Структура Вселенной

Основные элементы структуры Вселенной: галактики, звёзды, планеты

Галактики (от греч. Молочный, млечный) — системы из миллиардов звёзд, обращающихся вокруг центра галактики и связанных взаимным тяготением и общим происхождением,

Планеты – тела, не испускающие энергию, со сложной внутренней структурой.

Самым распространенным небесным телом в наблюдаемой Вселенной являются звезды.

По современным представлениям звезда – это газоплазменный объект, в котором происходит термоядерный синтез при температурах свыше 10 млн град. К.

Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительного времени, свидетельствует о выделении в них огромных количеств энергии.

Основные причины высокой светимости звезд

1. гравитационное сжатие, приводящее к выделению гравитационной энергии (характерно для молодых звезд)
2. термоядерные реакции, в результате которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов и выделяется большое количество энергии.

Наше Солнце является медленно горящей водородной бомбой.

Атомы элементов легче железа образуются в результате термоядерных реакций внутри звезд. Тяжелее железа при взрыве сверхновых звезд.

Эволюция звезд - это изменение физических характеристик, внутреннего строения и химического состава звезд со временем.

Процесс формирования космических тел из разряженной газовой и газово-пылевой среды под действием гравитационных сил называется гравитационная конденсация

Протозвезда - плотный фрагмент молекулярного облака, в котором еще не достигнуты температуры, необходимые для начала термоядерных реакций, т.е. превращения облака в звезду.

Конец эволюции звезды определяется ее массой.

Конечным этапом эволюции звезды средней и малой массы (меньше 3-4 масс Солнца) является белый карлик.

Эволюция звезд большей массы приводит к образованию нейтронных звезд или черных дыр.

В результате гравитационного коллапса происходит мощнейший взрыв звезды, сопровождающийся выделением колоссальной энергии в виде электромагнитного излучения и выбросом в окружающее пространство веществ, представляющих химические элементы всей таблицы Менделеева (первые наблюдения взрыва сверхновой были сделаны китайскими и японскими астрономами в 1054 году).

Звезды выступают как своеобразные кузницы атомов.

Согласно космологическим моделям, распространение химических элементов по Вселенной происходит в результате взрывов Сверхновых звезд.

Солнечная система – часть Вселенной.

Геоцентрическая система мира - существовавшее в древности (Аристотель и Птолемей) представление, согласно которому Земля неподвижно покоится в центре мира, а все небесные светила движутся вокруг неё.

В первой половине 16 в.- 17 учеными Н.Коперником, Г. Галилеем, Дж.Бруно была разработана гелиоцентрическая система мира - учение, согласно которому Земля, как и другие планеты, обращается вокруг Солнца и, кроме того, вращается вокруг своей оси.

Солнечная система - планетная система в составе Млечного пути, в которую входят: Солнце, восемь классических планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун), несколько планет карликов (Плутон, Зена и пр.,) спутники планет, кометы, метеорные тела, космическая пыль.

Центральным телом Солнечной системы, в котором сосредоточена подавляющая часть всей её массы (около 99,9 %), является Солнце.

Согласно современным представлениям, Солнечная система сформировалась в результате сжатия газопылевого облака приблизительно 5 миллиардов лет назад.

Считается, что эволюция протопланетного диска происходила за 1 млн. лет. Шло слипание частичек в центральной части этого диска, которое в дальнейшем привело к образованию сгущений частиц, вначале небольших, потом – более крупных.

В 40-х годах 20 в. академик О.Ю.Шмидт выдвинул ставшую общепринятой гипотезу об образовании Земли и других планет из холодных твердых допланетных тел. Эти тела называются планетезимали.

Эта концепция подтверждается результатами компьютерного моделирования.

Однако существуют и другие модели.

Достаточно точные данные о возрасте Земли получают при анализе радиоактивных превращений элементов Земли и метеоритов

КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ СОДЕРЖАНИЕ НАУК О ЗЕМЛЕ.

Строение Земли.

Земля - третья планета Солнечной системы.

Земля представляет собой твердое тело, окруженное водной и газовой оболочками — гидросферой и атмосферой.

Земля не идеальный шар. Она сплюснута у полюсов и расширена к экватору. Форма Земли - сфероид или эллипсоид вращения. С большой точностью форму Земли удалось определить лишь в XX в. с помощью приборов, установленных на искусственных спутниках.

Средний радиус Земли — 6370 км.

Площадь поверхности Земли 510 млн. кв.км. Около 71 % поверхности Земли занимает Мировой океан (361 млн. км²), 29 % занимает Суша (149 млн. км²)

Различают внутренние (земная кора, мантия, ядро) и внешние (гидросфера, атмосфера)

оболочки Земли. Недра Земли так же недоступны для непосредственного изучения, как галактики. Материалы, слагающие твердую Землю непрозрачны и плотны. Прямые исследования их возможны лишь до глубин, составляющих ничтожную часть радиуса Земли (самая глубокая скважина около 12 км на Кольском полуострове).

