Geum.ru

Концепции Современного Естествознания

Вид материалаДокументы

Содержание


18. Корпускулярно-волновой дуализм
19. Космические лучи
20. Космические скорости
Постановка проблемы
Выдвижение гипотезы
Разработка теории
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   21

17. Клетка – это элементарная живая система, которая является первичной структурной основой всех живых организмов или фундаментальным уровнем структурной иерархии живого. Как один из основных структурных, функциональных и воспроизводящих элементов живого вещества, некоторые клетки способны существовать изолированно и воспроизводить себе подобных (одноклеточные организмы), другие входят в состав многоклеточных организмов или в структуру какого-либо органа, формируя более сложную живую систему. В каждой клетке различают две основные части – ядро, содержащее наследственную информацию в виде молекулы ДНК, и цитоплазму, в которой функционируют различные органеллы клетки, обеспечивающие необходимый для жизненного цикла обмен веществ (метаболизм).

Клетки любого типа покрыты оболочкой, представляющей т.н. мембрану – белково-липидную структуру молекулярных размеров, роль которой, в силу её избирательной проницаемости для различных химических соединений и элементов, состоит в защите клетки от внешней среды и регуляции уровня концентрации в клетке различных продуктов обмена веществ. С термодинамической и синергетической точек зрения клетки живых организмов – это сложные саморегулирующиеся открытые неравновесные системы, осуществляющие антиэнтропийную деятельность, упорядочивая свои внутренние структуры и производя практически точные копии себе подобных.

В сложных организмах существуют т.н. соматические клетки, которые отличаются по строению и функциям, выполняемым в организме – нервные клетки, мышечные, костные, секреторные и пр. Они содержат весь набор генетической информации и передают его посредством удвоения при делении дочерним клеткам (митоз). Половые клетки (гаметы), функция которых осуществлять размножение, отличаются тем, что при их делении отсутствует процесс удвоения и происходит уменьшение (редукция) числа хромосом, в результате чего передается только половина наследственной информации (мейоз). При слиянии мужских и женских половых клеток в процессе оплодотворения полное количество генетической информации, кодирующей свойства данного организма, восстанавливается. В биосфере существуют и неклеточные организмы (вирусы), а также организмы, вторично потерявшие в процессе эволюции клеточное строение (некоторые водоросли).

Термин «клетка» впервые использовал в 1665 году знаменитый английский физик и изобретатель Роберт Гук (1635 – 1703), который изучал строение растений при помощи усовершенствованного им микроскопа. Однако он не сумел осознать фундаментальное значение сделанного им наблюдения. Развитие учения о клетке связано с именами двух немецких ученых – ботаника М.Я. Шлейдена (1804 – 1881), обобщившего обширные материалы о клеточном строении растений, что послужило важным подспорьем для дальнейшего прогресса в этой области, и биолога Теодора Шванна (1810 – 1882), который, изучая клетки животных и растений, обнаружил их структурное и функциональное сходство и установил, что именно клетка является общей для всех живых организмов элементарной структурной единицей их строения. В классическом труде «Микроскопические исследования о соответствии в строении и росте животных и растений», опубликованном в 1883 году, он сформулировал клеточную теорию строения живых организмов.

В начале 19-го века выдающийся естествоиспытатель, основатель эмбриологии, Карл Бэр (1792 – 1876) открыл яйцеклетку у млекопитающих и изучил процесс эмбриогенеза птиц. Это открытие показало, что клетка – это универсальная структурная единица не только строения организмов, но и их развития.

