это классический пример конвективной ячейки. Можно сказать, что магма бурлит так же, как вода в чайнике: и в том, и в другом случае тепло переносится в процессе конвекции. Наверху конвективных ячеек земной мантии плавают породы, составляющие твердую поверхность Земли – так называемые литосферные плиты. Эти плиты перемещаются по слою, называемом – астеносфера. Таким образом, по поверхности Земли движутся не континенты, а литосферные плиты. Континенты и океаны это лишь попутные пассажиры. Механизм движущий литосферные плиты это непрерывно движущиеся конвективные ячейки магмы, увлекающие плиты в движение. Со временем плиты сдвигаются, вызывая их столкновение и растрескивание , вплоть до образования новых плит или исчезновение старых. Именно благодаря этому медленному, но непрерывному перемещению литосферных плит поверхность нашей планеты все время находится в динамике, постоянно изменяясь. Так, 175 млн. лет назад все сегодняшние континенты входили в один суперконтинент – Пангею. Там, где литосферные плиты сталкиваются , там отмечаются активные вулканы и землятресения. Литосферные плиты движутся со скоростями порядка нескольких сантиметров в год. Впервые концепцию движения материков предложил А.Вегенер в 1915 году. Магнитное поле Земли Магнитное поле Земли устроено примерно так же, как если бы внутри ее находился мощный прямоугольный магнит в виде бруска, помещенный под небольшим углом к оси вращения Земли. Основная гипотеза о происхождении магнитного поля Земли связана с движением электропроводящего вещества в жидком ядре Земли, создающее своеобразное гидромагнитное динамо. Околоземное космическое пространство, которое контролируется магнитным полем Земли называется магнитосферой. Магнитосфера формируется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев атмосферы и магнитного поля Земли. В итоге плазма солнечного ветра и солнечные корпускулярные потоки, как бы огибают земную магнитосферу. Магнитное поле Земли защищает живые организмы ( и человека) от губительных воздействий космических частиц. К этим частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле Земли через магнитосферу изменяет траектории их движения, направляя частицы вдоль линий поля прочь от Земли. Формирование прото-Земли из планетозималей Вселенная образовалась в результате Большого Взрыва. По мере эволюции Вселенная остывала. Новообразованные атомы собирались в гигантские облака пыли и газа. Частицы пыли сталкиваясь друг с другом, сливались в единое целое. Гравитационные силы 44 притягивали маленькие объекты к более крупным. Материя распределялась по пространству не равномерно. Более плотные области, благодаря гравитационным силам, притягивали к себе все больше пыли и газа. Постепенно пылинки собирались в тела километрового размера, называемые планетозималями, которые на последней стадии формирования планеты сгребают почти всю пыль. Вначале рост тела происходит в силу случайности, но чем больше становится планетозималь, тем сильнее ее гравитация, тем интенсивней она поглощает своих маломассивных соседей. Когда масса планетозималей становится сравнимой с массой Луны, их гравитация возрастает настолько, что они встряхивают окружающие тела и отклоняют их в стороны еще до столкновения. Этим они ограничивают свой рост. Так возникают «олигархи» - зародыши планет со сравнимыми массами, конкурирующие друг с другом за оставшиеся планетозимали. Таким же образом образовалась наша планета и в ней образовалось ядро, которое стремительно сжималось. Из-за ядерных реакций и распада радиоактивных элементов в недрах Земли выделялось так много тепла, что образующие ее горные породы расплавились. Более легкие вещества, богатые кремнием, отделились в земном ядре от более плотного железа и никеля и образовали первую земную кору. Спустя примерно миллиард лет, когда Земля существенно охладилась, Земная кора затвердела и превратилась в прочную внешнюю оболочку нашей планеты, состоящую из твердых горных пород. Остывая, Земля выбрасывала из своего ядра множество различных газов. Обычно это происходило при извержении вулканов. Легкие газы, такие, как водород или гелий, большей частью улетучивались в космическое пространство. Однако сила притяжения Земли была достаточно велика, чтобы удержать у ее поверхности более тяжелые газы. Они-то и составили основу земной атмосферы. Часть водяных паров из атмосферы сконденсировались и на Земле. Возникли океаны. Теперь наша планета была готова к тому, чтобы стать колыбелью жизни. 