Концепции современного естествознания

Атмосфера - газовая оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести и участвующая в ее суточном и годовом вращении. Впервые термин «атмосфера» ввел в практику М.В. Ломоносов. Атмосфера состоит из смеси газов, называемой воздухом. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли. Четко выраженной верхней границы она не имеет. Условно ее проводят на высоте около 2000-3000 км.

С высотой температура, давление и плотность воздуха в атмосфере меняются. В зависимости от этого принято деление атмосферы на несколько слоев: тропосфера (толщина 16-18 км над экватором), стратосфера (50-55 км), мезосфера (80-85 км), термосфера (от 85 до 600-800 км). Атмосфера защищает Землю от влияния открытого космоса, поддерживает температурное равновесие и благоприятный режим, содержит азот, входящий в состав почти всех живых организмов, и кислород, необходимый для дыхания. Одним из важнейших компонентов атмосферы является изотоп кислорода - озон. Озоновый слой, являясь экраном от ультрафиолетового излучения, играет исключительно важную роль в сохранении жизни на Земле.

Особая комплексная оболочка Земли, в пределах которой соприкасаются, проникают друг в друга и взаимодействуют верхняя часть литосферы, гидросферы, нижняя часть атмосферы называется географической оболочкой. Границы географической оболочки разные ученые определяют по-разному. Верхняя граница совпадает с границей тропосферы или озоновым экраном, а нижняя - граница земной коры или нижняя граница ее осадочного слоя.

Целостность географической оболочки обеспечивается постоянным обменом веществ и энергией между сушей, атмосферой, мировым океаном и организмами. Учение о географической оболочке было разработано А.А. Григорьевым.

Основные понятия темы:

Земля - третья по счету от Солнца планета в Солнечной системе.

Нептунизм - концепция, согласно которой все горные породы отложились в виде осадков из Всемирного океана.

Плутонизм - концепция, согласно которой все процессы на Земле обусловлены ее внутренним теплом.

Униформизм - концепция о неизменности геологических явлений в истории Земли.

Ядро Земли - центральная область Земли, ограниченная сферической поверхностью на глубине 2900 км.

Мантия Земли - одна из внутренних оболочек, расположенная между Земной корой и ядром.

Земная кора - твердая внешняя оболочка земного шара толщиной в среднем 35-40 км, часть литосферы.

Эра геологическая - длительный этап геологической истории и развития жизни на Земле, соответствующий времени образования определенных горных пород.

Литосфера - верхняя оболочка Земли.

Атмосфера - газовая оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести и участвующая в ее суточном и годовом вращении.

Гидросфера - водная оболочка Земли, совокупность всех природных вод планеты.

Тема 13. Особенности биологического уровня организации материи

1. Биология как система наук о живой природе

Термин «биология» был введен впервые в XIX веке Жаном Батистом Ламарком. Биология изучает бесчисленные формы живых организмов, их строение, функции, индивидуальное развитие, взаимоотношение друг с другом и с окружающей средой. Предмет биологии - жизнь, которая является наиболее сложной формой организации и движения материи. Поэтому она представляет собой систему наук и ее структуру можно рассматривать с разных точек зрения. По объекту исследования в биологии выделяют вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию. По свойствам и проявлениям живого биология подразделяется на морфологию (строение организмов), физиологию (функционирование организмов), молекулярную биологию (микроструктура живых тканей и клеток), экологию (образ жизни растений и животных, их связи с окружающей средой), генетику (законы наследственности). По уровню организации изучаемых живых объектов в биологии выделяют: анатомию (строение организма), гистологию (строение тканей), цитологию (строение живых клеток).

Исторически биология развивалась как описательная наука о многообразных формах и видах растительного и животного мира. Поэтому важнейшее место в ней занимали методы анализа, систематизации и классификации огромного эмпирического материала, накопленного натуралистами.

Поиски единой основы живых форм привели к изучению их сначала на клеточном, а затем на молекулярном уровне. Попытки создания классификаций видов растений и животных привели к идеям и принципам теории эволюции. Описательная биология послужила эмпирическим фундаментом, на котором сформировался единый, целостный взгляд на многообразный мир живых систем, связанный с изучением структуры биологических систем, структурных уровней организации живой материи. Поэтому в развитии биологии обычно выделяют три основных этапа:

этап систематики (К. Линней);

эволюционный этап (Ч. Дарвин);

этап биологии микромира (Г. Мендель).

