Алексеев С. И. Концепции современного естествознания Москва 2003

Московский
международный
институт
эконометрики,

информатики,
финансов и права

Алексеев С.И.

Концепции современного естествознания

Москва
2003

УДК 5

ББК 20

А 474

Алексеев С.И. «Концепции современного естествознания »/ Мос- ковский международный институт эконометрики, информатики, финан- сов и права. –М., 2003. – 52 с.

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образова- нию в области антикризисного управления в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специаль- ности 351000 «Антикризисное управление» и другим экономическим специальностям.

Ó Алексеев С.И., 2003

финансов и права, 2003

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ........................................................................................................... 4

1. Единство науки и научный метод. ............................................................ 5

2. Естественнонаучный подход к изучению природы................................. 5

3. Дифференциация и интеграция знаний. ................................................... 9

4. Механистическая картина мира .............................................................. 10

5. Электромагнитная картина мира ............................................................. 12

6. Революция в естествознании XIX-XXв.в. ............................................ 14

7. Концепция относительности пространства и времени. ........................ 16

8. Концепция необратимости и термодинамика. ....................................... 17

9. Концепция синергетики............................................................................ 20

10. Концепция атомизма............................................................................... 21

11. Концепции биологических систем. ....................................................... 27

12. Концепции экологии ............................................................................... 39

13. Концепции химических структур.......................................................... 45

14. Основные физические постоянные ....................................................... 46

15. Приставки для образования кратных и дольных единиц.................... 46

16. Вопросы по курсу «Концепции современного естествознания». ..... 47

17. Словарь терминов. .................................................................................. 49

18. Литература. .............................................................................................. 51

18.1 Основная литература ......................................................................... 51

18.2 Дополнительная литература ............................................................. 51

Введение

Курс «Концепции современного естесвознания» имеет важное зна- чение для формирования научного мировоззрения и общей культуры студентов. Современное представление об окружающей среде, фунда- ментальные законы, объясняющие гармоничность картины мира, раз- личные подходы к пониманию явлений природы в их историческом раз- витии, современный системный метод анализа действительности явля- ются предметом курса.

Системный
подход
, получивший широкое распространение в по-

следнее время, предполагает целостный охват изучаемых процессов и явлений в их взаимосвязи и взаимодействии с другими явлениями. Та- кой подход «стирает» грани между различными науками, способствуя сближению различных точек зрения гуманитариев и естествоиспытате- лей на одни и те же явления; позволяет сделать естественнонаучные ме- тоды общенаучными.

Основой системного метода являются концепции эволюции и само- организации, позволяющих с единых позиций объяснить принципы ор- ганизации всего сущего на Земле, строение и динамику поведения раз- личных систем.

Ключевые
термины

- Картина мира

- Системный подход

1.
Единство науки и научный метод.

Научный метод представляет собой воплощение единства всех форм знаний. Познание в естественных, технических, социальных и гу- манитарных науках в целом совершается по некоторым общим принци- пам и правилам.Это свидетельствует, во-первых, о единстве всех наук, а

во-вторых - об общем, едином источнике познания, которым служит ок-

ружающий нас объективный реальный мир: природа и общество.

Методы познания

( по степени обоснованности )

Статистические Вероятностные Индуктивные Дедуктивные

Методы познания

( по механизмам обобщения )

-	Аналитические	-	Моделирования
-	Синтетические	-	Генерализации
-	Идеализации	-	Типологизации
-	Логические		-	Классификации

Ключевы
е термины

- Научный метод

- Единство науки

2. Естественнонаучный подход к изучению природы.

Естественнонаучный подход имеет глубокие исторические корни, основан на многовековом продолжительном наблюдении за явлениями природы, имеющими, как правило, циклический характер.

Основные
особенности этого подхода:

a) разработано большое количество измерительных средств, позволяю-

щих оценить состояние окружающей среды;

b) найдены эталоны многих физических величин, благодаря которым появилась возможность измерять и сравнивать;

c) разработан математический аппарат обработки результатов измере-

ний, позволяющий оценивать состояние изучаемых объектов.

Естественнонаучный подход основан на следующихсвойствах из-

меряемых величин и оцениваемых параметров математических моделей:

a) воспроизводимости

измеряемых величин;

b) правильности

математических моделей и использования статисти-

ческих методов;

c) избыточности

данных, допускающей вероятностное оценивание.

К недостаткам естественнонаучного подхода можно отнести то, что

он требует наличия множества однородных по каким-либо признакам явлений (объектов ). Ценность подхода во многом зависит от выбора

признаков, являющихся общими для элементов множества и подлежа-

щих оцениванию. Если признаки являются не существенными, а второ-

степенными, то правдоподобность выводов значительно снижается. Кроме того, качество оценок зависит от объема множества, коррелиро- ванности наблюдений. Широко распространены интервальные оценки в предположении о вероятностном распределении измеряемых величин, отвечающих одному из типовых (стандартных) законов распределения случайных величин. Некоторые из наиболее распространенных законов, приведены ниже.

Пример 1.

Типовые законы распределения случайных величин.

y y

x x a) равномерный b) нормальный

y y

x x

с) экспоненциальный d) Ферми- Дирака

Пример 2.

Свойства функции распределения

x
1 x
2 x

+¥

ò y
( x
) dx

- ¥

= 1;

Условие нормирования функции распределения

Вероятность интервальной оценки

)

x
2

p
( х

< x
<

y
( x
)dx
;

2 ò

x
1

Вероятность точечной оценки

p
( x
=

x
1 ) =

p
( x
=

x
2 ) = 0

В ряде гуманитарных наук, например в истории, трудно подвести отдельные события под какой-либо общий закон или теорию (т.e. не имеется возможности набрать статистику однородных событий). Поэто-

му многие историки возражают против переноса естественнонаучных методов для анализа исторических процессов. Для объяснения событий ими предлагаются методы телеологии
, опирающиеся не на причинные

законы и направленные на раскрытие целей, намерений, поведения, дея-

тельности людей.

Многие считают, что методы объяснения вообще бесполезны, а ва-

жен метод понимания
, позволяющий раскрыть смысл
события, особен-

но, если оно уникально и неповторимо. Теоретически понимание осно-

вывается на интерпретации
то есть истолковании целей, мотивации смысла действий и поступков людей и поэтому сходно с телеологиче-

ским объяснением. Так нередко понимание текста сводится лишь к рас-

крытию и усвоению смысла, который вложил в него автор. Однако, если

бы переводчики разных эпох раскрывали бы только авторский смысл произведения, то все переводы были бы тавтологией
. Исторические события также обычно интерпретируются с позиций своего времени.

С другой стороны, иные исследователи истории с неменьшим упор-

ством отстаивают мнение о возможности применения общих методов и теорий, однако, по их мнению, невозможность объединения отдельных событий в однородную группу свидетельствует о недостаточной прора- ботке материала, малой информационной емкости событий.

В целом, понимание- более сложный, противоречивый и запутан-

ный процесс, чем объяснение.Различие между ними состоит в том, что если объяснение сводится к логическому выводу, то понимание- к ин-

терпретации.И если объяснение относится к событиям прошедшим и на-

стоящим, то к будущим событиям относится предвидение
( предсказа-

ние, прогноз ).

Предвидение и объяснение сходны по своей логической структуре и представляют собой логический вывод ( умозаключение ). Структура одного из простейших умозаключений приведена ниже.

Приме

р 3.

Простой категорический силлогизм

( дедуктивное умозаключение ).

Посылка 1	Суждение 1	С1 + П1
Посылка 2	Суждение 2	С2 + П2
- Вывод	Суждение 3	С3 + П3

Здесь С- субъект, П- предикат суждения.

Так из посылки: «Все студенты первого курса изучают КСЕ»
и посылки:«Иванов учится на первом курсе»
cледует логический вывод:

«Иванов изучает КСЕ».

Предвидени
е
как способ отражения действительности имеет ог- ромное практическое значение, обеспечивая возможность прогнозиро- вания событий и явлений. Статистические выводы
( заключения ) имеют вероятностный характер ( а не достоверный ), в них используют-

ся интервальные
( а не точечные ) оценки, что прежде всего объясняет-

ся отсутствием общих фундаментальных законов в гуманитарных нау-

ках ( подобных законам Ньютона в механике ), а также влиянием субъ-

ективного фактора на исследуемые процессы.

Ключевы
е термины

- Эталон - Множество

- Воспроизводимость - Суждение

-	Измерение	-	Субъект
-	Вероятность	-	Предикат
-	Cтатистика	-	Существенный признак
-	Оценка	-	Общий признак

- Распределение величин - Силлогизм

-	Оценивание		-		Телеология
-	Эффективность		-		Понимание
-	Состоятельность		-		Объяснение
-	Несмещенность		-		Предвидение
-		Точечная оценка		-		Прогноз
-		Интервальная оценка		-		Смысл

3. Дифференциация и интеграция знаний.

В прошлом считалось, что развитие некоторой научной дисципли-

ны идет путем непрерывного накопления все новых и новых научных истин ( такой процесс называется кумуляцией ). При этом возрастают

точность и глубина знаний в этой дисциплине. Однако, одновременно ослабевают связи с другими научными дисциплинами и дело доходит до того, что специалисты разных отраслей одной и той же науки нередко не

понимают ни постановок задач, ни методов исследований, ни конечных результатов друг друга.

Дифференциаци
я знаний
- это процесс, связанный с более тща- тельным и глубоким изучением определенной области действительности (так называемый дисциплинарный подход). Однако необходим и меж- дисциплинарный интегративный подход, обеспечивающий единство и целостность представлений.

Интеграци
я знаний
- это процесс, связанный с использованием по-

нятий, теорий и методов одной науки в смежных науках.

В результате интеграции возникают новые научные направления (например, биофизика, геохимия и пр.). Из смежных наук могут быть заимствованы тактика ( приемы и методы ) и стратегия (общие принци- пы) исследований, методология (способы получения новых знаний, ана- лиза и оценки результатов исследований), порядок выполнения измере- ний и проведения экспериментов, математические модели и методы оценки их параметров.

Особое значение приобретает системный метод, позволяющий рас-

сматривать с единых позиций предметы и явления в их взаимосвязи и целостности. Смежные науки позволяют в этом случае выделить эле-

менты исследуемой системы, определить ее структуру. Поэтому систем- ный метод является эффективным средством интегративных исследова- ний.

Ключевы
е термины

- Дифференциация знаний

- Интеграция знаний

- Кумуляция знаний

4. Механистическая картина мира.

Основные законы (принципы) механики, сформулированные И.Ньютоном в своем главном труде «Математические начала натураль- ной философии» в 1687 году, заложили основу механистической карти-

ны мира ( макромира ).

Открытие принципов ознаменовало революционный переворот в познании Вселенной, который связан с переходом от натурфилософских догадок и гипотез о “скрытых” качествах и спекулятивных измышлений

о происходящих в природе процессах к точному экспериментальному

естествознанию, в котором все предположения, гипотезы и теоретиче-

ские модели проверялись исключительно наблюдениями и опытом.