5.21 Происхождение жизни (эволюция и развитие живых систем) 1. Гипотезы происхождения жизни: a) креационизм – происхождение мира, жизни и человека есть результат божественного творения, отрицающая изменение видов и их историческое развитие b) гипотеза стационарного состояния – жизнь никогда не возникала, а существовала всегда c) гипотеза панспермии – земная жизнь имеет космическое происхождение, т.е. появление жизни на Земле – это перенос с других планет, зародивших жизнь d) концепция постоянного самозарождения (вплоть до XIX века была единственной концепцией, альтернативной креационизму) – жизнь возникла и возникает неоднократно из неживого вещества e) гипотеза биохимической эволюции (абиогенеза) – (теория А.И.Опарина) – жизнь на Земле возникла в результате самоорганизации из неорганических веществ - зарождение жизни на Земле – это результат абиогенного синтеза - жизнь возникла в специфических условиях древней земли, в результате физико-химических процессов 45 2. В процессе возникновения жизни на Земле различают несколько основных этапов. Первый из них – абиогенный синтез низкомолекулярных органических веществ (соединений) из неорганических в условиях первобытной Земли. 2.1 В процессе возникновения жизни на Земле различают несколько основных этапов. Их последовательность в процессе эволюции (от более раннего к более позднему): a. абиогенный синтез низкомолекулярных органических соединений (мономеров) из неорганических b. концентрирование органических соединений и образование биополимеров c. возникновение самовоспроизводящихся молекул d. возникновении фотосинтеза 3. Гипотеза голобиоза (методологический подход в вопросе происхождения жизни) – основана на идее первичности структур клеточного типа, способных к обмену веществ при участии ферментных белков. 4. Гипотеза генобиоза (методолгический подход в вопросе происхождения жизни) – основана на идее первичности молекулярной системы со свойствами генетического кода 5. Организмы, питающиеся готовыми органическими соединениями, называются гетеротрофами 6. Организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических за счет энергии Солнца или энергии неорганических соединений, называются автотрофами 7. Фактор, способствующий выходу первых организмов из воды на сушу – понижение температуры Земли, появление озонового слоя 8. Первичная атмосфера Земли в абиогенный период возникновения жизни: - первичная атмосфера Земли состояла из водяных паров, углекислого газа с небольшой примесью других газов (СО2, СО, H2S, NH3, CH4) - в первичной атмосфере отсутствовал газообразный кислород (О2) 9. Соответствие между содержанием понятия и термином: автотроф – организм, способный синтезировать органические вещества из неорганических прокариот – одноклеточный организм, не имеющий оформленного ядра коацерват – белковый комплекс, отделенный от воды липидной оболочкой биогенез – теория, утверждающая, что все живое происходит только от живого эволюция – необратимое развитие органического мира 10. Аэроб — организм, который для процессов синтеза энергии нуждается, в свободном молекулярном кислороде. К аэробам относятся: подавляющее большинство животных, все растения, а также значительная часть микроорганизмов. Анаэроб — организм, получающий энергию при отсутствии кислорода. 5.22 Эволюция живых систем Эволюция, ее атрибуты: самопроизвольность, необратимость, направленность Дарвинизм Генофонд Борьба за существование Синтетическая теория эволюции, ее положения: - элементарная эволюционная структура – популяция - элементарный наследственный материал – генофонд популяции 46 - элементарное явление эволюции – изменение генофонда популяции - элементарные эволюционные факторы: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор; их эволюционное значение - единственный направляющий фактор эволюции – естественный отбор 1. Биологическая эволюция – самопроизвольное, необратимое и направленное историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, образованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом. 2. Дарвинизм — материалистическая теория эволюции (исторического развития) органического мира Земли, основанная на воззрениях Ч. Дарвина. 3. Основными факторами эволюции по Ч.Дарвину являются: - наследственная изменчивость - изменения, которые возникают у каждого организма независимо от внешней среды и передаются потомкам. - борьба за существование - совокупность разнообразных взаимоотношений между организмом и окружающими его факторами живой и неживой природы. - естественный отбор - выживание более приспособленных особей и гибель менее приспособленных к конкретным условиям среды. 