К особому типу организмов относятся т.н. анаэробные организмы (или анаэробы). Это живые организмы, способные существовать в условиях отсутствия свободного кислорода. Различают облигатных анаэробов, постоянно живущих в бескислородной среде, и факультативных – способных жить как в условиях отсутствия кислорода, так и при его наличии. Представлены некоторыми видами бактерий, дрожжей, инфузорий, червей (в частности, к ним относится кишечная палочка, обеспечивающая процесс пищеварения у высших организмов). Типичными представителями являются также сине-зеленые водоросли, которые рассматриваются в теории происхождения биосферы как одни из первых форм живого вещества. На ранних стадиях формирования биосферы они осуществляли реакцию фотосинтеза, поглощая углекислый газ, которого в первичной атмосфере Земли было в избытке, и выделяя кислород, которого в ней не было. Таким образом, весь кислород земной атмосферы имеет биологическое происхождение.

Следующую стадию эволюции открывают аэробные организмы. Аэробные организмы (или аэробы) – это живые организмы, способные (в отличие от анаэробных) активно существовать и развиваться только при наличии свободного молекулярного кислорода, в частности, атмосферного. К ним относятся все эукариоты – высшие и низшие животные, растения, грибы и большинство микроорганизмов. Аэробы появились на Земле и стали бурно развиваться примерно 600 млн. лет назад (Кембрийский период по геохронологической шкале), когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от нынешнего уровня (первая критическая стадия развития жизни).

По генетической классификации организмы делятся на прокариотов и эукариотов. Прокариоты – это примитивные анаэробные организмы, не обладающие, в отличие от эукариотов, оформленным клеточным ядром и обычным хромосомным аппаратом. Типичные представители – сине-зеленые водоросли, которые рассматриваются в теории происхождения биосферы как первые представители живого вещества. Они способны осуществлять реакцию фотосинтеза, поглощая углекислый газ, которого в первичной атмосфере Земли было в избытке, и выделяя кислород. Наследственная информация передается у прокариотов посредством ДНК, но, в отличие от эукариотов, этот процесс проще и при простом клеточном делении воспроизводится полная копия предыдущего организма. Интересно то, что, образно говоря, смерть в генетический аппарат прокариотов не встроена, - их можно уничтожить, но биологически прокариоты бессмертны и могут существовать и размножаться в подходящих условиях неограниченно долго, тогда как клетки эукариотов могут выдержать конечное число делений до своей биологической кончины.

Прокариотная биосфера, по современным данным, существовала на Земле около 3,5 млрд. лет, до тех пор, пока количество кислорода в атмосфере не достигло такой концентрации, когда могли не только появиться, но и активно развиваться более сложноорганизованные эукариотные организмы, использующие кислородное дыхание. Примерно 600 млн. лет назад концентрация кислорода в атмосфере Земли, созданного прокариотами, достигла т.н. точки Пастера (около 1% от нынешней), когда кислородное дыхание становится более чем на порядок эффективнее анаэробного в процессах усвоения солнечной энергии. Такого, а далее всё возрастающего, количества кислорода стало достаточно, чтобы приспособительные преимущества перешли к эукариотам, которые и составляют в настоящее время практически всё живое вещество биосферы.

Эукариоты – это организмы, обладающие, в отличие от прокариотов, самостоятельным, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы клетки ядерной оболочкой. Представлены всеми животными и подавляющим большинством растений. Появились в биосфере Земли около 600 млн. лет назад, в начале Палеозойской эры по геохронологической шкале, когда концентрация кислорода в атмосфере достигла примерно 0,2%. Нет научных оснований считать, что эукариоты возникли независимо от существовавшей в то время мощной прокариотной среды, однако, нет и никаких данных о существовании переходных форм.

Согласно современным синергетическим идеям об универсальном характере процессов самоорганизации в сложных неравновесных системах, возникновение эукариотов представляется как специфическая бифуркация в эволюции земной биосферы, направившая траекторию её развития к одному из возможных аттракторов. Еще через 200 млн. лет, когда концентрация кислорода возросла до приблизительно 2% и возник озоновый слой, экранирующий поверхность земли от жесткого ультрафиолета, эукариотные организмы стали выходить из воды и занимать сушу. Поскольку резко возросла и эффективность фотосинтеза, темп пополнения атмосферы кислородом усилился по экспоненте, и анаэробные прокариоты были практически полностью вытеснены из биосферы. Генетический материал эукариотов заключен в хромосомах и передается посредством полового размножения.