Проблема строения Земли решается, в основном лишь косвенными методами.

Наиболее надежные сведения о внутренней структуре Земли нам дает сейсмография -регистрация сейсмических колебаний при землетрясениях.

Земная кора — внешняя твёрдая оболочка Земли.

Толщина ее неравномерна: на материках 30-40 км, под горами (Памир, Анды) - до 70 км, под океанами — 5-10 км.

Половина всей массы коры приходится на кислород (в связанном состоянии).

Геологические особенности земной коры определяются совместными действиями на нее атмосферы, гидросферы и биосферы. Состав коры и внешних оболочек непрерывно обновляется.

Мантия (в переводе с греческого «покрывало, плащ)

Под земной корой, ближе к центру Земли располагается слой толщиной почти 2900 км, называемый мантией. Мантия — наиболее мощная оболочка Земли.

Ученые предполагают, что мантия состоит в основном из соединений кремния.

Мантия существует в виде двух шаровых слоев — нижней и верхней мантии. Толщина нижней части мантии — 2000 км, верхней — 900 км.

Литосфера - образована земной корой вместе с самой верхней твердой частью мантии, (толщина около 100 км).

Астеносфера — нижняя часть верхней мантии находится в расплавленном состоянии. Литосфера как бы «плавает» в ней. В астеносфере находятся очаги вулканов. Происходящие в мантии процессы обусловливают тектоническое движение, образование магмы и вулканическую деятельность.

Земное ядро. Под мантией находится земное ядро с радиусом примерно 3500 км. Ядро состоит из внешней оболочки в жидком состоянии (толщиной 2200 км) и внутреннего твердого субъядра (1250 км).

С жидким состоянием внешнего ядра связывают представления о природе земного магнетизма.

При переходе от мантии к ядру резко изменяются физические свойства вещества, по-видимому, в результате высокого давления. Ядро Земли – пока загадка для науки. С определенной достоверностью можно говорить лишь о его радиусе и температуре ~ 4000-5000 ⁰С.

Химический состав ядра - железо и никель.

Теория литосферных плит.

Влияние внутренних процессов на эволюцию геологических структур Земли в настоящее время объясняет теория литосферных плит.

Согласно этой теории вся литосфера разделена узкими активными зонами – глубинными разломами - на отдельные жесткие блоки, плавающие в пластичном слое верхней мантии (астеносфере).

Все изменения, происходящие на поверхности планеты, связаны с движением по ней этих плит. Самые крупные из плит – Антарктическая, Австралийская, Южноамериканская, Тихоокеанская, Североамериканская и Евразийская. Число и положение плит менялось от эпохи к эпохе. Плиты могут двигаться поступательно, разворачиваться, сталкиваться и расходиться. Рождение плит и их уход обратно в мантию происходит в океанах.

Вдоль границ литосферных плит расположены зоны повышенной тектонической активности (напр. Курило-Камчатская островная дуга).

Что является движущей силой «плавающих материков»? Как показывают данные термодинамических и сейсмических измерений, внутри мантии существуют вариации температуры и плотности, в результате чего происходит циркуляция вещества: горячий и менее плотный материал поднимается вверх, охлаждается и, с увеличением плотности, опускается в глубину. Достаточно малого перепада температур, чтобы пластичная мантия пришла в медленное движение и заставила перемещаться блоки литосферы.

Почти все эти движения плит сейчас подтверждены непосредственными измерениями, с использованием методов высокоточной астрономической и спутниковой геодезии. Сейчас измерены их скорости, которые составляют от нескольких мм до 10-18 см в год.

Теория тектонических литосферных плит существенно изменила мировоззрение и представления об эволюции нашей планеты. Она имеет также и практические аспекты. Мы стали лучше понимать природу землетрясений и получили возможность улучшить их прогнозирование. Зная линии разломов земной коры, вдоль которых происходит смещение плит, можно наблюдать за этим смещением. Если оно замедляется или останавливается, это указывает на вероятность приближения сейсмического толчка или серии таких толчков. Теория литосферных плит сделала более понятным распределение полезных ископаемых.

В целом размеры Земли являются постоянными, благодаря действующим на Земле геофизическим полям (гравитационному, магнитному, электрическому и тепловому.)

Гидросфера

Под гидросферой понимают совокупность всех вод Земли, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Это - Мировой океан, пресные воды рек и озер, ледниковые и подземные воды.

Функции гидросферы Земли:

• регулирует температуру планеты,
• обеспечивает кругооборот веществ,
• является составной частью биосферы.

Атмосфера - газовая оболочка, окружающая Землю и вращающаяся с ней как единое целое.

По химическому составу атмосфера Земли представляет собой смесь газов, состоящую преимущественно из азота (78 % об.) и кислорода (21% об.).

В атмосфере Земли выделяют слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.