4. Генофонд — совокупность всех генных вариаций (аллелей) определённой популяции. Можно также говорить о едином генофонде вида, так как между разными популяциями вида происходит обмен генами. Каждая популяция характеризуется определенной совокупностью генов, которую называют генофонд. 5. Синтетическая теория эволюции (СТЭ) возникла как синтез теории эволюции Ч.Дарвина и генетики. СТЭ также опирается на палеонтологию, систематику, молекулярную биологию и другие естественные науки. Положения СТЭ: - элементарная эволюционная структура – популяция - элементарный наследственный материал – генофонд популяции - элементарное явление эволюции – изменение генофонда популяции Основная движущая сила эволюции – естественный отбор. Он имеет 2-е предпосылки: - гетерогенность особей; - избыточная численность потомства. a. Согласно СТЭ выделяют 3 основных фактора эволюции: - мутационный процесс. Значение фактора: приводит к появлению элементарного эволюционного материала; - изоляция – возникновение любых барьеров, препятствующих свободному скрещиванию. Значение фактора: нарушение свободного скрещивания, что ведет к закреплению различий между популяциями одного вида; - популяционные волны – колебание численности особей, составляющих популяцию. Значение фактора: популяционные волны подставляют под действие естественного отбора редкие мутации и, наоборот, уничтожают наиболее часто встречающиеся, что ведет к смене генотипа популяции. 6. Синтетическая теория эволюции структурно состоит из микро- и макроэволюции 7. Микроэволюция изучает эволюционные изменения, происходящие в генофондах популяций за сравнительно небольшой промежуток времени Особенности микроэволюции: - она доступна для непосредственного наблюдения - эволюционные изменения происходят в генофондах популяций - эволюционные изменения происходят за сравнительно небольшой период 47 7.1. Фактор микроэволюции, который обязательно приводит к нарушению свободы скрещивания и генетической разнообразности организмов одного вида – это изоляция 8. Макроэволюция изучает эволюционные преобразования за длительный исторический период, основные направления развития жизни на Земле в целом. Особенности макроэволюции: - она ведет к образованию новых классов, отрядов - эволюционные преобразования происходят в течение длительного исторического периода 9. Случайные изменения в геноме называются мутациями. 10. Естественный отбор — процесс, приводящий к выживанию и преимущественному размножению более приспособленных к данным условиям среды особей, обладающих полезными наследственными признаками. В соответствии с теорией Дарвина и современной синтетической теорией эволюции, основным материалом для естественного отбора служат случайные наследственные изменения — мутации и их комбинации. Естественный отбор действует на уровне фенотипа (организма). 11. В настоящее время известны три формы естественного отбора: дизруптивный, движущий и стабилизирующий. 12. Движущий отбор — форма естественного отбора, которая действует при направленном изменении условий внешней среды. В этом случае особи с признаками, которые отклоняются в определённую сторону от среднего значения, получают преимущества. При этом иные вариации признака (его отклонения в противоположную сторону от среднего значения) подвергаются отрицательному отбору. Движущий отбор осуществляется при изменении окружающей среды или приспособлении к новым условиям при расширении ареала. Он сохраняет наследственные изменения в определённом направлении, перемещая соответственно и норму реакции. Например, при освоении почвы, как среды обитания у различных неродственных групп животных конечности превратились в роющие. Для движущего отбора характерно возникновение новых генотипов, соответствующих наиболее приспособленным фенотипам 13. Стабилизирующий отбор — форма естественного отбора, при котором действие направлено против особей, имеющих крайние отклонения от средней нормы, в пользу особей со средней выраженностью признака. Благодаря этой форме естественного отбора глаз и количество пальцев на конечностях позвоночных в течение длительного времени остается постоянным. В результате действия стабилизирующего отбора в популяции становится преобладающим оптимальный для конкретных условий фенотип. 