Развитие биологии все больше убеждает ученых в единстве природы, в связи органического и неорганического миров.

2. Основные концепции происхождения жизни. Сущность живого

В биологии сложились четыре подхода к объяснению феномена жизни:

Витализм - объяснение специфики жизни наличием в организмах особой «жизненной силы» (vitalis - жизненный).

Редукционизм - сведение процессов жизнедеятельности к совокупности определенных химических реакций.

Композиционизм считает основной причиной функционирования явлений жизни межорганизменные связи.

Функционализм возник в связи с обсуждением вопроса о возможности жизни на других планетах, природа и структура живого может различаться, сходство же будет проявляться только в функциях.

В соответствии с этими подходами существует несколько концепций происхождения жизни. Наиболее распространенными из них являются следующие:

Креационизм - жизнь была создана сверхъестественным путем в определенное время.

Самопроизвольное (спонтанное) зарождение: жизнь возникала неоднократно из неживого вещества. Ван Гельмонт (1577-1644) описал эксперимент, в котором он за 3 недели якобы создал мышей. Для этого понадобились грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом служил человеческий пот. Опровержение этому дал в 1688 г. Франческо Реди из Флоренции. До сих пор важное значение в биологии имеет знаменитый «принцип Реди», согласно которому жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (биогенез). Реди провел такой эксперимент: он взял четыре больших сосуда, в первый поместил змею, во второй - немного рыбы, в третий - угрей, в четвертый - кусок молодой телятины. Эти сосуды он плотно закрыл и запечатал. То же самое поместил в четыре других сосуда, но оставил их открытыми. Видел мух, свободно влетающих и вылетающих из этих сосудов. В результате в открытых сосудах были обнаружены маленькие белые червячки (личинки мух), а в запечатанных сосудах не было ни одной личинки.

Ладзаро Спалланцани в 1765 г. доказал, что кипячение убивает все формы живых существ. А в 1860 г. Луи Пастер предложил свои знаменитые способы пастеризации и стерилизации (стерилизация - обработка неживых предметов, которые могут быть заражены живыми существами).

Теория стационарного состояния - жизнь существовала всегда, также как и Вселенная. Виды живого существовали всегда и у них есть только две возможности: либо изменение численности, либо вымирание.

Теория панспермии - жизнь на Землю занесена из других частей Галактики или Вселенной. В 1865 году немецкий ученый-медик Г. Рихтер утверждал, что зародыши предков организмов могли быть занесены с метеоритами и космической пылью. Эта гипотеза широко распространена среди ученых, наиболее видными ее сторонниками являются У. Томсон, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский. В 1907 г. шведский естествоиспытатель С. Аррениус выдвинул сходную гипотезу, которая и получила название панспермии: во Вселенной вечно существуют «семена жизни», которые, попадая в благоприятные условия, рождают жизнь.

Теория биохимической эволюции - жизнь возникла в результате физико-химических процессов. В 1924 г. А.И. Опарин (биохимик) опубликовал книгу «Происхождение жизни», в которой изложил гипотезу возникновения жизни на Земле.

В современной биологии все теории делятся на две большие группы: голобиоза и генобиоза.

Голобиоз - методологический подход, признающий первичность структур типа клеточной, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментов. Появление нуклеиновых кислот - завершение эволюции.

Генобиоз признает первичность молекулярной системы со свойствами генетического кода. Дж. Холдейн высказал предположение: первичной была макромолекулярная система, подобная гену и способная к саморепродукции, так называемый «голый ген».

Имеются и промежуточные варианты: белковые и нуклеиновые молекулы появились одновременно и подверглись коэволюции, т.е. одновременной и взаимосвязанной эволюции. Контраргумент: белковые и нуклеиновые макромолекулы структурно и функционально настолько различны, что нереально их одновременное появление и сосуществование. К 1980-м гг. усилились позиции генобиоза.

