Естествознание прошло три стадии и вступило в четвертую. 1 Стадия древнегреческой натурфилософии

Вид материала

Документы

Содержание II.химическая кинетика Закон действующих масс III. Явление Структурные уровни организации жизни Ф. Энгельса Э. Шредингера А. И.Опарина Современная теория эволюции Структурно СТЭ состоит из теорий микро- и макроэволю­ции Первый фактор

Подобный материал:

• Тема задания, 528.22kb.
• Встранах Европы стадии возбуждения уголовного дела не придается особого значения, точнее,, 347.47kb.
• Болезнь, и болезнь коварная. Различают три его стадии, 23.76kb.
• Петровым Юрием Николаевичем урок, 107.94kb.
• Мифологические основания древнегреческой философии: «от Мифа к Логосу», 30.7kb.
• Мифологические основания древнегреческой философии: «от Мифа к Логосу», 101.87kb.
• Домашнее задание: а) разбор статьи, б) краткое содержание 1 урока + 1 общий рисунок(свой, 883.36kb.
• История древнегреческой литературы Содержание учебного материала, 119.06kb.
• Союза Радиолюбителей России (срр). Классификация программы. По уровню создания программа, 812.08kb.
• Презентация День народного единства, 420.63kb.

Самоорганизация в диссипативных структурах

Как показали работы школы И. Пригожина, важнейшей общей чертой широкого класса процессов самоорганизации является потеря устойчивости и последующий переход к устойчивым диссипативным структурам. В точке изменения устойчивости должно возникнуть по меньшей мере два решения, соответствующих устойчивому, близкому к равновесному состоянию и диссипативной структуре.

Это структуры, образующиеся в результате рассеяния энергии. Бельгийская школа И. Пригожина развивает термодинамический подход к самоорганизации. Основное понятие синергетики Хакена (понятие структуры как состояния, возникающего в результате когерентного (согласованного) поведения большого числа частиц) бельгийская школа заменяет более специальным понятием диссипативной структуры. В открытых системах, обменивающихся с окружающей средой потоками вещества или энергии, однородное состояние равновесия может терять устойчивость и необратимо переходить в неоднородное стационарное состояние, устойчивое относительно малых возмущений. Такие стационарные состояния получили название диссипативных структур.

При самоорганизации диссипативных структур энтропия может, как возрастать, так и убывать. Противоречий со вторым началом термодинамики не возникает, так как уменьшение энтропии в диссипативных структурах за счёт компенсирующего процесса рядовое явление, не противоречащее законам природы.

Исследования школы И. Пригожина показали, что понятия структурной устойчивости и порядка через флуктуации применимы к системам различной природы, в том числе экономическим, социальным. Пределов для структурной устойчивости не существует. Неустойчивости могут возникать в любой системе, стоит лишь ввести подходящие возмущения.

В синергетике понятие диссипативной структуры отражает именно устойчивые результаты самоорганизации. Понятие структурной устойчивости, играющее важную роль в теории самоорганизации, открывает большие возможности для рассмотрения диссипативных структур как органического целого.

Дело в том, что образование таких структур не зависит ни от разброса в начальных условиях, ни (коль скоро они уже образовались) от флуктуаций значений параметров. Например, «все свойства автоволны в возбужденной среде полностью определяются лишь характеристиками самой среды», скорость, амплитуда и форма автоволны не зависят от начальных условий, система как бы «забывает» их. Математически это может выражаться возникновением так называемого предельного цикла для траектории в фазовом пространстве решений соответствующих уравнений, т. е. со временем любая начальная точка в фазовом пространстве приближается к одной и той же периодической траектории.

Это означает, что диссипативная структура способна к самовоспроизведению. Возникновение предельных циклов - не единственная форма поведения систем в «закритической» области их существования. Но в любом случае устойчивые диссипативные структуры характеризуются периодичностью своего поведения. Так, автокаталитические химические реакции, играющие важную роль в жизнедеятельности организма, имеют циклический характер. Известна, например, модель Эйгена, в основе которой лежит идея перекрестного катализа: «Нуклеотиды производят протеины, которые в свою очередь производят нуклеотиды. Возникает циклическая схема реакций, получившая название гиперцикла. Когда гиперциклы конкурируют, они обнаруживают способность, претерпевая мутацию и редупликацию, усложнять свою структуру».