14. Дизруптивный (разрывающий) отбор — форма естественного отбора, при котором условия благоприятствуют двум или нескольким крайним вариантам (направлениям) изменчивости, но не благоприятствуют промежуточному, среднему состоянию признака. В результате может появиться несколько новых форм из одной исходной. Дизруптивный отбор способствует возникновению и поддержанию полиморфизма популяций, а в некоторых случаях может служить причиной образования двух новых видов из одного вида-предшественника. Естественный отбор действует на целостную живую систему. 5.24 Генетика и эволюция Свойства генетического материала: дискретность, непрерывность, линейность, относительная стабильность Изменчивость: наследственная (генотипическая, мутационная) 48 Изменчивость: наследуемая (фенотипическая, модификационная) Свойства мутаций: случайность, внезапность, ненаправленность, неоднократность и наследуемость 1. Генетика - наука о законах и механизмах наследственности и изменчивости. 2. Ген - структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства. Ген — материальный носитель наследственной информации, участок ДНК, несущий какую-либо целостную информацию — о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. 3. Совокупность всех генов организма, локализованных в его хромосомах – это генотип 4. Аллельные гены (от греческого слова – другой) – пара генов, определяющих альтернативные варианты одного и того же признака 5. Организм, генотип которого содержит разные аллели одного гена, называется гетерозиготным. Если организм содержит одинаковые аллели одного гена, то он называется гомозиготным. 6. Фенотип – это совокупность внешних и внутренних признаков организма. Фенотип зависит от генотипа. 7. Доминантный ген - ген, выраженный в фенотипе независимо от присутствия в геноме другого аллеля этого гена. 8. Рецессивный ген – ген, который может подавляться воздействием доминантного гена и не проявляется в фенотипе. Рецессивный ген способен обеспечить проявление определяемого им признака только в том случае, если находится в паре с соответственным рецессивным геном. 9. Хромосома – нуклеопротеидная (состоит из белка и ДНК) структура в ядре эукариотической клетки. Становится заметной во время деления. Клетки организмов различных видов имеют разное число хромосом. Клетки прокариот содержат только одну кольцевую хромосому. 10. Свойства генетического материала: – дискретность (наличие обособленных групп сцепления – хромосом), - непрерывность (физическая целостность хромосомы), - линейность (одномерность «записи» генетической информации), - относительная стабильность (передача потомству с небольшими изменениями). 11. Свойство организмов приобретать новые признаки, а также различия между особями в пределах вида – это проявление изменчивости. 12. Ненаследственная (модификационная) изменчивость характеризуется следующими особенностями: - кратковременностью - является групповой - групповым характером изменений - не наследуется 13. Наследственная изменчивость характеризуется особенностями: - необратима - сопровождается изменением генотипа. 14. Мутации - стойкое (то есть такое, которое может быть унаследовано потомками данной клетки или организма) изменение генотипа, происходящие под влиянием внешней или внутренней среды. Процесс возникновения мутаций получил название мутагенеза. 15. Свойства мутаций: - возникают внезапно, скачкообразно - связаны с изменением генотипа - случайны, ненаправлены 49 - наследственны - являются материалом для естественного отбора. 16. Популяционная генетика - наука, изучающая распределение частот аллелей и их изменение под влиянием движущих сил эволюции. Изучает динамику генетического состава популяций, генетическое строение популяций. 17. Факты, доказывающие существование генов: - независимое комбинирование генов при скрещивании, - ген можно выделить из хромосомов и определить его структуру, - способность гена изменяться (мутировать), - замена гена приводит к появлению нового признака. 