Содержание
1. Что изучает химия, каковы основные этапы ее развития? Дайте понятие структурной и эволюционной химии
2. В чем сущность второго начала термодинамики? Приведите значения к.п.д. для тепловых станций. В чем состоит суть спора о «тепловой смерти Вселенной»? Какие приняты шкалы температур? Каков смысл абсолютного нуля температур?
3. Охарактеризуйте реакции, лежащие в основе энергии звезд. Укажите проблемы энергетики, связанные с термоядерной реакцией.
4. Опишите развитие представлений о свете. Как и кем было показано, что свет есть электромагнитная волна? В чем проявляются волновые свойства света?
5. Поясните, что такое Вселенная, каковы ее размеры, какие объекты ее составляют и какие модели развития Вселенной Вам известны. Какие эмпирические подтверждения развития Вселенной?
6. Дайте представление о фазовых переходах, приведите примеры фазовых переходов разных типов (родов). Что за явления – сверхтекучесть и сверхпроводимость?
7. Какими методами удалось изучить состав живой клетки и ее молекулярное строение? Каковы основные положения и значение клеточной теории в развитии биологии?
8. Какие виды изменчивости Вам известны, в чем их сходства и отличия? Какая форма изменчивости дает исходный материал для естественного отбора в природе? Докажите, что естественный отбор является направляющим фактором эволюции
10. Опишите основные этапы развития биосферы. Как представляет наука начало жизни на Земле? Каковы стадии происхождения жизни по концепции Опарина? Почему жизнь пока обнаружена только на нашей планете? Каковы современные представления о происхождения жизни? Суть идей Эйгена.
Список литературы
1. Что изучает химия, каковы основные этапы ее развития? Дайте понятие структурной и эволюционной химии
Химия - наука, изучающая вещества и их превращения. Превращения веществ происходят в результате химических реакций.
Первые сведения о химических превращениях люди получили, занимаясь различными ремеслами, когда красили ткани, выплавляли металл, изготавливали стекло. Тогда появились определённые приёмы и рецепты, но химия ещё не была наукой.
Не стала предшественницей химии и средневековая алхимия. Целью алхимиков был поиск так называемого философского камня, с помощью которого любой металл можно было бы превратить в золото. Разумеются их усилия остались бесплодными. Но поскольку они проводили различные опыты, им удалось сделать несколько важных практических изобретений. Стали использоваться печи, реторы, колбы, аппараты для перегонки жидкостей. Алхимики приготовили важнейшие кислоты, соли и оксиды, описали способы разложения руд и минералов.
В наши дни химия стала мощным оружием цивилизации, сырьевой базой практически всех отраслей промышленности и сельского хозяйства. С ее помощью создаются лекарства и витамины, удобрения для повышения плодородия почвы и химические средства защиты растений. Уголь, нефть, газ и руды химия превращает в энергию и металлы, бетон и стекло, керамику и многочисленные органические соединения, в том числе такие, каких в природе не было и не могло быть.
Вооруженные знанием химии люди ведут синтез красителей, искусственных волокон, взрывчатых веществ, получают полупроводники и сверхпроводники, топливо для ракетных двигателей, новые строительные материалы. Ядерная энергетика также немыслима без знания химии.
Однако в химии до сих пор так много неясного и неоткрытого! Постоянно появляются новые области старой науки, новые вещества, новые методы их получения и исследования.
Изучать химию трудно, но очень интересно. Особенно если с самого начала ты убедишься в том, что она вездесуща. Действительно, куда ни погляди - всюду вокруг нас объекты и явления этой замечательной науки - химические вещества и химические реакции.
Основная метаморфоза, которую претерпела химия в 20-м столетии, заключается в том, что из «экспериментальной науки о веществах и их превращениях» она превратилась в систему представлений, методов, знаний и теоретических концепций, направленных на изучение атомно-молекулярных систем (АМС). При этом основным средством описания, интерпретации, прогноза и использования АМС стала структура. Не будет большим преувеличением назвать всю современную химию структурной.
