Концепции современного естествознания

13. Статические и динамические закономерности. Принцип неопределенности Гейзенберга

Принцип неопределённости Гейзенбемрга (или Гамйзенберга) -- 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).

Дезоксирибонуклеимновая кислотам (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.

Рибонуклеимновые кисломты (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.

1. Триплетность -- значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).

2. Непрерывность -- между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.

3. 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).

4. Однозначность -- определённый кодон соответствует только одной аминокислоте. (Свойство не является универсальным. Кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты -- цистеин и селеноцистеин)

5. Вырожденность (избыточность) -- одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.

6. 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.

Клемтка -- 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.)