6.25 Экосистемы (многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы) Элементы экосистем (биотоп, биоценоз) Биотическая структура экосистем: продуценты, консументы, редуценты как компоненты круговорота, обеспечивающего цельность экосистем Биоразнообразие как основа устойчивости живых систем Виды природных экосистем (озеро, лес, пустыня, тундра,…, океан, биосфера) Энергетические потоки в экосистемах, правило 10% Экологические факторы: биотические и абиотические факторы, антропогенные факторы Формы биотических отношений (хищник – жертва, паразитизм, нейтрализм) 1. Экосистема или экологическая система - природный комплекс (биокосная система), образованный живыми организмами (биоценоз) и средой их обитания (косной, например атмосфера, или биокосной — почва, водоём и т. п.), связанными между собой обменом веществ и энергии. Для экосистемы характерны три основных отличительных признака: - осуществление полного цикла трансформации вещества, от создания органического вещества до его разложения на неорганические составляющие - экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов - относительная устойчивость, обусловленная структурой абиотических и биотических компонентов 2. Биогеоценоз — система, включающая сообщество живых организмов и тесно связанную с ним совокупность абиотических факторов среды в пределах определенной территории, связанные между собой круговоротом веществ и потоком энергии. Представляет собой устойчивую саморегулирующуюся экологическую систему, в которой органические компоненты (животные, растения) неразрывно связаны с неорганическими (вода, почва). 3. Биоценоз - исторически сложившаяся совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма (биотоп) и характеризующихся определёнными отношениями как между собой, так и с абиотическими факторами окружающей среды. 4. Биотоп - — относительно однородный по абиотическим факторам среды участок суши или водоёма, заселённый живыми организмами (занятое одним биоценозом). 5. Устойчивость живых систем Одним из свойств биогеоценозов является способность к саморегуляции, то есть к поддержанию своего состава на определенном стабильном уровне. Это достигается 50 благодаря устойчивому круговороту веществ и энергии. Устойчивость же самого круговорота обеспечивается несколькими механизмами: -достаточность жизненного пространства, то есть такой объем или площадь, которые обеспечивают один организм всеми необходимыми ему ресурсами; - богатство видового состава. Чем он богаче, тем устойчивее цепи питания и, следовательно, круговорот веществ; - многообразие взаимодействия видов, которые также поддерживают прочность трофических отношений; - средообразующие свойства видов, то есть участие видов в синтезе или окислении веществ. . 6. Все виды, населяющие экосистему связаны между собой трофическими связями. Перенос вещества и энергии в экосистеме происходит по трофическим цепям. Чем шире биоразнообразие в экосистеме, тем она устойчивее. Движущей силой потоков веществ и энергии в биосфере являются излучение солнца и деятельность продуцентов. 7. Организм, состоящий в трофической цепи находится в ней на определенном трофическом уровне. Трофический уровень — это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней. Зеленые растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные животные — второй (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающие травоядных, — третий (уровень вторичных консументов), а вторичные хищники — четвертый (уровень третичных консументов). Органическое вещество перерабатывается в неорганическое и возвращается обратно к продуцентам, благодаря работе редуцентов. Таким образом, поток вещества в стабильной природной экосистеме, в отличие от потока энергии, является замкнутым. Плотоядные консументы называются хищниками. 8. Трофическую структуру обычно изображают в виде экологических пирамид. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень — уровень продуцентов, а следующие этажи пирамиды образованы последующими уровнями — консументами различных порядков. Различают три способа построения экологических пирамид: - Пирамида чисел (численностей) отражает численность отдельных организмов на каждом трофическом уровне; - Пирамида биомасс — соотношение масс организмов разных трофических уровней. Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена; - Пирамида энергии отражает величину потока энергии, скорость прохождения массы пищи через пищевую цепь. 9. Максимальная величина энергии, передающейся на следующий трофический уровень невелика. Согласно «Правилу 10%» с одного трофического уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10 % поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Остальная часть энергии теряется в виде теплового излучения, на движение и т.д. Организмы в результате процессов обмена теряют в каждом звене пищевой цепи около 90% всей энергии, которая расходуется на поддержание их жизнедеятельности. Потеря энергии при переходах в экосистеме от нижнего трофического уровня к верхнему обусловлена вторым началом термодинамики. 