Таким образом, диссипативные структуры можно рассматривать как органическое целое, воспроизводящее условия своего существования во взаимодействии со средой и способное к саморазвитию.

Возникает вопрос: достаточна ли степень устойчивой целостности, которая свойственна диссипативным структурам как органическому целому, для того, чтобы послужить основой возникновения структур более высокого уровня организации? В известном смысле - да, в качестве частей, выполняющих определенную функцию в целом.

Мы уже упоминали о том, какие функции выполняют автоволновые процессы в развитом организме; понятие диссипативной структуры успешно применяется при синергетическом описании процессов морфогенеза, т. е. конкретного становления живого организма, формирования им своих частей. Но в этом случае речь идет скорее о воспроизведении известного целого, чем о становлении принципиально новой целостности, для которой целые предшествующего уровня развития выступают лишь как элементы, из которых новая становящаяся целостность уже может формировать себе части. Но для того чтобы выступить в качестве элемента, система должна обладать особенно высоким уровнем устойчивой целостности для чего ей необходимо преобразовать в форму поступательного развития случайности, являющиеся необходимым условием функционирования диссипативных структур.


16

Факторы и реакционная способность веществ

Реакционная способность вещества на 50% определяется его составом и на 50% - его реагентом про реакции. Химические реакции - основа химии. Исследование общих закономерностей, управляющих химическими процессами заинтересовали химическую индустрию, возникшую в 19 веке. Определение характера химического процесса оказалось возможным при открытии химической термодинамики и кинетики. В 1886 г. Гиббс установил, что «управление ходом реакции осуществляется изменением термодинамических параметров системы – температуры, давления, концентрации».

Структурная химия положил начало триумфальному шествием органического синтеза, но она ограничена сведениями только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии, чего недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения этого вещества. Так, согласно структурным теориям, должны быть вполне осуществимы многие реакции, которые практически не идут. Большое количество реакций органического синтеза, основанных лишь на принципах структурной химии, имеют столь низкие выходы продукции и такие большие отходы в виде побочных продуктов, что не могут быть использованы в промышленности. К тому же такой синтез требовал в качестве исходного сырья дефицитных активных реагентов и сельскохозяйственной продукции, в том числе и пищевой, что крайне невыгодно в экономическом отношении.

Современная структурная химия достигла больших результатов: химики заявляли о своих ничем не сдерживаемых возможностях, и за вторую половину XIX века число было вновь синтезированы более миллиона новых химических соединений, большая часть современных лекарственных препаратов - это продукты органического синтеза.

Учение о химических процессах является следующим по сложности уровнем химических знаний. Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется и условием протекания химических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на:

1. термодинамические, влияющие на направленность химических процессов

2. кинетические, влияющие на скорость химических процессов (ведущую роль здесь играют каталитические методы).

I. Основы химической термодинамики заложили:

1. Вант Гофф в 1884 г. в работе «Очерки по химической динамике». В ней обоснованы законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции.

2. Ле Шателье сформулировал «принцип подвижного равновесия», доказав, что «Внешнее воздействие, которое выводит систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление этого воздействия». Можно смещать равновесие в сторону образования продуктов реакции, изменяя температуру, давление, (если реакция происходит в газовой фазе) и концентрация реагирующих веществ (если реакция идет в жидкой фазе). Существует немало реакций, равновесие которых смещено влево, к исходным веществам. И чтобы их осуществить, требуются особые термодинамические рычаги - увеличение температуры, давления и концентрации реагируемых веществ.

В 1886 г. Гиббс установил правило фаз и дал описание условий равновесия через термодинамические потенциалы. При термодинамическом подходе «управление ходом реакции осуществляется изменением термодинамических параметров системы – температуры, давления, концентрации», но управлением скоростью химических процессов занимается

II.химическая кинетика, в которой изучается зависимость протекания химических процессов от различных структурнокинетических факторов: строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т.п.

