Преподаватель: Ланцев И.А

Курс лекций по дисциплине

«Концепция современного естествознания»

Преподаватель: Ланцев И.А.

Лекция 1.

Цель и задачи курса. Основные понятие и методы науки. Становление естествознания.

ПРИНЦИПЫ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ.

1). Сохранение относительной самостоятельности наук.

2). Обнаружение связей и взаимовлияния наук.

3). Поиск антологических оснований естествознания.

4). Использование математики.

5). Разворачивание естествознания в логике эволюции материи. Вселенная.

Вселенная есть пространство существования совокупности движущихся объектов, характеризующихся устойчивостью проявления, фиксируемых органами чувств или приборами, находящихся в отношениях друг к другу, организованных на различных уровнях сложности. Комментарий Современные знания о вселенной.

1). Вселенная поддается научному исследованию - в ней наблюдается устойчиво воспроизводящиеся явления, поддающиеся измерению, описанию, конфигуализации и воспроизведению в форме моделей.

2). Вселенная обладает атрибутами физического объекта: размерами, массой, энергией, зарядом и т.д.

3). Вселенная обладает атрибутами химического объекта - химическим составом, химической изменчивостью.

4). Вселенная должна обладать атрибутами биологического и психологического объекта.

5). Материя вселенной имеет несколько уровней организованности.

6). Вселенная эволюционирует и не является стационарной.

7). Во Вселенной громадное преобладание вещества над антивеществом. Этапы эволюции вселенной.

Современное знание фиксирует ряд эпох становления Вселенной в современном виде.

1). Эпоха, когда возраст Вселенной меньше 10 ^-43 сек.(допланковская эпоха) р>10⁹³ г/см,1<10^-33 см, Т>10 ³² К Периодизацию проводят по температуре.

2). Т>10 ²⁹ K (инфляционная эпоха) - (Х-частицы не различимы), а Вселенная сверхбыстро увеличивается в размерах. Форсируются неоднородности. Однородность свойств пространства - времени.

3). Т~10¹⁶...10²⁹ К- распад Х-частиц(и анти Х - частиц) - распад неодинаков. Образуются кварки, антикварки, лептоны и антилептоны. Кварков и лептонов больше (неравновесность расширения).

4). Т~10¹⁴ - 10¹⁶ К Распад лептонов на электроны(антиэлектроны), мюоны (антимюоны), Т-лептоны, 3 вида нейтрино.

5). T~10¹³ - 10¹⁴ К Связывание кварков и образование адронов - протонов, ней-
тронов, мезонов и т.д.
t~10 ^-4 сек., р~10¹⁴ г/см³

6). Эпоха синтеза ядер D(p-n) и ⁴Не (р-р-n-n) Т<10⁹ К. Плазма
p+n D+d

T+p

D+D He ³ + n

He ³ + n T + p

T + D He⁴ + n

7). Эпоха полностью ионизированной прозрачной и горячей плазмы. Формируются неоднородности, из которых в последствии образуются скопления галактик и сами галактики. Масса образований ~10¹³ - 10¹⁴ солнечных масс. (Солнечная масса ~1,99*10³³ г) t<10⁵ лет Т<4000К

9). Массовая гибель звезд первого поколения, образование межзвездных облаков, обогащенных тяжелыми элементами - t~2*10 в 9 степени лет. t- 5*10 в 9степени лет - начало формирования звезд 2-го поколения. Современный возраст Вселенной ~ 15 млрд. лет.

Т~ЗК, р~10в –З0г/см³

Солнце: возраст ~ 5 млрд. лет.

Земля: возраст ~ 4,6 млрд. лет. Будущее Вселенной.

Модель взорвавшейся Вселенной.

Сингулярность.

Плотность вещества во Вселенной. Антропологический принцип.

Роль разумной жизни во Вселенной.

ЭВОЛЮЦИЯ КОСМОСА.

1. Вещество во Вселенной: однородность / неоднородность. Размеры, в пределах которых вещество в среднем однородно: ~ 10-15 млн. св. лет.

2. Галактика, образование галактик. Современные галактики. Строение галактик.

3. Скопление галактик - 10-1000 галактик.

4. Крупномасштабная структура Вселенной.

5. Квазары: скорость - 15-30% скорости света. Расстояние до 3-5 млрд. св. лет. Светимость в 100000 раз больше светимости галактик.

6. Появление звезд / межзвездные облака.

7. Строение звезд / в центре Т ~ 5-100 млн. К, р ~ 100 г/см³

8. Эволюция звезд:

- период гравитационного сжатия (несколько милионов, десятков миллионов лет). Завершается началом ядерных реакций в ядре звезд

- водородный цикл:

p + p = D + e⁺ +n

p + D = He ³ +d

He ³ + He ³ = p + He⁴ + p

Продолжительность зависит от массы: чем больше масса, тем короче период.

- сжатие гелиевого ядра и расширение оболочки

- начало гелиевых ядерных реакций при Т-150К. Вспышка (гелиевая вспышка).

Продолжительность - несколько секунд!

- красный гигант - несколько миллионов лет.

- образование планетарной туманности - выброс в космос ядер t~l-100 млн. лет.

- заключительный этап эволюции:

а) белые карлики р > 1000000 г/см³, М < 1,4 массы Солнца, 1~1000-10000 км б) нейтронные звезды р > 10 г/см³ М=1,4 - 3 массы Солнца 1~1-10 км

в) черные дыры М>2-3массы Солнца

9). Образование планет.

- сепарация вещества в планетарном облаке

- планеты земной группы

- планеты - гиганты

10). Геологическая эволюция. Химическая эволюция

1. Образование атомов Т<1000К

2. Образование H₂:

3. Космические молекулы, (более50) 1937г - СН (метилидин)

1940г - CN (циан)

1963г - ОН (гидроксил)

1968г – NН₃ (аммиак)

-H₂O(вода)

1969г – H₂CO(формальдегид)

1975г – НСООН₃ (метиловый эфир муравьиной кислоты)

1977г – CH₃CH₂CN (пропионитрил)

4. Современные взгляды на химическую эволюцию в межзвездной среде.

5. Химическая эволюция в протопланетном облаке.

6. Химическая эволюция на планетах.

7. Химическая эволюция на Земле: химические элементы.

8. Жизнь как результат химической эволюции.

ЖИЗНЬ. ФОРМЫ ЖИЗНИ.

1. Проблема понятия "жизнь": рождение, рост, дыхание, питание, смерть.

2. Условия появления живого.

3. Жизнь в космическом пространстве. Жизнь на планетах. Жизнь на звездах.

4. Химия как основа жизни: C,N,H,0. h- форма, аминокислоты, белки.