10. Экологический фактор - любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на живой организм 51 11. Биотические факторы — всё множество факторов среды, связанных с деятельностью живых организмов. К ним относятся фитогенные (растения), зоогенные (животные), микробиогенные (микроорганизмы) факторы. 12. Антропогенные факторы — всё множество факторов, связанных с деятельностью человека. К ним относятся физические (использование атомной энергии, перемещение в поездах и самолётах, влияние шума и вибрации и др.), химические (использование минеральных удобрений и ядохимикатов, загрязнение оболочек Земли отходами промышленности и транспорта; биологические (продукты питания; организмы, для которых человек может быть средой обитания или источником питания), социальные (связанные с отношениями людей и жизнью в обществе) факторы. 13. Абиотические факторы — всё множество факторов, связанных с процессами в неживой природе. К ним относятся климатические (температурный режим, влажность, давление), эдафогенные (механический состав, воздухопроницаемость, плотность почвы), орографические (рельеф, высота над уровнем моря), химические (газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность), физические (шум, магнитные поля, теплопроводность, радиоактивность, космическое излучение) 14. Среди взаимоотношений живых организмов, обитающих в одном биотопе выделяют ряд форм: - Мутуализм — в естественных условиях популяции не могут существовать друг без друга (пример: симбиоз гриба и водоросли в лишайнике); - Протокооперация — форма симбиоза, при которой совместное существование выгодно, но не обязательно для сожителей. (например, взаимоотношения краба и актинии: актиния защищает краба и использует его в качестве средства передвижения); - Комменсализм — одна популяция извлекает пользу от взаимоотношения, а другая не получает ни пользы ни вреда. - Нейтрализм — обе популяции никак не влияют друг на друга. - Аменсализм, антибиоз — одна популяция отрицательно влияет на другую, но сама не испытывает отрицательного влияния; - Паразитизм — симбиоз организмов, при котором один (паразит) использует другой (хозяин) в качестве источника питания или/и среды обитания, возлагая при этом (частично или полностью) на хозяина регуляцию своих отношений с внешней средой. - Хищничество — явление, при котором один организм питается органами и тканями другого, при этом не наблюдается симбиотических отношений. - Конкуренция — обе популяции отрицательно влияют друг на друга. 15. Симбиоз - это взаимодействие и сосуществование представителей разных биологических видов. 16. Организмы способны существовать в определенном диапазоне значений того или иного фактора среды (например, температуры). Способность организма выдерживать воздействие факторов среды называется экологической толерантностью. Пределы толерантности - диапазон экологического фактора между минимальным и максимальным значениями, в пределах которого возможна выживаемость организма. Некоторые арктические рыбы способны существовать при температуре, близкой к точке замерзания воды, но погибает при температуре, превышающей 6°С. Разница между этими значениями температур определяет (предел толерантности данного организма). Организмы с широким диапазоном толерантности в отношении всех экологических факторов наиболее распространены. 52 17. Экологическая ниша — место, занимаемое видом (точнее — его популяцией) в сообществе (биоценозе), комплекс его биоценотических связей и требований к абиотическим факторам среды. 18. Среду обитания можно определить как: - комплекс природных тел и явлений, с которыми организм находится в тесной взаимосвязи - совокупность условий, способных оказывать прямое или косвенное влияние на организмы. 6.26 Биосфера Биохимические принципы миграции: стремление к максимуму проявления Биохимические принципы миграции: эволюция видов, увеличивающая биогенную миграцию 1. Биосфера – сфера жизни, которая охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферы, и верхнюю часть литосферы. Основным источником энергии биосферы и регулятором биологических процессов является Солнце. Ритм биологических процессов на Земле зависит от солнечной активности 2. Совокупность всех живых организмов, населяющих нашу планету, В.И.Вернадский назвал живым веществом Одним из элементов биосферы , по Вернадскому, является косное вещество. Это вещество, сформированное без наличия живых организмов Одним из элементов биосферы по Вернадскому, является биогенное вещество. Это вещество, созданное в процессе жизнедеятельности организмов (уголь, нефть и т.