Разработана концепция эволюционного катализа, описывающая условия и закономерности существования, саморазвития, самоорганизации и прогрессивной эволюции элементарных открытых каталитических систем; обосновано выделение эволюционной химии как новой предметной области науки; предложена общая теория прогрессивной химической эволюции и биогенеза, описывающая на количественном уровне переход от высших проявлений химизма к жизни[1]
.
2. В чем сущность второго начала термодинамики? Приведите значения к.п.д. для тепловых станций. В чем состоит суть спора о «тепловой смерти Вселенной»? Какие приняты шкалы температур? Каков смысл абсолютного нуля температур?
Второй закон термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему». С учётом введённого в термодинамику понятия энтропии как меры беспорядка системы Клаузиус снова сформулировал второй закон: энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.
Переходя ко второму началу термодинамики, Клаузиус рассматривает круговые обратимые процессы и указывает, что в простом круговом процессе типа цикла Карно совершаются два вида превращений: переход теплоты в работу и переход теплоты более высокой температуры в теплоту более низкой температуры. Второе начало «должно выражать отношение между этими двумя превращениями». Оба эти превращения — «явления одинаковой природы» и в обратимом процессе могут замещать друг друга. Клаузиус формулирует второе начало как принцип эквивалентности превращения следующим образом:
«Если мы назовем эквивалентными два превращения, которые могут замещать друг друга, не требуя для этого никакого другого длительного изменения, то возникновение из работы количества теплоты Q, имеющего температуру Т, обладает эквивалентом Q/ф, а переход количества теплоты Q от температуры T1, к температуре Т2 имеет эквивалент Q (1/ф 2-1/ф 1), где ф есть некоторая функция температуры, независимая от рода процесса, с помощью которого совершаются превращения». Клаузиус показывает, что для обратимого кругового процесса сумма эквивалента равна нулю:
Это, по Клаузиусу, является математическим выражением второго начала. «Стоящее под знаком интеграла выражение dQ/ф, — пишет Клаузиус, —является дифференциалом некоторой связанной с состоянием тела величины, которая полностью определена, если известно состояние тела в рассматриваемый момент, хотя бы ничего не было известно о пути, по которому тело в рассматриваемое состояние пришло».
Суть спора о «тепловой смерти Вселенной» заключается в том, что Вселенная может исчезнуть, потому что системы, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.
Как известно, средний КПД тепловой электростанции составляет 45%, и 55% внутренней энергии топлива преобразуется в тепловую энергию, утилизация которой в системах КВТЭ повышает общий КПД энергоисточников до 80-90%.
Предельно низкая температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль, называют абсолютным нулем температуры.
При приближении температуры к абсолютному нулю энергия теплового движения молекул приближается к нулю.
Абсолютный нуль температуры - начало отсчета абсолютной температуры по термодинамической шкале (шкале Кельвина). Абсолютный нуль температуры расположен на 273,16 К ниже температуры тройной точки воды (на 273,15 С ниже нуля температуры по шкале Цельсия;
При абсолютном нуле температуры прекращаются хаотические движения атомов, молекул, электронов, определяющие температуру системы, но остаются их регулярные движения, подчиняющиеся квантовой механике, например нулевые колебания атомов в решетке, с которыми связана нулевая температура[2]
.
3. Охарактеризуйте реакции, лежащие в основе энергии звезд. Укажите проблемы энергетики, связанные с термоядерной реакцией
Излучение звезд поддерживается в основном за счет двух типов термоядерных реакций. У массивных звезд это реакции углерод-азотного цикла, а у маломассивных звезд типа Солнца это протон-протонные реакции. В первых углерод играет роль катализатора: сам не расходуется, но способствует превращению других элементов, в результате чего 4 ядра водорода объединяются в одно ядро гелия.
В принципе возможно великое множество других термоядерных реакций, но расчеты показывают, что при температурах, царящих в ядрах звезд, именно реакции этих двух циклов происходят наиболее интенсивно и дают выход энергии, в точности необходимый для поддержания наблюдаемого излучения звезд.