Солнце Земля Земная кора Земная атм. Бактерии Человек

Н 93,4% < 0,14% < 63% 61%

O 0,06% 50% 47% 21% 27% 26%

С 0,03% < < 0,011% 6,4% 10,5%

N 0,011% < < 78% 1,4% 2,4%

Ca 0,0002% 0,74% 3,6% < < 0,23%

P 0,00003% 0,08% 0,1% < 0,12% 0,13%

S 0,001% 1,6% 0,026% < 0,06% 0,13%

5. Поиск жизни во вселенной. Происхождение жизни на Земле.

1. Возраст Земли 4,6 млрд лет; возраст жизни 3,4 млрд.

2. Появление атмосферы на Земле; H₂, O₂,H₂O, N₂, CO₂.

3. Роль воды для возникновения жизни. Первичный океан.

4. Источники энергии для появления жизни.

5. Опыты Миллера и Юри. (1953г)

Образование аминокислот: глиулы, аленин.

6. Образование полимеров. Образование сложных молекулярных комплексов.

7. Коацерватаые капли. Обмен веществ. Внешняя энергия.

8. Прокариоты: бактерии, сине-зеленые водоросли: отсутствие ядра.

9. Эукариоты. (2 млрд - 700 млн лет назад).

- ядрышко; оболочка ядра.

- митохондрии

- цитоплазма

- белковые микронити

- лизосомы

- мембрана

ПАЛЕОЗОЙ.

Кембрий(510-430 млн) форманифера, радиомерии, трилобиты, иглокожие, водоросли - появление

0рдовик(430-345 млн) кораллы, бесчелюстные, первые наземные растения - появление.

Сикур(345-310 млн) вымирание трилобитов, появление рыб, папоротников.

Девон(310-275 млн) появление амонитов, земноводных, плазмы.

Камено-угольный(275-215 млн) появление насекомых, членистостебельных растений, мхов, папоротников, гинговых растений. Вымирание прапапоротников

Пермский(215-185 млн) появление пресмыкающихся.

МЕЗОЗОЙ.

Триас(185-150 млн) расцвет рептилий, появление млекопитающих, расцвет деревьев.

Юрский(150-110 млн) появление цветковых, появление птиц, расцвет динозавров.

Меловой(110-70 млн) гибель динозавров, расцвет двойных.

КАЙНОЗОЙ

Палеоген(70-30 млн) расцвет птиц и млекопитающих. Неоген(30-1 млн) появление приматов, человека. Четвертичный (1-...) расцвет человечества.

10. Проблема скорости эволюции жизни.

Жизнь - 3,4 млрд лет –

многоклеточные - 700 млн лет

млекопитающие - 200 млн лет

приматы - 20 млн лет

человек - 5,2 млн лет

человек разумный - 100000 лет.

11. Проблема причин и движущих сил эволюции

ЭВОЛЮЦИЯ ЧЕЛОВЕКА. ПРОБЛЕМА РАЗУМА.

1. Английский геолог Ч. Лайель в книге «Древность человека» (1864г) приводит

антропологические доказательства древности человечества.

1871г - Ч. Дарвин "Происхождение человека и половой отбор".

1856г - обнаружены остатки неандертальца (Германия).

1891 - 1893гг - голландский врач Е. Дюбуа - Ява - питекантроп (древнее неандертальца).

1910 - 1938гг - остатки синантропа (400-350 тыс лет) (Китай).

1924г - Р. Дарту (Иоханессбург, ЮАР) - останки австралопитека (~ 1 млн лет)

1931г -т Л. Лики - зинджантроп - 1,75 млн лет - Homo habilis- умелый (Килиманджаро, озеро Виктория).
1972г - (озеро Рудольф) - 3,18-2,61 млн лет
Сегодня ~ 5,1 млн лет! - 20 млн.

Древние приматы человекоподобного типа 22-17 млн лет. (Восточная Африка);
выделение антропоидов - 8-7 млн лет.

2. Основные отличия человека от остального мира

- знаковые системы

- преобразующая активность

- способность формировать общество

3. Мышление - процесс согласования в знаковых формах содержания некоторого представления. Сознание - рефлексия знания, его построения в знаковых средствах, взятая как способность. Разум - способность оперирования знаковыми средствами, выражения в знаковых средствах индивидуальных представлений.

4. Проблема эволюции разума.

5. Проблема поиска внешнего разума.

ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА.

1. Физика как наука: объект и предмет физики.

2. Основные этапы становления физики:

- Аристотель: качества вещей.

- Демокрит: атомистика.

- Ньютона (4.01.1643 - 31.03.1727). Родился в г. Вулторт 1665г - окончил Кембриджский университет. 1669 -1701г - глава кафедры Кембриджского университета С 1672г - член Лондонского королевского общества; с 1701г - президент. С 1695г - смотритель, с 1699г - директор Монетного двора, 1687г - "Математические начала натуральной философии", 1666г - открытие спектрального состава белого света. 1668-1671 - сконструировал несколько телескопов-рефлекторов. 1704г - "Оптика" Физическая (механическая) классическая картина мира.

- Максвелл Джеймс Клерк (13.06.1831 - 5.11.1879.). Родился в г. Эдинбурге. Учился в Эдинбургском (1847-1850) и Кембриджском университетах (850-1854). Член Эдинбургского (с 1858) и Лондонского (с 1861) королевских обществ. Создатель Кавендимской физической лаборатории в Кембридже, 1859г - открыл статистический закон распределения молекул на скоростях, 1867г - установил статистическую природу второго начала термодинамики. 1860-1865гг - создание классической теории электромагнитного поля.

- Эйнштейн Альберт (14.03.1879-18.04.1955). Родился в городе Ульм. Окончил Цюрихскую политехническую школу(1900) 1902-1908гг - эксперт патентного бюро в Берне: 1909-1913гг - профессор Цюрихского политехникума; в 1911г профессор Немецкого университета в Праге; в 1914-1939 г - профессор Берлинского университета и директор Института физики. С 1935г - сотрудник Принстоновского института перспективных исследований.

1905г - "К электродинамике движущихся тел" - основы СТО. 1905г - Е=мс²

1905г - объяснение фотоэффекта - гипотеза о квантовой природе света.

1916г - теоретическое предсказание лазера.

1915г-создание ОТО.

1916г-предсказал гравитационные волны.

1917г - модель стационарной Вселенной Эйнштейна, опровергнутая в 1925г Фризманом

с 1933г - попытки построить единую теорию физики. Нобелевская премия 1921г.

- Планк Макс (23.04.1858-4.10.1947). Родился в г. Киль. Окончил Мюнхенский университет (1878). 1880-1885гг - работал в Мюнхенском университете,1885-1888гг - профессор теоретической физики Кильского, 18891926гг - Берлинского университетов. Нобелевская премия 1918г

1900г - заложил основания квантовой физики(14.12)

- Бор Нильс (7.10.1885-18.II.1962). Родился в Копенгагене. Окончил в 1908г Копенгагенский университет. 1911-1913 - в Манчестере у Резерфорда; с 1916г -профессор Копенгагенского университета, с 1920 - директор института теоретической физики. Создатель международной школы физико-теоретиков. Нобелевская премия 1922г.

