Концепции современного естествознания (работа 8)
1. Естественнонаучная и гуманитарная науки: их специфика и взаимосвязь
И тот, и другой типы культур – суть творения разума и рук человеческих. А человек при всей своей обособленности от природы продолжает быть ее неотъемлемой частью. Естественнонаучный и гуманитарный типы культур и наук имеют массу «пограничных» проблем, предметная область которых едина для того и для другого. Решение таких проблем заставляет идти их на сотрудничество друг с другом. Описываемые типы культур и составляющие их сердцевину науки активно формируют мировоззрение людей. В свою очередь мировоззрение также обладает характеристикой целостности: невозможно левым глазом видеть одно, а правым – другое. Поэтому гуманитарные и естественнонаучные знания вынуждены координироваться, взаимосогласовываться.
Естествознание нуждается в «гуманитарной помощи» по следующим проблемам:
1) интенсивное развитие естественных наук и создаваемых на их базе технологий способно порождать объекты, ставящие под угрозу существование всего человечества (ядерное оружие и т.д.) поэтому необходима гуманитарная экспертиза.
2) вполне «законным» объектом естествознания является человек в качестве элементарной «химической машины», обойтись без экспериментальной проверки выдвигаемых гипотез естественные науки не могут, но определять пределы допустимости экспериментов лучше поручить наукам гуманитарным.
3) главное оружие естественных наук заключено в их методологии – способах, правилах, приемах научного исследования; учение о методах науки, а также их системная организация называются методологией; но методология естествознания составляет также и предмет науки гуманитарного профиля.
4) самое главное: все, что не делает человек, должно быть наполнено смыслом, целесообразностью; а постановка целей развития естественнонаучной культуры не может быть осуществлена внутри ее самой, такая задача неизбежно требует большей широты обзора, позволяющей учитывать и основные гуманитарные ценности.
Гуманитарное знание, со своей стороны, также по мере возможности пользуется достижениями естественнонаучной культуры:
1) рассуждая о месте человека в мире, разве можно не принимать во внимание естественнонаучные представления о том, что этот мир собой представляет;
2) чего стоило бы гуманитарное знание без современных средств его распространения, которые являются плодами развития естественнонаучных отраслей знания;
3) достижения естествознания важны гуманитариям и в качестве примера, образца строгости, точности и доказательности научного знания.
4) там, где можно, гуманитарное значение с удовольствием пользуется количественными методами исследования – экономические науки, лингвистика, логика и т.д.
5) гуманитарное знание имеет дело в основном с идеальными объектами (смыслами, целями), но идеальное само по себе не существует. Поэтому многие особенности социального поведения человека необъяснимы без обращения к такой материальной основе а это – сфера компетенции естественнонаучного знания.
Несмотря на все неоспоримость тенденции сближения естественнонаучной и гуманитарной культур, речь во все не идет о полном их слиянии. Достаточно разрешения конфликта между ними в духе принципа дополнительности.
2. Исторические этапы познания природы
Четыре этапа:
1. Натурфилосо́фия (VI – IV в.в. до нашей эры (н.э.) – до XIII – XV в.в. н.э.) – на этой стадии сформировались общие представления об окружающем мире, как о чем-то целом. Отличительной чертой этой стадии являлось господство методов наблюдения, а не эксперимента, догадок, а не точно воспроизводимых выводов.
2. Аналитическая - Для нее характерно глубокое исследование отдельных явлений, активное использование эксперимента. Возникла огромная армия исследователей - путешественников, мореплавателей, астрономов, алхимиков и др., накопивших большой экспериментальный материал и положивших начало основной массе достижений в изучении Природы.
3. Синтетическая. для нее характерно: Начало воссоздания целостной картины Природы на основе ранее познанных частностей;На первый план выходит изучение процессов; Создание универсальных теорий (например, Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева, теория строения органических соединений Д.М.Бутлерова, открытие законов термодинамики, становление и развитие химической кинетики и др.);Природа вновь рассматривается с точки зрения ее эволюции.
4. Интегрально-дифференциальная. она характеризуется: Обоснованием принципиальной целостности (интегральности) всего естествознания;Усилением дифференциации наук и резким возрастанием объема эмпирических исследований;Взаимным проникновением идей и методов различных наук; появлением «синтетических наук»;Созданием универсальных теорий, выводящих все разнообразие природных явлений из одного или нескольких общетеоретических принципов, например, А.Эйнштейн «Общая теория относительности для непрерывного макромира»
3. Логика и закономерности развития науки
Выявление логики развития науки означает уяснение закономерностей научного прогресса, его движущих сил, причин и исторической обусловленности. Прежде полагали, что в науке идет непрерывное приращение научного знания, постоянное накопление новых научных открытий и все более точных теорий. Ныне логика развития науки представляется иной: последняя развивается непрерывным накоплением новых фактов и идей, не шаг за шагом, а через фундаментальные теоретические сдвиги, в один прекрасный момент перекраивающие дотоле привычную общую картину мира и заставляющие ученых перестраивать свою деятельность на базе принципиально иных мировоззренческих установок. Пошаговую логику неспешной эволюции науки сменила логика научных революций и катастроф. Ввиду новизны и сложности проблемы в методологии науки еще не сложилось общепризнанного подхода или модели логики развития научного знания. Таких моделей множество.
Наибольшее число сторонников, начиная с 60-х гг. нынешнего века, собрала концепция развития науки, предложенная американским историком и философом науки Томасом Куном. Он ввел в методологию науки принципиально новое понятие – «парадигма» (образец). В нем фиксируется существование особого способа организации знания, подразумевающего определенный набор предписаний, задающий характер видения мира. В парадигме также содержаться образцы решения конкретных проблем. Решающая новизна концепции Т.Куна заключалась в мысли о том, что смена парадигм в развитии науки не носит линейного характера. Т.е. развитие науки, рост научного знания нельзя представлять строго тянущегося вверх, скорее он похож на развитие кактуса.
4 Эксперимент как основа точного естествознания
Экспериме́нт (от лат. experimentum — проба, опыт) в научном методе — метод исследования некоторого явления в управляемых условиях. С самого момента возникновения философии человек размышляет о возможностях и границах познания. Философские размышления велись главным образом либо в русле эмпиризма, пренебрегающего ролью творческого мышления и развитием понятийного аппарата, либо в русле рационализма, который не учитывал практики как критерия истины, как основы, отправной точки и цели познания. Философская постановка вопроса выходит, однако, за рамки проблем истории теорем познания. Она включает мировоззренческие проблемы, касающиеся связи познания с гуманизмом, и рассмотрение эффективности результатов познания. Речь идет об ответственности ученых в двояком отношении. С одной стороной, должно учитываться соотношение между приложенными затратами и полученной пользой с целью обеспечения наибольшей эффективности исследований. Это особенно трудно сделать в отношении фундаментальных исследований, так как практические результаты здесь нередко проявляются в более или менее отдаленном будущем. С другой стороны, эксперименты, поскольку они прямо или косвенно затрагивают людей, не могут связываться только с критериями экономической эффективности. Эксперименты с людьми и на людях требуют соблюдения гуманистических принципов. Общественная потребность в научных знаниях может быть удовлетворена только при наличии соответствующего задела и полном высвобождении творческих потенций. Для этого необходимы определенные условия. Развитие общества в значительной степени определяется уровнем наукоемких технологий, многочисленные направления которых основаны на достижениях соответствующих отраслей естествознания. Современное естествознание обладает большим многообразием методов исследований, среди которых эксперимент – наиболее эффективное и действенное средство познания.
Для эксперимента сегодняшнего дня характерны три основные особенности:
1.возрастание роли теоретической базы эксперимента. Во многих случаях эксперименту предшествует теоретическая работа, концентрирующая громадный труд большого числа теоретиков и экспериментаторов;
2. сложность технического оснащения эксперимента. Техника эксперимента, как правило, насыщена многофункциональной электронной аппаратурой, прецизионными механическими устройствами, высокочувствительными приборами, высокоточными преобразователями и т. п. Большинство экспериментальных установок представляет собой полностью замкнутую систему автоматического регулирования, в которой технические средства обеспечивают заданные условия эксперимента с вполне определенной точностью, регистрируют промежуточные экспериментальные результаты и производят последовательную их обработку;s
3.масштабность эксперимента. Некоторые экспериментальные установки напоминают сложные объекты крупных масштабов. Строительство и эксплуатация таких объектов стоит больших финансовых затрат. Кроме того, экспериментальные объекты могут оказать активное действие на окружающую среду.