Более сложные и высокоорганизованные эукариоты биологически смертны, однако именно это обстоятельство плюс особенности передачи генетической информации резко интенсифицировали необратимый во времени эволюционный процесс и постепенно привели биосферу к чрезвычайному разнообразию существующих видов живых организмов.


18. Корпускулярно-волновой дуализм – явление двойственности или двуединости, совмещающее корпускулярное и волновое поведение объектов микромира – элементарных частиц и фотонов (квантов электромагнитного поля). Оно состоит в том, что в зависимости от энергии, электромагнитное излучение (в частности, свет), в оптических опытах проявляющее волновые свойства – дифракцию и интерференцию, в других случаях проявляет корпускулярные свойства, т.е. волны ведут себя как частицы, передавая импульс другим частицам, например, выбивая электроны из металлов. Это явление т.н. фотоэффекта, необъяснимого с точки зрения классической оптики, в 1905 году объяснил Эйнштейн, который, используя квантовую гипотезу М. Планка, ввел понятие фотона – кванта электромагнитного поля, т.е. как бы элементарной частицы света. В этом вопросе у Эйнштейна были предшественники, - так например, Ньютон, в отличие от Гюйгенса, считал свет потоком крошечных частиц. Корпускулярно-волновой дуализм электромагнитных процессов, таким образом, стал научным фактом, получившим теоретическое объяснение и экспериментальное подтверждение.

В 1924 году выдающийся французский физик Луи де Бройль распространил представления об универсальности корпускулярно-волнового дуализма на закономерности поведения всех объектов микромира. Он, на основании аналогии с фотоном, математически доказал, что любые элементарные частицы обладают, наряду с корпускулярными, также и волновыми свойствами. Эти выводы были настолько революционны, что даже Эйнштейн писал о диссертации де Бройля одному из коллег: «Прочтите её. Хотя и кажется, что ее писал сумасшедший, написана она солидно». Однако, после выдвижения идеи об универсальности корпускулярно-волнового дуализма необходимо было поставить соответствующий эксперимент, который подтвердил бы или опроверг теорию де Бройля. Такой опыт был проведен в 1927 году американскими физиками Девиссоном и Джермером, наблюдавшими дифракцию электронов (частиц!) на кристаллах. Впоследствии волновые свойства частиц, проявляющиеся в зависимости от их массы и энергии в большей или меньшей степени, были обнаружены у всех элементарных частиц. Волновые свойства электрона лежат в основе действия электронного микроскопа, дающего в тысячи раз большее увеличение, чем оптические приборы, поскольку длина волны электрона в тысячи раз меньше, чем у фотонов видимого света.

Волны де Бройля не соответствуют понятию волны в классической физике. Там волна – это распространяющиеся в пространстве колебания вещества (среды) как целого (например, звук в воздухе) или поля (радиоволны), а в физике микромира - это некоторое состояние частицы, формально описываемое при помощи математики волновых процессов. Физическое истолкование волновых свойств самих частиц долгое время вызывало дискуссии, - некоторые физики объясняли это как признак нелокализованности микрообъектов (т.е. как бы «размазанность» частиц по всему пространству). В настоящее время принята трактовка, данная известным немецким физиком Максом Борном, который установил, что по волновому закону изменяется некая характеристика микрообъекта, которую он назвал амплитудой вероятности нахождения частицы в данной области пространства или «пси»-функцией, - она как раз и входит в волновое уравнение Шредингера как волновая функция, параметры которой принимают дискретные значения т.е. квантуются. Она выступает в квантовой механике как основной носитель информации и о корпускулярных, и о волновых свойствах частиц и отражает фундаментальное свойство квантовомеханических систем, проявляющееся при измерении их параметров, и не имеющее аналога в классической физике – т.н. принцип неопределенности.