1913г - теория атома Н - заложены основания квантовой теории

1918г- ввел принцип соответствия

- Шрезингер Эрвин (12.8.1887-4.1.1961) Родился в Вене. Окончил Венский университет (1910). Нобелевская премия - 1933г.

1926 - волновая механика (версия Шлезингера).

- Гайзенберг Вернер (5.12.1901-1.2.1976). Родился в Вюрубурге. Окончил Мюнхенский(1923) и Гетенгенский (1924) университеты. Нобелевская премия -1932г.

1925 - квантовая механика

1927 - принцип неопределенностей

- Дирак Поль Адриан Морис (8.8.1901-15.11.19 84). Родился в Бристоле. Окончил

Бристольский (1921)и Кембриджский (1926) университеты.

1926 - 27 - математический аппарат квантовой механики

1927 - создание квантовой теории электромагнитного поля

1928 - объединение квантовой механики и СТО, предсказание античастиц(1931).

1937 - гипотеза применения со временем мировых постоянных.

- Болвумен Людвиг (20.2.1844-5.9.1906). Родился в Вене. Окончил Венский университет.

1866 - статистика Болвумена

1872 - основные уравнения газовой теории

1872 - установил связь энтропии и вероятности; доказал статистический характер 2-го начала термодинамики

1884 - давление света

3. Типы объектов: материальные точки, конечные системы материальных точек; бесконечные системы материальных точек; непрерывные поля.

4. Классическая механика:

- законы Ньютона

- о понятии силы

- применимость классической механики и ее экспериментальные основания

- опыты Майкельсона - Морли

- постулаты СТО

- СТО

- связь массы и энергии

- связь пространства и времени

- Классическая теория поля:

- теория Максвелла

- закон всемирного тяготения

- ОТО

- экспериментальные доказательства ОТО

- следствия ОТО

6. Квантовая механика:

- экспериментальные проблематизации классической механики

- гипотеза Планка

- теория фотоэффекта Эйнштейна

- теория атома Бора

- теория индуцированного излучения Эйнштейна

- гипотеза де Бройля

- вероятностная интерпретация

- квантовая механика по Шрезингеру-Гайзенбергу-Бору-Дироку

7. квантовая теория поля

- теория электрона Дирока

- античастицы

- ядерные силы

- открытие нейтрино

- гипотеза кварков

- современная систематика элементарных частиц

1.) и - кварк m = 8,9*10 ^-30 кг q = 2/3e (up)

d - кварк m = 12,46*10 ^-30 кг q = -l/3e (down)

v_e m< 6*10 ^-35 кг q = 0

m = 9,109*10 ^-31кг q = -q

2.) c-кварк m = 2492*10 ^-30кг q=2/3e (charm)

s - кварк m=267*10 ^-30 кг q = -l/3e (strangeness)

v_u m < 1*10 ^-30 кг q = 0

u ^- m = 186,9*10 ^-30кг q = -e

3.) t - кварк m ~ 71200*10 ^-30 кг q=2/3e (top)

b - кварк m ~ 8544* 10 ^-30 кг q = -l/5e (beauty)

v_t m<445*10 ^-30 кг q = 0

t m = 3175*10 ^-30 кг q = -e

фотон m = 0 g = 0

W⁺ и W^- бозоны m = 144* 10 ^-30 кг q = 2/3e

z - бозон m = 162*10 ^-30 кг q = 0

глюоны m = 0 q = 0

х - бозоны (x⁺ и x ^-) m > 2*10 ^-13 кг q=4/3e и -4/3e

у - бозоны (у и у) m > 2+10 ^-13 кг q = ± l/3e

гравитино m ~ 0 q = 0

-проблема единой теории поля

8. Статистическая физика

- гипотеза о молекулах

- молекулярно-кинетическая теория

- теория идеального газа

- теория реального газа

- статистическая механика

- основные понятия статистической механики

- термодинамика, начала термодинамики.

ХИМИЯ.

1. Различные структурные образования в веществе: атома; молекулы; ансамбли.

2. Физика - движение элементов. Химия - движение связей. Сравни: атомы, молекулы, ансамбли - движение связей возможно только в атомах.

3. Природа связей в атомах.

4. Химия - наука, изучающая движение связей в молекулах, условия возникновения такого движения, результаты этого движения в зависимости от внешних условий. Химические движения, процессы.

5. Соотношение физики и химии.

6. Основная задача химии: получение вещества с заранее заданными свойствами на основе управления процессами (химическими).

7. Факторы, от которых зависит решение задачи: элементарный состав, структура молекул, термодинамические и кинетические условия, уровни организации молекул.

8. Четыре основные химические теории:

- Роберт Бойль(1627-1691) экспериментально показал, что химические свойства вещества зависят от элементарного состава молекул.

- 1820-30гг - накопление данных о влиянии структуры молекулы(органические вещества).

- Начало 20-го века - учение о процессах.

1960-70 - открытие процессов самоорганизации химических реакций - начало учения об эволюционной химии. Учение о химическом составе.

1. Проблемы: химического элемента, химического соединения.

Основная задача - налаживание химического производства.

2. Проблема химического элемента.

а). Получение химических элементов

1669 (повторно в 1680) - открытие фосфора

1735 - кобальт

1751- никель

1766- водород

1771 - фтор

1772 - азот

1774 - хлор и марганец

1772-1776 - кислород

Лавразье (1743-1794) - ниспровержение теории Фюгистона; первая попытка систематизации элементов

1869 - периодическая система элементов Менделеева

Химический элемент = далее неделимая часть молекулы (атом), которая может входить в состав различных молекул, обладающая определенной массой и связанными с ее величиной свойствами, т.е. способностью образовывать определенные связи, участвовать в определенных химических процессах.

б). Периодическая система элементов Менделеева. Квантово-механическая теория.

в). Проблема количества элементов

1869 - 62 элемента

1930-е - 92 элемента

1940-45 - Np, Pu, Am, Cm

1949-52 -ь Bk, Cf, Es, Fm

Сегодня - 109 элементов; 102-109 - неустойчивы. Острова стабильности ~110,126,164,184.

2. Проблема химического состава

- Химические, соединения постоянного состава

- Смеси: твердые тела, растворы - гигантские молекулы

- Учет физического состояния: дефектов и т. п.

Структурная химия.

Берцелиус (1830-е) представление о структуре молекул: как объединяются атомы в молекулах

Жерар (1840-е): молекула едина и неделима системой, в которой все атомы как-то преобразуются.

Кекуле (1850-е) 6 представление о валентности (единицах сродства).

Фридрих Август(1829-96), немецкий химик.

По Кекуле объединение атомов в молекулу происходит путем замыкания единиц сродства.

Идея плана химического, как перераспределения химических связей!

Недостаток идеи Кекуле: не учитывается химическая активность элемента.

Бутлеров А.М. - учение о химической структуре.

Бутлеров Александр Михайлович (1828-1886); 1861- основное положение о химической структуре.