Как видим, звезда – это природная установка для управляемых термоядерных реакций. Если создать в земной лаборатории такие же температуру и давление плазмы, то и в ней начнутся такие же ядерные реакции. Но как удержать эту плазму в пределах лаборатории? Ведь у нас нет материала, который бы выдержал прикосновение вещества с температурой 10–20 млн. К и при этом не испарился. А звезде этого не требуется: ее мощная гравитация с успехом противостоит гигантскому давлению плазмы.
Пока в звезде протекают протон-протонная реакция или углерод- азотный цикл, она находится на главной последовательности, где проводит основную часть жизни. Позже, когда у звезды образуется гелиевое ядро и температура в нем повысится, происходит «гелиевая вспышка», т.е. начинаются реакции превращения гелия в более тяжелые элементы, также приводящие к выделению энергии.
Турбина атомной электростанции является тепловой машиной, определяющей в соответствии со вторым законом термодинамики общую эффективность станции. У современных атомных электростанций коэффициент полезного действия приблизительно равен. Следовательно, для производства 1000 МВт электрической мощности тепловая мощность реактора должна достигать 3000 МВт. 2000 МВт должны уносится водой, охлаждающей конденсатор. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем.
Однако, главная проблема состоит в обеспечении полной радиационной безопасности людей, работающих на атомных электростанциях, и предотвращении случайных выбросов радиоактивных веществ, которые в большом количестве накапливаются в активной зоне реактора. При разработке ядерных реакторов этой проблеме уделяется большое внимание. Тем не менее, после аварий на некоторых АЭС, в частности на АЭС в Пенсильвании (США, 1979 г.) и на Чернобыльской АЭС (1986 г.), проблема безопасности ядерной энергетики встала с особенной остротой[3]
.
Современная атомная энергетика базируется на расщеплении ядер атомов на два более легких с выделением энергии пропорционально потере массы. Источником энергии и продуктами распада при этом являются радиоактивные элементы. С ними связаны основные экологические проблемы ядерной энергетики.
Еще большее количество энергии выделяется в процессе ядерного синтеза, при котором два ядра сливаются в одно более тяжелое, но также с потерей массы и выделением энергии. Исходными элементами для синтеза является водород, конечным - гелий. Оба элемента не оказывают отрицательного влияния на среду и практически неисчерпаемы.
Результатом ядерного синтеза является энергия солнца. Человеком этот процесс смоделирован при взрывах водородных бомб. Задача состоит в том, чтобы ядерный синтез сделать управляемым, а его энергию использовать целенаправленно. Основная трудность заключается в том, что ядерный синтез возможен при очень высоких давлениях и температурах около 100 млн. °С. Отсутствуют материалы, из которых можно изготовить реакторы для осуществления сверхвысокотемпературных (термоядерных) реакций. Любой материал при этом плавится и испаряется.
Ученые пошли по пути поиска возможностей осуществления реакций в среде, не способной к испарению. Для этого в настоящее время испытываются два пути. Один из них основан на удержании водорода в сильном магнитном поле.
Несмотря на некоторые положительные результаты по осуществлению управляемого ядерного синтеза, высказываются мнения, что в ближайшей перспективе он вряд ли будет использован для решения энергетических проблем. Это связано с нерешенностью многих вопросов и с необходимостью колоссальных затрат на дальнейшие экспериментальные, а тем более промышленные разработки.
4. Опишите развитие представлений о свете. Как и кем было показано, что свет есть электромагнитная волна? В чем проявляются волновые свойства света?
Еще древние интересовались природой света и задавались вопросы, почему и как человек видит окружающий его мир. Пифагорейцы считали, что из глаза человека исходят невидимые истечения, которые ощупывают предмет и тем создают зрительное ощущение. Эмпедокл представлял, что такое излучение поступает не только из глаз, но и от светящихся тел. Платон, развивая эти представления, добавил, что «если флюиды подобны друг другу, то они крепко связываются» и создают ощущение увиденного. Демокрит считал, что светящиеся тела выделяют не флюиды, а мельчайшие атомы, которые могут попадать в глаз. Аристотель развивал взгляды атомистов, объясняя происхождение цветов смешиванием разных долей света и тьмы.