Эксперимент базируется на практическом воздействии субъекта на исследуемый объект и часто включает операции наблюдения, приводящие не только к качественным, описательным, но и к количественным результатам, требующим дальнейшей математической обработки. С этой точки зрения эксперимент- разновидность практического действия, предпринимаемого с целью получения знания. В процессе экспериментального естественнонаучного исследования в контролируемых и управляемых условиях изучаются многообразные свойства и явления природы.
5. Особенности научного познания
Познание — это специфический вид деятельности человека, направленный на постижение окружающего мира и самого себя в этом мире. “Познание – это, обусловленный прежде всего общественно-исторической практикой, процесс приобретения и развития знания, его постоянное углубление, расширение, и совершенствование.”
Основными особенностями научного познания являются:
Основная задача научного знания — обнаружение объективных законов действительности — природных, социальных (общественных), законов самого познания, мышления и др.
Непосредственная цель и высшая ценность научного познания — объективная истина, постигаемая преимущественно рациональными средствами и методами, но, разумеется, не без участия живого созерцания. Отсюда характерная черта научного познания — объективность, устранение по возможности субъективистских моментов во многих случаях для реализации “чистоты” рассмотрения своего предмета.
Наука в большей мере, чем другие формы познания ориентирована на то, чтобы быть воплощенной в практике, быть “руководством к действию” по изменению окружающей действительности и управлению реальными процессами. Весь прогресс научного знания связан с возрастанием силы и диапазона научного предвидения. Именно предвидение дает возможность контролировать процессы и управлять ими. Научное знание открывает возможность не только предвидения будущего, но и сознательного его формирования.
Научное познание в гносеологическом плане есть сложный противоречивый процесс воспроизводства знаний, образующих целостную развивающуюся систему понятий, теорий, гипотез, законов и других идеальных форм, закрепленных в языке
Научному познанию присущи строгая доказательность, обоснованность полученных результатов, достоверность выводов.
6. Понятие научной картины мира
Под научной картиной мира классики естествоиспытатели понимают систематизированные, исторически полные образы и модели природы и общества. Огромен и разнообразен окружающий нас мир природы. Но каждый человек должен пытаться познать этот мир и осознать свое место в нем. Чтобы познать мир, мы из частных знаний о явлениях и закономерностях природы пытаемся создать общее - научную картину мира. Содержанием ее являются основные идеи наук о природе, принципы, закономерности, не оторванные друг от друга, а составляющие единство знаний о природе, определяющие стиль научного мышления на данном этапе развития науки и культуры человечества.
Картина мира, рисуемая современным естествознанием, необыкновенно сложна и проста одновременно. Сложна потому, что способна поставить в тупик человека, привыкшего к согласующимся со здравым смыслом классическим научным представлениям. Но в то же время картина проста, стройна и где-то даже элегантна. Эти качества ей придают принципы построения и организации современного научного знания: 1) системность 2) глобальный эволюционизм, 3) самоорганизация 4) историчность.
7. Классическая механика и формирования механической картины мира
Класси́ческая меха́ника — вид механики (раздела физики, изучающей законы изменения положений тел и причины, это вызывающие), основанный на 3 законах Ньютона (1. Существуют такие системы отсчета, относительно которых тела сохраняют свою скорость постоянной, если на них не действуют другие тела и поля. 2. В инерциальной системе отсчета ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально приложенной к ней силе и обратно пропорционально её массе. 3. В инерциальной системе отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на неё силе.) и принципе относительности Галилея. Поэтому её часто называют «Ньютоновской механикой». Важное место в классической механике занимает существование инерциальных систем. Классическая механика подразделяется на кинематику(которая изучает геометрическое свойство движения без рассмотрения его причин), статику (которая рассматривает равновесие тел) и динамику (которая рассматривает движение тел).
Классическая механика выработала иные представления о мире, материи, пространстве и времени, движении и развитии, отмеченные от прежних и создала новые категории мышления - вещь, свойство, отношение, элемент, часть, целое, причина, следствие, система - сквозь призму которых сама стала смотреть на мир, описывать и объяснять его. Новые представления об устройстве мира привели к созданию и Новой Картины мира - механистической, в основе которой лежали представления о вселенной как замкнутой системе, уподобляемой механическим часам, которые состоят из незаменимых, подчиненных друг другу элементов, ход которых строго подчиняется законам классической механики. Законам механики подчиняются все и вся, входящие в состав вселенной, а, следовательно, законам этим приписываются универсальность. Как и в механических часах, в которых ход одного элемента строго подчинен ходу другого, так и во вселенной, согласно механистической картине мира, все процессы и явления строго причинно связаны между собой нет места случайности и все предопределено.
В механистической картине мира задаются мировоззренческие ориентации и методологические принципы познания. Механицизм, детерминизм, редукционизм образуют систему принципов, регулирующих исследовательскую деятельность человека. Открывая законы, описывающие природные явления и процессы, человек противопоставляет себя природе, возвышает себя до уровня хозяина природы. Так человек ставит свою деятельность на научную основу, ибо он, исходя из механистической картины мира, уверился в возможность с помощью научного мышления выявить универсальные законы функционирования мира.
8. Специальная теория относительности
Специа́льная тео́рия относи́тельности (СТО) (англ. special theory of relativity; ча́стная тео́рия относи́тельности; релятивистская механика) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения, определяющие их, при скоростях движения, близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механикаНьютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей образует общую теорию относительности. Создатель теории относительности сформулировал обобщенный принцип относительности, которые теперь распространяется и на электромагнитные явления, в том числе и на движение света. Этот принцип гласит, что никакими физическими опытами, производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения. Классическое сложение скоростей применимо для распространения электромагнитных волн, света.
9. Общая теория относительности
О́бщая тео́рия относи́тельности (ОТО)— геометрическая теория, развивающая Специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альберто Эйнштейном в 1915—1916 годах. В общей теории относительности (ОТО), или теории тяготения, Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы. В ней он также исходит из экспериментального факта эквивалентности масс инерционных и гравитационных, или эквивалентности инерционных и гравитационных полей. Правда, принцип эквивалентности справедлив только при строго локальных наблюдениях.
В общей теории относительности Эйнштейн доказал, что структура пространства – времени определяется распределением масс материи.
10. Концепция атомизма и элементарные частицы
Представление о неделимых мельчайших частицах материи, возникшее еще в глубокой древности, сопровождало развитие воззрений на природу на протяжении всей истории научного познания. Впервые понятие об атоме как последней и неделимой частице тела возникло, как известно, в античной Греции в рамках натурфилософского учения школы Левкиппа—Демокрита. Согласно этому учению, в мире существуют только атомы и пустота. Различные комбинации атомов образуют самые разнообразные видимые тела. Эти тела могут возникать и исчезать, но атомы, из которых они состоят, остаются неизменными. Они могут лишь переходить от одних тел к другим.
Античная гипотеза об атомах не основывалась на каких-либо эмпирических данных и была лишь гениальной догадкой, но тем не менее она определила на многие столетия вперед все дальнейшее развитие естествознания. И хотя сейчас мы знаем, что атом вовсе не является последней, неделимой частицей материи и имеет сложное строение, тенденция к поиску последних элементарных частиц, из которых построено все мироздание, продолжает существовать в новых формах атомистической концепции.
Эта концепция, как уже отмечалось раньше, несомненно, обладает огромными возможностями для объяснения свойств и особенностей сложных тел с помощью свойств более простых элементов и частиц. Однако такое объяснение достигается, как известно, посредством редукции, т.е. сведения сложного к простому, составного к элементарному. Поэтому трудно согласиться с идеей, что все многообразие сложного и качественно разнообразного мира может быть сведено к немногим свойствам небольшого числа простых, элементарных частиц.
11. Качественная характеристика информации
Возможность и эффективность использования информации обусловливаются такими основными ее потребительскими показателями качества, как репрезентативность, содержательность, достаточность, доступность, актуальность, своевременность, точность, достоверность, устойчивость.
Репрезентативность информации связана с правильностью ее отбора и формирования в целях адекватного отражения свойств объекта. Важнейшее значение здесь имеют:
• правильность концепции, на базе которой сформулировано исходное понятие;
• обоснованность отбора существенных признаков и связей отображаемого явления.