Механическое движение было сведено к точному математическо-

му описанию: для этого необходимо и достаточно было задать началь- ные координаты тела, его скорость (или импульс ) и уравнение движе- ния. Все последующие состояния движущегося тела точно и однозначно определялись в любой момент времени как в будущем, так и в прошлом, поскольку в поставленной таким образом задаче в уравнениях знак вре- мени можно было менять на обратный ( концепция обратимости вре- мени
).

Приме

р 4.

Математическое описание механического движения те-

ла

( по И.Ньютону ).

Постановк
а задачи.

X
¢¢(t
) = C

X
(0) = X
0

(1) Уравнение движения тела

(2) Начальная координата тела

X
¢(0)

= V
0

(3) Начальная скорость тела

Требуетс
я определить:
зависимость x=x (t)

Решени
е задачи.

Интегрируем правую и левую часть уравнения (1) по времени:

Левая часть:

ò X
¢¢(t
)d
t
=

X
¢(t
)

Правая часть:

ò Cdt

= C
t

ство

Очевидно, что с точностью до константы

C
1 выполняется равен-

X
¢(t
)

= C
t

+ C
1 (4)

лить

Используя уравнение (4) и начальное условие (2), можно опреде-

C
1 :

X
¢(0)

= V
0

= C
1

Тогда уравнение (4) примет вид

X
¢(t
)

= V
0

+ C
t

(5)

Аналогично, интегрируем правую и левую часть уравнения (5) по времени:

Левая часть:

ò X
¢(t
)dt
=

X
(t
)

Правая часть:

ò (V
0

+ C
t
)d
t

= V
0 t
+ C
t
2

Очевидно, что с точностью до константы C
2

во

выполняется равенст-

X
(t
) = V
t
+ C
t
2

+ C
2

(6)

лить

Используя уравнение (6) и начальное условие (3), можно опреде-

C
2 :

X
(0) =

X
0 = C
2

Тогда уравнение (6) примет окончательный вид

0 0

X
(t
) =

X
+ V
t
+ C
t
2

2 (7)

Выво
д
- найденное решение (7) задачи позволяет однозначно

определить координату движущегося тела в любой момент времени ( в

том числе при

t
< 0 ).

Этот вывод, полученный в результате решения частной задачи,

положен в основу детерминистского подхода к описанию механических процесссов ( и не только механических ) и является одним из основных принципов построения классической ( механистической ) картины мира.

Характерны
е особенности механистической картины мира:

a
)
Bсе состояния механического движения по отношению ко времени одинаковы ( следствие обратимости времени ).

b
)
Все механические процессы являются детерминированными, т.е.точно и однозначно определенными предыдущим состоянием (слу- чайность при этом полностью исключается).

c)
Пространство
и
время
независимы,
имеют
абсолютный
характер
и

н
е
связаны с движением тел.

Использование принципов механистической теории в других нау- ках привело к появлению фатализма- концепции неизбежности, пред- решенности всех событий в будущем.

Ключевы
е термины

- Обратимость времени

- Детерминированный процесс

- Независимый процесс

- Инерциальные системы

- Макромир

- Механистическая картина мира

- Концепция фатализма

5. Электромагнитная картина мира

Создателем электромагнитной теории является английский физик

Д.Максвелл (1831-1879). Основой теории является понятие поля (ранее

в ньютоновской механике рассматривались лишь вещества в виде тел ). Теория Максвелла явилась обобщением важнейших законов, описы- вающих электрические и электромагнитные явления: теоремы Остро- градского- Гаусса, закона полного тока, закона элетромагнитной индук- ции Фарадея.

I-ое уравнение Максвелла
является обобщением закона электро-

магнитной индукции Фарадея:

ò E
d
l

= - d
F

d
t
.

Это уравнение показывает, что переменное магнитное поле неиз-

бежно порождает вихревое индуктированное электрическое поле.

II- ое уравнение Максвелла
является обобщением закона полно-

го тока :

ò H
d l
= å I
.

L k

Это уравнение показывает, что циркуляция вектора напряженно- сти магнитного поля по произвольному замкнутому контуру L равно ал- гебраической сумме макротоков и тока смещения сквозь поверхность, натянутую на этот контур.

III- ье уравнение Максвелла
является обобщением теоремы Ост-

роградского- Гаусса для электрического поля:

ò D
d S

= å q
k
.

Это уравнение показывает, что поток электрического смещения электростатического поля сквозь любую замкнутую поверхность равен сумме свободных зарядов, охватываемых этой поверхностью.

Заряды могут быть свободными и связанными. Cвязанными назы-

ваются заряды, входящие в состав атомов и молекул, заряды ионов в кристаллических диэлектриках. Свободными зарядами являются заряды

носителей тока в проводящих средах ( электроны проводимости, дырки,

ионы ) или избыточные заряды, сообщенные телу извне и нарушающие его электронейтральность ( например, статическое электричество ).

IV- ое уравнение Максвелла
является обобщением теоремы Ост-

роградского- Гаусса для магнитного поля:

ò B
d
S
= 0 .

Это уравнение показывает, что поток ветора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность S равен нулю.

Теория Максвелла позволила создать единую связанную электро- магнитную картину мира. Электрические и магнитные свойства среды в теории характеризуются тремя величинами: относительной диэлектри- чес-кой проницаемостью, относительной магнитной проницаемостью, удель-ной электрической проводимостью, которые предполагаются из- вестными из опыта.

Теория Максвелла- макроскопическая, т.е. в ней изучаются элек-

тромагнитные поля таких систем покоящихся и движущихся электриче- ских зарядов, пространственная протяженность которых на много по- рядков больше размеров атомов и молекул ( так называемые макроско- пические поля ).

Макроскопические заряды и токи являются совокупностями микро- скопических зарядов и токов, создающих свои электрические и магнит- ные микрополя, непрерывно изменяющиеся в каждой точке пространст-

ва с течением времени. Макроскопические поля, рассматриваемые в теории Максвелла, являются усредненными микрополями. Усреднение микрополей производится по интервалам времени, значительно боль-

шим, чем периоды внутриатомных процессов, и по объемам полей, во много раз превосходящим объемы атомов и молекул. Электрические и магнитные взаимодействия, осуществляемые посредством электромаг-

нитного поля, распространяются с конечной скоростью, равной скорости света в данной среде ( принци
п близкодействия
).

И, наконец, сравнивая вещество и поле, следует отметить их прин- ципиальные отличия: вещество дискретно, имеет конечное число степе- ней свободы; поле же непрерывно, число его степеней свободы беско- нечно.

Ключевые термины

-	Степень свободы		-		Дискретность
-	Непрерывность		-		Поле
-	Cвободный заряд	-		Связанный заряд

- Микрополе - Макрополе

-	Близкодействие	-	Магнитный поток
-	Напряженность поля	-	Магнитная индукция
-	Макроток	-	Ток смещения
-	Циркуляция вектора	-	Диэлектрическая

проницаемость среды

- Проводимость - Магнитная проницаемость среды

6. Революция в естествознании XIX-XXв.в.

Революционными считаются открытия, связанные со строением вещества и его взаимосвяхзи с энергией.

Планетарна
я модель атома
, построенная английским ученым Э.Резерфордом и усовершенствованная датским физиком Н.Бором раз- рушила миф о неделимости атома. Было введено понятие кванта энер-

гии, излучаемой или поглощаемой электронами при переходе с одной орбиты на другую.

Явлени
е квантово- волнового дуализма
, открытое французским

ученым Луи де Бройлем в 1924 году, согласно которому каждой матери-

альной частице независимо от ее природы следует поставить в соответ-

ствие волну, длина которой l = h
p
. Согласно принципу де Бройля вещество и поле заимосвязаны: в определенных условиях вещество проявляет волновые свойства, а частицы поля- свойства корпускул.

Н.Бор в 1927 году сформулировал принцип дополнительности
,

согласно которому при рассмотрении корпускулярных явлений кванто-

вая теория должна быть дополнена волновой и наоборот.

Н.Бор является также основоположником принципа соответст-

вия
: выводы и результаты квантовой механики при больших квантовых числах должны соответствовать классическим результатам. Обобщая

этот принцип следует признать, что между любой новой теорией и предшествующей ей теорией существует закономерная связь: в опреде-

ленных предельных случаях новая теория должна переходить в старую. Например, формулы кинематики и динамики специальной теории отно- сительности переходят в формулы механики Ньютона при условии

v
c
® 0 . Геометрическая оптика является предельным случаем вол-

новой оптики, если можно пренебречь величиной длины волны ( l ® 0

Квантовая механика, объясняющая процессы, происходящие в мире элементарных частиц ( микромире ) была создана в 1925-1927г.г. В ос-

нове квантовой механики лежит принцип неопределенностей
, сформу-

лированный немецким физиком В.Гейзенбергом:

Dx
× Dp
³ h
.

Согласно этому принципу невозможно достоверно определить и координату и импульс микрочастицы. Произведение их неточностей не может быть меньше постоянной Планка. Из принципа также следует, что вполне возможно провести эксперимент, с помощью которого мож-

но с большой точность определить положение микрочастицы, но при этом ее импульс будет определен неточно, либо наоборот.

В квантовой механике любое состояние системы описывается с по-

мощью «волновой функции», которая определяет параметры состояния

не достоверно (не абсолютно точно), а с некоторой степенью вероятно-

сти. Причина неопределенности заключается в самой природе явления и

не может быть уменьшена за счет совершенствования средств измере-

ния.

Согласно квантовой механике любые измерения, на основе которых делаются различного рода прогнозы, являются недостоверными ( то есть определяются с некоторой погрешностью ), поэтому абсолютно точное предсказание осуществить невозможно. После возникновения квантовой механики стали говорить о господстве случайного в мире и отсутствии в нем детерминизма.

Ключевы
е термины

- Квант - Квантово- волновой дуализм

-	Волновая функция	-	Принцип неопределенности
-	Принцип дополнительности	-	Принцип соответствия

- Квантовые числа - Концепция случайности

7. Концепция относительности пространства и времени.

В классической механике справедлив механический принцип отно- сительности Галилея: законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета
. Это значит, что в разных инерциальных системах отсчета все механические процессы при одних и тех же условиях проте- кают одинаково. Следовательно, с помощью любых механических экс- периментов, проведенных в замкнутой системе тел, нельзя установить покоится эта система или движется равномерно и прямолинейно относи- тельно какой- либо инерциальной системы отсчета. Поэтому механиче- ский принцип относительности свидетельствует о равноправности всех инерциальных систем и отсутствии какой-то особой инерциальной сис- темы, относительно которой можно было бы рассматривать механиче- ское движение как «абсолютное движение». Во всех подобных системах движения являются ковариантными и выражаются одной и той же мате- матической формулой. Пространство и время в классической механике обособлены от движения материальных тел.