Свет обладает волновыми свойствами – дефракцией и интерференцией, которые корпускулярная теория могла объяснить только при огромном числе допущений и предположений. Для понимания явлений более сложных, чем рассматриваемые в геометрической оптике, создана физическая оптика. В ней не только рассматриваются волновые свойства света и его природа, но и устанавливаются границы применимости геометрической оптики как приближения к волновой[4]
.
В XVII веке возникло две теории света: волновая и корпускулярная. Корпускулярную теорию предложил Ньютон, а волновую – Гюйгенс. Согласно представлениям Гюйгенса свет – волны, распространяющиеся в особой среде – эфире, заполняющем все пространство. Две теории длительное время существовали параллельно. Когда одна из теорий не объясняла какого-то явления, то оно объяснялось другой теорией. Например, прямолинейное распространение света, приводящее к образованию резких теней нельзя было объяснить исходя из волновой теории. Однако в начале XIX века были открыты такие явления как дифракция и интерференция, что дало повод для мыслей, что волновая теория окончательно победила корпускулярную. Во второй половине XIX века Максвелл показал, что свет – частный случай электромагнитных волн. Эти работы послужили фундаментом для электромагнитной теории света. Однако в начале XX века было обнаружено, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.
Существует несколько способов определения скорости света: астрономический и лабораторные методы.
Впервые скорость света измерил датский ученый Ремер в 1676 г., используя астрономический метод. Он засекал время, которое самый большой из спутников Юпитера Ио находился в тени этой огромной планеты. Ремер провел измерения в момент, когда наша планета была ближе всего к Юпитеру, и в момент, когда мы находились немного (по астрономическим понятиям) дальше от Юпитера. В первом случае промежуток между вспышками составил 48 часов 28 минут. Во втором случае спутник опоздал на 22 минуты. Из этого был сделан вывод, что свету необходимо 22 минуты, чтобы пройти расстояние от места предыдущего наблюдения до места настоящего наблюдения. Зная расстояние и время запаздывания Ио он вычислил скорость света, которая оказалась огромной, примерно 300 000 км/с.
В конце XIX-начале XX вв. ряд новых опытов заставил вновь вернуться представлению об особых световых частицах - фотонах. Было установлено, что свет имеет двойственную природу, сочетая в себе как волновые свойства, так и свойства, присущие частицам.
В одних явлениях, таких как интереренция, дифракция и поляризация, свет ведет себя, как волна, в других фотоэффект, эффект Комптона) - как поток частиц (фотонов). По современным представлениям свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу (в связи с этим принято говорить о корпускулярно-волновам дуализме): в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других - как поток особых частиц или корпускул (фотонов). Согласно современным представлениям электромагнитная природа света - это лишь одна разновидность проявления света. Другая разновидность характеризуется его квантовой природой.
Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, ограниченность применения классической механики к микрообъектам, диктуемая принципами дополнительности и неопределенности, а также противоречие целого ряда экспериментов применяемым в начале XX в. теориям привели к новому этапу развития физических представлений окружающего мира, ив особенности микромира — созданию квантовой механики, описывающей свойства микрочастиц с учетом их волновых особенностей. Ее создание и развитие охватывают периоде 1900 г. (формулировка Планком квантовой гипотезы) до 20-х годов XX в. и связано прежде всего с работами австрийского физика Э. Шредингера, немецкого физика В. Гейзенберга и английского физика П. Дирака.
Необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц — важная отличительная особенность квантовой теории. Можно ли волны де Бройля истолковывать как волны вероятности, т. е. считать, что вероятность обнаружить микрочастицы в различных точках пространства меняется по волновому закону? Такое толкование волн де Бройля неверно уже хотя бы потому, что тогда вероятность обнаружить частицу в некоторых точках пространства может быть отрицательной, что не имеет смысла.[5]
Чтобы устранить эти трудности, немецкий физик М. Борн (1882—1970) в 1926 г. предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность, а амплитуда вероятности, названная волновой функцией. Описание состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический, вероятностный характер: квадрат модуля волновой функции (квадрат модуля амплитуды волн де Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченном объеме.