Нарушение репрезентативности информации приводит нередко к существенным ее погрешностям.
Содержательность информации
отражает семантическую емкость, равную
отношению количества семантической
информации в сообщении к объему
обрабатываемых данных, т.е.
С увеличением содержательности информации растет семантическая пропускная способность информационной системы, так как для получения одних и тех же сведений требуется преобразовать меньший объем данных.
Наряду с коэффициентом
содержательности С, отражающим
семантический аспект, можно использовать
и коэффициент информативности,
характеризующийся отношением количества
синтаксической информации (по Шеннону)
к объему данных
.
Достаточность (полнота) информации означает, что она содержит минимальный, но достаточный для принятия правильного решения состав (набор показателей). Понятие полноты информации связано с ее смысловым содержанием (семантикой) и прагматикой. Как неполная, т.е. недостаточная для принятия правильного решения, так и избыточная информация снижает эффективность принимаемых пользователем решений.
Доступность информации восприятию пользователя обеспечивается выполнением соответствующих процедур ее получения и преобразования. Например, в информационной системе информация преобразовывается к доступной и удобной для восприятия пользователя форме. Это достигается, в частности, и путем согласования ее семантической формы с тезаурусом пользователя.
Актуальность информации определяется степенью сохранения ценности информации для управления в момент ее использования и зависит от динамики изменения ее характеристик и от интервала времени, прошедшего с момента возникновения данной информации.
Своевременность информации означает ее поступление не позже заранее назначенного момента времени, согласованного с временем решения поставленной задачи.
Точность информации определяется степенью близости получаемой информации к реальному состоянию объекта, процесса, явления и т.п.
Достоверность информации определяется ее свойством отражать реально существующие объекты с необходимой точностью. Измеряется достоверность информации доверительной вероятностью необходимой точности, т. е. вероятностью того, что отображаемое информацией значение параметра отличается от истинного значения этого параметра в пределах необходимой точности.
Устойчивость информации отражает ее способность реагировать на изменения исходных данных без нарушения необходимой точности. Устойчивость информации, как и репрезентативность, обусловлена выбранной методикой ее отбора и формирования.
12. Антропный принцип космологии
С естественнонаучной точки зрения возникновение антропного принципа следует рассматривать в тесной связи с происхождением жизни во Вселенной, а также принципиальной возможностью появления других, отличных от нашей Вселенной миров. По мнению Р. Дикке, жизнь во Вселенной не может появиться раньше, чем сменится первое поколение звезд, в результате разрушения которых появится вещество, содержащее углерод, кислород и другие химические элементы, необходимые для возникновения жизни. Только после возникновения звезд второго поколения начинается отсчет звездного времени и появляется возможность зарождения жизни. Таким образом, рассматривая зависимость появления человека от универсальных мировых констант, в частности от возраста Вселенной, Дикке попытался дать биологическое объяснение антропному принципу.
Дискуссии вокруг антропного принципа в космологии, как нетрудно заметить, приобретают философский характер, поскольку они касаются проблемы предопределенности развития Вселенной фундаментальными исходными мировыми константами. Многие исследователи видят в этом возврат к антропоцентризму во взгляде на мир, признанию существования целей в природе, отход от революционной точки зрения Коперника, отрицающей выделенное место Земли и человека во Вселенной. Однако противоположный подход, преувеличивающий роль случайностей в развитии мира и отрицающий его закономерный характер, также нельзя считать правильным. По-видимому, существование фундаментальных мировых констант, зависимость от них всего последующего развития Вселенной требуют также поиска тех общих универсальных закономерностей, которые детерминируют такое развитие. Обсуждение вопросов взаимосвязи между случайным и закономерным в эволюции Вселенной приводит нас к анализу ряда других философских и мировоззренческих проблем, выдвинутых развитием современной космологии.
13. Статические и динамические закономерности. Принцип неопределенности Гейзенберга
Принцип неопределённости Гейзенбе́рга (или Га́йзенберга) — в квантовой механике так называют принцип, дающий нижний (ненулевой) предел для произведения дисперсий(степень отклонения или изменения значений переменной от центрального пункта.) величин, характеризующих состояние системы. Принцип Гейзенберга вообще играет в квантовой механике ключевую роль хотя бы потому, что достаточно наглядно объясняет, как и почему микромир отличается от знакомого нам материального мира. Чтобы понять этот принцип, задумайтесь для начала о том, что значит «измерить» какую бы то ни было величину. Чтобы отыскать, например, эту книгу, вы, войдя в комнату, окидываете ее взглядом, пока он не остановится на ней. На языке физики это означает, что вы провели визуальное измерение (нашли взглядом книгу) и получили результат — зафиксировали ее пространственные координаты (определили местоположение книги в комнате). На самом деле процесс измерения происходит гораздо сложнее: источник света (Солнце или лампа, например) испускает лучи, которые, пройдя некий путь в пространстве, взаимодействуют с книгой, отражаются от ее поверхности, после чего часть из них доходит до ваших глаз, проходя через хрусталик, фокусируется, попадает на сетчатку — и вы видите образ книги и определяете ее положение в пространстве. Ключ к измерению здесь — взаимодействие между светом и книгой. Так и при любом измерении, представьте себе, инструмент измерения (в данном случае, это свет) вступает во взаимодействие с объектом измерения (в данном случае, это книга).
14. Проблема существования и поиска внеземных цивилизаций во вселенной
Эта проблема получила развитие еще в древности. В пользу того, что мы не одни, приводились такие аргументы - поскольку мир состоит из одних и тех же субстанций (у одних философов это вода, у других атомы) соответственно, должна быть и внеземная жизнь. Если говорить о проблеме поиска и обнаружения внеземных цивилизаций, проблема состоит в принципиальном допущении существования жизни на иных планетах. Существует проблемы качественного перехода неживого в живое (вспомним академика Опарина). Эволюция веществ при переходе от неживой к живой материи: атомные ядра -> атомы -> низкомолекулярные соединения -> высокомолекулярные соединения -> прокариоты (организмы лишенные оформленного ядра, т.е. вирусы, бактерии) -> одноклеточные -> многоклеточные.
В туманностях нашли органические соединения, которые являются основой белков живых организмов. В этих областях ученые обнаружили процессы интенсивного звездообразования, из этого следует, что возможно интенсивное образование новых планет. Но возникает вопрос: на сколько условия образования новых планет и влияние интенсивности их звезд оказывают влияние на возможность сохранения этих низкомолекулярных соединений.
Проблема возникновения жизни во вселенной.
С одной стороны у нас на земле прослежена биологическая эволюция, но это все-таки прежде всего конституируется как эмпирический факт. Но с другой стороны, эволюция применима лишь к нашим условиям, на планете Земля, но это не является достаточным фактом, позволяющим твёрдо утверждать, что подобная эволюция не может происходить и на других планетах Вселенной. Имеются факты, которые выходят за рамки строгих объяснений в указанной теории.
15. Эволюция химических соединений на земле
Эволюцию, которую прошли химические соединения на нашей планете, можно разделить на четыре стадии: 1) неорганическую; 2) органическую; 3) биохимическую; 4) антропогенную.
1.Неорганическая стадия связана с химическими превращениями без образования цепей из атомов углерода, который, как известно, обладает наибольшим эволюционным потенциалом. На этой стадии образовывались наиболее простые вещества и происходили относительно несложные процессы.
2. органическая по сути есть химия соединений углерода. Здесь происходит резкое усложнение химизма и формируются все необходимые предпосылки для возникновения жизни.
3. биохимия, иди химия живого. С возникновением жизни высшей и наиболее сложной формой материи становится биологическая. К специфике соотношения химического и биологического можно отнести следующие закономерности:
жизнь возникает в ходе протекания химических процессов, хотя переход от неживого к живому пока воспроизвести не удается;
с возникновением жизни большая часть химических веществ продолжает существовать по своим собственным законам вне живых организмов. При этом неживое вещество служит внешней средой, с которой живое находится в постоянной динамичной связи (обмен веществ между организмом и средой);
· некоторая часть химических веществ после возникновения живого включается в состав живых организмов. Биохимия, или химия живого, намного сложнее химических процессов, идущих вне живого организма. Одновременно биохимия — часть химической науки и в ней действуют в особых формах все химические законы. Биохимические процессы являются основой жизни, они воздействуют на биологические явления, накладывая на них определенные ограничения.