Очевидно на современном уровне исследования, что в определении жизни должны быть зафиксированы функциональные и субстратные моменты. Жизнь - высшая из природных форм движения материи, для которой характерны самообновление, саморегуляция, самовоспроизведение разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.

3. Уровни организации живой материи и ее свойства

Выделяют несколько уровней организации живой материи:

Молекулярный - на этом уровне обеспечиваются все важнейшие процессы жизнедеятельности организма (обмен веществ, сохранение энергии и т.п.);

Клеточный - клетка является структурной и функциональной единицей всего живого;

Тканевой - совокупность сходных по строению клеток, которые объединены общими функциями;

Органный. Органы - это структурно-функциональное объединение нескольких видов тканей.

Организменный имеет два уровня: одноклеточный и многоклеточный, представляющий собой целостную систему органов, специализирующихся на выполнении различных функций.

Популяция - совокупность организмов одного вида, объединенная общим местом обитания.

Биогеоценоз - совокупность организмов разных видов и различной сложности со всеми факторами среды обитания; взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов.

Биосфера - система высшего порядка, охватывает все явления жизни на нашей планете. На этом уровне происходят превращение веществ, круговорот веществ и превращение энергии.

Свойства живой материи:

Единство химического состава. В состав живого организма входят те же элементы, что и в состав неживой природы, однако соотношение их разное. В живом организме 97% химического состава приходится на углерод, водород, кислород, азот, фосфор, серу. В неживой природе широкое распространение имеют кремний, железо, магний, натрий.

Обмен веществ (метаболизм). В неживой природе также существует обмен веществами, однако они просто переносятся с одного места на другое или меняется их агрегатное состояние (например, смыв почвы, превращение воды в пар или лед).

Размножение - способность к самовоспроизведению.

Наследственность - способность передавать свои признаки, особенности развития из поколения в поколение. Она обусловлена ДНК.

Изменчивость - способность организмов приобретать новые признаки. Она создает разнообразный материал для естественного отбора. Связана с наследственностью.

Рост и развитие.

Раздражимость - активная реакция организма на внешнее воздействие.

Ритмичность - повторение одного и того же состояния через определенные промежутки времени. Обусловлено различными космическими или планетарными системами.

Относительная энергозависимость. Живые организмы существуют только до тех пор, пока в них поступает энергия в виде пищи; прямо или косвенно они используют энергию Солнца.

Гомеостаз - саморегуляция, самоподдержание организма; способность сохранять стационарное состояние и выживать в условиях непрерывно меняющейся среды.

Противостояние энтропийным процесса (негэнтропийность)..

4. Клеточная теория. Единство органического мира

Представление о структурных уровнях организации живой материи сформировалось под влиянием клеточной теории строения живых тел. Клетка - это единица живого, мельчайшая система, которая обладает всеми свойствами живого и является носителем генетической информации.

В 1839 г. Т. Шванн и М.Я. Шлейден создали клеточную теорию. Ее основные положения:

· Клетки - основные элементы жизни, мельчайшие единицы, которые можно еще считать живыми.

· Все организмы состоят из одной или многих клеток, сходных по строению. Это является свидетельством единства происхождения и развития всего живого.

Современная клеточная теория дополняет эти положения следующими:

· Жизнь обеспечивается только клеткой.

· Новые клетки могут возникать из предсуществующих путем их деления.

· Целостность и системная организация многоклеточных организмов обеспечивается взаимодействием клеток.

Исследования в области цитологии показали, что клетки имеют общие свойства и в строении, и в функциях. Они реализуют обмен веществ, саморегуляцию своего состояния, передают наследственную информацию. Клетки существуют и как отдельные организмы (одноклеточные), и в составе многоклеточных организмов. Они имеют разный срок существования. Жизненный цикл клетки оканчивается делением или гибелью. Размеры клеток также очень разнообразны. Клетки образуют ткани, несколько типов тканей образуют органы. Однако в природе встречаются организмы, не имеющие клеточной структуры. Это вирусы.