В специальной теории относительности, созданной американским физиком А.Эйнштейном было установлено:

a) Всякое движение может определяться только по отношению к дру-

гим
телам, взятым за системы отсчета
.

b) Пространство и время взаимосвязаны, время является четвертой координатой для описания движения.

c) В любой инерциальной системе отсчета скорость света в вакууме имеет одну и ту же величину для любого направления.

d) Переход от одной инерциальной системы к другой при очень больших скоростях их относительного движения осуществляется с помощью преобразований Лоренца:

t
- bx

x
¢ =

x
- v
t

1 - b 2 ,

y
¢ = y
,

z
¢ = z
,

t
¢ =

1 - b 2 ,

где x
, y
, z
, t
- координаты системы S
;

x
¢, y
¢, z
¢, t
¢ - координаты системы

S
¢;

v
- скорость системы

S
¢ в направлении оси x
,

лея

измеренная в системе S
;

С -
cкорость света в вакууме; b = v
c
.

При b ® 0 преобразования переходят в преобразования Гали-

(имеющими место в классической механике):

x
¢ =

x
- v
t
,

y
¢ = y
,

z
¢ = z
,

t
¢ = t
.

В таких системах отсчета время течет одинаково (является инвариант-

ной величиной ).

В релятивисткой механике справедливы соотношения:

l
¢ = l
1 - b 2

, Dt
¢ =

1 - b 2

m
¢ =

1 - b 2 ,

E
¢ =

1 - b 2

, т.е.

движение со скоростью близкой к скорости света в вакууме приводит к

замедлению времени t
, cокращению длины

l
, возрастанию массы m

и энергии E
.

Движение со скоростью больше c

стают быть действительными ).

невозможно ( выражения пере-

При b ® 0 величины l
, Dt
, m
, E

являются инвариантными.

Ключевы
е термины

- Инерциальные системы - Принцип относительности

-	Преобразования Лоренца	-	Преобразования Галилея
-	Инвариантность	-	Релятивизм
-	Классическая механика	-	Релятивистская механика

8. Концепция необратимости и термодинамика.

Термодинамика как наука возникла из обобщения фактов,

описы-

вающих явление передачи, распространения и превращения тепла,т.е. тепло, возникшее в результате механической работы, нельзя снова пре- вратить в энергию для выполнения новой работы. С другой стороны, из- вестно, что часть тепловой энергии превращается в механическую рабо-

ту. Все эти факты нашли объяснение в законах термодинамики.

1 закон

термодинамики.
Тепло
Q
, полученное замкнутой систе- мой, идет на увеличение внутренней энергии
D U

системы
и выполнение работы W
, производимую системой против внешних сил:

Q
=
D U+
W ,

где Q>0 -
если тепло подводится к системе;

Q<0 -
если тепло отводится от системы;

W>0 -
если система производит работу;

W<0 -
если над системой внешними силами совершается работа.

Классификация

систем
( термодинамических
).

Закрытая термодинамическая система
- это система, которая не

может обмениваться веществом с внешней средой. ( например, космиче-

ский
корабль).

Открыта
я термодинамическая система
-
это система, которая может обмениваться веществом с внешней средой ( например, живые

организмы).

Замкнутая (изолированная) термодинамическая система
-
это система, которая не может обмениваться ни веществом, ни энергией с

внешней средой. (идеализированные системы).

Согласно 1 закону термодинамики в определенных термодинами- ческих системах могут протекать такие процессы, при которых полная энергия системы остается неизменной. Превращение тепловой энергии целиком в механическую работу не нарушает этот закон, однако, такой прцесс невозможен. Второй закон термодинамики еще больше ограни- чивает возможные процессы превращения.

2 закон

термодинамики.
Теплоту можно превратить в работу только при условии, что часть этой теплоты одновременно перейдет от горячего тепла к холодному( принцип действия тепловых двигателей). Чтобы теплота могла перейти от холодного тепла к горячему, необходи-

мо затратить механическую работу ( принцип действия холодильных машин ).

Согласно 2 закону термодинамики в замкнутой системе в отсутст-

вии каких-либо процессов теплота не может самопроизвольно перейти

от более холодных частей системы к более горячим.

Концепци
я “ тепловой смерти “
. Выдвинута немецким физиком

Р.Клаузиусом (1822-1888), исходя из следующих постулатов:

1) Энергия Вселенной всегда постоянна.

2) Энтропия Вселенной всегда возрастает.

Энтропией называют параметр состояния системы, дифференциал которой равен

dS =

dQобр

где

dQобр - количество теплоты, полученное (или отданное) системой;

Т- температура теплоотдающего тела.

тает

При получении тепла системой ( dQ>0 ) энтропия системы возрас-

( dS>0 ), а если система отдает тепло ( dQ<0 ) , то ее энтропия убывает

( dS<0 ).

Поскольку понятие энтропии вводится в дифференциальном виде,

то ее значение может быть определено только с точностью до константы

(абсолютное значение определить невозможно).

В статистической физике энтропия связывается с вероятностью термодинамического состояния системы и является мерой упорядочен-

ности системы:

S ~ 1

P
,

где P- термодинамическая вероятность состояния системы.

Если Т=0, то P=1 , а если Т>0 , то Р<1 .

Таким образом, при повышении температуры термодинамическая вероятность состояния уменьшается, увеличивается хаотичность систе-

мы, энтропия возрастает.

Используя понятие энтропии, формулировка II закона термоди-

намики упрощается:

Энтропия замкнутой системы постоянно возрастает

( “стре-

ла времени”
в замкнутых термодинамических системах ).Это означает,

что такие системы эволюционизируют в сторону увеличения в них хао-

са, беспорядка, пока не достигнут точки термодинамического равнове-

сия, в которой всякое производство работы оказывается невозможным.

Гипотеза Клаузиуса, основанная на представлении Вселенной за-

крытой системой, является абстракцией, не отражающей реальный ха- рактер природных систем, которые способны обмениваться энергией , веществом и информацией с окружающей средой, т.е. являются откры- тыми системами. В открытых системах также производится энтропия, т.к. имеют место необратимые процессы, но в отличие от закрытых сис- тем она не накапливается,а выводится в окружающую среду. Открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней cреды.

Ключевы
е термины

- Энтропия - Абсолютная температура

- Вероятность - Внутренняя энергия

- Порядок - Замкнутая система

-	Хаос	-	Закрытая система
-	Работа	-	Открытая система

- “тепловая смерть” - Термодинамика

- Тепло - Стрела времени

9. Концепция синергетики

Немецкий физик Г. Хакен ( род. 1927г. ) назвал синергетикой
процессы самоорганизации, происходящие в лазере (в переводе с древ- негреческого cинергетика означает совместное действие или взаимодей- ствие ).

Условия протекания процессов самоорганизации в

системах

1) Процессы самоорганизации идут только в открытых систе-

мах

, т.к. закрытые системы в соответствии с законами термодинамики имеют конечным итогом хаос (максимальный беспорядок ) или дезорга- низацию.

2) Система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия

(в этой точке система имеет макси- мальный беспорядок ), из которой выход затруднен.

3) Упорядочивание структуры системы (организация нового по-

рядка ) происходит засчет незначительных отклонений ( флуктуаций ) от первоначального состояния, возрастанию амплитуды флуктуаций с те- чением времени, постепенного расшатывания прежнего порядка и в ре- зультате установлению нового порядка (принцип образования порядка через флуктуации

). Такой процесс методичной раскачки системы, со- провождающийся возрастанием амплитуды флуктуаций, свидетельству-

ет о наличии в системе положительных обратных связей.

4) Отличительная черта математических моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации- их существенная не-

линейност

ь

.
Нелинейные математические уравнения являются более адекватными реальным системам.

Ключевы
е термины

-	Синергетика	-	Точка термодинамического равновесия
-	Флуктуации	-	Нелинейная термодинамика
-	Порядок	-	Принцип образования порядка
-	Самоорганизация	-	Нелинейные уравнения
-	Обратная связь	-	Положительная обратная связь

10. Концепция атомизма.

Объяснения, при которых свойства сложных веществ или тел пы- таются свести к свойствам более простых элементов или составных час- тей, называют редукционистскими.

Атомизмом

принято считать подход к объяснению процессов,

происходящих во Вселенной, связанный с поиском мельчайших недели-

мых частиц, определяющих состав, свойства и структуру всего сущего.

Долгое время такой частицей считался атом
( в переводе с грече-

ского неделимый ), однако в начале ХХ века английские физики

Э.Резерфорд и Ф.Содди, исследуя радиоактивные превращения химиче-

ских элементов, доказали, что атом не является неделимым.

Поиск первичных фундаментальных
частиц, названных впоследст-

вии элементарными

, привел к открытию электрона (1897), протона (1919), фотона (1900 ), нейтрона (1932), позитрона (1932 ), нейтрино (1932 ), антипротона

(1955 ), антинейтрона (1956), промежуточных бозонов (1983). В

1970-80г.г. речь идет уже о семействах «странных», «очарованных»,

«красивых» элементарных частиц.

Общие
сведения об элементарных частицах.

Ядерная физика изучает структуру и свойства атомных ядер. Она исследует также взаимопревращения атомных ядер происходящие в ре- зультате как радиоактивных распадов, так и различных ядерных реак-

ций. К ядерной физике тесно примыкают физика элементарных частиц,

физика и техника ускорителей заряженных частиц, ядерная энергетика.

Ядерно-физические исследования имеют огромное чисто научное значение, позволяя продвигаться в понимании строения материи, и в то

же время чрезвычайно важны в практическом отношении (в энергетике,

медицине и т. д.).

Элементарные
частицы -
первичные, неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В современной физи-

ке этот термин обычно употребляется не в своём точном значении, а в

менее строгом - для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона. К элементарным частицам относятся: протоны, нейтроны, электроны, фотоны, пи-мезоны, мюоны, тяжёлые лептоны, нейтрино трёх типов, странные частицы (К-мезоны), гипероны), разнообразные резонансы, мезоны со скрытым очарованием,

«очарованные» частицы, промежуточные векторные бозоны и т. п. - все-

го более 350 частиц, в основном нестабильных. Их число продолжает расти по мере расширения наших знаний. Большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, по- скольку являются составными системами. Общее свойство всех этих частиц заключается в том, что они представляют собой специфические формы существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы.

Массы большинства элементарных частиц имеют порядок величи-

ны массы протона, равной ~1,7*10 -24 г. Размеры протона, нейтрона, пи- мезона, и других адронов - порядка 10 -13 см, а электрона и мюона не определены, но меньше ~10 -16 см. Микроскопические массы и размеры

элементарных частиц обуславливают квантовую специфику их поведе- ния. Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - способность испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами.

Характеристики
элементарных
частиц.
В зависимости от време-

ни жизни частицы делятся на стабильные (электрон, протон, фотон и нейтрино), квазистабильные (распадающиеся при электромагнитном и слабом взаимодействиях, время их жизни больше 10 -29 с) и резонансы (частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия, типичное время жизни ~10 -22-10 –24 с).

Общими для всех элементарных частиц характеристиками явля-

ются масса, время жизни, электрический заряд, спин и др.

Элементарные
частицы -
характеризуются моментом импульса. Согласно квантовой механике, момент импульса системы может прини- мать не любые, а дискретные значения, его скачки равняются постоян- ной Планка, поэтому его измеряют в единицах этой постоянной (дис- кретность возможных значений момента совершенно незаметна в обыч- ной жизни, поскольку постоянная Планка очень мала). Момент, изме- ренный в таких единицах, называется спином. Спин может принимать целые или полуцелые значения. В соответствии опять же с квантовой механикой проекция момента на какую-либо ось тоже имеет дискретные значения. Разумеется такая дискретность находится далеко за пределами измерительных возможностей обычной механики. Иное дело -объекты микромира, для них дискретность значений вектора момента и его про- екций играет существенную роль.