биохимические процессы развиваются под контролем биологических процессов и закономерностей, например естественного отбора. В живом организме химический синтез направлен на поддержание его жизнеспособности.
· в живой природе возникает новое качество — биологическое, которое имеет в своей основе сложные химические механизмы и в то же время не может быть сведено даже к самому сложному набору химических процессов.
16. Гипотеза возникновения жизни академика А.И. Опарина
Теории самозарождения. Новая версия получила название теория химической эволюции. Одним из главных ее пропагандистов стал биохимик-марксист Александр Опарин (1894-1980).
Он изложил свои идеи в книге «Происхождение жизни», опубликованной в Советском Союзе в 1924 году и переведенной на английский язык в 1938 году. Теорию Опарина горячо поддержал кембриджский профессор Хэлдейн. Хэлдейн выдвинул гипотезу о том, что на первобытной Земле скопились огромные количества органических соединений, образовав то, что он назвал горячим разбавленным бульоном .
Современное двуединое понятие первобытного бульона и самозарождения жизни исходит из теории Опарина-Хэлдейна о происхождении жизни.
Теория эта общепризнана, преподается в школах и колледжах.
Первобытная Земля имела разреженную (то есть лишенную кислорода) атмосферу.
Когда на эту атмосферу стали воздействовать различные естественные источники энергии - например, грозы и извержения вулканов - то при этом начали самопроизвольно формироваться основные химические соединения, необходимые для органической жизни.
3. С течением времени молекулы органических веществ накапливались в океанах, пока не достигли консистенции горячего разбавленного бульона. Однако в некоторых районах концентрация молекул, необходимых для зарождения жизни, была особо высокой, и там образовались нуклеиновые кислоты и протеины.
4. Некоторые из этих молекул оказались способны к самовоспроизводству.
5. Взаимодействие между возникшими нуклеиновыми кислотами и протеинами в конце концов привело к возникновению генетического кода.
6. В дальнейшем эти молекулы объединились, и появилась первая живая клетка.
7. Первые клетки были гетеротрофами, они не могли воспроизводить свои компоненты самостоятельно и получали их из бульона. Но со временем многие соединения стали исчезать из бульона, и клетки были вынуждены воспроизводить их самостоятельно. Так клетки развивали собственный обмен веществ для самостоятельного воспроизводства.
8. Благодаря процессу естественного отбора из этих первых клеток появились все живые организмы, существующие на Земле.
Наибольшим успехом теории Опарина-Хэлдейна стал широко разрекламированный эксперимент, проведенный в 1953 году американским аспирантом Стэнли Миллером.
17. Современные представления о происхождении жизни на земле
Жизнь на Земле чрезвычайно многообразна. Она представлена ядерными и доядерными одно- и многоклеточными существами. Происхождение жизни - одна из трёх важнейших мировоззренческих проблем наряду с проблемами происхождения нашей Вселенной и проблемой происхождения человека. Попытки понять, как возникла и развивалась жизнь на Земле, были предприняты ещё в глубокой древности. Существует пять концепций возникновения жизни:
1.Креанизм - божественное сотворение живого.
2.Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества.
3.Концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда.
4.Концепция внеземного происхождения жизни.
5.Концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.
18. Структурные уровни живого
Концепция структурных уровней живого включает представление об иерархической соподчиненности структурных уровней, системности и органической целостности живых организмов. В соответствии с этой концепцией структурные уровни различаются не только сложностью, но и закономерностями функционирования. Вследствие иерархической соподчиненности каждый из уровней организации живой материи должен изучаться с учетом характера ниже и вышестоящего уровней в их функциональном взаимодействии.
Рассмотрим отдельные уровни организации живой материи, начав с низшей ступени, на которой смыкаются биология и химия.
Молекулярно-генетический уровень.
Это тот уровень организации материи, на котором совершается скачок от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого. При изучении молекулярно-генетического уровня достигнута, видимо, наибольшая ясность в определении основных понятий, а также в выявлении элементарных структур и явлений. Развитие хромосомной теории наследственности, анализ мутационного процесса, изучение строения хромосом, фагов и вирусов вскрыли основные черты организации элементарных генетических структур и связанных с ними явлений.
Клеточный уровень.
Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.
Любой живой организм состоит из клеток. В простейшем случае -- из единственной клетки (бактерии, амебы). Клетка является мельчайшей элементарной живой системой и является первоосновой строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов. Клетки всех организмов сходны по строению и составу веществ. Всеми сложными многоступенчатыми процессами в клетке управляет особая структура, как правило, находящаяся в ее ядре и состоящая из длинных цепей молекул нуклеиновых кислот.
Тканевый уровень.
Совокупность клеток с одинаковым уровнем организации образует живую ткань. Из тканей состоят различные органы живых организмов.
Организменный уровень.
Система совместно функционирующих органов образует организм. В отличие от предыдущих уровней на организменном уровне проявляется большое разнообразие живых систем. Организменный уровень именуют также онтогенетическим.
Популяционно-видовой уровень.
Он образован совокупностью видов и популяций живых систем. Популяция -- это совокупность организмов одного вида, обладающих единым генофондом (совокупностью генов). Она является надорганизменной живой системой, так же, как и вид, состоящий обычно из нескольких популяций. На этом уровне реализуется биологический эволюционный процесс.
Биогеоценотический уровень.
Он образован биоценозами -- исторически сложившимися устойчивыми сообществами популяций, связанных друг с другом и окружающей средой обменом веществ.
Биосферный уровень.
Включает в себя всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.
Отдельные структурные уровни живого являются объектами изучения для отдельных биологических наук, то есть условными разграничителями биологического знания. Так, молекулярный уровень изучается молекулярной биологией, генетикой; клеточный уровень служит объектом для цитологии, микробиологии; анатомия и физиология изучают жизнь на тканевом и организменном уровнях; зоология и ботаника имеют дело с организменным и популяционно-видовым уровнями; экология охватывает биоценотический и биосферный уровни.
19. Молекулярно-генетический уровень. Генетический код
Молекулярно-генетический уровень. Это наиболее элементарный характерный для жизни уровень. Как бы сложно или просто ни было строение любого живого организма, они все состоят из одинаковых молекулярных соединений. Примером этого являются нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и другие сложные молекулярные комплексы органических и неорганических веществ. Их называют иногда биологическими макромолекулярными веществами. На молекулярном уровне происходят различные процессы жизнедеятельности живых организмов: обмен веществ, превращение энергии. С помощью молекулярного уровня осуществляется передача наследственной информации, образуются отдельные органоиды и происходят другие процессы.
Элементарной единицей на молекулярно-генетическом уровне служит ген — фрагмент молекулы нуклеиновой кислоты, в котором записан определенный в качественном и количественном отношении объем биологической информации. Элементарное явление заключается в процессе ковариантной редупликации или самовоспроизведении с изменениями генов. Путем редупликации ДНК происходит копирование генов и заключенной в них биологической информации, что обеспечивает преемственность и сохранность (консерватизм) свойств организмов в ряду поколений. Редупликация, таким образом, является основой наследственности.
Генетический код - свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Каждый нуклеотид обозначается заглавной буквой, с которой начинается название азотистого основания, входящего в его состав:
- А (A) аденин;
- Г (G) гуанин;
- Ц (C) цитозин;
- Т (T) тимин (в ДНК) или У (U) урацил (в мРНК).
Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках — долговременное хранение информации о структуре РНК и белков.
Рибонуклеи́новые кисло́ты (РНК) — нуклеиновые кислоты, полимеры нуклеотидов, в состав которых входят остаток ортофосфорной кислоты, рибоза (в отличие от ДНК, содержащей дезоксирибозу) и азотистые основания — аденин, цитозин, гуанин и урацил (в отличие от ДНК, содержащей вместо урацила тимин). Эти молекулы содержатся в клетках всех живых организмов, а также в некоторых вирусах.
Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).
Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.
Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов. (Не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).
Однозначность — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте. (Свойство не является универсальным. Кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин)
Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.
Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии) (Из этого свойства также есть ряд исключений, см. таблицу в разделе «Вариации стандартного генетического кода» в данной статье).
20. Клеточный уровень живого
Клеточный уровень организации связан с морфологической организацией клетки, специализацией клеток в ходе развития организма, функциями клеточной мембраны, механизмами и регуляцией деления клеток. Исследования на этом уровне позволяют решать важнейшие проблемы медицины, в частности лечение онкологических заболеваний.