Клетки делятся на два типа: безъядерные и ядерные. Безъядерные клетки называются прокариоты (бактерии, сине-зеленые водоросли) и исторически являются предшественниками вполне развитых, имеющих ядро клеток, появившихся около 3 млрд. лет тому назад, - эукариотов. Прокариоты имеют в своем составе нити молекул нуклеиновых кислот, которые выполняют функцию управления. Только расположены они в цитоплазме, а не в ядре. Безъядерные клетки выполняют все функции, свойственные типичным клеткам. У эукариотов нити управления внутриклеточным обменом находятся в ядре клетки, в очень длинных цепях молекул нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), исходной структурной единицей которых является ген. Это природное кибернетическое устройство, которое содержит инструкцию, информацию, коды, определяющие характер деятельности клетки по обмену веществ и самовоспроизводству. Гены обеспечивают важнейшие функции жизнедеятельности и клетки, и организма в целом.

Важнейшими свойствами клетки, обеспечивающими ее главные функции, являются метаболизм (обмен веществ) и гомеостаз (сохранение стабильности условий внутренней среды клетки).

Поток информации в клетке обеспечивается нуклеиновыми кислотами. Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. ДНК входит в состав ядра, в состав хромосом. Хромосомы - материальная основа наследственности, представляющая собой ряд линейно сцепленных генов. Каждый ген отвечает за какой-то элементарный признак, поэтому наследственность дискретна. Поток веществ и информации в клетке нуждается, а энергии; процессы, обеспечивающие энергетические потребности клетки составляют поток энергии. Поток энергии в клетке регулируется законами биоэнергетики В. Скулачёва. В качестве источников клеточной энергии используются простые сахара (глюкоза), процессы дыхания (образуются углекислый газ и вода) и брожения (образуются спирт или молочная кислота). Большую роль в биоэнергетике клетки играют фотосинтез и хемосинтез.

Основные понятия темы:

Витализм - объяснение специфики жизни наличием в организмах особой «жизненной силы».

Редукционизм - сведение процессов жизнедеятельности к совокупности определенных химических реакций.

Композиционизм - признание межорганизменных связей основной причиной функционирования явлений жизни.

Функционализм - такой подход к определению живого, согласно которому природа и структура живого могут различаться, сходство же будет проявляться только в функциях.

Голобиоз - методологический подход к объяснению происхождения жизни, признающий первичность структур типа клеточной, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментов и из которых появляются нуклеиновые кислоты, кодирующие генетическую информацию.

Генобиоз - методологический подход к объяснению происхождения жизни, признающий первичность молекулярной системы («макромолекулы») со свойствами генетического кода.

Жизнь - высшая из природных форм движения материи, для которой характерны самообновление, саморегуляция, самовоспроизведение разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.

Гомеостаз - самоподдержание организма, способность сохранять стабильное состояние в любых ситуациях.

Клетка - единица живого, мельчайшая система, обладающая всеми свойствами живого и являющаяся носителем генетической информации.

Вирусы - организмы, не имеющие клеточной структуры.

Прокариоты - безъядерные клетки.

Эукариоты - клетки, имеющие ядра.

Ген - элементарная единица наследственности.

Хромосомы - материальная основа наследственности, представляющая собой ряд линейно сцепленных генов.

Тема 14. Генетика и эволюция

1. Концепции эволюционизма в биологии

Современные представления о характере и законах функционирования живых организмов были бы невозможны без эволюционного подхода к анализу природы.

Эволюция - это процесс исторического развития органического мира. Сущность этого процесса состоит в непрерывном приспособлении к разнообразным и постоянно меняющимся условиям окружающей среды, в возрастающем со временем усложнении организации живых существ. В ходе эволюции осуществляется преобразование одних видов в другие.

Главное в эволюционной теории - идея исторического развития от сравнительно простых форм жизни к более высокоорганизованным.

Формированию исторических взглядов на живую природу способствовали работы К. Линнея «Система природы», «Философия ботаники». Ученый изучил более 10 тысяч видов растений и 4200 видов животных. Разработанная им систематика была очень простой и удобной и получила высокую оценку ученых. Недостаток ее состоял в ее искусственности. Она позволяла распознавать растения, но не раскрывала их природу. Кроме того, К. Линней ошибочно считал количество видов неизменным (сколько их создал Бог).