Характеристики элементарных частиц, принимающие дискретные значения, принято называть квантовыми числами. Различают спиновое,

орбитальное, магнитное и другие квантовые числа.

Помимо указанных величин, элементарные частицы дополнитель-

но характеризуются ещё рядом квантовых чисел, которые называются внутренними. Это барионный и лептонный заряды, чётность, а также кварковые ароматы - характеристики, определяющие тип кварка, такие как изоспин, странность, «очарование», «красота», цвет. Внутренние квантовые числа вводятся для того, чтобы формализовать закономерно- сти, экспериментально наблюдаемы в процессах, происходящих в мик- ромире.

Истинно
элементарные частицы.
На сегодняшний день с теоре- тической точки зрения известны следующие истинно элементарные час- тицы (на данном этапе развития науки считающиеся неразложимыми)_ частицы: кварки и лептоны (эти разновидности относятся к частицам

вещества), кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны), а также частицы Хиггса.

Каждая из пар лептонов объединяется с соответствующей парой кварков в четвёрку, которая называется поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение, отличаются лишь массы: второе

тяжелее первого, третье тяжелее второго. Предполагается, что в природе встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные можно создать искусственно на

ускорителях заряженных частиц или при взаимодействии космических

лучей в атмосфере.

Кроме имеющих половинный спин частиц вещества, к истинно элементарным частицам относятся частицы со спином 1. Это кванты по-

лей, создаваемых частицами вещества. Массивные W-бозоны являются переносчиками слабых взаимодействий между кварками и лептонами. Глюоны - переносчики сильных взаимодействий между кварками. Как и

сами кварки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но проявляются

на промежуточных стадиях некоторых реакций. Теория кварков и глюо-

нов называется квантовой хромодинамикой.

Частица с предполагаемым спином 2 - это гравитон, его существо- вание предсказано теоретически, но обнаружить его будет чрезвычайно трудно, так как он очень слабо взаимодействует с веществом.

Наконец, к истинно элементарным частицам относятся частицы

Хиггса, или Н-мезоны, и гравитино, они не обнаружены нба опыте, но

их существование предполагается во многих современных теоретиче-

ских моделях.

Антивещество.
У многих частиц существуют двойники в виде ан-

тичастиц, с теми же массой, временем жизни, спином, но отличающиеся

знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т. д. (электрон-позитрон, протон-антипротон и др.). Существование античас-

тиц было впервые предсказано

в 1928 г. английским физиком-

теоретиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского дви-

жения электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего

ту же массу, но положительный электрический заряд.

Характерная особенность поведения частиц и античастиц - их ан-

нигиляция при столкновении. Типичный пример -взаимоуничтожение электрона и позитрона с выделением энергии при рождении двух фото- нов.

В сильных и электромагнитных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами и античастицами - все процессы, проте- кающие с первыми, возможны и аналогично для вторых. Подобно про- тонам и нейтронам их античастицы могут образовывать антиядра. В принципе можно представить себе и антиатомы, и даже большие скоп- ления антивещества.

Классификация
условно элементарных частиц.
В соответствии с четырьмя видами фундаментальных взаимодействий различают соответ-

ственно четыре вида элементарных частиц: адроны, участвующие во всех взаимодействиях, лептоны, не участвующие только в сильном (а нейтрино в электромагнитном), фотон, участвующий только в электромагнитном взаи- модействии, и гипотетический гравитон - переносчик гравитационного взаи- модействия.

Адрон
ы
-
общее название для частиц, наиболее активно участвую- щих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы - барионы и мезоны.

Барионы
-
это адроны с полуцелым спином. Самые известные их них - протон и нейтрон. Одним из свойств барионов, отличающим их от других частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барион- ного разряда, введённого для описания опытного факты постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антиба- рионов.

Мезоны
-
адроны с целым спином. Их барионный заряд равен ну- лю. Адронов насчитывается около 350. Большинство их них крайне не- стабильны и распадаются за время порядка 10 -23 с. Столь короткоживу- щие частицы не могут оставить следов в детекторах. Обычно их рожде- ние обнаруживают по косвенным признакам. Например, изучают реак- цию ааннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения, обнаруживают, что при каком-

то её значении выход адронов резко увеличился. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица. По- том она мгновенно распадается на другие адроны, которые и регистри- руются. Такие короткоживущие частицы называются резонансами. Большинство барионов и мезонов - резонансы.

Особенност
и элементарных частиц:

1
)
малые размеры и масса;

2)
cпособность рождаться и уничтожаться ( аннигилировать ) при взаимодействии с другими частицами.

Вид
ы взаимодействий
между элементарными частицами:

1)
cильные;

2
)
электромагнитные;

3
)
слабые;

4
)
гравитационные.

Выделены две большие группы элементарных частиц: адроны
, ко- торые могут участвовать в сильном, электромагнитном и слабом взаи- модействии; и лептоны
, участвующие только в электромагнитном и

слабом взаимодействии. В эти группы попадают все элементарные час-

тицы за исключением фотона.

Кроме того у элементарных частиц выделяют индивидуальные характеристики:

1
)
массу частицы;

2
)
время жизни;

3
)
спин;

4
)
электрический заряд;

5
)
магнитный момент.

По современным представлениям все адроны состоят из кварков
-

дробнозаряженных фундаментальных частиц и антикварков. У всех эле- ментарных частиц существуют античастицы
, которые обладают проти- воположным электрическим зарядом и магнитным моментом по сравне- нию с соответствующей элементарной частицей.

Современный подход к изучению строения материи основывается

не на поиске последних, неделимых частиц, а на выявление их внутрен-

них связей для объяснения целостных свойств макрообразований. Даль-

нейший прогресс в познании фундаментальных свойств материи следует

по-видимому ожидать в результате объединения концепций атомизма

( дискретности ), целостности ( системности ) и системного анализа.

Строение атома

А
то
м

А
том
н
о
е ядро Атомная оболочка

нуклоны ( A )

эле
к
тро
н
ы

п
ротоны нейтроны
( A )

( Z ) ( A-Z )

A
K

Обозначение атома: Z

, где K
- символ элемента;

Z
- заряд ядра ( число протонов в ядре);

А
- массовое число ( число нуклонов в ядре). Изотопы
- разновидности атомов одного элемента, ядра которых содер- жат различное число нейтронов.

Радиоактивный распад
- превращение атомов в атомы других эле-

ментов, сопровождающееся излучением

1. Условие стабильности
ядер элементов:

N
» 1 + 0.015 * A
2/3 , A
< 250

4 He

2.
a - излучени
е:
излучаются положительно заряженные ядра 2 ,

которые могут отклоняться электрическим и магнитным полем.

A
K
® A
-4K

+4 a

Закон a - распада:
Z
1

Z
-2 2 2

226 R
a
®

222 R
n
+ 4 a

Пример: 88

86 2

3.
b - - излучени
е:
излучаются электроны, которые могут отклоняться

электрическим и магнитным полем.

A
K
®

A
K
+ 0e

Закон

b - - распада:
Z
1

- 1

Z
+1 2 -1

P b
®

214

Пример: 82

214 B
i
+ 0

4.
b + - излучени
е:
излучаются позитроны, которые могут отклоняться

электрическим и магнитным полем.

A
K
®

A
K
+ 0

Закон

b + - распада:
Z
1

+ 1

Z
-1 2

+1e

P
®

Пример: 15

30 B
i
+ 0

5.
g - излучени
е:
излучаются g -
кванты, которые не могут отклонять-

ся электрическим и магнитным полем. При этом ядро атома из возбуж-

денного состояния переходит в состояние с меньшей энергией, заряд яд-

ра и массовое число не меняются. g - излучение сопутствует a - и

b - распадам

Ключевы
е термины

- Атомизм - Элементарные частицы

-	Редукционизм	-	характеристики элементарных
-	Распад частиц	частиц
-	Античастицы	-	Индивидуальные характеристики
элементарных частиц

- Аннигиляция - Типы фундаментальных взаимодействий

-	Адроны	-		Нуклоны
-	Лептоны	-		Кварки
-	Время жизни		-		Квантовые числа
-	Спин		-		Позитрон
-	Магнитный момент		-		Фотон

11. Концепции биологических систем.

Термин «биосфера» введен в 1875 году австрийским геологом и па- леонтологом Э.Зюссом для обозначения сферы жизни на Земле. Пред- шествующие естествоиспытатели использовали понятия «картина при- роды» ,«пространство жизни» ,«живая оболочка Земли», схожие с поня- тием «биосфера» по содержанию.

По-разному трактовалась учеными роль живых организмов в био-

сфере: в основном отмечалась зависимость живых организмов от окру- жающей среды, от сил и веществ неживой природы; обратному же влиянию живых организмов на окружающую среду, на ее состав и свой- ства, как правило, не придавалось значения. ЖБ.Ламарк первым отметил огромную роль живых организмов в образовании земной коры, высказав мысль о том, что все вещества на Земле сформировались в результате деятельности живых организмов.

По современным представлениям биосфера являет собой единство живой и неживой природы, в котором существуют и взаимодействуют живые организмы с физическими, химическими, геологическими факто-

рами окружающей среды; между живой и неживой природой существу-

ют обратные связи, как положительные, так и отрицательные, которые влияют на состояние природных систем Земли. Положительные обрат-

ные связи играют важную роль при разрушении сложившихся связей в природных системах в процессе их эволюции и образовании новых свя- зей, определяющих новое состояние природных систем . Отрицательные

связи, напротив, способствуют устойчивости природных систем, обере- гая их от разрушения и восстанавливая прежние кондиции природных систем Земли. Имен

но благодаря отрицательным обратным связям при-

родные системы способны гасить антропогенное давление на окружаю-

щую среду и поддерживать системы в квазиустойчивом состоянии.

тем

Влияни
е обратных связей в системах на характеристики сис-

1. Система без обратных связей

x (t) y(t)

k y(t)=kx(t)

где х(t)-
воздействие на систему ;

у(t)-
отклик ( реакция системы );

k
-
коэффициент передачи системы.

Если система линейна, то формы y(t) и x(t) одинаковы,- система функционирует как преобразователь воздействия без искажения его формы. При этом понятие формы может быть отнесено как к временной зависимости воздействия и отклика системы, так и к их законам распре- деления. В нелинейных системах формы y(t) и x(t) неодинаковы.

2. Система с положительной обратной связью ( ПОС ).

x(t) e(t)
к
y(t)

y(t)
=
k
+ x(t)

z(t)
m

где х(t)-
воздействие на систему- «входной сигнал » системы;

у(t)-
отклик ( реакция системы )- «выходной сигнал» системы;

k -
коэффициент передачи системы ( без обратной связи );

m
-коэффициент обратной связи;

z
(t
)- отклик системы по каналу обратной связи- «сигнал обратной связи» системы;

k
+ -
коэффициент передачи системы, охваченной положительной обратной связью .