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.
Клетка является структурной и функциональной единицей всех живых организмов на Земле. Отдельные органоиды в составе клетки имеют характерное строение и выполняют определенную функцию. Функции отдельных органоидов в клетке взаимосвязаны и выполняют единые процессы жизнедеятельности. У одноклеточных организмов (одноклеточные водоросли и простейшие) все жизненные процессы проходят в одной клетке, и одна клетка существует как отдельный организм. Благодаря деятельности клетки поступающие извне вещества превращаются в субстраты и энергию, которые утилизируются в процессе биосинтеза белков в соответствии с существующей информацией. Таким образом, на клеточном уровне сопрягаются механизмы передачи информации и превращения веществ и энергии. Элементарные явления на этом уровне создают энергетическую и вещественную основу жизни на других уровнях.
21. Организменный уровень живых систем
Организменный уровень организации - это уровень одноклеточных, колониальных и многоклеточных организмов. Специфика организменного уровня в том, что на этом уровне происходит декодирование и реализация генетической информации, формирование признаков, присущих особям данного вида. Этот уровень изучается морфологией (анатомией и эмбриологией), физиологией, генетикой, палеонтологией.
Элементарной единицей организменного уровня служит особь, которая рассматривается в развитии от момента зарождения до прекращения существования в качестве живой системы, что позволяет назвать этот уровень также онтогенетическим. Закономерные изменения организма в индивидуальном развитии составляют элементарные явления. В ходе онтогенеза, в результате реализации наследственной информации в определенных условиях внешней среды формируется фенотип организмов данного биологического вида.
В каждом отдельном организме происходят все жизненные процессы, характерные для всех живых организмов, — питание, дыхание, обмен веществ, раздражимость, размножение и т. д. Каждый самостоятельный организм оставляет после себя потомство. У многоклеточных организмов клетки, ткани, органы и системы органов не являются отдельным организмом. Только целостная система органов, специализированно выполняющих различные функции, образует отдельный самостоятельный организм. Развитие организма, начиная с оплодотворения и до конца жизни, занимает определенный промежуток времени. Такое индивидуальное развитие каждого организма называется онтогенезом. Организм может существовать в тесной взаимосвязи с окружающей средой.
22. Популяционно-видовой уровень живого
Популяционно-видовой уровень. Единицей уровня являются особи, объединённые в популяции, которые в свою очередь объединены в виды. Основные признаки уровня: рождаемость, смертность, структура популяции (половая и возрастная), плотность, численность популяции.
Вид – это совокупность сходных между собой по определенному признаку, способных скрещиваться между собой и давать плодовитое потомство.
Популяции –совокупность особей одного вида, населяющих определённую территорию, более или менее изолированную от соседних совокупностей того же вида
Объединение особей в популяцию происходит на основе общности генофонда. Популяция, в силу возможности межпопуляционных скрещиваний, представляет собой открытую генетическую систему. Действие элементарных эволюционных факторов приводит к эволюционно значимым изменениям генофонда популяции, что и принимается за элементарное явление на этом уровне.
Особи одного вида населяют территорию с известными абиотическими показателями (климат, химизм почв, гидрологические условия) и взаимодействуют с организмами других видов. В процессе совместного исторического развития организмов разных систематических групп образуются динамичные, устойчивые во времени сообщества — биогеоценозы, которые служат элементарными единицами биогеоценотического уровня. Видовой состав, а также характеристики местообитания для отдельных биогеоценозов обеспечивают вещественно-энергетические круговороты, которые представляют на рассматриваемом уровне элементарные явления. Ведущая роль в этих круговоротах принадлежит живым организмам. Биоценоз — это открытая в вещественном и энергетическом плане система. Благодаря этому биогеоценозы объединяются в единый комплекс — область распространения жизни или биосферу.
23. Биоценоз и биогеоценоз
Биоценоз - взаимосвязанная совокупность микроорганизмов, растений, грибов и животных, населяющих более или менее однородный участок суши или водоема, и характеризующихся определёнными отношениями как между собой, так и с абиотическими факторами окружающей среды (компоненты и явления неживой, неорганической природы, прямо или косвенно воздействующие на живые организмы.)
По систематическим признакам биоценоз делится на фитоценоз, зооценоз и микробоценоз.
Фитоценоз - устойчивая естественная группировка видов растений в пределах одного биоценоза.
Зооценоз - совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых видов животных, сложившаяся в пределах одного биоценоза.
Микробиоценоз - сообщество микроорганизмов растительного и животного происхождения. Микробиоценозы составляют бактерии, грибы, актиномицеты, микроскопические низшие водоросли и др.
Функционально биоценоз делится по ступеням экологической пирамиды на группы организмов: продуцентов, консументов и редуцентов, объединенных трофическими связями.
Структурно биоценоз делятся на горизонты, слои, ярусы, пологи, меротопы.
Биоценоз характеризуется биомассой и биологической продуктивностью. В месте с биотопом биоценоз составляет биогеоценоз.
Биогеоценоз взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергии; одна из наиболее сложных природных систем. К живым компонентам Б. относятся автотрофные организмы (фотосинтезирующие зелёные растения и хемосинтезирующие микроорганизмы) и гетеротрофные организмы (животные, грибы, многие бактерии, вирусы), к косным — приземный слой атмосферы с её газовыми и тепловыми ресурсами, солнечная энергия, почва с её водо-минеральными ресурсами и отчасти кора выветривания (в случае водного Б. — вода). В каждом Б. сохраняется как однородность (гомогенная или чаще мозаичногомогенная) состава и строения компонентов, так и характер материально-энергетического обмена между ними. Особенно важную роль в Б. играют зеленые растения (высшие и низшие), дающие основную массу живого вещества. Они производят первичные органические материалы, вещество и энергия которых используются самими растениями и по цепям питания передаются всем гетеротрофным организмам.
Основные показатели биогеоценоза
Видовой состав — количество видов, обитающих в биогеоценозе.
Видовое разнообразие - количество видов, обитающих в биогеоценозе на единицу площади или объема.
В большинстве случаев видовой состав и видовое разнообразие количественно не совпадают и видовое разнообразие напрямую зависит от исследуемого участка.
Биомасса — количество организмов биогеоценоза, выраженное в единицах массы.
Б. — динамичная система. Он непрерывно изменяется и развивается в результате внутренних противоречивых тенденций его компонентов. Изменения Б. могут быть кратковременными, обусловливающими легко обратимые реакции компонентов Б. (суточные, погодные, сезонные), и глубокими, ведущими к необратимым сменам в состоянии, структуре и общем метаболизме Б. и знаменующими смену (сукцессию) одного Б. другим. Они могут быть медленными и быстрыми; последние часто происходят под влиянием внезапных перемен в результате стихийных причин или хозяйственной деятельности человека (не только преобразующего и разрушающего природные Б, но и создающего новые, культурные Б.). Наряду с динамичностью, Б. присуща и устойчивость во времени, которая обусловлена тем, что современные природные Б. — результат длительной и глубокой адаптации живых компонентов друг к другу и к компонентам косной среды. Поэтому Б., выведенные из устойчивого состояния той или иной причиной, после её устранения могут восстанавливаться в форме, близкой к исходной. Б., близкие по составу и структуре компонентов, по метаболизму и направлению развития, относят к одному типу Б., который является основной единицей биогеоценологической классификации.
24. Современные концепции экологии
О проблемах экологии по-настоящему заговорили в 70-х гг. XX в., когда не только специалисты, но и рядовые граждане почувствовали, какую возрастающую угрозу несет существующему и будущим поколениям техногенная цивилизация. Загрязнение атмосферы, отравление рек и озер, кислотные дожди, все увеличивающиеся отходы производства, в особенности использованных радиоактивных веществ, и многое другое — все это не могло не повлиять на рост интереса широких слоев населения к проблемам экологии. В связи с этим изменился и сам взгляд на предмет экологии. Хотя термин «экология» был введен Э. Геккелем свыше столетия назад и как самостоятельная научная дисциплина она сформировалась еще в 1900 г., тем не менее долгое время экология оставалась чисто биологической дисциплиной. В настоящее время она вышла уже из этих узких рамок и стала, по сути дела, междисциплинарным направлением исследований процессов, связанных с взаимодействием биосферы и общества. Как указывает известный специалист по этим вопросам Ю. Одум, сейчас экология оформилась в принципиально новую интегрированную дисциплину, связывающую физические и биологические явления и образующую мост между естественными и общественными науками.