Тропосфера — это нижний слой атмосферы, определяющий погоду на нашей планете. Его толщина — 10 (в полярных широтах) —18 км (в тропиках). С высотой падает давление и температура, опускаясь до - 55°С.

В тропосфере заключено свыше 80 % массы атмосферы и практически весь водяной пар.

Стратосфера - до 50 -55 км в высоту.

Нижняя часть стратосферы имеет постоянную температуру, в верхней части наблюдается повышение температуры. В стратосфере находится озоновый слой, поглощающий жесткое ультрафиолетовое излучение.

Стратосфера характеризуется исключительной сухостью воздуха. Процессы в стратосфере практически не влияют на погоду.

Мезосфера - слой, лежащий над стратосферой на высотах 55-85 км.

Термосфера (ионосфера) находится над мезосферой на высотах примерно 85-800 км от поверхности Земли. В ней происходят основные процессы поглощения и преобразования солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

Ионосфера состоит преимущественно из ионизированных частиц (плазмы), обладающих способностью отражать короткие радиоволны. В термосфере тормозятся и сгорают метеориты. Таким образом, термосфера выполняет функцию защитного слоя Земли, а также позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь.

Экзосфе́ра - самая внешняя часть верхней атмосферы Земли с низкой концентрацией нейтральных атомов.

ХИМИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

Естествознание как наука о явлениях и законах природы включает одну из важнейших отраслей - химию.

Химия — наука о составе, внутреннем строении и превращении веществ, а также о механизмах этих превращений.

Явления, которые сопровождаются превращением одних веществ в другие, называются химическими.

Главной практической задачей химии является получение веществ с заданными свойствами (прикладная наука).

Фундаментальная наука ищет способы управления свойствами вещества, создавая теоретические основы химического знания.

В развитии химии выделяют четыре основных этапа:

1. Учение о составе вещества (с XVII века).
2. Структурная химия (с XIX века).
3. Учение о химических процессах (с середины XX века).
4. Эволюционная химия (с 70 г.г. XX века).

При этом каждый новый этап возникал на основе предыдущего и включал его в себя в преобразованном виде

Роберт Бойль в 1660 дал определение химического элемента: х имический элемент – это простое тело, предел химического разложения вещества, переходящее без изменения из состава одного сложного тела в состав другого.

К середине 19 в. ученые владели знаниями уже о 63 химических элементах. Сравнительный анализ показал, что многие элементы обладают похожими физическими и химическими свойствами и их можно объединять в группы, создавая тем самым классификацию химических элементов.

Д.И. Менделеев в 1869 году открыл периодический закон химических элементов. Это один из фундаментальных законов естествознания.

Менделеев считал, что основой классификации химических элементов являются их атомные веса. Периодический закон в его интерпретации был сформулирован следующим образом: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».

Физический смысл периодического закона Д.И. Менделеева был вскрыт при создании современной теории строения атома и состоит в периодическом изменении свойств химических элементов в зависимости от заряда ядра.
Атом - наименьшая структурная единица элемента, сохраняющая его химические свойства.

Диаметр атома равен нескольким ангстремам (А =10^-8 см или 10^-10 м)

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

Ядро атома состоит из частиц двух типов: положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов.

Химический элемент - вид атомов с одинаковым зарядом ядра. В химических превращениях атом сохраняет заряд ядра, а, следовательно, свою индивидуальность. Атомы новых элементов в химических реакциях образовываться не могут.

Для соблюдения правила электронейтральности атомов необходимо, чтобы количество нейтронов и протонов в атоме были одинаковыми. А вот количество нейтронов в ядре атома может изменяться.

Изотопы – атомы одного и того же элемента, имеющие в ядре разное количество нейтронов и соответственно разную массу.

При изучении изотопов установлено, что они не различаются по химическим свойствам, которые, как известно, определяются зарядом ядер и не зависят от массы ядра.

Примеры изотопов: изотопы урана - ²³⁵U и ²³⁸U (радиоактивный - превращается в стабильный изотоп свинца ²⁰⁶Pb.)

изотопы водорода - ¹H – протий (ядро состоит из одного протона)

²D- дейтерий, (ядро состоит из одного протона и одного нейтрона)

³T - тритий, (ядро состоит из одного протона и двух нейтронов).

Хлор-35 и хлор-37 являются изотопами хлора

Многообразие объектов, изучаемых в рамках химии, вовсе не исчерпывается только изотопами и атомами. Химические элементы объединяются в более сложные системы, называемые химическими соединениями.

Химическое соединение - это вещество, состоящее из атомов одного или нескольких элементов, которые объединены в частицы - молекулы, комплексы, кристаллы или иные агрегаты.
Химическая связь – связь между атомами в молекуле или молекулярном соединении, возникающая в результате либо переноса электрона с одного атома на другой (ионная), либо обобществления электронов парой (или группой) атомов (ковалентная).

Развитие знания о химических явлениях позволило установить, что большое влияние на свойства вещества оказывает не только его химический состав, но и структура молекул.