Развитие идей Кекуле, но развитое представлением об энергетике валентной связи.

Например, связь С-Н: 1 слабее, чем вторая.

Химическая активность, связанная С-Н активнее!

Структура молекулы - устойчивая пространственная и энергетическая упорядоченность атомов в молекуле.

Кекуле, Бутлеров - органический синтез. Пределы структурной химии - синтез сложных соединении. "Сэндвичи". Ферроден: Валентность? Связи?

Молекулы с Сг, Со, N, Т, Va в центре молекулы, существующие в непрерывном перестроении. Бульвален С Н - шар, по поверхности которого быстро бегают 10 атомов С и 10 атомов Н, непрерывно перестраивая свои связи.

Более 100000 валентных изомеров.

Твердые тела: гигантские молекулы со сверхсложными связями (металл).

Учение о химических процессах.

Химическое свойство обусловлено составом и структурой, но проявляется только в процессе!

Учение оформлено Н.Н. Семеновым (1896-1986). Нобелевская премия 1956. Основополагающие труды: Я. Вант-Гофф (1852-1911) - Голландия

А. Ле Шапелье (1850 - 1936) - Франция

Источник учения: необходимость управления направлением реакции. Реакции обратимы! Управление: 1). Направление (термодинамика).

2). Скорость (кинетика).

Факторы управления: 1). температура, давление, концентрация 2). катализаторы (ингибиторы) 3). Удаление или добавление (циркуляция, динамика) реагентов 4). Геометрия реактора 5). Состояние реагентов (газ, твердое, жидкость, раствор).

Проблема катализа.

Открыт в 1812г Константином Сигизмундовичем Кирхгором (1764-1833) - членом Петербургской Академии.

Пример: синтез аммиака

Применение: растения требуют подкормки - аммиак в почву. Встраивание в клетки растений (генная инженерия) RМХ. Растения извлекают N₂ из воздуха и непосредственно в клетках синтезируют NН₃ (R - органический радикал; М - металл; Х - минеральный остаток).

Механизм катализа:

AB + CD Кат АС + BD

Катализ на поверхности.

Задача аккумулирования солнечной энергии. Биологические катализаторы - ферменты.

Фотокатализаторы: 2Н₂О —>2H₂ + O₂

Химия экстремальных состояний.

Идея: энергетическая активация реагентов

Температура Давление

Ионизирующие излучения

Лазерный луч

Плазма

Механизм: быстрота реакции t~10 - 10 с - необратимость.

Эволюционная химия.

Основная проблема эволюционной химии: - выявление процессов химической эволюции, способов и средств управления ею. Появление эволюционной химии:

1950-60-е годы.

Предельная (не сегодня) организованность и эффективность химических процессов достигается в живой клетке, которая является результатом эволюции материи.

Идея: открыть законы химических процессов в живых организмах и перенести их на химическое производство.

Основное: термодинамические, кинетические, каталитические условия протекания биологических процессов в клетках.

Особенно! - транспортирование веществ для химических реакций.

Основополагающие работы: немец К. Циглер (1898-1973). Нобелевская премия 1965.

Главное направление сегодня моделирование ферментов и транспортных РНК. Решение этой проблемы невозможно без понимания законов химической эволюции, так как имеем дело с крайне сложными молекулярными системами, синтезировать которые путем подбора имитирования невозможно. Синтез возможен только на основе моделирования тех природных процессов, которые реально вели к появлению ферментов и транспортных соединений. Это эволюционная химия.

Второе направление - исследование явления самоорганизации химических реакций и катализаторов в процессе химических реакций.

На этом пути - решение проблемы происхождения жизни? Основания: отбор химических элементов и соединений в живом и не только в живом.

Теория химической эволюции Руденко (1964,1969)

Суть: химическая эволюция есть саморазвитие каталитических систем, т. е. Эволюционирующее вещество - катализаторы.

Основной закон: с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его активности.

Исследование в области нестационарной кинетики. Биологическая картина мира.

Биология имеет своим предметом изучение движения химических связей, имеющих своим результатом самокопирование химических структур и причин такого вида движений.

Самокопирующиеся химические структуры назовем биологическим. Движение химических связей имеющее своим результатом самокопирование химической структуры назовем биологическим.

1). Устойчивость самокопирующихся структур.

2). Обмен веществом и энергией (2 начало термодинамики)

3). Носитель информации о самокопируемой структуре.

4). Рождение структуры

5). Развитие структуры (постепенное, а не единовременное приобретение всех качеств самокопирующейся структуры).

6). Смерть структуры(иначе когда-то прекратится процесс самокопирования, а следовательно движение биологического типа не будет устойчивым).

7) возможность движения биологического типа на различных уровнях химической сложности объектов (от молекулярного до макроскопического уровня)

8) "Живое порождается только живым" (Л.Пастер).

Структурные уровни в биологии.

1) Минимальная самокопирующаяся система - клетка

2) Функционально-значимое сообщество клеток - организм.

3) Функционально-значимое сообщество организмов - популяция.

4) Целостная система популяций - биосфера

5) Целостная система биосфер - "биокосмос"?

Необходимость учета среды обитания.

Основания: 1) клеточная теория 2) идея иерархичности 3) идея эволюционности. Молекулярно -генетический уровень.

- это уровень отдельных процессов, входящих в процесс самокопирования (не вполне биологический). Проблемы:

1) возникновение жизни

2) механизм эволюции и ее движущие силы

3) элементарные составляющие биологического движения.

Основное - 3)

2-ая половина 19-го века - обнаружение нуклеиновых кислот (Ф. Мишер, отчет в 1871). Мишер предвидел роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче информации наследственного характера.

1900-1940 - расшифровка химического состава ДНК и РНК(дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая)

1931- Открытие транспортных процессов, связь их с РНК.

1941- связь между строением ДНК и синтезом белков - ферментов "1 ген - 1 фермент".

1944 - открытие информационной роли ДНК

1947 - установление основной функции генов- кодирование синтеза белков

1950 - открытие неоднородности генов(участков ДНК). Выяснилось, что они состоят из 3-х минимальных участков, различных по своим функциям

1953 - гипотезе Фрэнсиса Крика (р.1916) и Джеймса Уотсона (1928) о строении ДНК. В состав ДНК входят 4 азотистых основания (нуклеотидов):

А: аденин

Т: тимин могут соединяться только между собой

Г: гуанин

Ц: цитозин

1955 - расшифровка Георгием Гамовым информационной природы ДНК(1904-68)

Кодирование 1 аминокислоты - 3 нуклеотида

1954 - расшифровка механизма репликации ДНК

Процессы: репликация ДНК, синтез на ДНК аминокислот, перенос аминокислот (транспорт), расщепление веществ, синтез ферментов, синтез биологически значимых соединений.