Философский смысл трактовки Борном этих волн вероятности исключает размазанность частиц по пространству, а сводится к тому, что свободный электрон или другая частица продолжают фигурировать в теории в виде точечного объекта, но вероятность обнаружить его в любой точке пространства в принципе не равна нулю. В связанной системе частиц (например, в пространстве атома), имеются области, где вероятность нахождения электрона в одном месте гораздо больше, чем в каком-либо другом. Такое более адекватное опыту понятие «сгустков» вероятности заменило первоначальное представление об орбитах электронов, которые можно теперь воспринимать как пережиток стремления к классическому способу интерпретации фактов, встраиваемых в картину мира на основе наглядности и привычных (в данном случае планетарных) аналогий.


19. Космические лучи – это поток стабильных частиц и фотонов высоких энергий, приходящих на Землю из космического пространства, а также вторичное излучение, порожденное ими при столкновениях с атомами газов, входящих в состав атмосферы. В него входят в той или иной мере все известные элементарные частицы. Первичное излучение представлено в основном протонами (ядрами атома водорода, - 91,5%), альфа-частицами (ядрами атома гелия, - 7,8%) и небольшого количества ядер атомов прочих элементов, имеющих галактическое происхождение, и в некоторой степени обусловленных солнечной активностью. При взаимодействии космического излучения с ядрами атомов азота в атмосфере образуется радиоактивный изотоп углерод-14, который затем входит в состав углекислого газа. Общий поток первичного заряженного космического излучения, попадающего в атмосферу эквивалентен электрическому току 0,1 Ампера.

В целом, первичная компонента космических лучей изотропна в пространстве и неизменна во времени (по крайней мере в течение геологических эпох), интенсивность и состав вторичных потоков зависят от состава и плотности атмосферы и изменяются с высотой над поверхностью Земли. Некоторые сезонные вариации интенсивности связаны с изменениями магнитного поля Земли под влиянием солнечной активности. Как и любая проникающая радиация, космические лучи вызывают ионизацию атомов вещества, разрывая молекулярные связи, создают химически активные радикалы и могут изменять структуру молекул, в частности производить изменения в структуре молекулы ДНК – носителе генетической информации, обусловливая этим естественный процесс мутации.

Открыл космические лучи в 1912 году австрийский физик Виктор Франц Гесс и провел много исследований вариации их интенсивности в зависимости от высоты, при помощи высотных подъемов на воздушном шаре. В дальнейшем, изучение состава космических лучей и их реакций с ядрами специально приготовленных мишеней привело к открытию многих, до этого неизвестных, нестабильных элементарных частиц, таких как мезоны и гипероны. Важным компонентом космических лучей являются солнечные, галактические и внегалактические нейтрино, с которыми, несмотря на исключительные трудности их регистрации, связываются надежды астрофизики и космологии на получение информации из самых глубин Вселенной, в частности, по проблеме возможности существования в пределах горизонта событий значительных количеств антивещества. (См. также: Нейтрино, Радиация).


20. Космические скорости – скорости космических аппаратов, позволяющие им преодолевать силы тяготения тех космических объектов и систем, от которых они должны оторваться для выхода на орбиту.

1). При достижении первой космической скорости, равной для Земли 7,91 км/сек, запускаемый аппарат может выйти на околоземную орбиту и стать искусственным спутником Земли. Величина первой космической скорости зависит от гравитационного ускорения свободного падения g (для Земли – 9,81 м/сек2) и радиуса планеты R (для Земли – среднее значение радиуса равно 6371 км) и, следовательно, для разных планет имеет различное значение. Общая формула имеет вид: v=(gR)1/2.

2). Приобретя вторую космическую скорость, запускаемый аппарат полностью преодолевает тяготение соответствующей планеты и может выйти на параболическую траекторию полета к другим планетам Солнечной системы. Для запуска с Земли эта скорость равна 11,2 км/сек, общая формула такова: w=v2. При старте аппарата с других планет наблюдаются те же закономерности, что и в первом случае.