В 1861 г. выдающийся российский химик А.М. Бутлеров создал и обосновал теорию химического строения органических соединений. Практическое значение этой теории состояло в том, что она дала начало развитию органического синтеза. Появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

Для получения новых материалов знаний о составе и структуре соединений было явно недостаточно. Необходимо было учитывать и условия протекания химических реакций, что вывело химию на качественно новый уровень ее развития.

Наука об условиях, механизмах и скоростях протекания химических реакций называется химическая кинетика.

В 60—70-е гг. XX в. появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания. Это наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем. В ее основе представлений о всеобщем эволюционном процессе во Вселенной и отборе химических элементов.

Под эволюционными процессами в химии понимают процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

Начало эволюционной химии было положено при разработке теории биохимической эволюции, объясняющей происхождение жизни на земле в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

Эволюционную химию заслуженно считают предбиологией.

В результате биохимической эволюции из минимума химических элементов и химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс - биосистема.

Основу живых систем составляют шесть элементов - органогенов: (С, Н, О, N, Р, S), углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Общая весовая доля этих элементов в организмах составляет около 97,4%.

За ними следуют еще 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель. Их весовая доля в организмах примерно 1,6%.

Новая эволюционная химия - подражание живой природе. Химический реактор предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

В настоящее время наиболее динамично развивающейся наукой является биология - наука о жизни и живой природе.

В структуре биологического знания сегодня насчитывается более 50 частных наук, что объясняется, главным образом, сложностью основного объекта биологических исследований - живой материи.

Основные задачи биологии — дать научное определение жизни, указать на принципиальное отличие живого от неживого, выяснить специфику биологической формы существования материи.

Жизнь очень сложна, многообразна, многокомпонентна и многофункциональна. На сегодняшний день наука не имеет достаточно точного определения жизни.

Жизнь представляет собой высшую форму существования и движения материи с двумя характерными признаками: самовоспроизведением и регулируемым обменом веществ с окружающей средой.

Фундаментальные отличия живого от неживого:

В вещественном плане: в состав живого обязательно входят биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).

В структурном плане: живое отличается от неживого клеточным строением.

В функциональном плане: для живых тел характерно воспроизводство самих себя на основе генетического кода.

К важнейшим свойствам живых систем, отличающих их от неживой (косной) природы относятся:

• обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой (открытые системы);
• самовоспроизведение ( размножение);
• сложное строение и системная организация;
• активная регуляция своего состава и функций (гомеостаз);
• поддержание собственной упорядоченности за счет энергии внешней среды;
• подвижность;
• раздражимость;
• приспособляемость;
• способность к росту и развитию;
• молекулярная хиральность (зеркальная асимметрия).

Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Вирусы - переходная форма от неживого к живому. Это мельчайшие бесклеточные организмы, на 2 порядка мельче, чем бактерии. Вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но нет ферментов, необходимых для обмена веществ. Поэтому они могут расти и размножаться, лишь проникая в клетки организма-хозяина.

Клетка обладает всеми основными свойствами живой системы: обменом веществ и энергии (метаболизм), размножением и ростом, реактивностью и движением. Она является наименьшей структурной и функциональной единицей живого.

Клеточное строение всех организмов живой природы, сходство строения клеток и их химического состава служит доказательством единства органического мира.

Многообразие живых организмов можно расположить по уровням их сложности и специфики функционирования.

Классическими уровнями современной биологии являются:

• Молекулярно- генетический (на котором решаются проблемы генетики, генной инженерии и биотехнологий).
• Клеточный (отражающий особенности функционирования и специализацию клеток, внутриклеточных особенностей).
• Онтогенетический (организменный) (все об отдельных особях: строение; физиология, поведение).
• Популяционно-видовой (образуемый свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида).
• Биосферный (биогеоценотический) (рассматривающий целостность всех живых организмов и окружающей среды, порождающий глобальную экологию планеты).

Каждый предыдущий уровень входит в последующий, образуя единое целое живой системы.

Человека всегда интересовало, как на Земле возникла жизнь и все существующее разнообразие животного и растительного мира.

Поэтому в биологии, как ни в какой другой науке, важнейшую роль играли и играют методы анализа, систематизации и классификации эмпирического материала

Как и всякая естественная наука, биология начала развиваться как описательная (феноменологическая) наука о многообразных формах, видах и взаимосвязях живого мира.

Систематика - биологическая наука о разнообразии всех существующих и вымерших организмов, о взаимоотношениях и родственных связях между их различными группами (таксонами).

Основы систематики были заложены в конце 17- первой половине 18 века в трудах Дж. Рея (1693) и К.Линнея (1735).
Эволюция в биологии представляет развитие сложных организмов из предшествующих более простых. Эволюция - исторические изменения наследственных признаков организмов, необратимое историческое развитие живой природы.