д.). Важнейшим отличием живого вещества от косной материи Вернадский считал молекулярную хиральность. 3. В биосфере постоянно происходит круговорот веществ и превращение энергии, главную роль в котором играют живые организмы. 4. Функция живого вещества, которая проявляется в способности хвощей, осок накапливать в клетках кремний, называется концентрационной. Накопление и отложение живыми организмами в почве и гидросреде химических соединений – это концентрационная функция биосферы. Функция живого вещества, проявляющаяся при поглощениями бактериями азота, называется газовой. Функция живого вещества, связанная с минерализацией органических и неорганических веществ и вовлечение их в биологический круговорот, называется деструктивной. 5. Согласно биогеохимическому принципу Вернадского, в процессе эволюции биосферы скорость биогенной миграции атомов стремится к максимуму. Согласно биогеохимическому принципу Вернадского, в процессе эволюции появляются виды, которые увеличивают биогенную миграцию атомов. Видовой состав биосферы в процессе эволюции увеличивается (изменяется периодически). 6. Организмы, на долю которых приходится основной круговорот химических элементов в биосфере, это микроорганизмы (бактерии). 6.27 Человек в биосфере 53 1. Антропогенез (или антропосоциогенез) — часть биологической эволюции, которая привела к появлению вида Homo sapiens, процесс историкоэволюционного формирования физического типа человека, первоначального развития его трудовой деятельности, речи, а также общества. 2. Доказательством того, что представители разных рас относятся к одному и тому же биологическому виду Человек разумный (Homo Sapiens) является неограниченная способность к скрещиванию людей разных рас. 3. Раса - система человеческих популяций, характеризующихся сходством по комплексу определённых наследственных биологических признаков. Черты, характеризующие разные расы, зачастую появляются как результат адаптации к различным условиям среды, происходившей в течение многих поколений. 4. После возникновения человека разумного, его распространения на Земле, из-за географических и социально-культурных форм изоляции популяций образовались расы - Коренное население Европы, Южной Азии и Северной Америки, с узким лицом и сильно выступающим носом, светлым и смуглым цветом кожи, относятся к европеоидной главной расе. - Исходное население преобладающей части Африки, Новой Гвинеи и Меланезии, с широким плоским носом, курчавыми темными волосами, очень темным цветом кожи, относятся к австрало-негроидной главной расе. - Монголоидная раса — раса коренных обитателей восточной и северной Азии, а также крайнего севера. Характеризуется плоским лицом (за счёт высоких скул), невысоким ростом, тёмными, прямыми и жёсткими волосами. Цвет кожи - жёлтый, разрез глаз узкий. 5. Стадиальная теория антропогенеза - теория антропогенеза, утверждающая, что в ходе эволюции человека последовательно сменялись несколько стадий предков человека: австралопитеки (протантропы) - архантропы - палеоантропы неоантропы. 6. Процессу становления человека разумного (Homo Sapiens) присущи особенности эволюционного развития всего органического мира – целесообразность эволюционных изменений Современные человекообразные обезьяны имеют с человеком общего предка, жившего 18-20 млн. лет назад. 7. Первым представителем рода Homo был человек умелый - Homo Habilis. Этот вид жил на планете в период 2.2-1.6 млн. лет назад. Анатомическое строение найденных останков говорит о значительном объеме (660 см3) головного мозга, наличии речевого центра в мозге, а также о прямохождении. Ареал обитания – Африка. 8. Homo erectus — человек прямоходящий или архантроп — ископаемый вид людей, который рассматривают как непосредственного предшественника современных людей. Объем человека прямоходящего мозга достигал 1100 см3, обитал этот вид в период 2-0.03 млн. лет назад. Ареал обитания – Африка и Евразия. 9. Homo Sapiens – человек разумный - единственный живущий вид рода Homo семейства гоминид отряда приматов. От современных человекообразных, помимо ряда анатомических особенностей, отличается значительной степенью развития материальной культуры (включая изготовление и использование орудий), способностью к членораздельной речи и абстрактному мышлению. Объем головного мозга достигает 1850 см3. Первые представители нашего вида жили около 20 000 лет назад. 