Молекулярные механизмы репродукции (раскручивание ДНК) Молекулярные механизмы изменчивости:

1) трансформация генов (перестановка генетических элементов)

2) рекомбинации: неклассическая (увеличение объема генетической информации за счет включения в ген новых, превнесенных извне генетических элементов (вирусы, бактерии)); классическая (включение в ген новых генетических элементов, не связанных с увеличением общего объема генетической информации, но связанные с изменением ее содержания (половой процесс)).

Проблема: какова роль миграции генетических элементов в эволюции? Является ли изменчивость на молекулярно-генетическом уровне материалом для действия естественного отбора?

Какие сочетания генетических элементов возможны? Каковы устойчивые структуры гена? Молекулярный механизм обмена веществ (метаболизма)

1) катаболизм - расщепление сложных органических соединений, сопровождающихся высвобождением химической энергии

2) амфиболизм - процесс синтеза в ходе катаболизма мелких молекул

3) анаболизм - система процессов биосинтеза сложных молекул из простых с расходованием энергии.

Онтогенетический уровень.

Включает в себя как минимальный - клеточный уровень, так и уровень отдельных организмов

Основная проблема этого уровня: что такое живое? Другие проблемы: индивидуальное развитие особи, общие механизмы развития особей, изменчивость особей и ее связь с эволюцией, проблема археоклетки.

Важнейший подход к изучению онтогенетического уровня - трофический. Трофия - питание. Питание определяет всю систему отношений биологических объектов на онтогенетическом уровне

Основные типы трофий:

1) автотрофия (способность ассимилировать углекислым газом, обходиться без органической пищи)

2) гетеротрофия (нуждается в органическом питании). Другой подход: по типу дыхания (источник Н)

1) разложение органического вещества

2) окисление неорганического.

В настоящее время рассматривается подход на основе комбинаций этих 2-х подходов (признаков).

Функциональная системность на онтогенетическом уровне: сложность биологических структур

1) изначальная обусловленность функциональной дифференциации организма

2) повторяемость функциональных единиц у всех организмов

3) Эволюция - это изменение функциональных единиц, но не их связей (в основном)

4) минимальная необходимость (отсутствие избыточности)

(роль гормонов)

Наличие нервно-психической деятельности. Популяционный уровень.

Популяция - единица эволюционной изменчивости. Важнейшая проблема: механизм и движущие силы эволюции. Популяция (Тимофеев - Рессовский) - неразложимое на составные части эволюционное единство, способное к развитию во времени и пространстве,

самовоспроизведению, трансформации и изменению ариала.

Биоценоз - система популяций.

- установление пространственных и временных границ популяций, струтуры, объема;

- сущность популяции, внутренние механизмы ее существования(в том числе - трофические

- внешние условия и факторы возникновения, существования, развития популяций

- связь движения популяций с физическими и химическими процессами

Аналогично - биоценоз

- соотношение и взаимовлияние случайных и предопределенных процессов в популяциях и биоценозах

- психическая организация популяций (поведение)

метаболическое взаимодействие между популяциями и другие типы такого взаимодействия.

Эволюционные факторы (т.к. популяция - важнейшая популяционная единица).

1) мутационный процесс

2) "волны жизни (количественные колебания). Частоты генов колеблются. Концентрация мутаций

3) изоляция (закрепление случайно приобретенных признаков)

4) естественный отбор

БИОСФЕРНЫЙ УРОВЕНЬ.

Вернадский Владимир Иванович(1863-1945) - создатель представления о биосфере; основатель Государственного радиевого института; 1926- труд "Биосфера". По Вернадскому, "живая материя является единым целым", обладающим не только биологическим, но и физическим, и химическим качествами, а потому находящимся во взаимосвязи и во взаимодействии с неживой материей. Ограниченное в пространстве и времени единство существования живой и неживой названо биосферой.

Проблемы:

- О происхождении ("живое из живого", панспермия, массовость)

- Об эволюции

- О существовании (всеобщая связь и зависимость)

- Об устойчивости

- "Биосфера - один огромный организм" (Виноградский) БИОКОСМОС.

1)Гипотеза панспермии

Гипотеза о биокосмических связях

Гипотеза о принципиальном сходстве эволюции

Биологическое движение как фактор эволюции Вселенной.

Наука - это сфера человеческой деятельности, функцией которой является выработка и теоретическая схематизация объективных знаний о действительности; отрасль культуры, которая существовала не во все времена и не у всех народов. Родоначальниками науки как отрасли культуры, выполняющей самостоятельную функцию, были греки, передавшие затем ее в качестве особого идеала культурной жизни европейским народам. Наука образует сущность человеческого знания, упорядоченную согласно некоторым принципам. Наука - это реальная упорядоченная связь истинных суждений, предположений (гипотеза, теория) и проблем, относящихся к действительности в целом и отдельным областям или сторонам ее. В отличии от опытного знания (эмпирии) наука не довольствуется только вопросом "что?", но и спрашивает также "почему?", вопрошает об основах и причинах вещей (Аристотель). В анализе она переходит от "целого" к "частям", а в синтезе - наоборот. Посредством индукции наука от опыта и наблюдений обращается к понятиям, суждениям и умозаключениям; от отдельного, особенного к общему, а при помощи дедукции - от общего

к частному, всегда проверяя одно другии (метод). Прогресс науки заключается в том, что она все более систематически проникает вглубь и в ширь (система) в действительность, в элементы бытия, событий, т.е. более глубоком познании их связей, всеобщей связей, всеобщей связи действительности вообще, которую мы называем Миром.

Смысл этой связи исходит от нас самих, из нашего существования с другими и из роли, которую играет в этом событии реальность сущего. Наукой в истинном смысле является наука о Мире. По отношению к частным наукам задача философии является в том, что она намечает области реально связанных друг с другом объектов. Но наметить предметные области - значит дать не просто схему деления на специальные области. И именно потому, что философия в первую очередь должна выработать инструменты мышления, прежде чем вообще сможет обнаружится какая-нибудь определенная и соответственно новая область реальности (например техника стала возможной только тогда, когда уже были налицо метафизические предпосылки господства над природой в современном смысле этого слова (рационализм)). Такие проекты возникают постепенно, являясь результатом взаимодействия философии с частными науками. В Западной Европе наука представляет собой продукт развития мысли древних греков, которая, возникнув из мифологического рассмотрения Мира, перешла к постижению его в понятиях. Наука в древнегреческой культуре представляла собой целостную науку, и зачатки мышления, идущие в плане частных наук, появившиеся в особенности под влиянием Аристотеля и его школы, таких великих врачей, как Гиппократ, Гален и т.д., а также атомистов, не нарушали целостности науки и картины мира. В эпоху христианского средневековья наука также разрабатывалась (и с успехом) как гармоничное целое. Только в конце средних веков произошла подмена понятия "наука" понятием "естествознания". Эта "новая наука" начала свое триумфальное шествие с эпохи Возрождения, когда была признана возможность математического описания результатов, получаемых экспериментальным путем, обнаружена и точно исследована закономерность природы. Эта новая форма приобрела столь большое значение, что Кант оценивал частные науки в зависимости от степени их применения в математике. Под влиянием эспериментально-математической науки коренным образом изменилось мировоззрение европейца и усилилось его влияние на духовную жизнь остальных стран мира. В особенности оно возросло благодаря подведению строго научного фундамента под возникшую из медицины технику, которая базировалась до этого времени исключительно на ремесленном опыте. С развитием новой науки возникла необходимость более глубокого разделения ее на специальные. В результате этого часто утрачивалось понимание истинной цели науки как науки о мире в целом, а действительности - как единого целого.