Победа эволюционной идеи в 19 в. покончила в науке с верой в божественное сотворение живых существ и человека.

Первые эволюционные теории были созданы двумя великими учеными 19 века – Ж.. Б. Ламарком и Ч. Дарвином.

Подлинная революция в биологии связана с появлением в 1859 г. теории эволюции Ч. Дарвина, изложенной им в книге «Происхождение видов путем естественного отбора».

Эволюционная теория Дарвина построена на трех постулатах: изменчивости, наследственности и естественном отборе.

Именно изменчивость является первым и главным звеном эволюции.

Изменчивость — это способность организмов приобретать новые свойства и признаки.

Дарвин выделил две формы изменчивости:

– определенную (адаптивная модификация). Это способность всех особей одного и того же вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (климат, почву); не передается по наследству

– неопределенную (мутация). Ее характер опосредованно связан с изменениями внешних условий, передается по наследству.

Наследственность — это свойство организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом.

Естественный отбор - является результатом борьбы за существование и означает выживание и успешное размножение наиболее приспособленных организмов.

Сущность эволюционного процесса состоит в непрерывном приспособлении живых организмов к разнообразным условиям окружающей среды и в появлении все более сложно устроенных организмов.

Возникновение генетики.

В 1865 году были опубликованы результаты работ чешского исследователя аббата Грегора Менделя по гибридизации сортов гороха, где были открыты важнейшие законы наследственности.

Ген – единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака, представляет собой участок молекулы ДНК.

Хромосомы – это структурные элементы ядра клетки, которые состоят из молекулы ДНК и белков, содержат набор генов с заключенной в них наследственной информацией.

В 1944 году американскими биохимиками (О. Эвери и др.) было установлено, что носителем свойства наследственности является ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)

С этого времени началось быстрое развитие молекулярной биологии

Молекулярная биология - наука, исследующая основные проявления жизни на молекулярном уровне.

Молекулярная биология исследует, каким образом и в какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, превращение энергии в живых клетках и другие явления обусловлены структурой и свойствами биологически важных молекул (главным образом белков и нуклеиновых кислот).

В 1953 году была расшифрована структура ДНК (Ф. Крик, Д. Уотсон).

Рис. Двойная спираль ДНК

Биологическая роль ДНК заключается в хранении и воспроизведении генетической информации, а РНК (рибонуклеиновая кислота) в ее реализации.

ДНК и РНК снабжают новый организм информацией о том, как он должен быть устроен и как ему функционировать.

Свойство удвоения (репликации) ДНК обеспечивает явление наследственности.

Генетический код – это свойственная живым организмам единая система «записи» наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов. Единицей генетического кода является триплет нуклеотидов.

Универсальность генетического кода - у всех организмов на Земле одни и те же триплеты нуклеотидов кодируют одни и те же аминокислоты

Геном — совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данной животной или растительной клетки.

Генотип - совокупность всех генов, которые содержатся в молекулах ДНК данного организма. Он представляет собой систему, контролирующую развитие, строение и жизнедеятельность организма.

Фенотип - совокупность всех признаков организма. Фенотип представляет собой результат взаимодействия генотипа и окружающей среды.

Генофонд - совокупность генов данной популяции, группы особей или вида.

Число генов в организме человека составляет 20000-25000, а весь геном — это более 3 млрд. нуклеотидных пар (по результатам проекта «Геном человека»).

Мутации - это изменения последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК. Мутации – это чрезвычайно редкое явление неточной передачи генетической информации, когда хромосомы новой клетки или гены оказываются не вполне подобными старым.

Современная (синтетическая) теория эволюции представляет собой синтез генетики и дарвинизма. Она появилась к концу 20-х гг. XX в и рассматривает популяцию как элементарную структуру эволюции.

Популяция – совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.

Наследственное изменение популяции в каком-либо определенном направлении осуществляется под воздействием таких эволюционных факторов, как мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор.

Онтогенез – совокупность преобразований, происходящих в организме от зарождения до конца жизни, т. е. индивидуальное развитие организма.

Таким образом, в синтетической теории эволюции на первый план выступает не онтогенез, а развитие популяций.

Биоценоз - совокупность совместно обитающих популяций разных видов живых организмов.

Автотрофы - организмы, способные самостоятельно синтезировать органическое вещество из неорганических соединений.

Гетеротрофы - организмы, использующие для питания органические вещества, произведенные другими организмами.

Автотрофные растения и микроорганизмы представляют жизненную среду для гетеротрофов. Складывается биогеоценотический комплекс, который может существовать веками.

Биосфера - пространство, включающее околоземную атмосферу и наружную оболочку Земли, освоенное живыми организмами и находящееся под влиянием их жизнедеятельности. Живая природа и среда ее обитания.

Концепции происхождения жизни

Возникновение жизни на Земле и её биосферы одна из основных проблем современного естествознания.