Закон действующих масс - первую теорию скоростей химических реакций разработали Гульберг и Ваге (1879 г.), а Ват-Гофф ввел в теорию термин концентрация и закон действующих масс изложил в таком виде: «Изменяя концентрации реагентов, можно изменять скорость и направление реакции».

Практически все химические реакции представляют собой сложные цепи последовательных стадий и для управления реакцией важно учитывать «энергию активации», которая необходима реагентам с различной степенью устойчивости для начала реакции. Энергия активации определяет ее скорость, если энергии недостаточно для преодоления барьера, то реакция не идет. Снижают энергию активации катализаторами.

III. Явление химического катализа открыто в 1812 г. Кирхгофом, а В. Освальд утверждал: «Катализатор изменяет скорость реакции, но не входит в состав конечного продукта». Реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора, которые могут, как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс. Опыты показывают, что на интенсивность химических процессов оказывают влияние также случайные примеси. Вещества различной степени чистоты проявляют себя в одних случаях как более активные реагенты, в других - как инертные. Примеси могут оказывать как каталитическое, так и ингибиторное действие. Поэтому для управления химическим процессом в реагирующие вещества вносят те или иные добавки. Таким образом, влияние «третьих тел» на ход химических реакций может быть сведено к катализу, то есть положительному воздействию на химический процесс, и к ингибированию, сдерживающему процесс. На современном этапе своего развития учение о химических процессах занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.  


Биологический уровень организации материи

17

Иерархия структурных уровней живой материи

Структурные уровни организации жизни

 

Большинство ученых убеждены, что жизнь представляет собой особую форму существования материального мира.

До конца 50-х годов в научной и философской литературе обще­принятым было знаменитое определение Ф. Энгельса, которое утверждало, что жизнь есть способ существования белковых тел, состоящий в постоянном самообновлении химических со­ставных частей этого тела. Но к этому времени стало очевид­ным, что субстратная основа жизни не сводится только к бел­кам, а функциональная - к присущему им обмену веществ.

Интересны также определения жизни Э. Шредингера как апериодического пентакристалла. На основании этой концепцией можно объяснить наличие у животных и человека, хотя и асимметричной, но пятилучевой формы тела, пятипалой конечности и исходной пятичленной структуры цветков растений.

Г. Югай определил жизнь как космическую органи­зованность материи. К этой концепции близка теория панспермии В. И. Вернадского.

Существует определение на основе термодинамики, подчеркивающее энергетический аспект жизни как противостояние энтропийным процессам.

Есть аксиоматические определения жизни, называющие ее важнейшие черты. Таково определение А. И.Опарина. К этой группе относят и определение Б. М. Медникова, называющее жизнью активное, идущее с за­тратой энергии, поддержание и воспроизведение специфических структур, функционирование которых описывают следующие положения:

1.       живые организмы характеризуются наличием фенотипа и генотипа;

2.       генетические программы не возникают заново, а реплицируются матричным способом;

3.       в процессе репликации неизбежны ошибки на микроуровне, случайные и непредсказуемые изменения генетических программ (мутации);

4.       в ходе формирования фенотипа эти изменения многократно усиливаются, что делает возможным их селекцию со стороны факторов внешней среды.

 

Современная биология в вопросе о сущности живого все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых ор­ганизмов. При этом акцепт делается на то, что только сово­купность данных свойств может дать представление о специ­фике жизни. К числу свойств живого обычно относятся следующие:

         живые организмы характеризуются сложной упорядочен­ной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах;

         живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядо­ченности. Большая часть организмов прямо или косвенно ис­пользует солнечную энергию;

         живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешнее раздражение является универсальным свойством всех живых существ, как растений, так и животных;

         живые организмы не только изменяются, но и усложняются;

         все живое размножается. Способность к самовоспроиз­ведению - один из самых главных признаков жизни, так как и этом проявляется действие механизма наследственности и изменчивости, определяющих эволюцию всех видов живой природы;

         живые организмы передают потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размноже­ния. Эта информация содержится в единицах наследственности (генах), расположенных в мельчайших внутриклеточных структурах. Генети­ческий материал определяет направление развития организма. Инфор­мация в процессе передачи несколько изменяется, искажается. В связи с этим, потомки не только похожи на родителей, но и отличаются от них;

         живые организмы хорошо приспособлены к среде обита­ния и соответствуют своему образу жизни.