Развитие ботаники и зоологии привело к возникновению идей эволюционного развития природы и отказу от представлений о неизменности видов.

Ж. Бюффон (Франция), Э. Дарвин (Англия), И. Гете (Германия) и другие натуралисты и мыслители высказывали научные догадки об эволюционном возникновении и развитии жизни на Земле. Однако они не были подкреплены фактами.

Наиболее полно по тем временам идея эволюции была изложена в работе видного французского биолога Ж.Б. Ламарка «Философия зоологии». Он выделяет две причины изменчивости видов: влияние и изменение условий жизни и наследственность. Постоянство видов, утверждает Ламарк, явление только кажущееся и связано оно с кратковременностью наблюдений за ними. По его мнению, несколько тысяч лет для природы - не более чем секунда. Ламарк считал, что высшие формы жизни произошли от низших в процессе эволюции. Он ошибочно полагал, что главная причина развития - это внутренне присущее живым организмам стремление к самосовершенству, заложенное в них творцом (Богом). Большое значение он придавал упражнению и неупражнению органов. Длинная шея у жирафа возникла, по мнению ученого, в результате постоянного упражнения этого органа несколькими поколениями по доставанию листьев с высоких деревьев и непосредственного закрепления этого изменения. Это в дальнейшем привело к очень распространенным, но научно совершенно необоснованным представлениям о наследовании признаков, приобретаемых под непосредственным воздействием среды.

В России мысли об изменчивости видов и возможности их эволюционного преобразования высказывал К.Ф. Рулье. Эти идеи поддерживал известный русский мыслитель А.И. Герцен.

Ошибки Ж.Б. Ламарка в понимании факторов эволюционного процесса преодолел Ч. Дарвин. В своей работе «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859), обобщив отдельные эволюционные идеи, онсоздал стройную теорию эволюции. Движущими силами эволюции он считал наследственную изменчивость и естественный отбор, а элементарной единицей эволюции - вид.

Дарвин сформулировал следующие положения:

Во-первых, изменчивость свойственна любой группе животных и растений, и организмы различаются во многих отношениях. Во-вторых, число организмов каждого вида, рождающихся на свет, больше того их числа, которое может найти пропитание и выжить, однако численность каждого вида в естественных условиях довольно постоянна. В-третьих, поскольку рождается больше особей, чем может выжить, происходит борьба за существование, конкуренция в борьбе за пищу и место обитания. В-четвертых, изменения организма, облегчающие его выживание в определенной среде, дают своему обладателю преимущество перед другими организмами, менее приспособленными к внешним условиям; идея выживаемости наиболее приспособленных организмов является ядром теории естественного отбора. В-пятых, выживающие особи дают начало следующему поколению, благодаря чему «удачные» положительные изменения передаются последующим поколениям.

Параллельно с теорией Дарвина развивались концепции, которые частично или полностью строились на других идеях. Так, в конце XIX - начале XX вв. сложился неоламаркизм, представленный тремя основными течениями: ортоламаркизм, механоламаркизм и психоламаркизм.

Представители ортоламаркизма считали, что направленность эволюции обусловлена внутренними изначальными свойствами организмов. Сторонники механоламаркизма объясняли эволюционные преобразования организмов их изначальной способностью целесообразно реагировать на изменение внешней среды. Психоламаркизм трактовал эволюцию как постепенное увеличение роли сознания в развитии от примитивных существ до разумных форм жизни.

Кроме этих концепций, не согласующихся с идеями Дарвина, можно также назвать телеогенез, сальтационизм, генетический антидарвинизм.

Вместе с тем, эволюционная теория Дарвина имела своих сторонников, которые примыкали к двум направлениям: классический и ортодоксальный дарвинизм. Классический дарвинизм прилагал усилия для того, чтобы, во-первых, подтвердить истинность эволюционных представлений, и, во-вторых, сочетать их с современными научными воззрениями. Ортодоксальный дарвинизм имел место в советской биологии 30 - 50-х годов XX века. Его представители абсолютизировали принципы эволюционной теории. Исходя из идеи о решающей роли внешней среды, советские ученые доказывали возможность радикального изменения природы растения (например, превращение озимой пшеницы в яровую).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21