3). Достигнув третьей космической скорости, равной для Солнечной системы 16,7 км/сек, запускаемый аппарат преодолеет притяжение Солнца и может уйти в межзвездное космическое пространство по гиперболической траектории. (См. также: Гравитация, Циолковский).


21. Наука – одна из важнейших сфер общекультурной творческой деятельности человечества, направленная на получение новых знаний о явлениях и закономерностях процессов эволюции как неживой, так и живой природы, о феноменах и особенностях социального, экономического и культурного развития человеческого общества, а также исследующая биологическую и психическую сущность самого человека. Понятие науки включает в себя все материальные и идеальные условия и обстоятельства, обеспечивающие процесс производства, закрепления и распространения научного знания. Сюда относятся:

во-первых - научные сообщества и индивидуальные ученые с их личными способностями, знаниями, квалификацией, опытом и представлениями об идеалах научности, о профессиональных традициях и методах познания, а также о моральных, религиозных и этических ценностях, вытекающих из их социально-культурной принадлежности и приверженности соответствующей научной парадигме. Это множество ученых, разделяющихся также по принадлежности к различным сферам познания (естественным и гуманитарным), научным областям (фундаментальным и прикладным, теоретическим и экспериментальным) и многочисленным дисциплинам (как отдельным узконаучным, так и смежным междисциплинарным);

во-вторых - понятийный и категориальный аппарат как универсального общенаучного значения, так и соответствующий той или иной научной области, вся уже существующая система знаний, образующая общенаучный и узкодисциплинарный познавательный фундамент, а также непрерывно образующаяся междисциплинарная среда;

в-третьих - организованная система научной и технической информации, банки данных, периодические научные издания, система конференций и симпозиумов, а также всемирная компьютерная информационная сеть;

в-четвертых - научно-исследовательские, проектно-конструкторские и учебные учреждения разных уровней, специализированные научно-производственные предприятия, разнообразное лабораторное оборудование и крупномасштабная экспериментальная техника, а также рабочие компьютеры, большие вычислительные машины и разнообразное программное обеспечение к ним.

Всё это множество элементов представляет собой сложную иерархически организованную структуру научного познания и функционирует как динамическая самоорганизующаяся система, пронизанная многочисленными взаимными связями и потоками информации, как внутренними, так и выходящими во внешнюю социокультурную среду. Идея иерархической структуры научного познания впервые четко высказана И. Кантом с точки зрения возможных способов упорядочения информации в процессе познания и терминологически оформлена им в понятиях «наука» и «наука в собственном смысле». По Канту: «всякое учение, если оно есть система, т.е. некоторая совокупность знаний, упорядоченных согласно принципам, называется наукой», но с другой стороны, «в любом частном учении о природе, - писал Кант, - можно найти науки в собственном смысле лишь столько, сколько содержится в нём математики». Последнее утверждение имеет непосредственное отношение к естествознанию, как всей совокупности наук о природе, где одним из основных методологических принципов является возможность описания природных феноменов математическими соотношениями. Именно математическая модель становится связующим звеном между теоретическим способом осознания и описания того или иного явления природы и экспериментальной проверкой теории и доказательством её объяснительных и предсказательных возможностей.

Идея о познании мира через число принадлежит Пифагору («все вещи – суть числа»). В европейской науке нового времени эта идея обогатилась понятием функции, описывающей непрерывный ряд количественных (числовых) закономерностей, и постепенно стала доминирующей, благодаря трудам Кеплера и, особенно, Галилея, которому принадлежат слова о том, что Книга природы написана языком математики, оперирующей числами и геометрическими формами. Далее, после математической революции, произведенной Ньютоном и Лейбницем (17 век), создавшими дифференциальное и интегральное исчисление, методы математического анализа стали основным инструментом в исследованиях и описаниях закономерностей природных процессов. В этом пункте естественные науки, изучающие повторяющиеся и статистически достоверные явления природы, принципиально отличаются от наук гуманитарных, предметом которых часто бывают уникальные и неповторимые события человеческой истории и произведения материальной и духовной культуры, не поддающиеся однозначным рациональным трактовкам и не вписывающиеся в строгие рамки математических методов моделирования.