 

В обобщенном и упрощенном варианте все отмеченное можно выразить в выводе, что все живые организмы питают­ся, дышат, растут, размножаются и распространяются в при­роде, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут и не размножаются.

Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Имеются как бы переход­ные формы от неживого к живому. Так, например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ ферменты, и по­этому они могут расти и размножаться, лишь проникая в клет­ки другого организма и используя его ферментные системы. Поэтому, в зависимости от того, какой признак живого мы считаем самым важным, мы относим вирусы к живым систе­мам или нет. Естественно, что в определении жизни должны быть зафиксированы все эти функциональные признаки. По­этому можно предложить следующее определение: жизнь - высшая из природных форм движения материи, характеризующаяся самообновлением, саморегуляцией и самовоспроиз­ведением разноуровневых открытых систем, вещественную ос­нову которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфороорганические соединения.

Важными признаками жизни также являются:

         противостояние энтропийным процессам,

         обмен веществ с ок­ружающей средой,

         воспроизводство на основе генетического кода,

         молекулярная хиральность.

 

Все объекты живой природы представляют собой системы, для которых характерно иерархическое соподчинение входящих в них элементов. На основании этого выделяют биологическую концепцию структурных уровней. В соответствии с ней, все живые системы делятся на следующие уровни:

1.       молекулярно-генетический (изучение физико-химических процессов, происходящих в живых организмах: обмен веществ и энергии);

2.       онтогенетический (изучение живых систем на уровнях клеток, тканей, органов, систем органов, организма);

3.       популяционно-видовой (изучение процессов микроэволюции);

4.       биоценотический (на уровне экосистем изучается экология);

5.       биосферный (вопросы глобальной экологии, биосферы, ноосферы).

 

Современное понимание жизни не исключает ее существования на других планетах.

4.3


18

Теории эволюции органического мира

Современная теория эволюции

 

Соедине­ние дарвинизма с генетикой началось в 20-е годы нашего сто­летия. Объединение этих направлений между собой стало основой современного дарвинизма, или синтети­ческой теории эволюции.

Первоначальная теория эволюции Дарвина не раз в дальнейшем подверглась значительным уточнениям, до­полнениям и исправлениям. Генетика привела к новым пред­ставлениям об эволюции, получившим название неодарви­низма, который можно определить как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерми­нированных генетически. Другое общепринятое название неодарвинизма - синтетическая, или общая, теория эволю­ции. В ней элементарной единицей эволюции служит популя­ция, поскольку именно в ее рамках происходят наследствен­ные изменения генофонда. Кроме того, механизм эволюции стал рассматриваться как состоящий из двух частей:

1.       случай­ные мутации на генетическом уровне;

2.       наследование наибо­лее удачных с точки зрения приспособления к окружающей среде мутаций, т. к. их носители выживают и оставляют потомство.

 

Становление теории началось с созданной в 1926 году С. С. Четвериковым популяционной генетики. Из его работ стало ясно, что отбору подвергаются не отдельные признаки и отдельные особи, а генотип всей популяции. Через фенотипические признаки отдельных особей осуществляется отбор гено­типов популяции, ведущий к распространению полезных изме­нений. Затем в создание новой теории включились около 50 ученых из восьми стран, их коллективными трудами и была создана синтетическая теория эволюции (СТЭ).

Структурно СТЭ состоит из теорий микро- и макроэволю­ции. Теория микроэволюции изучает необратимые преобразо­вания генетико-экологической структуры популяции, которые могут привести к формированию нового вида. Реально вид существует в виде популяций. Именно популяция является элементарной единицей эволюции.

Теория макроэволюции изучает происхождение надвидовых таксонов (семейств, отрядов, классов и т.д.), основные направ­ления и закономерности развития жизни на Земле в целом, включая возникновение жизни и происхождение человека как биологического вида.

Изменения, которые изучаются в рамках микроэволюции, доступны непосредственному наблюдению, тогда как макро­эволюция происходит на протяжении длительного историче­ского периода времени и поэтому ее процесс может быть толь­ко реконструирован задним числом. Но макро- и микроэво­люция происходят в конечном итоге под воздействием измене­ний в окружающей среде.