Основные концепции происхождения жизни на земле:
1) креационизм (лат. creation "сотворение") жизнь была создана Творцом в определенное время;

2) концепция стационарного состояния (жизнь существовала всегда);

3) панспермия (жизнь была занесена на Землю из Космоса);

4) абиогенез - самопроизвольное зарождение. Согласно этой теории жизнь возникала и возникает неоднократно из неживого вещества. Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Аристотель, которого часто называют основателем биологии, развивая более ранние высказывания Эмпедокла об эволюции живого, придерживался теории самопроизвольного зарождения жизни.

5) биогенез - все живое происходит только от живого. Принцип «Живое возникает только из живого» получил в науке название Принципа Реди. Так складывалась концепция биогенеза, согласно которой жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. В середине 19-го века Л. Пастер окончательно опроверг теорию самопроизвольного зарождения и доказал справедливость теории биогенеза.

6) биохимической эволюции (преобладающая в наше время модель). Жизнь возникла самопроизвольно из неживого вещества в специфических условиях древней Земли в результате процессов, подчиняющимся физическим и химическим законам.

Следует подчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения, является то, что согласно теории эволюции жизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны!

• высокая температура, порядка 400 °С;
• атмосфера, состоящая из водяных паров, СО₂, СН₄, NH₃;
• присутствие сернистых соединений (вулканическая активность);
• высокая электрическая активность атмосферы;
• ультрафиолетовое излучение Солнца, которое беспрепятственно достигало нижних слоев атмосферы и поверхности Земли, поскольку озоновый слой еще не сформировался.

Большинство ученых придерживается мнения, что на Земле химическая эволюция привела к спонтанному зарождению жизни в интервале времени между 4,5 и 3,8 млрд лет назад. Последнюю гипотезу в 20-е годы XX века высказали русский ученый А.И. Опарин и англичанин Дж. Холдейн. Она и легла в основу современных представлений о возникновении жизни на Земле.

Гипотеза академика А. И. Опарина о возникновении жизни на Земле (1924 г.) опирается на представление о постепенном усложнении химической структуры и морфологического облика предшественников жизни (пробионтов) на пути к живым организмам.

В процессе возникновения жизни на Земле различают несколько основных этапов:

Химическая эволюция:

• абиогенный синтез низкомолекулярных органических соединений из неорганических
• синтез биополимеров, близких к нуклеиновым кислотам и белкам;
• образование коацерватов (фазово-обособленных систем органических соединений, отделенных от внешней среды мембранами), способных обмениваться веществом и энергией с окружающей средой. Поглощение коацерватами металлов привело к образованию ферментов, ускоряющих биохимические процессы;
• образование пробионтов (предшественников жизни). Выработка в ходе эволюции у коацерватов процессов саморегуляции, самовоспроизведения и способности осуществлять важнейшие жизненные функции - расти и подвергаться естественному отбору.

Биологическая эволюция

• Возникновение прокариотных организмов из пробионтов
• совершенствование строения и функций клетки (эукариоты, многоклеточные организмы и т.д.)

Наиболее трудная часть проблемы возникновения жизни – переход от биополимеров к первым живым существам. В результате взаимодействия нуклеиновых кислот и белков, возникновения мембран с избирательной проницаемостью, образуются пробионты, способные к самовоспроизведению. В эволюционном отношении пробионты были предшественниками прокариот (безъядерных одноклеточных организмов).

Собственно биологическая эволюция начинается с образования клеточной организации и в дальнейшем идет по пути совершенствования строения и функций клетки, образования многоклеточной организации, разделения живого на царства растений, животных, грибов с последующей их дифференциацией на виды.

Развитие жизни на земле

Катархей - геологическая эра Земли от ее образования до зарождения жизни (4,6 -3,5 млрд лет назад).

Архей – самая древняя геологическая эра, выделяемая в геохронологии Земли (3,5–2,6 млрд. лет назад).

Ко времени архея относится возникновение первых прокариот (бактерий и сине-зеленых водорослей) – организмов, которые в отличие от эукариот не обладают оформленным клеточным ядром и типичным хромосомным аппаратом (наследственная информация реализуется и передается через ДНК).

Первый период развития органического мира на Земле (архей) характеризуется тем, что первичные живые организмы были анаэробными (жили без кислорода) и гетеротрофными, т.е. питались и воспроизводились за счет "органического бульона", возникшего из неорганических систем.

Переход к фотосинтезу и автотрофному питанию был великим революционным переворотом в эволюции живого (около 3 млрд. лет назад).

Он завершился примерно 1,8 млрд. лет назад (протерозой) и привел к важным преобразованиям на Земле. Образуется почва. В атмосфере снижается содержание метана, аммиака, водорода, начинается накопление углекислого газа и кислорода. Первичная атмосфера Земли сменилась вторичной, кислородной; возник озоновый слой, который сократил воздействие ультрафиолетовых лучей, а значит и прекратил производство нового "органического бульона"; изменился состав морской воды, он стал менее кислотным. Таким образом, современные условия на Земле в значительной мере были созданы жизнедеятельностью организмов.