Итак, в квантовой механике состояние микрочастиц описывается принципиально по-новому — с помощью волновой функции, которая является основным носителем информации об их корпускулярных и волновых свойствах.
5. Поясните, что такое Вселенная, каковы ее размеры, какие объекты ее составляют и какие модели развития Вселенной Вам известны. Какие эмпирические подтверждения развития Вселенной?
Слово «вселенная» возникло как калька греческого термина «ойкумена», т. е. заселенная земля. Уже здесь видна его первоначальная равнозначность выражению «весь свет» или «мир». Но такое понимание вселенной давно устарело.
Размеры Вселенной:
Масса – 5,976*1024
кг;
диаметр – 12756 км;
плотность – 5,518 г/см3
;
объем – 1,083*1012
км2
;
площадь поверхности – 510,2 млн. км2
.
Модель раздувающейся Вселенной точно совпадает с общепринятым описанием наблюдаемого мира начиная с 10-30
с после начала расширения. Только в эти микроскопические доли секунды отличие моделей. Как и модель Большого взрыва, модель инфляционной Вселенной полагает, что Начало было 10-15 млрд. лет назад из сингулярного (сверхорячего и чверхплотного) состояния и продолжается сейчас. Эти модели объяснили и реликтивное излучение, и красное смещение в спектрах далеких галактик, и первоначальное содержание легких элементов[6]
.
6. Дайте представление о фазовых переходах, приведите примеры фазовых переходов разных типов (родов). Что за явления – сверхтекучесть и сверхпроводимость?
Фазами называют различные однородные части физико-химических систем. Однородным является вещество, когда все параметры вещества одинаковы во всех его элементарных объемах, размеры которых велики по сравнению с межатомными состояниями. Смеси различных газов всегда составляют одну фазу, если во всем объеме они находятся в одинаковых концепциях. Одно и то же вещество в зависимости от внешних условий может быть в одном из трех агрегатных состояний – жидком, твердом или газообразном. В зависимости от внешних условий система может находиться в равновесии либо в одной фазе, либо сразу в нескольких фазах.
В окружающей нас природе мы особенно часто наблюдаем фазовые переходы воды. При переходе воды в пар происходит сначала испарение – переход поверхностного слоя жидкости в пар, при этом в пар переходят только самые быстрые молекулы: они должны преодолеть притяжение окружающих молекул, поэтому уменьшаются их средняя кинетическая энергия и, соответственно, температура жидкости. наблюдается в быту и обратный процесс – конденсация.
Во время фазового перехода температура не меняется, но меняется объем системы. Фазовые переходы бывают нескольких родов.
Изменения агрегатных состояний вещества называются фазовыми переходами 1-го рода, если:
1) температура постоянна во время всего перехода;
2) меняется объем системы;
3) меняется энтропия системы.
Чтобы произошел такой фазовый переход, нужно данной массе вещества сообщить определенное количество тепла, соответствующего скрытой теплоте превращения.
Фазовые переходы 2-го , 3-го и т.д. родов связаны с порядком тех производных термодинамического потенциала, которые испытывают конечные изменения в точке перехода.
Явление о сверхтекучести, открытое Капицей наблюдали и раньше, отмечая странное поведения гелия при температуре около 2К, но только он подробно исследовал и описал его.
Атомы сверхтекучего гелия ведут себя согласованно, как единое целое, беспорядка в этой системе нет, энтропия равна нулю. Невозможно сообщить какой-то части сверхтекучего гелия тепло – все его атомы одинаковы подтверждены воздействию. Невозможен и обмен энергией между атомами – все они в наинизшем состоянии, и вязкость среды равна нулю.