О связи экологии с общественными и гуманитарными науками свидетельствует появление таких ее разделов, как социальная, медицинская, историческая, этическая экологии.
Экологические системы и их структура. К экологическим системам обычно относят все живые системы вместе с их экологической нишей, т.е. окружающей средой, начиная от отдельной популяции и кончая биосферой. Все они являются открытыми системами, которые обмениваются с окружающей природной средой веществом, энергией или информацией. Наименьшей единицей экологии является популяция. Следовательно, ни молекулярный, ни клеточный, ни организменный уровни, о которых шла речь в предыдущей главе, не рассматриваются в экологии, хотя и живая молекула, и клетка, и тем более организм представляют собой открытые системы, которые могут существовать благодаря взаимодействию со средой. Еще более крупным системным объединением в экологии считается биом, который включает в свой состав живые системы и неживые факторы на обширной территории, например лиственные породы деревьев на Среднерусской возвышенности. экосистеме можно выделить два уровня:
• на верхнем, автотрофном уровне, который называют также зеленым поясом, мы встречаемся с растениями, содержащими хлорофилл и перерабатывающими солнечную энергию и простые неорганические вещества в сложные органические соединения;
• на нижнем, гетеротрофном уровне происходит преобразование и разложение этих органических соединений в простые, неорганические.
25. Проблема горения в химии XVIII века (Дальтон, Лавуазье)
Центральная проблема химии XVIII Вопрос в. состоял в следующем: что с случается горючими веществами, когда они в сгорают воздухе? Для объяснения процессов И. горения Э. Бехером и его Г. учеником Шталем была предложена теория Тела, флогистона. содержащие большое количество флогистона, хорошо; горят тела, которые не загораются, дефлогистированными. являются Флогистон - это некоторая субстанция, невесомая которую содержат все горючие и тела которую они утрачивают при Эта горении. теория позволяла объяснять многие процессы химические и предсказывать новые химические она явления. прочно удерживала свои позиции, Лавуазье пока в конце XVIII в. течение В почти всего ХVIII в. на (опираясь открытия К. Шееле сложного воздуха состава и Дж.В. Пристли кислорода, не 1774) разработал кислородную теорию горения. уже К установленному до него списку (металлы, элементов углерод, сера и фосфор) добавил он новые - кислород, который с вместе водородом входит в состав а воды, также и другой компонент - воздуха не поддерживающий жизни азот.
Лавуазье что показал, все прежде считавшиеся хаотическими в явления химии могут быть систематизированы сведены и в закон сочетания элементов, и старых новых. В соответствии с системой новой химические соединения делились в на основном три категории: кислоты, основания, раз соли.
Лавуазье и навсегда покончил со алхимической старой номенклатурой, основанной на случайных - ассоциациях «винное масло», «винный камень», сахар» «свинцовый и др. Таким образом, рационализировал Лавуазье химию и объяснил причину разнообразия большого химических явлений: она заключается материальном в различии химических элементов и соединений. их Он ввел (при активном К. участии Бертолле) новую.Л. Новая номенклатура из исходила того, что каждое химическое должно вещество иметь одно определенное название, его характеризующее функции и состав.д. Например, калия оксид состоит из калия и хлорид кислорода, натрия - из натрия хлора, и сульфид водорода - из и водорода серы, и т.
Кроме Лавуазье того, поставил вопрос и о в количествах, которых сочетаются различные элементы собой, между и с помощью закона материи сохранения привел химию к представлению необходимости о количественного выражения пропорций, в сочетались которых элементы. Таким образом, Лавуазье научную осуществил революцию в химии: он химию превратил из совокупности множества не друг связанных с другом рецептов, подлежавших один изучению за одним, в общую основываясь теорию, на которой можно было только не объяснять все известные явления, и но предсказывать новые.
Следующий важный в шаг развитии научной химии сделан был Дж. Изучая химический газов, состав он исследовал весовые кислорода, количества приходящиеся на одно то и же весовое количество (например, вещества азота) в различных количественному по составу окислах, и кратность установил этих количеств, например, пяти в окислах азота (N2O, N2Оз, NO, NО2 и N2O5) кислорода количество на одно и же то весовое количество азота как относится 1:2:3:4:5. Так был закон открыт кратных отношений. При он этом ввел в химию атомного понятие веса.
Дальтон правильно объяснил закон этот атомным строением вещества способностью и атомов одного вещества с соединяться различным количеством атомов вещества.
26. Химия XIX века: Законы Ж.Пруста, Гей-Люссака, Авогадро
Открытые Ж. Л. Гей-Люссаком в начале 19 в. законы, описывающие некоторые свойства газов.
1) Закон теплового расширения газов утверждает, что изменение объёма данной массы газа при постоянном давлении прямо пропорционально изменению температуры
(v>2> — v>1>)/v>1> = aDt
или
v>2 >= v>1> (1 + aDt),
где v>1> — объём газа при исходной температуре t>1>; v>2 >— при конечной t>2>; Dt = t>2> — t>1>; a — коэффициент теплового расширения газов при постоянном давлении. Величина a для всех газов при нормальных условиях приблизительно одинакова и при измерении температуры газа в °С a = 1/273,15 (или 0,00367). Сочетая этот закон с законом Бойля—Мариотта, Э. Клапейрон вывел уравнение состояния идеального газа, связывающее р, v и Т (см. Клапейрона уравнение).
2) Закон объёмных отношений гласит, что объёмы газов, вступающих в химическую реакцию, находятся в простых отношениях друг к другу и к объёмам газообразных продуктов реакции. Другими словами, отношение объёмов, в которых газы участвуют в реакции, соответствует отношению небольших целых чисел. Измеряя при одинаковых условиях объёмы водорода, хлора и хлористого водорода, Гей-Люссак нашёл, что один объём водорода и один объём хлора, соединяясь, дают два объёма хлористого водорода, т. е. отношение объёмов равно 1: 1: 2. Сходная картина имеет место и при других реакциях с участием газов. Этот закон сыграл важную роль в создании атомно-молекулярной теории. Он послужил толчком для открытия Авогадро закона, с помощью которого Авогадро впервые сделал правильный вывод о составе молекул простых газов (H>2>, Cl>2>, N>2> и т.д.) и строго разграничил понятия атома и молекулы. Когда молекулярные формулы всех газов точно известны, отыскание отношения объёмов газов, вступающих между собой в реакцию, уже не требует сложных измерений. Так, из уравнения синтеза хлористого водорода из водорода и хлора Н>2> + Cl>2> = 2HCl легко видеть, что отношение объёмов газов в этом случае равно 1: 1: 2.
Закон Авога́дро — одно из важных основных положений химии, гласящее, что «в равных объёмах различных газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и тоже число молекул». Второе следствие из закона Авогадро: молярная масса первого газа равна произведению молярной массы второго газа на относительную плотность первого газа по второму.
Закон Пруста - Открыл гидроокиси металлов, показал, что металлы могут образовывать более одного оксида и сульфида. Выделил из виноградного сока глюкозу.
Закон постоянства состава один из основных законов химии: каждое определённое химическое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же элементов, причём отношения их масс постоянны, а относительные количества их атомов выражаются целыми числами.
27. Теория химического строения А. Бутлерова
Русский химик, академик Петербургской Академии Наук (с 1874 г.), председатель Отделения химии Русского физико-химического общества (1878-1882), почетный член многих научных обществ. Родился в 1828 г. в Чистополе, в 1849 г. окончил Казанский университет. Работал там же: с 1857 г.- профессор, в 1860 и 1863 - ректор. С 1868 г. профессор Петербургского университета.
Занимаясь изучением углеводородов, Бутлеров понял, что они представляют собой совершенно особый класс химических веществ. Анализируя их строение и свойства, ученый заметил, что здесь существует строгая закономерность. Она и легла в основу созданной им теории химического строения.
Основные идеи теории химического строения Бутлеров впервые высказал в 1861. Главные положения своей теории он изложил в докладе «О химическом строении вещества», прочитанном в химической секции Съезда немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере.
Основные положения теории химического строения
Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям. Последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением и отражается одной структурной формулой (формулой строения).
1. Химическое строение можно устанавливать химическими методами. (В настоящее время используются также современные физические методы).