Определим связь коэффициентов передачи в системе без обратной

связи и в системе с положительной обратной связью.

В системе c ПОС выполняются следующие соотношения:

e(t)=x(t)+z(t) ; y(t)=ke(t) ; z(t)=my(t),

откуда следует, что k
+ =

y
(t
)

x
(t
)

=
1 - m
k
.

Полученное соотношение показывает, что в системах с положительной обратной связью коэффициент передачи системы возрастает по сравне- нию с коэффициентом передачи системы без обратной связи. Кроме того

k
+ в предельном переходе ( m ® 0

) обращается в

k
. ( Принцип до-

полнительност
и в системах с обратными связями ).

Пример положительной обратной связи в природных системах

y(t)

Единичный случай заболевания гриппом воздушно- капельным способом

( y(t)- количество заболевших, чел. )

y(t)

Рост заболеваемости

2 1
- быстрый рост засчет наличия в системе ПОС;

2
- насыщение

1
( y(t)
- количество заболевших , чел. )

В системах с положительной обратной связью даже незначи- тельное воздействие на систему усиливается по каналу обратной связи и в дальнейшем ведет ко все большему увеличению отклика системы, неограниченный рост которого может привести систему к распаду. Реальные
природные системы спасает от распада их сущест- венная нелинейность, благодаря которой имеет место насыщение откли-

ка, то есть такое состояние системы, при котором дальнейшее увеличе-

ние входного сигнала не сопровождается изменением выходного сигна-

ла и система переходит в квазиустойчивое состояние.

В системах с ПОС преобладает разрушительная тенденция перехо-

да системы в новое состояние, предшествующее воздействию на систе-

му.

3. Система с отрицательной обратной связью ( ООС ).

x(t) e(t)
к
y(t)

y(t)
= k
- x(t)

z(t)
m

где х(t)-
воздействие на систему ( «входной сигнал » системы );

у(t)-
отклик ( реакция системы )- «выходной сигнал» системы;

k
-коэффициент передачи системы ( без обратной связи );

m
-коэффициент обратной связи;

z
(t
)- отклик системы по каналу обратной связи-«сигнал обратной связи» системы;

k
- -
коэффициент передачи системы, охваченной отрицательной обратной связью.

В системе c ООС выполняются следующие соотношения:

e(t)=x(t)-z(t) ; y(t)=ke(t) ; z(t)=my(t),

откуда следует, что k
- =
y
(t
) =
k
.

x
(t
)

1 + mk

Полученное соотношение показывает, что в системах с отрицатель- ной обратной связью коэффициент передачи системы убывает по срав- нению с коэффициентом передачи системы без обратной связи. Кроме того это соотношение также подтверждает принцип дополнительности,

согласно которому k
- в предельном переходе ( m ® 0

) обращается в k.

В системах с ООС преобладает стабилизирующая тенденция со- хранения состояния системы, предшествующего воздействию на систе- му.

Пример отрицательной обратной связи в природных системах

x(t)

Разовый выброс загрязняющих веществ в атмосферу

y(t)

Компенсация загрязнения в биосфере ( гомеостаз )

( y(t)- концентрация загрязняющих веществ

y* y*- уровень фона )

В системах с отрицательной обратной связью воздействие на

систем
у ослабляется по каналам обратной связи и ведет к стабили- зации отклика системы .
Реальные природные системы благодаря от- рицательным обратным связям способны компенсировать возмущаю- щие воздействия биотической и абиотической природы.

В.И.Вернадский ввел понятие живого вещества, как совокупности живых организмов, считая, что «живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней свя- заны, являются огромной геологической силой ее определяющей». Все вещества В.И.Вернадский разделяет на живые, косные
(атмосфера, горные породы, минералы ) и биокосные
( почвы, поверхностные воды). Доля живого вещества составляет в биосфере около 1%. По образному выражению другого естествоиспытателя - немецкого ученого Юлиуса Майера ( 1817-1878 ), живое вещество есть создание солнечного луча.

C

oлнце является основным источником энергии биосферы и ре-

гулятором всех геологических, химических и биологических процессов

н

а Земле. Оно обеспечивает возможность протекания жизненных процессов, поставляя высококачественную энергию организмам, ко-

торые преобразуют солнечную энергию в другие виды энергии, в ча-

стност

и

, в тепловую энергию.

Другим важным процессом, обеспечивающим возможность жизни

на Земле, являются биогеохимические круговороты
веществ
в биосфе-

ре, происходящие между атмосферой,земной корой, гидросферой и жи-

выми организмами ( био- жизнь, гео- земля).

Существует два типа геохимических круговоротов: круговороты га-

зообразных веществ ( 1 тип ) и осадочные цицлы ( 2 тип ).

Тип
ы
геохимических круговоротов

Круговороты Осадочные циклы газообразных ( 2 тип ) веществ ( 1 тип )

атмос
ф
ер
а живое Земная кора вещество

гидросфера

Особенности биогеохимических круговоротов веществ 1 типа:

перемещени

е и преобразование веществ происходит между живыми организмами, атмосферой и гидросферой; процессы быстротечны ( несколько часов, дней ). Основными являются круговороты следую- щих веществ: C,O,H,N.

Особенности биогеохимических круговоротов веществ 2 типа: перемещение и преобразование веществ происходит между живыми организмами, земной корой и гидросферой; процессы медленные (не- сколько сотен, миллионов лет). Основными являются круговороты следующих веществ: S, P.

Отличи
я живого вещества от косного:

- процессы в живом веществе протекают значительно быстрее;

- живые организмы изменяютcя при изменении условий окружающей среды ( адаптируются к изменениям окружающей среды );

- в живом веществе могут происходить качественные изменения.

Высокая скорость протекания процессов в живом веществе обу- словлена присутствием в них ферментов
- биологических катализато- ров, ускоряющих на несколько порядков скорости химических реакций в процессе обмена веществ организма с внешней средой. Особая роль в живом организме принадлежит аминокислотам
и белкам
.

Роль аминокислот в живом организме.

Аминокислотами называются карбоновые кислоты, в углеводород- ном радикале которых один или несколько атомов водорода замещены аминогруппами. Аминокислоты делятся на алифатические, ароматиче- ские и гетероциклические (см. Таблицу. «Aминокислоты, входящие в состав белков», стр.29).

В клетках и тканях встречаются свыше 170 аминокислот, но в со- став белков входят только 20 из них; из элементов - таких, как углерод, кислород, водород и азот. Аминокислоты играют в белках роль мономе- ров. У каждой аминокислоты есть карбоксильная группа (-СООН) и аминогруппа (-NH2), присоединенные к одному атому углерода. К од- ному же атому присоединена и одна из многих возможных белковых групп. Все 20 аминокислот и отличаются этими белковыми группами. В организме человека 12 аминокислот могут синтезироваться, а остав- шиеся 8 должны поступать с пищей. Разные белки образуются при со- единении аминокислот в разной последовательности.

Растения могут синтезировать все аминокислоты из более простых веществ, а животные - только часть из них. Оставшиеся аминокислоты, которые называют "незаменимыми", организм животного должен полу- чать с пищей. Обычно аминокислоты представляют из себя бесцветные кристаллические вещества, которые растворяются в воде, но нераство- римы в органических растворителях. В нейтральных водных растворах они ведут себя, как амфотерные соединения (проявляют свойства и ки- слот, и оснований), и существуют в виде биполярных ионов. Каждая аминокислота характеризуется своим значением рН, при которой амино- кислота электрически нейтральна (в электрическом поле не перемещает-

ся ни к аноду, ни к катоду), называемым изоэлектрической точкой ами-

нокислоты. Амфотерная природа аминокислот дает им способность пре- пятствовать в растворах изменению рН: при увеличении рН среды они выступают как доноры положительных ионов водорода, при понижении

- как их акцепторы.

Аминокислоты связаны пептидной связью, поэтому длинную цепь из аминокислот называют полипептидом. Они содержат от 100 до 300 аминокислот. Молекулы гемоглобина состоят из четырех полипептид- ных цепей, состоящих из 145 аминокислот каждая.

Для правильного функционирования такие цепи должны быть опре- деленным образом ориентированы в пространстве и поэтому они скру- чены и флуктуируют во времени: в них происходят повороты вокруг разных связей. Но эта внутренняя свобода является ограниченной, по- скольку структура белков строго упорядочена.

Между положительно и отрицательно заряженными боковыми группами аминокислот устанавливается ионная связь, между атомами, несущими частично положительные и частично отрицательные заряды, - водородная связь, между атомами серы и двумя молекулами аминокис- лоты цистеина - ковалентная связь.

Таблиц
а
. Aминокислоты, входящие в состав белков.

Группа аминокислот	Аминокислота	Сокращенное название аминокислотного остат- ка	Строение
Алифатические	Глицин	Gly	H-
	Аланин	Ala	CH 3-
	Валин	Val	(CH 3) 2CH-
	Лейцин	Leu	(CH 3) 2CH-CH 2-
	Изолейцин	I le	CH 3-CH 2-CH- I CH 3
Содержащие (ОН- ) группу Содержащие (СООН-) группу	Серин	Ser	HO-CH 2-
	Треонин	Thr	CH 3-CH(OH)-
	Аспарагиновая	Asp	НООС- CH2-
	Глутаминовая	Glu	НООС-СН 2-СН 2-
Содержащие (NH2CO-) группу	Аспарагин	Asn	NH 2CO-CH 2-
Содержащие (NH2CO-) группу	Глутамин	Gin	NH 2CO-CH 2-CH 2-
Содержащие (NH2-) группу	Лизин	Lys	NH 2-(CH 2) 3-CH 2-
Содержащие (NH2-) группу	Аргинин	Arg	NH 2-C-NH-(CH 2) 2- CH 2- II NH
Cодержащие S- группу	Цистеин	Cys	HS-CH 2-

Метионин	Met	CH 3-S-CH 2-CH 2-
Ароматические	Фенилаланин	Phe	-C H 2-
Тирозин	Tyr	OH СН 2
Гетероцикличе- ские	Триптофан	Trp	-CH2- N H
Гетероцикличе- ские	Гистидин	His	N -CH 2 N H
Иминокислота	Пролин	Pro	-COOH N- H

Неполярные боковые цепи стремятся объединиться друг с другом и

- --

не раствориться в воде, образуя гидрофобное объединение. Таким образом,

при расправлении этой определенной цепи она вновь скрутится единствен- ным, присущим только ей образом. Если заменить хотя бы один атом или одну аминокислоту в полипептиде, получится молекула с другой структу- рой и другими свойствами.

Образование структуры означает уменьшение энтропии, тогда как вне белковой структуры энтропия должна скомпенсировать это локальное уменьшение и возрасти. При образовании водородной связи происходит вы- деление энергии в окружающую среду, и она рассеивается. Водородная связь возникает между пептидными связями цепи: -N-H...O-C, и она оп- ределяет вторичную структуру белка. Эта конфигурация кажется хаотич- ным нагромождением атомов, но точное повторение ее формы в миллиар- дах молекул указывает на наличие упорядоченности.