10. Характерные особенности современного человека: - трудовая деятельность, - использование огня, 54 - развитие речи, -способность к абстрактному мышлению, - наличие культурной информации в человеческих обществах. 11. Эволюция человека продолжается и сейчас, но отмечается возрастание роли социальных эволюционных факторов (передача накопленных знаний, технологий, традиций) и ослабление биологических (движущего и дизруптивного отборов, изоляции, популяционных волн), кроме мутационного процесса. 12. Социально-культурная эволюция человека отличается от биологической эволюции тем, что: - не связана с биологической эволюцией - знания, идеи, технологии распределяются по всей популяции быстрее, чем генетическая информация 13. Решающим фактором антропогенеза является трудовая деятельность 14. Неолитическая революция — переход человеческих общин от примитивной экономики охотников и собирателей к сельскому хозяйству, основанному на земледелии и/или животноводстве. По данным археологии, одомашнивание животных и растений происходило в разное время независимо в 7 — 8 регионах. Самым ранним центром неолитической революции считается Ближний восток, где одомашнивание началось не позднее, чем 10 тыс. лет назад. 15. Итоги неолитической революции: - возникновение скотоводства и земледелия - рост численности человечества - зарождение принципа искусственного отбора 16. Экологические последствия неолитической революции: - опустынивание обширных территорий - исчезновение крупных млекопитающих 17. По положению в трофической цепи современный человек является консументом 18. Коэволюция – совместная эволюция человека и биосферы. 6.28 Глобальный экологический кризис (экологические функции литосферы, экология и здоровье) Индикаторы глобального экологического кризиса: - антропогенное изменение химического состава атмосферы - деградация лесных, земельных, водных ресурсов - снижение биоразнообразия Понятие ноосферы как этапа развития биосферы при разумном регулировании отношений человека и природы Устойчивое развитие как компромисс между стремлением человечества удовлетворить свои потребности и необходимостью сохранения биосферы для будущих поколений 1. Ингредиентное загрязнение окружающей сферы - это внесение в окружающую среду веществ, которые количественно или качественно чужды естественным биогеоценозам 2. К деструктивному загрязнению окружающей среды относятся: - строительство платин, укладка асфальтового покрытия - массовое использование пластиковых упаковок, одноразовой посуды - вырубка лесов, исчерпание ресурсов, снижение биоразнообразия 55 3. К параметрическому загрязнению окружающей среды относятся: - радиоволны, электрические поля, тяжелые металлы, трансгенные продукты - шум автомагистралей, реактивных самолетов, излучение сотовой связи 4. К парниковым газам относятся: диоксид углерода, оксид азота, метан 5. «Озоновые дыры» - это снижение концентрации озона в верхних слоях атмосферы (стратосфере) Снижение концентрации озона в стратосфере способствует развитию рака кожи, катаракты. Одна из возможных причин образования «озоновых дыр» это разрушение стратосферного озона хлорфторуглеводородами и оксидами азота 6. Основные экологические проблемы гидросферы связаны с: - потеплением климата и таянием льдов - загрязнением гидросферы и недостатком пресной воды 7. Наиболее тяжелые последствия для биосферы в целом имеет сокращение площади тропических лесов Южной Америки и Юго-Восточной Азии 8. Устойчивое развитие означает компромисс между стремлением человечества к максимальному удовлетворению своих потребностей и необходимостью сохранения биосферы 9. Следствием снижения биоразнообразия может быть снижение устойчивости биосферы 10. Деградация земель выражается в эрозии почв и опустынивании 11. Причиной кислотных дождей является выброс оксидов азота и серы в атмосферу. Вектор развития эволюции как таковой направлен от чисто геологического к геологобиологическому и биогеохимическому периодам и далее к новому этапу эволюции появлению человека и возникновению социальной эволюции. Самые большие изменения в биосфере Земли наступили именно в этот последний, современный этап эволюции. Появление человека и его развитие, проявление разума в биосфере существенно изменили ситуацию на Земле, ознаменовали переход биосферы в ноосферу, область сознательной деятельности человека и коллективной памяти, названной В.И. Вернадским научной мыслью. Можно считать, что ноосфера является новым состоянием биосферы, когда разумная человеческая деятельность становится основным определяющим фактором развития жизни на Земле. 56