2. Свойства веществ зависят от их химического строения.
3. По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы - предвидеть свойства.
4. Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга.
Теория Бутлерова явилась научным фундаментом органической химии и способствовала быстрому ее развитию. Опираясь на положения теории, А.М. Бутлеров дал объяснение явлению изомерии, предсказал существование различных изомеров и впервые получил некоторые из них.
28. Периодическая система Д. И. Менделеева
Периоди́ческая систе́ма хими́ческих элеме́нтов (табли́ца Менделе́ева) — классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона, установленного русским химиком Д. И. Менделеевым в 1869 году. Её первоначальный вариант был разработан Д. И. Менделеевым в 1869—1871 годах и устанавливал зависимость свойств элементов от массового числа атомов (или их атомной массы).
До открытия Д. И. Менделеева в науке уже были предприняты попытки классифицировать химические элементы по определенным признакам.
Предшественники Д. И. Менделеева, отмечая сходство некоторых элементов, объединили их в отдельные группы или классы. Например, разделение элементов на два класса — металлы и неметаллы — оказалось неточным, потому что есть химические элементы с двойственными свойствами — как металлов, так и неметаллов.
Важным этапом в работе по созданию классификации химических элементов было объединение сходных элементов в естественные семейства, например щелочные металлы, галогены.
Однако все ученые, пытаясь классифицировать химические элементы, искали сходство между элементами одного семейства, но не могли себе представить, что все элементы тесно связаны друг с другом.
Гениальное подтверждение того, что все химические элементы взаимосвязаны, сделал выдающийся русский химик Д. И. Менделеев, который сравнил их на основе двух свойств: атомной массы и валентности, т. е. способности образовывать известные формы соединений (оксиды, водородные соединения и др.).
Сущность открытия Менделеева заключалась в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются не монотонно, а периодически. После определённого количества разных по свойствам элементов, расположенных по возрастанию атомного веса, свойства начинают повторяться. Например, натрий похож на калий, фтор похож на хлор, а золото похоже на серебро и медь. Разумеется, свойства не повторяются в точности, к ним добавляются и изменения. Отличием работы Менделеева от работ его предшественников было то, что основ для классификации элементов у Менделеева была не одна, а две — атомная масса и химическое сходство. Для того, чтобы периодичность полностью соблюдалась, Менделеевым были предприняты очень смелые шаги: он исправил атомные массы некоторых элементов, несколько элементов разместил в своей системе вопреки принятым в то время представлениям об их сходстве с другими (например, таллий, считавшийся щелочным металлом, он поместил в третью группу согласно его фактической максимальной валентности), оставил в таблице пустые клетки, где должны были разместиться пока не открытые элементы. В 1871 году на основе этих работ Менделеев сформулировал Периодический закон (фундаментальный закон, устанавливающий периодическое изменение свойств химических элементов в зависимости от увеличения зарядов ядер их атомов.), форма которая со временем была несколько усовершенствована.
Периодическая система Д. И. Менделеева стала важнейшей вехой в развитии атомно-молекулярного учения. Благодаря ей сложилось современное понятие о химическом элементе, были уточнены представления о простых веществах и соединениях.
29. 4 этапа становления химии как науки
1. Предалхимический период: до III в. н.э.
В предалхимическом периоде теоретический и практический аспекты знаний о веществе развиваются относительно независимо друг от друга. Происхождение свойств вещества рассматривает античная натурфилософия, практические операции с веществом являются прерогативой ремесленной химии.
2. Алхимический период: III - XVI вв.
Алхимический период, в свою очередь, разделяется на три подпериода: Соловьев Ю.И. История химии. Развитие химии с древнейших времён до конца XIX века. - М.: Просвещение, 1983.
· александрийскую,
· арабскую
· европейскую алхимию.
Алхимический период - это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов.
В этом периоде происходит зарождение экспериментальной химии и накопление запаса знаний о веществе; алхимическая теория, основанная на античных философских представлениях об элементах, тесно связана с астрологией и мистикой. Наряду с химико-техническим "златоделием" алхимический период примечателен также и созданием уникальной системы мистической философии.
3. Период становления (объединения): XVII - XVIII вв.
В период становления химии как науки происходит её полная рационализация. Химия освобождается от натурфилософских и алхимических взглядов на элементы как на носители определённых качеств. Наряду с расширением практических знаний о веществе начинает вырабатываться единый взгляд на химические процессы и в полной мере использоваться экспериментальный метод. Завершающая этот период химическая революция окончательно придаёт химии вид самостоятельной науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел.
4. Период количественных законов (атомно-молекулярной теории): 1789 - 1860 гг.
Период количественных законов, ознаменовавшийся открытием главных количественных закономерностей химии - стехиометрических законов, и формированием атомно-молекулярной теории, окончательно завершает превращение химии в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении.
5. Период классической химии: 1860 г. - конец XIX в.
Период классической химии характеризуется стремительным развитием науки: создаётся периодическая система элементов, теория валентности и химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика; блестящих успехов достигают прикладная неорганическая химия и органический синтез. В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах начинается дифференциация химии - выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук.
30. Сущность и происхождение жизни
Вопросы о происхождении природы и сущности жизни издавна стали предметом интереса человека в его стремлении разобраться в окружающем мире, понять самого себя и определить свое место в природе.
Многовековые исследования и попытки решения этих вопросов породили разные концепции возникновения жизни: креационизм - сотворение жизни Богом; концепция самопроизвольного зарождения из неживого вещества; концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда и концепция внеземного происхождения жизни в результате развития физических и химических процессов.
Концепция креационизма, по существу, научной не является, поскольку она возникла в рамках религиозного мировоззрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой ее сотворил Бог. Тем самым практически снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения и сущности жизни. Тем не менее, эта концепция продолжала и продолжает пользоваться довольно большой популярностью.
Остальные концепции появляются позже, но вплоть до XIX века ни одна из них не смогла сформировать единую биологическую картину мира и тем самым дать приемлемое объяснение происхождению жизни.
В XIX веке в биологии возникли концепции механистического материализма и витализма - вершина биологии того времени, между которыми началась ожесточенная борьба идей о происхождении и сущности жизни. Механистический материализм не признавал качественной специфики живых организмов и представлял жизненные процессы как результат действия химических и физических процессов. Противоположной точкой зрения стал витализм (от лат. vitalis - жизненный), который объяснял качественное отличие живого от неживого наличием в живых организмах особой «жизненной силы», отсутствующей в неживых предметах и не подчиняющейся физическим законам.
в 60-е годы XIX века в развернувшейся между Ф.А. Пуше и Л. Пастером дискуссии, потребовавшей экспериментальных исследований, удалось строго научно обосновать несостоятельность этой концепции. Опыты Пастера продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда были ранее занесены их зародыши.
В 1908 г. шведский химик Сванте Аррениус поддержал гипотезу происхождения жизни из космоса. Он высказал мысль, что жизнь на Земле началась тогда, когда на нашу планету из космоса попали зародыши жизни.
Таким образом, на протяжении веков менялись взгляды на эту проблему, но наука все еще далека от ее решения. Как и сто, и двести лет назад, сегодня продолжаются споры о сущности жизни: является ли она просто чрезвычайно упорядоченным состоянием обычных атомов и молекул, из которых состоит «живое вещество», или существуют пока не открытые элементарные «частицы жизни», переводящие обычные химические и физические вещества в живое состояние. Веских доказательств и аргументов в пользу справедливости той или иной точки зрения нет, и выбор позиции определяется внутренними убеждениями каждого участника спора.
31. Синтетическая теория эволюции
Синтетическая теория эволюции (СТЭ) — современная эволюционная теория, которая является синтезом различных дисциплин, прежде всего, генетики и дарвинизма. СТЭ также опирается на палеонтологию, систематику, молекулярную биологию и другие.
Синтетическая теория эволюции — современный дарвинизм — возникла в начале 40-х годов XX в. Она представляет собой учение об эволюции органического мира, разработанное на основе данных современной генетики, экологии и классического дарвинизма. Термин «синтетическая» идет от названия книги известного английского эволюциониста Дж. Хаксли «Эволюция: современный синтез» (1942). В разработку синтетической теории эволюции внесли вклад многие ученые.