При выполнение определенных функций спираль изгибается, свора-

чивается о образует глобулу (третичную структуру). При этом основную роль играет кулоновское взаимодействие между электрическими зарядами частей цепи, а также установление водородной связи между пептидными группами разных частей спирали. Спираль изгибается, часть энергии вы- деляется в окружающее пространство, и маловероятно, чтобы энергия вновь вернулась. Пример тому - денатурация белка при варке яйца, когда разрушаются все возникшие структуры.

Важную роль играет гидрофобное взаимодействие частей цепей тре-

тичной структуры. Аминокислотные остатки содержат массивные угле-

водородные части, которые ведут себя подобно капелькам масла в воде.

Образуются окружающие молекулы "ловушки", создается структура, и

энтропия локально уменьшается. Естественное направление процессов оказывается таким, что маслоподобные части молекул оказываются скры- тыми от воды в глубинах структур белка, а водоподобные - обращаются к воде, растворителю.

Простейшая животная клетка содержит всего 5000 различных видов белков. Одни из них похожи на волокна и служат материалом для кле-

точных стенок, перегородок и мембран; другие - настолько гибки, что скручиваются в клубки, они очень активны и способны перемещаться, из них состоит почти все студнеобразное пространство клеток. Это актив-

ные глобулярные белки. Они могут участвовать в химических реакциях, обеспечивающих рост. Такое сложное строение белков позволяет им осуществлять многообразные операции.

Аминокислоты входят в состав и других макромолекул - нуклеино- вых кислот. Нуклеотиды, представляющие собой элементы нуклеиновых кислот, бывают четырех типов: цитонин, гуанин, тимин и аденин. На са- мом деле звеньями цепи являются пары Ц с Г и А с Т. Поэтому вместо цепи удобнее использовать образ лестницы, составленной из ступенек ЦТ, ГЦ, ТА и AT, которые следуют друг за другом в определенном по- рядке. Эта лестница еще и закручена в спираль, поэтому она, скорее, по- хожа на винтовую лестницу со ступеньками из пар нуклеотидов. В жи- вых клетках эти цепи очень длинные, содержат до ста миллионов пар в ряд. В клетке они свиты в плотный клубок. У человека длина такой вин- товой лестницы в размотанном состоянии достигает нескольких метров, и это только одна молекула. Отсюда можно понять огромность числа возмож- ных вариантов расположения молекул в ДНК. Только из четырех звеньев таких вариантов может быть до ста миллионов.

Каждый организм развивается из одной оплодотворенной яйцеклет-

ки, поэтому она должна содержать весь план построения организма. Многочисленные единицы, из которых слагается вся совокупность носи- телей генетической информации индивидуума, называют генами. Каждая

из этих единиц определяет отдельные признаки: цвет волос, глаза, группу крови, рост. У каждого из нас - неповторимая комбинация генов. Гены несут в себе информацию о том, какие белки и в каком отношении

должны вырабатывать клетки, как должна сказываться на их развитии ок-

ружающая среда.

Меллер в 1928 году показал, что гены воспроизводят себя и изме- няются (мутируют), а изменение внешних факторов меняют частоту мутаций. Наша генетическая информация поступает от родителей в равных частях. Еще в XIX веке биологи изучили процесс клеточного деления, которому предшествуют расхождение хромосом, благодаря чему

в каждый сперматозоид и в каждую яйцеклетку попадает половина хромосом из исходной клетки. Тогда уже было показано, что носителями

генетической информации являются хромосомы.

С точки зрения химиков хромосомы состоят из белка и дезоксири-

бонуклеиновой кислоты (ДНК). Белки
- сложная группа веществ, со-

стоящая из 20 мономерных звеньев (аминокислот), которые соединены в самых разных комбинациях. В ДНК - всего четыре вида аминокислот. Именно ДНК, несмотря на простоту своей структуры, являются носите- лями информации и обеспечивают образование своих точных копий для передачи последующим поколениям.

ДНК оказалась двойной спиралью, связанной двумя "базовыми пара- ми": тимин-аденин и цитозин-гуанин. Число этих пар, например, у человека грандиозно.

Перед наукой открылась возможность не только изучать наследствен-

ный материал, но и влиять на саму наследственность: "оперировать" ДНК, сращивать участки генов далеких друг от друга животных или растений, иначе говоря, творить неизвестных природе химер.

Первым с помощью генной инженерии был получен инсулин, затем интерферон, потом гормон роста.

Вирус (или фаг) состоит из молекулы ДНК, заключенной в белко-

вую оболочку, которая действует подобно шприцу, впрыскивая свой ге- нетический материал в подходящую клетку. Для различения белка обо- лочки и ДНК у вирусов использовали радиоактивные изотопы серы и фосфора, т.к. белки содержат серу, но не содержат фосфора, а ДНК, на- оборот, содержат фосфор, но не содержат серу.

Гены - это участки молекулы ДНК, которая "размножается" путем комплементарного пристраивания друг к другу четырех "нуклеотидов"

(оснований), и при ошибках в этом процессе происходят мутации. Гены управляют синтезом белков, составляющих протоплазму, переключаясь время от времени с построения собственной копии (аутокатализ) на по-

строение иных молекул (гетерокатализ). Выявилось и отличие вирусов

от кристаллов: при впрыскивании вирусом своей ДНК с генами в живую клетку происходит не только самовоспроизведение, но гены вируса за-

ставляют клетку создавать новые, несвойственные ей белковые мо- лекулы, которые приспособлены для целенаправленного действия - за- ражения других клеток.

Белки - высокомолекулярные природные полимеры, построенные

из остатков аминокислот, соединенных амидной (пептидной) связью.

Белки являются главным, наиболее ценным и незаменимым компонен-

том питания. Это связано с той огромной ролью, которую они играют в процессах развития и жизни человека. Белки являются основой струк- турных элементов и тканей, поддерживают обмен веществ и энергии, участвуют в процессах роста и размножения, обеспечивают механизмы движений, развитие иммунных реакций, необходимы для функциониро- вания всех органов и систем организма. Примерно 20% веса тела со- ставляют белки. В течение 5 - 6 месяцев происходит полная замена соб- ственных белков тела человека. Резервы белков незначительны, и един- ственным источником их образования в организме являются аминокис- лоты белков пищи. Поэтому белки рассматриваются как совершенно не- заменимый компонент питания человека любого возраста. Уменьшение

суточной нормы потребления белков приводит к белковому голоданию

и быстрому расстройству здоровья. Симптомами белкового голодания являются вялость, похудение, отеки, дерматиты, анемия, снижение им-

мунитета, тяжелые нарушения функции печени и поджелудочной желе-

зы. Когда поступление белка в организм ниже, чем его выведение, раз-

вивается состояние отрицательного азотистого баланса. Длительное со- стояние отрицательного азотистого баланса характеризуется потерей мышечной массы, когда организм для поддержания жизни начинает ис- пользовать внутренние белковые резервы, что представляет непосредст- венную угрозу жизни и здоровью. Например, снижение мышечной мас-

сы сердца может вызвать тяжелые нарушения его функций. Для актив-

ных спортсменов или лиц, ведущих физически активный образ жизни,

потеря даже незначительного процента мышечной массы чревата мо-

ментальным снижением результативности. Поэтому общим требовани-

ем к безопасности ограниченных по калориям диет является отсутствие состояния отрицательного азотистого баланса и белкового дефицита.

Свойств
а живого вещества:

- всюднос
т
ь- способность быстро занимать все свободное пространст-

во;

- активн
оcть
- способность двигаться против действия внешних сил;

- самодостаточност
ь
- устойчивое существование при жизни;

- редуцентност
ь
- быстрое разложение после смерти;

- адаптируемост
ь
-
высокая степень адаптации к изменяющимся усло-

виям окружающей среды;

- реактивност
ь-
высокая скорость протекания химических реакций;

- обновляемост
ь
- высокая скорость обновления живого вещества.

Функци
и живого вещества:

- энергетическа
я
- энерговыделение и потребление

- газовая
- газовыделение и потребление

- окислительн
о
-восстановительная–
окисление-восстановление ве-

ществ

- концентрационна
я –
концентрация веществ

- деструктивна
я –
разложение сложных веществ

- транспортна
я –
перенос веществ

- средообразующая -
образование веществ окружающей среды

- рассеивающая –
рассеивание веществ

- информационна
я –
прием, сохранение, переработка, передача информации

Гипотезы о происхождении жизни на Земле можно разделить на 2 группы: абиогенные и биогенные гипотезы

. Сторонники абиогенных гипотез, например Аристотель, допускают возникновение живых орга- низмов из неорганического вещества. По мнению этих ученых для этого необходимы лишь особые условия при которых происходят качествен- ные преобразования неживой природы в живую. Также в пользу сторон- ников абиогенных гипотез свидетельствует то что по составу живое и неживое вещество состоит из одних и тех же химических элементов; кроме того в неживой природе известны случаи самоорганизации эле- ментов систем, также впечатляют успехи органической химии при ре- шении проблем синтеза полимеров. Однако экспериментальных доказа- тельств реальных условий возникновения живого вещества из неоргани- ческих веществ в настоящее время не существует.

Другая группа ученых, например Александр Иванович Опарин,

являясь сторонниками биогенных гипотез происхождения жизни на

Земле, полагают, что уже первичный «бульон», в котором зародилась жизнь, содержал органические соединения как питательную среду для дальнейшего развития. Сторонники биогенных гипотез исповедуют принцип флорентийского врача Ф.Реди, который был известен еще в ХУII веке и означает, что « все живое возникает из живого ».

Bладимир Иванович Вернадский перенес возникновение жизни за пределы Земли и допускал возможность ее появления в биосфере при

определенных условиях, заключая, что это не противоречит принципу Реди, который « ...не указывает на невозможность абиогенеза вне био- сферы ».

В.И.Вернадский считал также, что закономерным процессом эво- люции биосферы является возникновение сознания и, что, однажды воз- никнув, сознание начинает оказывать все возрастающее влияние на био-

сферу, благодаря трудовой деятельности человека. В связи с этим им было использовано понятие ноосферы. Термин «ноосфера
» или сфера разума был введен в 1927 году французским математиком и философом

Эдуардом Леруа для характеристики современной геологической стадии развития биосферы.

Ноосфера- это новое геологическое явление на Земле, в которой

человек является геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни

Ключевы
е термины

- Живые организмы - Физические факторы окружающей среды

-	Живое вещество		-		Химические факторы окружающей среды
-	Косное вещество		-		Геологические факторы окружающей среды
-	Фермент	-		Коэффициент передачи системы
-	Ноосфера	-		Биогеохимические круговороты

12. Концепции экологии

Термин «экология»

введен Э.Геккелем в 1866 году. Первоначально

он означал науку о домашнем быте живых организмов. Долгое время экология оставалась чисто биологической наукой. В настоящее время

экология является междисциплинарной наукой, изучающей проблемы взаимоотношений организмов с окружающей средой (природой), свя- зывающей физические, химические и биологические явления и, обра- зующей своеобразный мост между естественными и общественнымии

науками. Особое значение как наука экология приобрела в 70-е годы ХХ века, когда стало очевидным какую угрозу несет миру техногенная ци- вилизация. Загрязнения атмосферы, отравление рек и озер, кислотные

дожди, увеличивающиеся отходы производства, в особенности радиоак- тивные отходы, являются одними из наиболее существенных проблем , которыми занимается экология. Выделились в отдельные направления

социальная экология,историческая экология, медицинская экология, этическая экология. Создана программа всеобщего экологического обра- зования.