Сегодня биологами, изучающими микро- и макроэволю­цию, накоплено достаточно материалов, которые можно сис­тематизировать в виде основных положений СТЭ:

1.       Главный движущий фактор эволюции - естественный отбор как следствие конкурентных отношений борьбы за су­ществование, особенно острой внутри вида или популяции. Факторами видообразования являются также мутационный процесс (мутации разных типов), дрейф генов (генетико-автоматические процессы) и различные формы изоляции.

2.       Эволюция протекает дивергентно (т. е. в сторону расхождения признаков), постепенно, через от­бор мелких случайных мутаций. Новые формы могут образо­вываться через крупные наследственные изменения (сальтации). Их жизненность также определяется отбором.

3.       Эволюционные изменения случайны и ненаправлены. Исходным материалом для эволюции являются мутации раз­ного типа. Сложившаяся исходная организация популяции и последовательные изменения условий среды ограничивают и канализируют наследственные изменения в направлении не­ограниченного прогресса.

4.       Макроэволюция, ведущая к образованию надвидовых групп, осуществляется через процессы микроэволюции и ка­ких-либо особых механизмов возникновения новых форм жиз­ни не имеет.

 

Н.В. Тимофеев-Ресовский сформулировал положение об элементарных явлениях и факторах эволюции:

1.       элементарная эволюционная структура - популяция;

2.       элементарное эволюционное явление - изменение генотипического состава популяции;

3.       элементарный эволюцион­ный материал - генофонд популяции;

4.       элементарные эволюционные факторы - му­тационный процесс, «волны жизни», изоляция, естественный отбор.

 

Оказалось, что популяция в качестве элементарной структуры должна реально существовать в природных условиях и быть способной изменяться с течением времени. Популяция - это совокупность особей дан­ного вида, занимающих территорию внутри ареала вида, сво­бодно скрещивающихся между собой и частично или полно­стью изолированных от других популяций.

В свою очередь элементарным эволюционным явлением считаются наследственные изменения популяций, в результате спонтанных мутации, представляющих собой гетерогенную смесь различных генотипов. Изменения эти тем отчетливее, чем более интенсивно и длительно воздействие факторов, их вызывающих. В результате происходит изменение генофонда или генотипического состава популяции.

Еще одно требование к популяциям, выступающим в каче­стве единиц эволюции, - способность трансформироваться в элементарный эволюционный материал. А это осуществимо при следующих условиях:

1.       у всех особей, составляющих по­пуляцию, должны происходить наследственные изменения ма­териальных единиц;

2.       эти изменения должны затрагивать все свойства особей, вызывая их отклонения от исходных;

3.       они должны затрагивать биологически важные свойства особей;

4.       изменения эти должны быть четко выражены у популяций, обитающих в природных условиях;

5.       часть таких изменении должна «выходить» на историческую арену эволюции, участ­вуя в образовании таксонов низшего ранга;

6.       скрещивающие­ся таксоны должны различаться наборами и комбинациями элементарных единиц наследственной изменчивости.

 

Согласно постулатам СТЭ, требованиям элементарного эволюционного материала удовлетворяют различного рода мутации. К их числу относят генные, хромосомные, геномные мутации. Чтобы мутации служили материалом эволюции, не­обходимы: достаточная частота возникновения мутации, чет­кость в проявлении мутантных признаков и четко выраженная биологическая значимость этих признаков, генетические раз­личия между природными таксонами.

Не менее важны и так называемые элементарные эволюци­онные факторы, воздействующие на количественные соотно­шения генов конкретной популяции. Такого рода факторы должны удовлетворять следующим требованиям:

1.       быть по­ставщиком элементарного эволюционного материала, необхо­димого для проявления элементарного эволюционного явле­ния - изменения генотипического состава популяции;

2.       расчле­нять исходную популяцию на две или несколько, разделенные различными изоляционными барьерами;

3.       создавать внутрипопуляционные барьеры;

4.       вызывать адаптивные изменения.

 

Первый фактор, удовлетворяющий вышеназванным требо­ваниям, это