Исследования в области низких температур, первоначально имевшие чисто практическую направленность, привели к многим крупным открытиям. В 1911 г. Камерлинг-Оннес обнаружил, что при температуре 7,2К сопротивление свинцового проводника внезапно снизилось в миллионы раз и практически исчезло. Это странное явление получило название сверхпроводимости. В одном из экспериментов в сделанном из чистого свинца кольце был наведен ток в несколько сотен ампер. Через год оказалось, что ток все еще продолжает идти в кольце, и величина его не изменилась, т.е. сопротивление винца было равно нулю[7]
.
7. Какими методами удалось изучить состав живой клетки и ее молекулярное строение? Каковы основные положения и значение клеточной теории в развитии биологии?
За 3 мрд. лет на нашей планете живое вещество развивалось в несколько миллионов видов, но все они – от бактерий до высших животных – состоят из клеток. Клетка – организованная часть живой материи: она усваивает пищу, способна существовать и расти, может разделяться на две, каждая из которых содержит генетический материал, идентичный исходной клетке.
В 1665 г. Гук издал книгу «Микрография, или некоторые физиологические описания мельчайших тел посредством увеличительных стекол», где сообщил об открытии им клеточного строения живого вещества (тогда же он впервые употребил термин «клетка»). Фактически же Гук увидел только клеточные стенки, отличающиеся размерами и толщиной. После Гука клетки, вернее, их оболочки, так как микроскопы были несовершенны, обнаруживали у разных растений и в тканях животных.
Клеточная теория, или цитология сложилась в течение ХIХ в. в результате микроскопических исследований, когда появились более совершенные микроскопы (в последнее время их все чаще называли биологией клетки).
Ботаник Маттис Шлейден (1804-1881), изучая растительные ткани, установил, что они имеют клеточную природу. Используя его обобщения, немецкий биолог Теодор Шванн (1810-1882), исследовавший животные ткани, в своем классическом труде «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений» (1839) впервые сформулировал основные положения о клеточном строении всех организмов и образовании всех организмов и образовании клеток.
Было подробно изучено и клеточное деление. Вирхов дополнил клеточную теорию Шлейдена и Шванна утверждением: все клетки образуются в результате деления других клеток (1855). Затем установили, что хранение и передача наследственных признаков осуществляется с помощью клеточного ядра (Вирхов, Геккель). При большом увеличении микроскопов в клетках открыли постоянные специализированные структуры (органоиды, или органеллы) – пластиды и митохондрии.
В начале ХХ в. многие биологи повторяли опыты австрийского естествоиспытателя Иоганна Менделя (1822-1884), открывшего еще 1865 г. существование индивидуальных наследственных факторов (генов). Все это способствовало развитию цитогенетики. Современная клеточная теории исходит из единства расчлененности многоклеточного организма на клетки и его целостности, основанной на взаимодействии клеток[8]
.
Открытие клетки принадлежит английскому ученому Р. Гуку, который, просматривая под микроскопом тонкий срез пробки, увидел структуры, похожие на пчелиные соты, и назвал их клетками. Позже одноклеточные организмы исследовал голландский ученый Антони ван Левенгук. Клеточную теорию сформулировали немецкие ученые М. Шлейден и Т. Шванн в 1839 г. Современная клеточная теория существенно дополнена Р. Биржевым и др.
Основные положения современной клеточной теории:
Клетка - основная единица строения, функционирования и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого, способная к самовоспроизведению, саморегуляции и самообновлению;
Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологиины) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ;
Размножение клеток происходит путем их деления, каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;
В сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемым ими функциям и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно взаимосвязаны и подчинены нервной и гуморальной регуляциям.