Уровн

и организации материи

Вселенная

супермакромир

( космос )

Г
ала
к
т
ик
и ?

С
ол
нечн
а
я система

Планеты

Земля

Эк
о
сфера

область

Эк
о
системы
экологии

С
ооб
щ
ест
ва
область

П
о
п
ул
яци
и
распространения

макромир

Организмы
жизни

Системы органов

Органы Ткани Клетки

Прото
п
лазм
а
граница жизни микромир Молекулы

А
том
ы
отсутствие жизни

Элементарные частицы

Ключевым понятием экологии является понятие «экосистема

». Экосистема представляет собой совокупность организмов, взаимодейст- вующих между собой и с окружающей средой.

В качесве совокупностей организмов выделяют вид, популяцию и сообщество. Вид

- это совокупность особей, способных скрещиваться

между собой в естественных условиях. Популяция
-
группа организмов одного вида, проживающих на одной территории. Сообщество
-
сово- купность живых организмов различных видов, проживающих на одной территории. При рассмотрении экосистем применяют среднегрупповые

cтатистические характеристики, используя вероятностное оценивание.

Область экологии распространяется на живые организмы, пред-

ставленные в иерархической структуре организации материи, начиная с уровня отдельного организма ( нижний уровень ) и заканчивая экосфе-

рой ( верхний уровень ).

Различают следующие типы экосистем: наземные и водные экоси-

стемы, эстуарии и экотоны.

Тип
ы экосистем

Наземные
(биомы ) Водные

Пруд Рифы

Лесные Степные Пустынные Озеро Река Океан

Болото Устье реки Залив океана

Экотон

представляет собой переходную область между двумя раз-

личными экосистемами, а эстуарии

- область где морская вода встреча- ется с речной. Эти разновидности экосистем отличает большое разнооб- разие видов живых организмов.

Экосистемы имеют имеют в своем составе биотические

( живые организмы ) и абиотически
е

( факторы среды ) компоненты.

Компоненты экосистем

Биотические Абиотические

продуценты консументы редуценты физические химические

Взаимодействие компонентов экосистем осуществляется по двум циклам:

малому

: продуценты деструкторы абиотические факторы

и большому

: продуценты консументы деструкторы абиотические факторы

Любой этап взаимодействий сопровождается потреблением и пре-

образованием солнечной энергии и сопровождается выделением тепло-

вой энергии в окружающую среду.

При изучении структуры экосистем наибольшее внимание уделяет-

ся анализу трофических (пищевых ) связей между популяциями живых организмов. Различают два трофических уровня:

- автотрофны

й

( верхний уровень ), характерный для растений, кото-

рые на основе фотосинтеза простые неорганические вещества преоб-

разуют в сложные органические соединения;

- гетеротрофны

й

( нижний уровень ) характерный для животных,

которые преобразуют и разлагают сложные органические соединения

в простые.

В экосистемах происходит постоянное взаимодействие автотрофных и гетеротрофных подсистем, что приводит к круговороту веществ в при- роде.

Взаимодействие между частями и целым в экосистемах исследуется двумя путями:

- изучение свойств отдельных частей и перенос их свойств на свойства

целого;

- изучение системы в целом.

Первый путь оказывается эффективным в случае, если удается раз-

делить систему на отдельные независимые части. Исследование же свойств системы как целого необходимо уже потому, что эти свойства могут отсутствовать у частей системы ( в соответствии с принципом системной эмерджентности ) и в силу этого не могут быть определены.

Экосистема- открытая система, поэтому живые организмы и окружающая среда оказывают взаимное влияние друг на друга,

обмениваясь веществом, энергией, информацией. Существуют различные гипотезы о том,что образовалось раньше: атмосфера, обогащенная кислородом или живые организмы. Согласно гипотезе Геи,

живые организмы. Согласно гипотезе Геи, выдвинутой в 1970 году фи- зиком Джеймсом Лавлоком и микробиологом Линн Маргулис, образо- вание кислорода в атмосфере в целом явилось результатом жизнедея- тельности простейших живых организмов, которые в анаэробных ( бес- кислородных ) условиях стали выделять в окружающее пространство кислород. Эта гипотеза подтверждается многочисленными фактами из истории развития органического мира, хотя и противоречит традицион- ной гипотезе о том, что жизнь на Земле возникла лишь после того как сформировалась атмосфера с достаточным для существования живых организмов содержанием кислорода.

Обмен энергией и веществом между экосистемой и средой проявля-

ется в усвоении абиотических ( неорганических ) и биотических (орга-

нических ) факторов среды. Процессы обмена в целом носят устойчивый характер и соответствуют принципу гомеостаза

, сформулированному американским физиологом Уолтером Кенноном, согласно которому все важнейшие параметры системы поддерживаются на постоянном уровне, благодаря наличию в системе обратных связей. Принцип гомеостаза, примененный к биосфере, означает, что природные системы способны поддерживать устойчивое динамическое равновесие, испытывая давле- ние со стороны живых организмов ( в частности антропогенное давле- ние).

При анализе устойчивости экосистем различают следующие виды

их устойчивости:

- инертност

ь

( выносливость живучесть ) экосистемы- способность живых систем сопротивляться различным нарушениям или изменени-

ям;

- упругост

ь

экосистемы- способность живых систем самовосстанавли-

ваться после действия внешних нарушений ( при условии что они не были катастрофическими );

- постоянств

о

экосистемы- способность живых систем сохранять свои размеры.

В природных экосистемах выполняется принцип Ле Шателье:

Пр

и возникновении внешних возмущений, нарушающих состоя- ние окружающей среды, в биоте должны возникать процессы, ком- пенсирующие это возмущение.

Реакцию живых организмов на любое сильное воздействие называ-

ют стрессом

( от англ. «напряжение» ). Стрессоры
-
факторы приводя-

щие организмы в состояние стресса.

Стрессоры

Резкое изменение	Радиоактивное	Шумовое	Голодание
температуры	излучение	загрязнение

Правило стабильности экосистемы:

Че

м выше видовое разнообразие экосистемы, тем выше ста- бильность экосистемы

,
т.к. такая экосистема имеет больше способов реагировать на различные стрессы.

При анализе динамики экосистем используется понятие сукцессии экосистем. Сукцессии

( «наследование» при биологическом развитии )- процесс, при котором сообщества видов растений и животных замеща- ются с течением времени серией различных и, как правило, более слож- ных сообществ, иначе, cукцессии- это последовательная смена биоце- нозов, преемственно возникающих на одной и той же территории в результате влияния природных или антропогенных факторов.

Сукцессии

первичные вторичные

Скальные Песчаные Вулканическая Лесные Вырубка Засуха породы дюны лава пожары леса

Первичны

е

сукцессии развиваются в течение нескольких сотен лет

на участках, лишенных почв; вторичные

- в пределах ста лет на участ-

ках с нарушениями почвы.

Ключевы
е термины

- Экосистема - Уровни организации материи

-	Типы экосистем	-
-	Вид	-

компоненты экосистем

Популяция - Сообщество

- Методы исследования экосистем

- Виды устойчивости экосистем

- Динамика экосистем

- Стресс

- Стрессоры

13. Концепции химических структур

Химическими реакциями называются явления, при которых одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных составом

и свойствами, при этом не происходит изменения состава ядер атомов.

Тип
ы химических реакций

( по признаку выделения/ поглощения теплоты
)

- экзотермические
Пример: H
2

( выделение теплоты )

- эндотермические
Пример: N
2

( поглощение теплоты )

+ C
l
2

+ O
2

= 2 H
C
l
+ Q

= 2 NO
+ Q
¯

( по признаку изменения числа исходных и конечных веществ
)

- соединения
Пример: H
C
l
+

N
H
3

= N
H
4 C
l

- разложения
Пример: 2 HJ

= N
2

+ J
2

- замещения
Пример: P
b
( N
O
3 ) 2

+ Z
n
=

Z
n
( N
O
3 ) 2

+ P
b

- обмена
Пример: A
l
2 O
3 + 3H
2 S
O
4

= Al
2 (S
O
4 ) 3 + 3H
2 O

( по признаку обратимости реакции
)

- обратимые
Пример: N
2

+ 3H
2

« 2 NH
3

- необратимые
Пример: 2 KClO
3

® 2 K
Cl
+ 3O
2

( по признаку изменения степени окисления атомов
)

- без изменения Пример: A
l
2 O
3 + 3H
2 S
O
4

= Al
2 (S
O
4 ) 3 + 3H
2 O

- окислительно- Пример: 2 KCl
O
3

восстановительные

® 2 KC
l
+ 3O
2

Закон сохранения массы вещества:

Масс

а веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. Общее число атомов остается постоянным до и после реакции.

Закон постоянства состава вещества.

Закон Дальтона ( для соединений молекулярной структуры ):

Соединени

е молекулярной структуры имеет постоянный со-

ста

в независимо от способа получения соединения.

Пример: Состав

соба получения.

C
O
2 =27% ( С ) + 73% ( О ) независимо от спо-

Закон Бертолле ( для соединений немолекулярной структуры ): Соединение немолекулярной структуры ( с атомной, ионной или кристаллической решеткой ) имеет переменный состав, который зависит от способа получения соединения.

Пример: Состав

UO
=от

U
O
0,9 до

U
O
1,3 в зависимости от темпера-

туры и давления кислорода.

Ключевы
е термины

- химическая реакция - типы химических реакций

- соединение - соединение постоянного состава

- закон Дальтона - соединение переменного состава

- закон Бертолле - закон сохранения массы вещества

14. Основные физические постоянные

Физическая постоянная	Обозначение	Значение
Скорость света в вакууме	c	2.99 *108 м/с
Постоянная Планка	h	6.62 10-34 Джс
Гравитационная постоянная	G	6.67 10-11 Нм 2 /кг 2
Число Авогадро	N a	6.02 *1023 1/моль
Универсальная газовая постоянная	R	8.31 Дж/(моль*К)
Заряд электрона	e	1.6 *10-19 Кл
Атомная единица массы	a.е.м.	1.66 *10-27 кг
Масса покоя электрона	m e	9.1*10-31 кг
Масса покоя протона	m p	1.67 *10-27 кг
Масса покоя нейтрона	m n	1.68 *10-27 кг

15. Приставки для образования кратных и дольных единиц.

Приставка	Обозначение	n	Приставка	Обозначение	n
Пета	П	+15	деци	д	-1
Тера	Т	+12	санти	с	-2
Гига	Г	+9	милли	м	-3
Мега	М	+6	микро	мк	-6
кило	к	+3	нано	н	-9
гекто	г	+2	пико	п	-12
дека	да	+1	фемто	ф	-15

16. Вопросы по курсу «Концепции современного естествознания».