Несколько упрощенно этапы научного познания можно представить следующей формальной схемой:

1). Постановка проблемы, т.е. процесс осознания того, что некоторое явление природы существует, но еще в достаточной степени не познано и нуждается в адекватном описании и объяснении (например, разбегание галактик) или же, судя по косвенным данным, должно существовать, но еще достоверно не обнаружено (например, черные дыры).

2). Выдвижение гипотезы, которая представляет собой форму знания, содержащего научно обоснованные в рамках существующей парадигмы предположения, не вступающие в противоречие с установленными наукой фундаментальными принципами и правдоподобно упорядочивающие совокупность наблюдаемых фактов, относящихся к данной проблеме. Гипотезы носят вероятностный характер и требуют соответствующего обоснования и проверки. Из нескольких правдоподобных гипотез в процессе обоснования отбираются наиболее продуктивные, дающие возможность получения статистически достоверного эмпирического подтверждения. В результате анализа опытных данных, на основании существующих общенаучных принципов выбирается одна из них, которая становится основой для дальнейшего теоретического осмысления рассматриваемой проблемы. При этом может возникнуть ситуация, выводящая предложенную гипотезу за пределы существующей парадигмы и требующая новых нестандартных концепций.

3). Разработка теории, которая представляет собой наиболее развитую форму научного знания, и дает целостное и непротиворечивое отображение закономерных и существенных связей конкретной области реальности, породившей первоначальную проблему. Теоретическая система, удовлетворяющая требованиям научности, включает в себя математический аппарат, позволяющий описывать всю совокупность имеющихся эмпирических фактов и являющийся также источником прогностической информации, инициирующей дальнейший поиск и получающей экспериментальное подтверждение. Хорошая теория более общего масштаба должна включать в качестве частного случая или предельной ситуации предыдущую теорию, достоверно подтвержденную в соответствующей области реальности. Такими примерами в естествознании могут служить современная теория элементарных частиц, квантовая электродинамика, теория относительности и ряд других.

4). Эксперимент представляет собой не просто набор некоторых эмпирических фактов, а целенаправленно спланированное эмпирическое действие, для подтверждения или опровержения основных положений проверяемой теории. Эксперимент, удовлетворяющий требованиям научности, ставится в точно фиксируемых, стандартных и воспроизводимых условиях. Полученные результаты наблюдений проходят необходимую математическую обработку и снабжаются критериями статистической достоверности (точность в пределах соответствующего доверительного интервала), - только в этом случае они становятся научными данными. Как правило, эксперимент ставится в пределах некоторой ограниченной области реальности, в идеализированных и упрощенных (в рамках выбранного приближения) условиях и дает идеальный образ истинного природного явления. Тем не менее, установленные наукой и выраженные математическими соотношениями общие и частные «законы» природы, позволяют человеку оптимально упорядочить отношения в системе «человек-природа».

За всю историю существования европейской культуры наука прошла через четыре основных этапа своей эволюции – 1) донаучная стадия (античная натурфилософия, естествоиспытательство Средних веков и эпохи Возрождения); 2) период становления и развития классической науки (начало 17-го – конец 19-го веков), методологический фундамент которой и философское мировидение связаны с именами Галилея, Декарта, Бэкона, Ньютона, Канта, Лапласа; 3) время кризиса ньютоновско-лапласовского детерминизма и развития неклассической науки (конец 19-го – конец 20-го веков), основы которой заложены Планком, Эйнштейном, Бором, Гейзенбергом, Шредингером, де Бройлем и другими; и наконец, 4) завершение 20-го века характеризуется становлением постнеклассической науки, основные достижения которой привели к возникновению нового мировидения – т.н. эволюционной системно-синергетической парадигмы.