Эти положения доказывают единство происхождения всех живых организмов, единство всего органического мира. Благодаря клеточной теории стало понятно, что клетка - это важнейшая составляющая часть всех живых организмов. Клетка - самая мелкая единица организма, граница его делимости, наделенная жизнью и всеми основными признаками организма. Как элементарная живая система, она лежит в основе строения и развития всех живых организмов. На уровне клетки проявляются такие свойства жизни, как способность к обмену веществ и энергии, авторегуляция, размножение, рост и развитие, раздражимость.[9]
8. Какие виды изменчивости Вам известны, в чем их сходства и отличия? Какая форма изменчивости дает исходный материал для естественного отбора в природе? Докажите, что естественный отбор является направляющим фактором эволюции
Определенные виды изменчивости являются периодическими. Они-то и есть «вибрации», которые определяют уровни бытия в их иерархии. Во Вселенной все суть живое, не считая «периферии» - нижнего края шкалы «водородов». Соответственно, и все по-своему разумно. Степень «разумности» определяется частотой «вибраций».
Изменчивость - способность организмов приобретать новые признаки и свойства в процессе онтогенеза.
Изменчивость бывает ненаследственной и наследственной.
Ненаследственные, или модификационные (от лат. modificatio - изменение), изменения не связаны с изменением генов, хромосом, генотипа в целом и возникают под влиянием факторов среды. Эти изменения в большинстве случаев носят массовый характер и по наследству не передаются. Это означает, что одинаковые изменения возникают у всех особей, подвергающихся действию определенного фактора. Если фактор, вызвавший данное изменение, перестает действовать, то изменение (например, загар, появляющийся под яркими лучами солнца) может исчезнуть.
Развитие каждого организма, формирование признаков определяются его генотипом. Но и факторы внешней среды - температура, влажность, освещенность, количество и качество пищи - оказывают большое влияние на развитие организма. Будет ли корова высокоудойной, зависит как от ее генотипа, так и от ухода и кормления. Сиамские котята, растущие на холоде, темнее котят, живущих в теплом помещении.
Главный фактор, определяющий развитие того или иного признака у организма, - генотип. Однако степень проявления признака зависит и от внешних факторов среды. Например, в соответствии с генотипом высокорослый горох может достичь высоты 180 см. Но для этого необходима хорошая освещенность, влажность, плодородная почва. При отсутствии оптимальных условий растение остается низкорослым. Следовательно, фенотип формируется под влиянием как генотипа, так и условий среды обитания.
Различные признаки одного и того же организма изменяются в разной степени под влиянием факторов среды обитания: одни сильнее, а другие слабее. Например, удои молока у коров увеличиваются при хорошем кормлении и уходе, но жирность его при этом почти не изменяется.
Любой признак может изменяться лишь в определенных пределах. Пределы модификационной изменчивости признака называют его нормой реакции. Норма реакции у одних признаков узкая, у других широкая. Узкая норма реакции, или небольшие границы изменчивости, характерна для качественных признаков, таких, как цвет глаз, рисунок на пальцах у человека, а широкая норма реакции - для количественных признаков, таких, как рост, масса семян у растений. Причем чем шире норма реакции признака, тем больше у организма возможностей для приспособления к условиям среды обитания. Так, генотипы большинства особей одной популяции сходны. Однако особи сильно различаются по фенотипу. Например, деревья различаются по высоте, размеру кроны и т. д. Это связано с тем, что растения со сходным генотипом развиваются в условиях разной влажности, освещенности, состава почвы.
Все листья одного дерева имеют одинаковый генотип, однако они отличаются по фенотипу, например по размерам. Частота встречаемости листьев разного размера неодинакова.
Как показали наблюдения, наиболее часто встречаются листья со средним выражением признака. Объясняется это тем, что листья развиваются в различных условиях. Мелкие листья формируются в неблагоприятных условиях, например при плохой освещенности и недостаточной влажности и т.д. Самые крупные листья развиваются в наиболее благоприятных условиях. Однако как очень благоприятные, так и совсем неблагоприятные условия среды в природе наблюдаются редко. Растения, как правило, испытывают различные воздействия: одни благоприятствуют развитию признака, другие - угнетают его. Поэтому большинство особей оказывается примерно в сходных условиях и обладает средней степенью выраженности признака. Чем разнообразнее условия среды, а, следовательно, и сочетание ее факторов, тем шире модификационная изменчивость.