Протерозой - огромный по продолжительности этап исторического развития Земли (2,6 млрд. – 570 млн. лет назад).

В древнейшей протерозойской эре истории Земли реализуется начальный этап возникновения биосферы. Достоверных сведений о биосфере этой эры практически нет. Представляется, что в те времена могли существовать лишь самые примитивные формы жизни.

Протерозой (с греч. «первичная жизнь») – геологическая эра, в которой на смену одноклеточным и колониальным формам пришли многоклеточные. Конец протерозоя иногда называют «веком медуз» – очень распространенных в это время представителей кишечнополостных.

Палеозой (от греч. «древняя жизнь») – геологическая эра (570–230 млн. лет). В палеозое произошло завоевание суши многоклеточными растениями и животными.

Мезозой (с греч. «средняя жизнь») – это геологическая эра (230 – 67 млн. лет)

Мезозойская эра характеризуется появлением многочисленных видов крупных и гигантских животных, особенно рептилий и пресмыкающихся.

Мезозой справедливо называют эрой пресмыкающихся.

Геологическая эра, в которую мы живем, называется кайнозой.

Кайнозой (от греч. «новая жизнь») – это эра (67 млн. лет – наше время) расцвета цветковых растений, насекомых, птиц и млекопитающих.

Происхождение человека

Homo Sapiens – человек разумный относится к отряду приматов, подотряду человекообразных обезьян, семейству – людей.

Первые приматы появились около 70 млн. лет назад, первые человекообразные обезьяны – 34 млн. лет назад.

Сравнение ДНК человека и животных позволяет установить степень родства их организмов. Оказалось, что ДНК гориллы и шимпанзе отличается от человеческого меньше, чем на 3%, тогда как отличия от низших обезьян превышают 10%.

В настоящее время большинство специалистов считает, что ближайшим предшественником человека являются австралопитеки – прямоходящие млекопитающие. Костные остатки австралопитеков, возраст которых составляет от 5 до 2,5 млн. лет, впервые были обнаружены в 1924 г. в Южной Африке. Австралопитеки изготавливали каменные орудия труда, возможно, даже пользовались огнем, но ни речи, ни социальной структуры у них не было – это тупиковая ветвь эволюции.

В Африке найдены останки «человека умелого» — зинджантропа, жившего 2 млн лет назад. Он обладал уже такими человеческими признаками, как прямохождение и заметная развитость кисти руки. При этом название «умелый» ему дано за умение изготовить и применить первобытные каменные орудия труда. Далее развитие современного человека прослеживается более определенно: питекантроп (1,9-0,65 млн лет назад); синантроп (400 тыс. лет назад), неандерталец, появившийся по разным данным от 200 до 150 тыс. лет назад, и, наконец, кроманьонец, наш непосредственный предок, возникший от 200 до 40 тысяч лет назад.

Таким образом, последовательность наших предков:

человек умелый (Номо habilis»)

человек прямоходящий (Номо erectus)

• питекантроп
• синантроп

человек разумный (Номо sapiens)

• неандерталец (тупиковая ветвь),
• кроманьонец,

Необходимо отметить, что антропогенез не следует представлять в виде линейного процесса. Следует иметь в виду, что эволюция осуществляется в процессе постоянного возникновения новых ответвлений (бифуркаций), большая часть которых очень быстро исчезает. В каждый период времени существует множество параллельных эволюционных линий, происходящих от общего предка.

ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКОЕ (ИНТЕГРАЛЬНОЕ) ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ.

В конце 20- начале 21 века естествознание вступило в новую историческую фазу своего развития - на уровень постнеклассической науки (интегральное естествознание).

В основе современной науки лежит эволюционно- синергетическая концепция: основным механизмом происхождения и развития Вселенной является универсальный эволюционизм и самоорганизация.

Современная естественнонаучная картина мира является эволюционной.

Понятие и принципы синергетики.

Классическое и неклассическое естествознание объединяет одна общая черта: предмет познания у них - это простые, закрытые, изолированные, обратимые во времени) системы.

Различают простые и сложные системы.

Простые системы состоят из небольшого числа независимых переменных, взаимоотношения между которыми описываются линейными уравнениями, поддаются математической обработке и подчиняются универсальным законам.

Сложные системы состоят из большого числа независимых переменных и большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее исследование объекта, выведение закономерностей его функционирования. Сложные системы описываются нелинейными уравнениями, которые могут иметь несколько решений. Кроме того, чем сложнее система, тем больше у нее так называемых эмерджентных свойств, т. е. свойств, которых нет у ее частей, и которые являются следствием эффекта целостности системы.

По типу взаимодействия с окружающей средой все системы делятся на:

• открытые
• закрытые.

Открытые системы - это системы реального мира, которые обмениваются веществом, энергией или информацией с окружающей средой. К ним относятся напр. биологические и социальные системы.