Основные положения синтетической теории эволюции в общих чертах можно выразить следующим образом:
Основные положения синтетической теории эволюции в общих чертах можно выразить следующим образом:
1. Материалом для эволюции служат наследственные изменения — мутации (как правило, генные) и их комбинации.
2. Основным движущим фактором эволюции является естественный отбор, возникающий на основе борьбы за существование.
3. Наименьшей единицей эволюции является популяция.
4. Эволюция носит в большинстве случаев дивергентный характер, т. е. один таксон может стать предком нескольких дочерних таксонов.
5. Эволюция носит постепенный и длительный характер. Видообразование как этап эволюционного процесса представляет собой последовательную смену одной временной популяции чередой последующих временных популяций.
6. Вид состоит из множества соподчиненных, морфологически, физиологически, экологически, биохимически и генетически отличных, но репродуктивно не изолированных единиц — подвидов и популяций.
7. Вид существует как целостное и замкнутое образование. Целостность вида поддерживается миграциями особей из одной популяции в другую, при которых наблюдается обмен аллелями («поток генов»),
8. Макроэволюция на более высоком уровне, чем вид (род, семейство, отряд, класс и др.), идет путем микроэволюции. Согласно синтетической теории эволюции, не существует закономерностей макроэволюции, отличных от микроэволюции. Иными словами, для эволюции групп видов живых организмов характерны те же предпосылки и движущие силы, что и для микроэволюции.
9. Любой реальный (а не сборный) таксон имеет монофилети-ческое происхождение.
10. Эволюция имеет ненаправленный характер, т. е. не идет в направлении какой-либо конечной цели.
Синтетическая теория эволюции вскрыла глубинные механизмы эволюционного процесса, накопила множество новых фактов и доказательств эволюции живых организмов, объединила данные многих биологических наук. Тем не менее синтетическая теория эволюции (или неодарвинизм) находится в русле тех идей и направлений, которые были заложены Ч. Дарвином.
32. Биоэтика: задачи и принципы
Биоэтика – это новый уровень в системе профессиональной этики который связан с биологическим развитием человека, с его нормальной деятельность. Сегодня биоэтика - это больше чем просто раздел философии. Биоэтика - это междисциплинарная область человеческого знания, в формировании которой участвуют медики, биологи, юристы, социологи, философы и представителей других профессий.
Первое развернутое обсуждение проблем биоэтики состоялось в г. Нюрнберге в 1946 г. Это было связано с медицинскими исследованиями на людях, проводимыми немцами в годы Второй мировой войны. На Нюрнбергском процессе было предъявлено обвинение 23 немецким ученым-медикам.
Задачи биоэтики: формирование принципов морального регулирования научных исследований, которое не ограничивало бы свободу науки, но обеспечивало бы и социальную защиту граждан и интересы общества. Как следствие, биоэтика формирует мировоззрение общества в целом, закрепленное в правовых государственных и международных законах и декларациях.
Современная биоэтика имеет 2 основных направления:
1.медицинское - сконцентрировано вокруг отношений "врач-пациент", чаще всего это направление называют биомедицинской этикой или медицинской биоэтикой;
2.экологическое - обосновывает ценность и права отдельных живых существ (биоцентризм) и природных экосистем, дикой природы, биогеоценозов и пр. (экоцентризм).
Главная идея биоэтики состоит в том, что общечеловеческие ценности не должны рассматриваться отдельно от биологических фактов - человек все еще является частью природы, ему необходима здоровая пища, свежий воздух, чистая вода, дикие уголки природы, он не может существовать без животных, без лесов, рек и почвы, которые являются не только экологическими ресурсами, но и главным условием выживания человечества.
33. Передача энергии солнечного света вверх по трофич. уровням пищевой сети экосистем
Экосистема или экологическая система (от греч. óikos — жилище, местопребывание и 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. Одно из основных понятий экологии, приложимое к объектам разной сложности и размеров.
Поток энергии в экосистеме. Растения способны поглотить лишь малую часть энергии солнечных лучей, падающих на их листья. Приблизительно 95- 99 % энергии отражается от листовой поверхности, переходит в тепло либо расходуется на испарение влаги из устьиц, и только 1-5 % световой энергии поглощается хлорофиллом. Энергия солнца, поглощенная растениями за единицу времени, называется валовой первичной продукцией. От 20 до 40 % этой энергии растения расходуют на дыхание; оставшиеся 60-80 % превращаются в чистую первичную продукцию - энергию химических связей, поскольку используются для синтеза больших полимерных молекул, из которых строятся ткани растений. Чистую первичную продукцию иначе называют скоростью прироста фитомассы (суммарной массы растений данного сообщества). При поедании растений травоядными животными энергия переходит с веществом пищи на следующий трофический уровень. Непереваренные остатки пищи выбрасываются и перерабатываются редуцентами, обитающими в почве. Животные, как и растения, теряют часть энергии при дыхании. Энергия, оставшаяся после потерь, связанных с дыханием, выделением и экскрецией, идет на рост и размножение животных - увеличение зоомассы. Энергия, запасенная в телах растительноядных и хищных животных (консументов) за единицу времени, называется вторичной продукцией. На рисунке показано, что при переходе с одного трофического уровня на другой часть энергии обязательно теряется. Поэтому продукция живых существ каждого следующего уровня меньше, чем предыдущего. В связи с этим соотношение продукции всех уровней экосистемы обычно выражается пирамидой; ее называют трофической (или энергетической) пирамидой. Потеря энергии на каждом уровне означает, что на высших уровнях ее количество невелико. Поэтому пищевые сети редко состоят более чем из 4-5 уровней: растения, растительноядные, два или три уровня плотоядных. Приведите пример: волки и тигры занимают вершину трофической пирамиды и питаются травоядными животными или мелкими хищниками. Чтобы найти пропитание, волк пробегает за день до 30 км, а площадь охотничьего участка тигра доходит до 300 кв. км. Представьте себе, сколько сил должно было бы тратить на поиск добычи животное, питающиеся тиграми или волками, которые живут на таком расстоянии друг от друга. При этом количество энергии, которое можно получить из съеденного волка или тигра, было бы значительно меньше, чем энергия, затраченная на охоту. Завершая объяснение этой иллюстрации, укажите на главный факт: организмы не живут на земле независимо друг от друга; существует поток вещества и энергии, объединяющий всех обитателей в единое целое - экосистему.
34. Ноосфера. Учение Вернадского о ноосфере
Ноосфера — новая, высшая стадия эволюции биосферы, становление которой связано с развитием человеческого общества, оказывающего глубокое воздействие на природные процессы. Согласно Вернадскому, «в биосфере существует великая геологическая, быть может, космическая сила, планетное действие которой обычно не принимается во внимание в представлениях о космосе… Эта сила есть разум человека, устремленная и организованная воля его как существа общественного».
Владимир Иванович Вернадский (1863—1945). С именем Вернадского и связано в первую очередь появление ноосферного учения.
В ноосферном учении Человек предстаёт укоренённым в Природу, а «искусственное» рассматривается как органическая часть и один из факторов (усиливающийся во времени) эволюции «естественного». Обобщая с позиции натуралиста человеческую историю, Вернадский делает вывод о том, что человечество в ходе своего развития превращается в новую мощную геологическую силу, своей мыслью и трудом преобразующую лик планеты. Соответственно, оно в целях своего сохранения должно будет взять на себя ответственность за развитие биосферы, превращающейся в ноосферу, а это потребует от него определённой социальной организации и новой, экологической и одновременно гуманистической этики.
Ноосферу можно охарактеризовать как единство «природы» и «культуры». Сам Вернадский говорил о ней то как о реальности будущего, то как о действительности наших дней, что неудивительно, поскольку он мыслил масштабами геологического времени. «Биосфера не раз переходила в новое эволюционное состояние… — отмечает В. И. Вернадский. — Это переживаем мы и сейчас, за последние 10—20 тысяч лет, когда человек, выработав в социальной среде научную мысль, создаёт в биосфере новую геологическую силу, в ней не бывалую. Биосфера перешла или, вернее, переходит в новое эволюционное состояние — в ноосферу — перерабатывается научной мыслью социального человека» («Научная мысль как планетное явление»). Таким образом, понятие «ноосфера» предстаёт в двух аспектах:
1) ноосфера в стадии становления, развивающаяся стихийно с момента появления человека;
2) ноосфера развитая, сознательно формируемая совместными усилиями людей в интересах всестороннего развития всего человечества и каждого отдельного человека.