Естественный отбор – направляющий фактор эволюции. Естественный отбор – это дифференциальное выживание и размножение особей, которые отличаются друг от друга генетически детерминированными признаками. Более приспособленные к данным условиям среды особи оставляют больше потомков, чем менее приспособленные. Мы можем измерить относительную приспособленность особи долей ее потомков среди особей следующего поколения и, следовательно, частотой ее аллелей, которые вошли в генофонд следующего поколения.
Эффективность естественного отбора зависит от его интенсивности и запаса наследственной изменчивости, накопленного в популяции. Интенсивность отбора определяется тем, какая доля особей доживает до половой зрелости и участвует в размножении. Чем меньше эта доля, тем больше интенсивность отбора. Если, например, из 10 000 особей в каждом поколении выживают и размножаются только 100 самых крупных, то средний размер особей в этой популяции растет гораздо быстрее, чем в случае более мягкого отбора, когда, например, половина всех особей в популяции участвует в размножении[10]
.
Биосфера не раз переходила в новое эволюционное состояние. Это было, например, в кембрии, когда появились крупные организмы с кальциевыми скелетами, или в третичное время -15-80 млн. лет тому назад, когда возникли леса и степи, а с ними и крупные млекопитающие и сейчас, за последние 10-20 тыс. лет, когда человек, выработав в социальной среде научную мысль, создает в биосфере новую геологическую силу. Биосфера тем самым переходит в новое эволюционное состояние - ноосферу. Проявления научной мысли воздействует посредством создаваемых им орудиями на косную, содержащую его среду биосферу, создавая ноосферу - царство разума.
В развитии учений о происхождении жизни существенное место занимает теория, утверждающая, что все живое происходит только от живого - теория биогенеза. Эту теорию в середине XIX века противопоставляли ненаучным представлениям о самозарождении организмов (червей, мух и др.). Однако как теория происхождения жизни биогенез несостоятелен, поскольку принципиально противопоставляет живое неживому, утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни.
Абиогенез - идея о происхождении живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения жизни.
В 1924 г. известный биохимик А.И.Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд. лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Предсказание академика Опарина оправдалось. В 1955 г. американский исследователь С.Миллер, пропуская электрические заряды через смесь газов и паров, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таким образом в середине XX века был экспериментально осуществлен абиогенный синтез белковоподобных и др. органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.
М. Эйгеном на основе неравновесной термодинамики и теории информации разработана концепция самоорганизации материи. Эйген ограничивается моделированием добиологической эволюции макромолекул, но развитые им идеи и методы имеют более общее принципиальное значение. Так же как и работы школы Пригожина, работы Эйгена вышли за рамки частных наук и имеют общенаучное методологическое значение.
Согласно теории Эйгена, самоорганизация не является очевидным свойством материи, которое обязательно проявляется при любых обстоятельствах. Должны быть выполнены определенные внутренние и внешние условия, прежде чем такой процесс станет неизбежным. Самоорганизация начинается с флуктуации. Для возникновения процесса самоорганизации необходимы инструктивные свойства системы на микроуровне[11]
.
Список литературы
1. Бернс Дж. О. Гигантские структуры Вселенной // В мире науки, 1986, № 1.
2. Девис П. Суперсила – М.: Мир, 2002.
3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2005.
4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1999.
5. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. М.: ЮНИТИ, 1998.
6. Эйген М., Винклер Р. Игра жизни. – М.: Наука, 2002.
[1]
Эйген М., Винклер Р. Игра жизни. – М.: Наука, 1979. С.22.
[2]
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2000. С. 195-202.
[3]
Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. М.: ЮНИТИ, 1998. С. 143-144.
[4]
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2000. С. 306-309.
[5]
Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Академический проект, 2001. –356с.
[6]
Бернс Дж. О. Гигантские структуры Вселенной // В мире науки, 1986, № 1. С. 15.
[7]
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2000. С. 359-363.
[8]
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2000. С. 134-135.
[9]
Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.: Высшая школа,1999. –226с.
[10]
Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. М.: ЮНИТИ, 1998. С. 151-156.
[11]
Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. М.: ЮНИТИ, 1998. С. 300-302.
|