1) Особенности естественнонаучного подхода к изучению природы

2) Телеологические методы познания

3) Сравнительная характеристика методов понимания и объяснения

4) Структура простейших логических выводов

5) Сходство и различие методов предвидения и объяснения. Практиче-

ское значение предвидения

6) Характер выводов, полученных из статистических законов

7) Точечная и интервальная оценка

8) Статистические свойства оценок

9) Классификация признаков исследуемого объекта

10) Типовые законы распределения случайных величин

11) Дифференциация знаний (дисциплинарный подход)

12) Интеграция знаний (междисциплинарный подход).

13) Общие приемы и принципы естественнонаучных исследований

14) Единство науки и научный метод

15) Характерные особенности механистической картины мира

16) Описание механического движения И.Ньютоном. Привести пример

17) Концепция обратимости времени в классической механике

18) Законы (принципы) классической механики

19) Сравнительная характеристика принципов классической механики и натурфилософского подхода к объяснению механического движения

20) Особенности детерминированных процессов

21) Электромагнитная картина мира. Характеристики среды

22) Особенности теории Максвелла. Микрополе и макрополе

23) Принцип близкодействия

24) Сравнительная характеристика вещества и поля. Степени свободы

25) Революция в естествознании в ХI-ХХ в.в.

26) Явление квантово-волнового дуализма

27) Планетарная модель атома

28) Принцип неопределенностей В.Гейзенберга

29) «Волновая функция» в квантовой механике

30) Влияние измерительных устройств на изучаемые процессы микро-

мира

31) Механистический принцип относительности Галилея

32) Принцип относительности А. Эйнштейна

33) Преобразования Лоренца и их связь с преобразованиями Галилея

34) Зависимость длин отрезков, интервалов времени, массы и энергии тела в релятивистской механике

35) Пространство и время в классической механике и в специальной теории относительности

36) Классификация термодинамических систем

37) Концепция необратимости процессов в замкнутых системах

38) Законы термодинамики

39) Концепция «тепловой смерти»

40) Энтропия как характеристика термодинамического состояния систе-

мы

41) Синергетические процессы. Необходимые условия их протекания

42) Принцип образования порядка через флуктуации

43) Классификация обратных связей и их влияние на устойчивость сис-

тем

44) Особенности математических моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации систем

45) Концепция атомизма

46) Универсальные (фундаментальные ) константы естествознания

47) Особенности элементарных частиц

48) Классификация взаимодействий между элементарными частицами

49) Групповые и индивидуальные характеристики элементарных частиц

50) Основания современного подхода к изучению строения материи

51) Уровни познания химических веществ

52) Закон постоянства состава Дальтона

53) Соединения постоянного и переменного состава

54) Ферменты. Их влияние на характер процессов реакций

55) Эволюция понятия химической структуры

56) Отличие молекулярной структуры живых систем от неживых

57) Механистические и редукционистские концепции жизнедеятельно-

сти

58) Роль аминокислот в живом организме

59) Роль ДНК в процессе передачи наследственной информации

60) Уровни организации живых систем

61) Эволюция представлений о биосфере

62) Структурный подход к анализу живых систем

63) Биотические и абиотические факторы биосферы

64) Классификация веществ (по В.И. Вернадскому )

65) Особенности живого вещества

66) Гипотезы о происхождении жизни на Земле. Принцип Реди

67) Антропогенное воздействие на биосферу

68) Экосистемный подход. Структура экосистем

69) Взаимодействие экосистемы с окружающей средой

70) Принцип обратной связи в экосистемах

71) Принцип избыточности экосистем

72) Виды устойчивости экосистем

73) Актуальные глобальные проблемы человечества

74) Римский клуб в решении экологических проблем. Модель современного общества Медоуза ( факторы, выводы )

75) Понятие системы. Компоненты систем.

76) Структура системы. Взаимосвязь элементов. Принцип эмерджентно-

сти.

77) Классификация систем.

17. Словарь терминов.

Адекватны
й
- вполне соответствующий

Адрон
ы-
элементарные частицы, подверженные сильному взаимо-

действию

Анали
з
-
метод исследования, состоящий в мысленном или факти-

ческом разделении целого на составные части

Аналоги
я
- подобие, сходство предметов в каких- пибо свойствах /

отношениях

Античастиц
а
-
двойник частицы: масса и спин частицы и античас-

тицы одинаковы, заряд, магнитный момент противоположны

Апори
я
- безвыходное положение, непреодолимые логические за-

труднения

Апостериорно
е знание
- знание, приобретенное из опыта

Аппроксимаци
я
- приближенное выражение какой- либо величины через другие, более простые величины

Априорны
й
- предшествующий опыту

Аргумен
т
- довод доказательства, основание вывода, с помощью которого обосновывается высказывание

Аннигиляци
я-
превращение частицы и античастицы при столкно-

вении в другие частицы

Биосфер
а-
область распространения жизни на Земле

Вероятност
ь
- степень возможности какого- либо определенного события

Выво
д
- последовательность высказываний или формул, состоящая

из аксиом,посылок и ранее доказанных высказываний (теорем). Послед- няя формула последовательности представляет собой доказуемую фор- мулу.

Высказывани
е
-
логический термин, которым обозначается смысл просто го повествовательного предложения естественного языка

Герменевтик
а
-
раздел методологии науки, связанный с истолкова-

нием текстов, их пониманием, смыслом

Гипотез
а-
предположение о причине какого- либо явления,

достоверность которого еще не доказана

Гомеоста
з
-
способность природы компенсировать антропогенное давление

Дедукци
я-
способ рассуждения от общих положений к частным выводам

Детерминиз
м
-
теория определенности, однозначности

Жив
ое вещество-
совокупность растений и животных, включая человечество

Индукци
я-
способ рассуждения от частных фактов к общим выво-

дам

Интерпретаци
я
-
истолкование, раскрытие смысла, содержания че-

го-либо

Классификаци
я
-
разбиение предметов на классы по существенным признакам

Моделировани
е
-
замена объекта исследований копией, сходной с объектом в существенных признаках

Нуклон-
общее название для протона и нейтрона

Объе
м понятия-
множество предметов, отвечающих данному по-

нятию

Ограничени
е-
логическая операция перехода от понятия с некото-

рым объемом и содержанием к понятию с меньшим объемом, но боль-

шим содержанием

Обобщени
е-
логическая операция обратная ограничению

Парадигма-
пример, образец

Понимани
е
- метод познания, раскрывающий смысл события

Поняти
е-
форма мышления, отображающая существенные призна-

ки предмета

Самоорганизация-
процесс образования нового порядка в системе

Силлогизм-
форма логического умозаключения

Симметри
я-
равновесие, баланс

Смыс
л-
содержание выражения; мысль, содержащаяся в выраже-

нии

тию

Соединени
е-
система, совокупность элементов

Содержани
е понятия-
совокупность признаков, присущих поня-

Статистик
а
-
функция выборочных значений

Суждени
е-
форма мысли, в которой что- либо утвердается или от-

рицается

Тавтологи
я-
повторение ранее сказанного в той или иной форме

Телеологи
я
-
теория,полагающая всякому развитию предопреде-

ленные цели

Умозаключени
е
-
логический вывод из совокупности посылок

Факто
р
-момент, существенное обстоятельство в каком- либо явле-

нии

Фермен
т-
катализатор в живых клетках

Энтропи
я-
мера упорядоченности системы: чем выше энтропия,тем

больше хаос

18. Литература.

18.
1 Основная литература

1) Алексеев С.И. Методические указания по курсу «Концепции современного естествознания»-М.: издательство МЭСИ, 2000.-54с.

2) Щенникова Л.С., Щенников А.А. «Концепции современного естество-знания
»: Учебно-практическое пособие/Московский государ- ственный университет экономики, статистики и информатики.-М.: МЭСИ, 1999.-84с.

3
)
http://nrc.edu.ru/est/pos/index.html
Учебное пособие по концеп-

ция
м современного естествознания.

4) http://nrc.edu.ru/est/
Систематическое изложение учебного ма-

териала по концепциям современного естествознания
: методология науки, картина мира современной физики, эволюция Вселенной, биоло- гическая картина мира.

5) Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания
.-

М.:Культура и спорт, ЮНИТИ, 1998.- 208 с.

6) Кузнецов В.И., Идлис Г.М .,Гутина В.Н.-. Естествознание-М.,

Агар , 1996

7) Рузавин Г.И .- Методы научного исследования-. М.,

Мысль,1974

8) Рузавин Г.И.- Концепции современного естествознания
-

.М., Культура и спорт, ЮНИТИ ,1997

9) Хакен Г. Синергетика.- М.: Мир, 1980.- 404 с.

10) Шредингер Э. Что такое жизнь? С точки зрения физики. -

М.:Атомиздат, 1972

18.
2 Дополнительная литература

1. Вернадский В.И. Живое вещество и биосфера.- М.: Нау-

ка,1994. - 669 с.

2. Волькенштейн М.В. Энтропия и информация.- М.: Наука,

1986.-190 с.

3. Капра Ф. Дао физики.- СПб.: Орис, 1994.- 302 с.

4. Кемп П., Армс К. Введение в биологию .- М.: Мир, 1986.-671

с.

5. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорга-

низации сложных систем.- М.: Наука, 1994.- 229 с.

6. Кузнецов В.И.- Общая химия Тенденции развития-. М., Выс-

шая школа, 1989

7. Медников Б.М. Биология: формы и уровни жизни.-

М.:Просвещение, 1995.

8. Моисеев Н.Н. Идеи естествознания и общественные науки.-

М.: ВЦ РАН, 1991.- 55 с.

9. Моисеев Н.Н. Человек и ноосфера.- М.: Молодая гвар-

дия,1990.-51с.

10. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир:

Учебник. 2-ой том.- М.: Мир, 1993.- 328 с.

11. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного: Введение.-

М.: Мир, 1990 342 с.

12. Одум Ю.- Экология.т1- М., Мир, 1986

13. Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос и квант : К решению парадокса времени.- М.: Прогресс, 1994.- 265 с.

14. Резник С. Как устроен мир // Химия и жизнь.- 1993.- № 9.- с.

14-21.

15. Степин В.С., Кузнецова Л.Ф. Научная картина мира в культу-

ре техногенной цивилизации.- М.: Институт философии РАН, 1994.-

274 с.

16. Фейнберг Е.Л. Две культуры. Интуиция и логика в искусстве и науке.- М.: Наука, 1992.- 255 с.

17. Хокинг С. От большого взрыва до черных дыр. Краткая исто-

рия времени.- М.: Мир, 1990.- 166 с.

18. Чижевский А.Л. Космический пульс жизни.- М.: Мысль, 1995.-

766 с.

19. Эфроимсон В.П. Гениальность и генетика.-М.:Русский

мир,1998.-543 с.

20. Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение.- М.: Выс-

шая школа, 1981.

21. Conceptions of Modern Natural Sciences: References

http://www.dvgu.ru/ifit/~goy/Reference.htm

Слов:	14548
Символов:	135529
Размер:	264.71 Кб.

Название реферата: Алексеев С. И. Концепции современного естествознания Москва 2003