Закрытые системы не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией, ни информацией. Понятие «Закрытой системы» является абстракцией высокого уровня. В действительности никакая система не может быть полностью изолирована от воздействия других систем.

Однако, именно по отношению к закрытым системам и были сформулированы два начала (закона) термодинамики:

1. В закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы (закон сохранения энергии).
2. Процессы, протекающие в замкнутых системах, развиваются в направлении возрастания энтропии и приводят к установлению равновесного состояния.

Иначе говоря, согласно второму началу термодинамики запас энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная неизбежно приближается к «тепловой смерти».

Вместе с тем, уже во второй половине ХIХ века, и особенно в ХХ веке, биология (и прежде всего теория эволюции Дарвина) убедительно показала, что эволюция Вселенной не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи.

Скорее, наоборот: история и эволюция Вселенной развивают ее в противоположном направлении - от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному.

В 70 г. 20 века появилась новая наука «Синергетика», пытающаяся ответить на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Развитие понимается в синергетике как процесс становления качественно нового, того, что еще не существовало в природе и предсказать которое невозможно.

Синергетик а – наука, изучающая общие принципы, лежащие в основе всех явлений самоорганизации в сложных системах (в физике, химии, биологии, в технике и теории вычислительных машин, в социологии и экономике).

Главная идея синергетики - это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации.

Основные положения теории синергетики разработаны в трудах Г. Хакена, Г. Николиса, И. Пригожина.

Основные понятия синергетики

Самоорганизация - процесс упорядочивания системы, происходящий в силу внутренних факторов самой системы.

Флуктуации - случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, от ее закономерного состояния.

Бифуркация - приобретение нового качества в движениях динамической системы при малом изменении ее параметров.

Точки бифуркации – переломные моменты самоорганизации, критические точки выбора пути развития системы.

В настоящее время концепция самоорганизации получает все большее распространение не только в естествознании, но и в социально гуманитарных разделах наук. Большинство наук изучает процессы эволюции систем и они вынуждены анализировать механизмы их самоорганизации.

К саморазвивающимся и саморегулирующимся системам относятся, напр.:

• в технике - автоматические системы и регуляторы.
• в экономике - механизм рынка свободной конкуренции.
• в физиологии -механизмы гомеостаза, которые регулируют жизненно важные функции организма: температуру тела, частоту дыхания, кровяное давление и др.

Вся система живых организмов основана на синергетике, т.е. из исходной системы хаоса в процессе эволюции была основана организованная система жизни.

Синергетика присутствует также и в неживых системах. По этой теории космические тела были образованы из физического вакуума в результате флуктуации – временного отклонения от среднего. Таким образом, из хаоса была создана организованная система Вселенной

В раскрытии механизмов самоорганизации помимо неравновесной термодинамики были использованы также новые идеи и результаты, появившиеся в разных областях физики и химии – в гидродинамике, физике лазеров, при исследовании автокаталитических реакций и некоторых других явлений.

Процесс самоорганизации становится возможным при наличии ряда условий: система должна быть открытой, неравновесной, нелинейной, состоять из большого числа элементов.

Самоорганизация систем протекает следующим образом:

• период плавного эволюционного развития, накопления флуктуаций, точка бифуркации (критическое состояние);
• выход из критического состояния одномоментно скачком за счет быстрой перестройки системы и переход в новое устойчивое состояние (диссипативную структуру) с большей степенью сложности и упорядоченности.
• по завершении процесса самоорганизации система снова переходит в эволюционное состояние.

Принцип глобального эволюционизма - признание невозможности существования всех рождаемых во вселенной структур вне развития, вне общей эволюции.

Это выявление общих законов природы, связывающих в единое целое происхождение Вселенной (космогенез), возникновение Солнечной системы и нашей планеты Земля (геогенез), возникновение жизни (биогенез) и, наконец, возникновение человека и общества (антропосоциогенез).

С точки зрения глобального эволюционизма, вся познанная история Вселенной как самоорганизующейся системы – от Большого взрыва до возникновения человечества – представляется в виде единого процесса с генетической и структурной преемственностью 4-х типов эволюции – космической, химической, биологической и социальной.

В глобальном эволюционизме отображается универсальная связь между неживой, живой и социальной материей, фундаментальное единство материального мира.

Глобальный эволюционизм подтверждается моделью Большого взрыва и неравновесной термодинамикой в физике, гипотезами предбиологической эволюции в химии, теорией литосферных плит в геологии, эволюционной генетикой и биологией, а также другими теоретическими построениями. По существу это одна из форм реализации диалектического принципа развития.

Современные представления о глобальном эволюционизме и синергетике (эволюционно-синергетическая парадигма) позволяют описать развитие природы как последовательную смену рождающихся из хаоса структур, временно обретающих стабильность, а затем вновь стремящихся к хаотическим состояниям.

Дата добавления: 2014-01-13