Все явления в мире детерминированы (или обусловлены) естественными материальными связями и взаимодействиями, причинными отношениями и объективными законами природы. В этом смысле в мире все сверхъестественного абсолютно противостоящего материи. Человеческая психика и сознание тоже определяются материальными процессами в мозгу человека являются высшими формами отражения внешнего мира.

Понятие реальности является более общим по отношению к материи ибо реальность можно подразделить на субъективную, включающую в себя весь внутренний духовный мир человека, его чувства, мысли, побуждения, идеалы и т.п. и реальность объективную, представляющую всю внешнюю по отношению к сознанию человека действительность.

Физика исходит из признания неразрывного единства материи, движения, пространства и времени. Все пространственно-временные свойства систем зависят от скорости их движения и структурных отношений в более общих системах, их масс и величины гравитационных потенциалов. Материя неисчерпаемая в своей структуре, но на разных структурных уровнях проявляются различные формы движения и законы взаимодействия. Они отражаются в дифференцирующихся физических теориях, каждая из которых несводима к другим теориям и имеет определенные границы применимости. Вместе с тем между различными уровнями существует тесная взаимосвязь и обусловленность, проявляющаяся во взаимной превращаемости различных форм материи и движения, наличие общих атрибутов, законов сохранения и движения. Это единство физика пытается отразить через разработку единой теории различных элементарных частиц и полей.

Единство мира проявляется в материальной обусловленности и детерминированности всех процессов, но формы детерминации могут быть разными: причинная, структурная, системная, историческая (генетическая), однозначная, вероятностная и др. Они также отражаются в физических теориях важное значение в философских основаниях физики имеют также следующие принципы: близкодействия, дальнодействия, конечности скорости распространения материальных взаимодействий, единства прерывности и непрерывности в структуре материи, принцип наименьшего действия, необратимости изменений и возрастания энтропии в системах, изоморфизма структурных отношений многих физических систем, результатом чего является возможность описания этих отношений аналогичными математическими уравнениями. С ними тесно связаны методологические (гносеологические) принципы: единство физической теории и эксперимента, наблюдаемости, означающий, что в теорию должны вводится лишь принципиально наблюдаемые объекты и величины; принцип соответствия, или предельного перехода уравнений новой теории в аналогичные уравнения старой теории описывающие одни и те же формы движения; принцип относительной простоты, согласно которому из двух гипотез с примерно одинаковыми объяснительными и эвристическими возможностями предпочтение следует отдать более простой, принцип незамкнутости физических теорий и неограниченности их потенциального развития, отражающий структурную неисчерпаемость материального мира, его бесконечное саморазвитие, а также практически беспредельные возможности научно-технического процесса.

Понятие структуры материи выражает упорядоченность существования материи. Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т.д. Но к структуре относятся и всевозможные макроскопические тела, все космические системы мегамира, причем в любых, сколь угодно больших пространственно-временных масштабах.

С этой точки зрения структура материи проявляется в ее существовании в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно взаимосвязанных между собой в закономерном движении и взаимодействии, в упорядоченности каждой системы. Эта структура неисчерпаема и бесконечна в количественно-качественном отношении. Проявлениями структурной бесконечности материи выступают: неисчерпаеиость объектов и процессов микромира; бесконечность пространства и времени; бесконечность измерений и развитие материи. Из всего этого многообразия форм объективной реальности имперически доступной для наблюдения всегда является конечная область материального мира, которая ныне простирается в масштабах от 10 ^-15 см до 10²⁸ см (около 20 млрд. световых лет), а во времени до 2 10¹⁰ лет. В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем, начиная от элементарных частиц и кончая метагалактикой. Последнюю иногда отождествляют со всей Вселенной, но для этого нет никаких оснований, ибо Вселенная в целом, понимается в предельно широком смысле этого слова, тождественно всему материальному миру и движущейся материи, которая может включать в себя бесконечное множество метагалактик или других космических систем. Понятие же Вселенной, используемое в различных космологических моделях, обозначает наблюдаемую Вселенную (метагалактику).

К всеобщим законам бытия материи относится: закон сохранения материи и движения при их различных превращениях; закон причинности, выступающий как выражение общей материальной детерминированности всех процессов; закон единства и взаимодействия противоположностей; закон взаимного перехода качественных и количественных изменений; закон спирального развития (отрицание отрицания).

Связь, взаимодействие и движение представляют собой важнейшие атрибуты материи, без которых не возможно ее существование. Взаимодействие обуславливает объединение различных материальных объектов в систему, системную организацию материи. Все свойства тел производны от их взаимодействия, являются результатом их структурных связей и внешних взаимодействий между собой. Наше сознание материального мира осуществляется через раскрытие различных форм взаимодействия движения тел.

Взаимодействие и движение являются формой существования материи. Можно выделить три разные группы форм движения: 1) в неживой природе; 2) в живой природе; 3) в обществе. Критериями для их выделения и классификации могут быть следующие признаки: 1) тип материальных систем, целостное изменение которых выражает данная форма движения; 2) наличие общих законов, объединяющих совокупность процессов в данную форму движения; 3) учет исторического развития материи от неорганических форм к биологическим и социальным, позволяющий расположить формы движения в их эволюционной последовательности.

Пространство и время относятся к числу важнейших форм бытия материи или ее атрибутов.

В прошлом существовала концепция абсолютного пространства и времени, получившая более отчетливую формулировку в труде И. Ньютона "Математические начала натуральной философии". Пространство и время определялись как универсальные условия, в которые помещена материя. Но материя все же считалась вторичной субстанцией, а первичной субстанцией Ньютон считал бога, божественную волю, которая творит мир и приводит его в движение также творит пространство и время. Сам бог является существом внепространственным и вневременным, он неподвластен времени. Этих взглядов придерживались Платон, затем Августин, Аврелий, далее Фома Аквинский и его последователи. Ньютон их также разделял, как в дальнейшем Гегель. Однократный акт творения мира и обречение его на грядущую погибель ни в коей мере не соответствует бесконечному могуществу, совершенству и мудрости бога. Этим божественным атрибутам более соответствовало бы бесконечное множество актов творения самых различных миров, последовательно сменяющих друг друга в пространстве и времени. В каждом из этих миров реализуется определенная идея бога, а все актуально бесконечное множество его идей создает бесконечное пространство и время. Подобные идеи, высказанные в общем виде еще александрийским теологом Оригеном (III век до н. э.) развивались в новое время в философии Лейбница, учившего о предустановленной гармонии в каждом из потенциально возможных миров, создаваемых богом. Лейбниц рассматривал пространство как порядок существования тел, а время как порядок отношений и последовательность событий. Это понимание составило сущность реляционной концепции пространства и времени, которая противостояла их пониманию как абсолютных и независимых не от чего реальностей, подвластных только богу.

Беркли, Мах, Авенариус и др. ставили пространство и время в зависимость от человеческого сознания, выводили их из способности человека переживать и упорядочивать события, располагать их одно подле другого. Кант рассматривал пространство и время как априорные формы чувственного созерцания, вечные категории сознания, аргументируя это ссылкой на стабильность геометрии Евклида в течении двух тысячелетий. Лукреций в поэме "О природе вещей" говорил, что не существует времени самого по себе, вне движения тел и покоя. Первоначальное понимание пространства как бесконечной пустоты и условия для движения всех тел, фигурировавшее в атомистике Демокрита, постепенно вытеснялась пониманием пространства как протяженности вещества и эфира. Гипотеза эфира как всепроникающей небесной субстанции использовалась еще Аристотелем, но в физике Нового времени стала исходным принципом волновой теории света и учения об электричестве. В этот период обсуждалась проблема дальнодействия и близкодействия. Дальнодействие и действие на расстоянии мыслилось как мгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустое и абсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную цель благодаря божественному проведению. В противоположность ей развивалось понимание пространства как протяженности вещества и эфира (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей и др.). Свет в рамках этой концепции понимался как распространение световых волн в эфире, что позволяла объяснить дифракцию и интерференцию света. Скорость света считалась конечной величиной, и уже из наблюдений Олафом Ремером периодичности затмений спутников Юпитера следовало, что скорость света равна 215000 км/с. Электрическое поле рассматривалось как совокупность натяжений в эфире, что наглядно демонстрировалось расположением железных опилок вдоль силовых линий, если опилки насыпать тонким слоем на стекло, а стекло положить на полюса мощного магнита. В теории Фарадея и Максвелла свет, электричество и магнетизм были объединены как проявления единого электромагнитного поля, но последняя по-прежнему рассматривалось как структурная особенность всепроникающего эфира. Распространение тяготения и электромагнитных волн в эфире трактовалось как близкодействие, передача возмущений от точки к точке. Это понимание взаимодействия и пространства, развивавшееся в рамках классической физики, было в XX в., после крушения гипотезы эфира, унаследовано и развито далее в рамках теории относительности и квантовый механизм. Эфир оказался не нужным и электромагнитные и гравитационные поля стали рассматриваться как материальные сущности.

Образы физики. Физика глазами гуманитариев.

Материя, движение. Пространство, время.

Материя (Пракрити или Прадхана) - вещество; понятие первоначально обозначающее отличительный признак очевидной пространственной телесности, еще без противопоставления его жизни, душе, духу, и только после ряда исторических превращений развившиеся в понятие "мертвого вещества", которое является также и понятием, противоположным понятиям жизни, души и духа; в области мировоззрения это оформляется в материализме, в сфере науки - в современном естествознании. В новейшей физике "материя" - обозначение некоторой особой точки поля. Определение: материя это все из чего все состоит, во что все превращается, из чего все происходит.

Пространство - то, что является общим всем переживаниям, возникающим благодаря органам чувств. После того как в течении веков проблемой было почти только "абстрактное пространство" геометрии, с 17 в. перед развивающейся физикой в результате применения понятия "пустого пространства" встал вопрос о "физическом пространстве" и, наконец, о его существовании, а также соответственно о его воспринимаемости. Уже Лейбниц считал пространство "Хорошо фундированным явлением", а Кант (в "критике чистого разума") анализировал пространство как форму всех явлений внешних органов чувств, т.е. как формальное свойство всякого восприятия внешнего мира, благодаря чему только и возможны наши внешние наглядные представления. Далее он доказал эмпирическую реальность пространства, т.е. его априорность по отношению к опыту и одновременно его трансцендентальную идеальность - он есть ничто, пока мы забываем о субъективном происхождении всякого опыта и считаем пространство тем, что лежит в основе вещей в себе. Математик Гаусе полагал: можно согласиться с тем, что П. Обладает реальностью и вне нашего духа, его априорность мы не можем в полной мере приписать законам духа. Теория относительности отрицает конкретность пространства, тем самым "оно не создается из мира, но только затем уже привносится задним числом и именно в метрику четырехмерного многообразия, которое возникает благодаря тому, что пространство и время связаны в единый (четырехмерный) континуум посредством скорости света. Современная физика определяет понятие пространство как такое, в котором находятся поля.

Время - форма возникновения, становления, течения, разрушения в мире, а также его самого вместе со всем тем, что к нему относится. Объективное время, измеряемое отрезками пути небесных тел, нужно отличать от субъективного, которое основано на осознании времени. Будущее, настоящее, прошлое - суть абстракции от этого естественного понятия времени, в которых частицы "еще" и "уже" являются знаками выражения характера существования заботы. Большую роль, как подчеркивали Августин и Лейбниц, играет время как способ существования человека, в котором он должен необходимо переживать прошедшее, настоящее, будущее, поэтому время можно рассматривать как безусловную предпосылку бытия человека. По Канту, время является формальным априорным условием всех явлений вообще. Современная физика считает, что объективного времени нет, а то что считается таковым, представляет собой на самом деле координаты в четырехмерном континууме.

Всеобщими атрибутами материи выступают связь, взаимодействия, движения, пространство и время, структурность, системная организация, вечность во времени, бесконечное (структурность и пространственность), способность к саморазвитию, отражение, единства прерывности (дискретности) и непрерывность, материя и ее атрибуты несотворимы и неуничтожимы, существуют вечно и бесконечно, многообразны по формам своих представлений.

Лекция 2.

Системно-структурный и кибернетический подход к мирозданию

Структура сложных систем

"вверх" - эволюция

"вниз" - инволюция

Можно говорить об иерархичности сложных систем как основном принципе их построения и развития сложности систем. При наличии даже десятка элементов число таких возможностей очень велико, управление затруднено, поведение близко к хаотическому, что в сущности означает распад системы. Для противодействия этому сложные системы используют иерархический принцип, согласно которому каждый уровень самостоятелен и регулируется внутри себя.

Число влияний внутри уровня и между уровнями ограничено и система имеет возможность усложняться без ограничений. Суть управляющих влияний более высоких уровней в иерархии систем носит все более общий характер, поскольку каждый подуровень - автономная система, для которой высший уровень нужен для включения подсистемы в более общую систему, сам подуровень должен строиться исходя из общих принципов построения систем. Это правило распространяется и на более высокие иерархии систем.

1) Чем сложнее иерархичен подуровень, тем быстрее скорость протекания. Подуровни вещества: субатомный, атомный, молекулярный, в клетках живого. Эти подуровни отличаются друг от друга в частности скоростью протекания процесса. Если скорость субатомных процессов равна 1, то скорость атомных процессов равна 1*10⁶ , молекулярных - 1*10^10,5 , в клетках живого - 10¹⁴ .

2) Энергия имеет следующие виды: внутренняя, внешняя, свободная, связанная. Действует закон сохранения и преобразования энергии. Существует эквивалентность вещества и энергии, утверждаемая соотношением E = mc² . Энергия является порождением информации, а также носителем информации.

3) Информационный уровень: информация выполняет функцию управления, т.е. организации негэнтропии.

Общие принципы структурирования макросистем:

- иерархичность;

- сложность;

- упорядоченность;

- состоит из подсистем и является частью подсистем;

- самоподдержание и саморазвитие на каждом уровне;

- управляемость сверху вниз;

- существует внутреннее самоотражение.

Любая макросистема имеет внутреннюю структуру и функционирует с большим числом степеней свободы. Это означает, что все макросистемы с необходимостью в своем описании стохастические и вероятностные, могут быть представлены макросостояниями своих частей. Так как части могут быть расположены аналогичным образом, то любая система с неизбежностью иерархична. Иерархия живых систем включает все предыдущие уровни (субатомные, атомные, молекулярные). Отличие скоростей динамических процессов на каждом уровне позволяет при описании одного уровня пренебрегать свойствами выше- и нижележащих уровней. Поскольку любая макросистема состоит из систем низшего уровня, то в ходе существования любая макросистема должна пройти все уровни развития то минимальной сложности до данной, в которой она функционирует. Вопрос о границах сложности снимается на другом уровне рассмотрения, поскольку самая низкая и самая высокая организации на

Формирование организма, его структура и функционирование, свойства и качества определяются генотипом. Комбинации нуклеотидов заключаются в молекулах ДНК. Для эволюции необходимо изменение генотипа, что может быть достигнуто лишь за счет мутации (изменение генотипа под воздействием внешних и внутренних факторов).

Основные разновидности мутагенов: 1) физические (излучения); 2) химические (химические препараты); 3) биологические (стрессы, вирусы).

Разновидности мутаций: 1) геномные (проявляются при изменении числа хромосом в клетках); 2) хромосомные (проявляются в выпадении или удвоении участков хромосом или в повороте на 180^о); 3) генные (прогрессивные (1/10000), нейтральные и регрессивные).

Энтропия и информация.

В определенном смысле энтропия управляет структурой открытой системы. Если в изолированной системе энтропия возрастает - система идет к равновесию. Если прирост энтропии внутри системы равен ее оттоку, возникает текущее равновесие, структура сохранится. В сомоорганизующихся системах энтропия убывает. Следовательно, значение энтропии служит мерой организации системы.

Пример: деление клеток, рассматриваемых как открытие системы, моделируемые сферой радиуса R.

Производство энтропии внутри пропорционально объему, отток - поверхности. При некотором R₀ производство энтропии уравновешивается ее оттоком D s = 0. Тогда при R > R₀ (производство энтропии ~ R³, отток ~ R² , Ds > 0). С ростом размеров клетки за пределы R₀ растет энтропия, значит и песпорядок. Клетка погибнет, если не разделится на две части: объем при делении не меняется, а поверхность увеличивается, поэтому энтропия уменьшается, D s = 0.

В некотором смысле старение организма можно рассматривать как прцесс нгакопления избыточной энтропии. Активный образ жизни - меры, направленные на уменьшение энтропии.

Возрастание энтропии в замкнутой системе соответствует эволюции к наиболее вероятному состоянию s = k ln W.

Информация J определяется как величина, пропорциональная логарифму числа событий W (с одинаковыми априорными вероятностями), из которых производится выбор J = log₂ W.

Единица информации в рамках этого определения соответствует значению исхода при вероятности 1/2, например, знанию результата бросания монеты. Эта единица называется "бит".

Энтропия - мера информативности описания.

Информацию об изолированной системе получить нельзя, поскольку измерительный прибор является частью внешнего мира. Следовательно информация - неотъемлемая характеристика открытых систем. В целом оказывается справедливым второй закон термодинамики в обобщенном виде d (s - J) >= 0. За получение информации приходится платить повышением энтропии. В системе, далекой от равновесия, даже малое воздействие может привести к развитию неустойчивостей и необратимому изменению ее состояния. Следовательно, для сильнонеравновесной системы, также как и для квантовомеханической, невозможны исчерпывающие измерения, полностью определяющие состояние.

В сложной не линейной системе, далекой от равновесия, весьма существенны обратные связи. Как неотемлемый элемент в ней содержатся кибернетические, информационные характеристики. Они включают в себя возможности восприятия информации, запоминания и выдаче при взаимодействии с некоторыми другими системами.

В живых объектах содержится информация, управляющая образованием объекта и процессами в нем. Информация предполагает выбор одного или нескольких вариантов из многих возможных. Выбор делается в либо результате действия внешних сил, либо спонтанно в результате неустойчивости состояния самой системы. В последнем случае новая информация рождается скачком.

При наличии цепи последовательных бифуркаций система каждый раз делает случайный, но необратимый выбор, Дальнейшие события - следствия выбора в прошлом. Наследственная информация организмов, создававшаяся в ходе эволюции, записана в виде последовательностей оснований в молекулах нуклеиновых кислот и хранится в ядрах клеток. Количество информации которое содержит живой организм, определяется степенью его упорядоченности (перестановками оснований в молекулах нуклеиновых кислот и аминокислот в линейных цепочках белковых молекул).

Для эволюции существенно не только количество информации, но и ее качество, ценность. Ценность может быть положительной, отрицательной (дезинформация) и нулевой. Организм, клетка не вносят энергетической платы за ценность информации, оплачивается только ее количество. За количество расходы понесены раннее, на предшествующих стадиях биологической эволюции.

Взаимосвязь информационного и энергетического аспектов в

процессе самоорганизации материи.

Информационные процессы не возможны без затраты энергии. Для записи генетической информации в живой природе необходимы затраты энергии, также как и для запечатления информации в виде чертежа, фотографии, видео и аудио записи. Чтение требует немалых затрат энергии также.

А. Быховский ("Информация и живые организмы" \\ Наука и жизнь, 1976, №8) показал, что тепловой эффект, которым сопровождаются процессы считывания генетической информации составляет 380 кал на грамм веса яйца при 20 дневной инкубации. Роль курицы - термостатная, заключается в поддержании температуры около 40 ⁰. Выделяется теплота при размножении бактерий, развития земноводных из икринок, прорастании семян растений.

В организме можно выделить два информационных потока:

1) связанный с взаимодействием клеток между собой;

2) обусловленный с взаимодействием с окружающей средой.

Величина негэнтропии системы пропорциональна количеству теплоты, выделенной этой системой.

Поиск по сайту: