Концепции Современного Естествознания Преподаватель Рыжиков В. Н. Контрольные задания по курсу «Концепции современного естествознания»
Скачать 3.6 Mb.
|
16. Кибернетика – общая теория управления, применяемая к любой системе взаимодействующих элементов, образующих единое целое. Основоположник кибернетики, выдающийся американский математик Норберт Винер, определял её как науку об управлении и связи в механизмах, организмах и обществе. Кибернетика, которая появилась в 50-е годы ХХ века, как наука изучает не все системы вообще, а именно управляемые системы, причем это могут быть технические, биологические, экономические, экологические системы, в которых осуществляется саморегуляция и самоуправление при помощи совокупности факторов, (таких, как передача и обмен энергии или информации), прямо или косвенно влияющих на скрытое от непосредственного наблюдения взаимодействие элементов, что и определяет результирующее поведение и общие закономерности развития этих систем как целого. При этом сами элементы большой системы могут для более детального анализа рассматриваться как подсистемы, а в других случаях большая система может оказаться элементом суперсистемы. Таким образом кибернетика, (в зависимости от масштабов поставленной задачи), представляет мир как регулируемую и самоуправляемую суперсистему с иерархической структурой элементов-подсистем, (состоящих, в свою очередь, из элементов следующего уровня и т.д.), организованную посредством взаимодействия обратных информационных и энергетических связей, обеспечивающих долговременное устойчивое её развитие как целого. Не любая система может обладать свойством управляемости. Необходимым условием наличия в ней хотя бы потенциальных возможностей к управлению является организованность системы, т.е. существование определенной иерархии структур и взаимосвязей между ними, результирующая совместная деятельность которых может интерпретироваться в терминах целесообразности поведения. Как правило, кибернетика изучает действие т.н. отрицательных обратных связей, которые представляют собой механизмы или процессы, использующие часть энергии или информации данной системы, чтобы затем вводя их в эту же систему уменьшить или подавить хаотическое влияние случайных факторов или постоянных тенденций, вызывающих разрегулировку и разупорядочение в процессах саморазвития системы. Роль отрицательных обратных связей состоит в обеспечении долговременного устойчивого состояния системы, находящейся не в статическом состоянии, а в процессе движения и развития, т.е. динамически активной системы, причем, используя энергию и информацию, эти связи должны обеспечить сохранение структурной организации системы, несмотря на хаотизирующие энтропийные процессы, обусловленные термодинамическими факторами. Рождение кибернетики как науки обычно относят к 1948 году, когда вышла в свет основополагающая книга Н. Винера («отца кибернетики») «Кибернетика или управление и связь в животном и машине», в которой излагалась общая теория управления сложными системами на основе представлений об универсальных свойствах и закономерностях поведения любых систем, независимо от их природы. В частности, именно Винер со всей определенностью выдвинул идею об универсальности и общности принципа отрицательной обратной связи как для искусственных систем автоматического регулирования различных технологических процессов, так и для биологических процессов, позволяющих живым организмам поддерживать состояние устойчивого существования (гомеостаза) при изменяющихся внешних условиях, хотя, следует заметить, что разработки по теории регулирования с обратной связью имеют почти столетнюю историю. Становление и развитие кибернетики непосредственно связано также с идеями еще двух выдающихся умов 20-го века. Один из них английский математик Алан Тьюринг, создатель теории обучения вычислительных машин, автор пионерских работ по проблемам, касающимся сущности мышления, оригинальных работ по моделированию биологических процессов и еще ряда основополагающих работ. Другой – американский математик и логик Джон фон Нейман – создатель первой цифровой вычислительной машины, автор теории игр, обосновавший возможность построения сколь угодно надежных систем из ненадежных элементов посредством введения структурной избыточности, доказавший принципиально важную теорему о способности достаточно сложных автоматов к самовоспроизведению и созданию более сложных машин, (что имеет прямые коннотации в биологии – например, принцип Дана), а также автор многих оригинальнейших исследований по проблемам квантовой механики, логики, политэкономии и социологии. Основные цели, стоящие перед кибернетикой – установить законы, общие для всех управляемых систем вообще и частные закономерности, характерные для систем данного класса, обнаружить границы, в пределах которых можно обеспечить устойчивое развитие различных систем, разработать прикладные методы, которые позволяют оптимизировать процессы тех или иных систем в заданных пределах и т.д. С учетом специфических особенностей определенных классов управляемых систем современная кибернетика разделилась на такие прикладные дисциплины, как техническая кибернетика, экономическая кибернетика и биологическая кибернетика. Если задачей кибернетики является изучение условий управляемого поведения и равновесия имеющихся структур, то проблемами самоорганизации и возникновения новых структур из хаотических состояний занимается синергетика. Синергетика (от греч. сотрудничество, совместное действие) – междисциплинарное научное направление, изучающее общие и частные закономерности процессов самоорганизации в сложных открытых неравновесных системах самой различной природы: термодинамических, биологических, экологических, экономических, социальных и т.п. В основе феномена самоорганизации в таких системах лежат внутренне присущие им спонтанность и нестабильность, которые при внешнем воздействии резонансного типа могут стать причиной лавинообразного и часто необратимого во времени процесса перехода системы из одного квазиравновесного состояния в другое, но уже совершенно нового типа, со свойствами и характеристиками (параметрами порядка), не выводимыми из свойств и характеристик предыдущих состояний и составляющих систему элементов. Возникшая в начале 70-х годов ХХ века, на основе нелинейной термодинамики, синергетика как наука общесистемного характера, приобрела со временем концептуальное значение, став основой новой эволюционно-синергетической парадигмы. Особые достижения синергетики связаны с именами выдающихся ученых ХХ века, Нобелевских лауреатов: немецкого физика специалиста по лазерам Германа Хакена (предложившего этот термин в 1973 году), бельгийского физико-химика Ильи Пригожина (исследователя диссипативных структур) и немецкого биофизика Манфреда Эйгена (создавшего теорию гиперцикла – процесса самообразования сложных органических молекул из простых компонентов). Синергетический тип мышления рисует качественно новую картину мира, представляя его, в отличие от механико-динамических детерминистских трактовок классической науки, как подвижную неравновесную систему, гармонически, конструктивно и продуктивно сочетающую в качестве своих элементов как случайные, нестабильные и хаотические, так и стабильные, упорядоченные структуры, связанные сложной сетью положительных и отрицательных обратных связей. Эта система развивается по внутренне ей присущим нелинейным законам, проявляющимся в антиэнтропийной деятельности как живых, так и неживых её частей. Неизменный, обратимый во времени и точно предсказуемый мир механического движения предметов (в представлениях Лапласа, Кирхгофа, Гельмгольца и др. последователей ньютонианства), синергетика заменила на вечно развивающийся и обновляющийся, необратимый во времени, целостный и незамкнутый мир процессов (в представлениях Спенсера, Дарвина, Бергсона, Уайтхеда, в ряде философских учений Востока и т.п.), в котором не существует резких граней между порядком и хаосом, в котором новые упорядоченные структуры рождаются из неравновесных хаотических состояний, причем последние являются принципиально необходимыми для общего саморазвития и сотворения новых форм. «Материя становится активной: она порождает необратимые процессы, а необратимые процессы организуют материю», - писал о новом синергетическом мировидении И. Пригожин и подчеркивал, что «творческая формообразующая деятельность природы» опирается не столько на закономерно повторяющиеся процессы, (что естественно), сколько на маловероятные и потому достаточно редкие. Но самое главное в «творческом процессе» природы – это использование уникальных событий, которые, согласно законам термодинамики, столь маловероятны, что случаются может быть лишь однажды, причем большинство из таких событий часто проходит без последствий. Но в благоприятном случае их реализации в специфических условиях нелинейных открытых систем (нуклеация), они порождают целую цепь событий, структур и траекторий, необратимо вписывающихся в природный контекст и выводящих всю систему к маловероятным аттракторам на новый путь развития. В свете этих философских идей, синергетика выдвинула ряд научных принципов и создала соответствующий математический аппарат, позволяющий моделировать процессы эволюции в некоторых важных химических, биологических и социальных самоорганизующихся системах. Синергетический метод интерпретации процессов самоорганизации, как внутренне присущих материальному миру, пока единственный, на основе которого можно научно ставить вопрос о естественном пути самозарождения и дальнейшем саморазвитии живого вещества в условиях Земли, хотя пока еще успехи науки в этом направлении оцениваются как весьма скромные. В современной синергетике сложился ряд ведущих научных направлений, таких как философско-методологическое, культурологическое, междисциплинарных исследований и новой системной медицины. Синергетика как наука о процессах саморазвития сложных систем постепенно занимает важные позиции в системе других естественных наук, в гуманитарных исследованиях, создает научные предпосылки для решения экологических проблем и вообще глобальных проблем современной цивилизации. В контексте культуры и образования синергетика способствует синтезу естественнонаучного и гуманитарного мышления, соединяя физику, математику, информатику и логику с изобразительным искусством, литературой, музыкой, психологией, педагогикой и эстетикой, создавая продуктивный междисциплинарный научный подход, который позволяет по-новому исследовать и интерпретировать структуру художественных текстов и прочих произведений искусства, а также предложить инновации в сфере образования. Этот новый подход, приводящий к созданию более адекватной картины мира, принципиально плюралистичен, поскольку сам мир в этой трактовке неоднозначен и недоступен описанию каким-либо одним универсальным языком. В нём есть место и динамике обратимых состояний, и термодинамике необратимых процессов, кибернетике, моделям т.н. квантового хаоса и бутстрэпа и объединяющему все эти и прочие частные подходы и модели - общеэпистемологическому принципу дополнительности. «Я назвал новую дисциплину синергетикой, - писал Г. Хакен, - не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин», а Илья Пригожин (см.) назвал этот новый постнеклассический период в современном естествознании и философии «новым диалогом человека с природой». 17. Клетка – это элементарная живая система, которая является первичной структурной основой всех живых организмов или фундаментальным уровнем структурной иерархии живого. Как один из основных структурных, функциональных и воспроизводящих элементов живого вещества, некоторые клетки способны существовать изолированно и воспроизводить себе подобных (одноклеточные организмы), другие входят в состав многоклеточных организмов или в структуру какого-либо органа, формируя более сложную живую систему. В каждой клетке различают две основные части – ядро, содержащее наследственную информацию в виде молекулы ДНК, и цитоплазму, в которой функционируют различные органеллы клетки, обеспечивающие необходимый для жизненного цикла обмен веществ (метаболизм). Клетки любого типа покрыты оболочкой, представляющей т.н. мембрану – белково-липидную структуру молекулярных размеров, роль которой, в силу её избирательной проницаемости для различных химических соединений и элементов, состоит в защите клетки от внешней среды и регуляции уровня концентрации в клетке различных продуктов обмена веществ. С термодинамической и синергетической точек зрения клетки живых организмов – это сложные саморегулирующиеся открытые неравновесные системы, осуществляющие антиэнтропийную деятельность, упорядочивая свои внутренние структуры и производя практически точные копии себе подобных. В сложных организмах существуют т.н. соматические клетки, которые отличаются по строению и функциям, выполняемым в организме – нервные клетки, мышечные, костные, секреторные и пр. Они содержат весь набор генетической информации и передают его посредством удвоения при делении дочерним клеткам (митоз). Половые клетки (гаметы), функция которых осуществлять размножение, отличаются тем, что при их делении отсутствует процесс удвоения и происходит уменьшение (редукция) числа хромосом, в результате чего передается только половина наследственной информации (мейоз). При слиянии мужских и женских половых клеток в процессе оплодотворения полное количество генетической информации, кодирующей свойства данного организма, восстанавливается. В биосфере существуют и неклеточные организмы (вирусы), а также организмы, вторично потерявшие в процессе эволюции клеточное строение (некоторые водоросли). Термин «клетка» впервые использовал в 1665 году знаменитый английский физик и изобретатель Роберт Гук (1635 – 1703), который изучал строение растений при помощи усовершенствованного им микроскопа. Однако он не сумел осознать фундаментальное значение сделанного им наблюдения. Развитие учения о клетке связано с именами двух немецких ученых – ботаника М.Я. Шлейдена (1804 – 1881), обобщившего обширные материалы о клеточном строении растений, что послужило важным подспорьем для дальнейшего прогресса в этой области, и биолога Теодора Шванна (1810 – 1882), который, изучая клетки животных и растений, обнаружил их структурное и функциональное сходство и установил, что именно клетка является общей для всех живых организмов элементарной структурной единицей их строения. В классическом труде «Микроскопические исследования о соответствии в строении и росте животных и растений», опубликованном в 1883 году, он сформулировал клеточную теорию строения живых организмов. В начале 19-го века выдающийся естествоиспытатель, основатель эмбриологии, Карл Бэр (1792 – 1876) открыл яйцеклетку у млекопитающих и изучил процесс эмбриогенеза птиц. Это открытие показало, что клетка – это универсальная структурная единица не только строения организмов, но и их развития. К особому типу организмов относятся т.н. анаэробные организмы (или анаэробы). Это живые организмы, способные существовать в условиях отсутствия свободного кислорода. Различают облигатных анаэробов, постоянно живущих в бескислородной среде, и факультативных – способных жить как в условиях отсутствия кислорода, так и при его наличии. Представлены некоторыми видами бактерий, дрожжей, инфузорий, червей (в частности, к ним относится кишечная палочка, обеспечивающая процесс пищеварения у высших организмов). Типичными представителями являются также сине-зеленые водоросли, которые рассматриваются в теории происхождения биосферы как одни из первых форм живого вещества. На ранних стадиях формирования биосферы они осуществляли реакцию фотосинтеза, поглощая углекислый газ, которого в первичной атмосфере Земли было в избытке, и выделяя кислород, которого в ней не было. Таким образом, весь кислород земной атмосферы имеет биологическое происхождение. Следующую стадию эволюции открывают аэробные организмы. Аэробные организмы (или аэробы) – это живые организмы, способные (в отличие от анаэробных) активно существовать и развиваться только при наличии свободного молекулярного кислорода, в частности, атмосферного. К ним относятся все эукариоты – высшие и низшие животные, растения, грибы и большинство микроорганизмов. Аэробы появились на Земле и стали бурно развиваться примерно 600 млн. лет назад (Кембрийский период по геохронологической шкале), когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от нынешнего уровня (первая критическая стадия развития жизни). По генетической классификации организмы делятся на прокариотов и эукариотов. Прокариоты – это примитивные анаэробные организмы, не обладающие, в отличие от эукариотов, оформленным клеточным ядром и обычным хромосомным аппаратом. Типичные представители – сине-зеленые водоросли, которые рассматриваются в теории происхождения биосферы как первые представители живого вещества. Они способны осуществлять реакцию фотосинтеза, поглощая углекислый газ, которого в первичной атмосфере Земли было в избытке, и выделяя кислород. Наследственная информация передается у прокариотов посредством ДНК, но, в отличие от эукариотов, этот процесс проще и при простом клеточном делении воспроизводится полная копия предыдущего организма. Интересно то, что, образно говоря, смерть в генетический аппарат прокариотов не встроена, - их можно уничтожить, но биологически прокариоты бессмертны и могут существовать и размножаться в подходящих условиях неограниченно долго, тогда как клетки эукариотов могут выдержать конечное число делений до своей биологической кончины. Прокариотная биосфера, по современным данным, существовала на Земле около 3,5 млрд. лет, до тех пор, пока количество кислорода в атмосфере не достигло такой концентрации, когда могли не только появиться, но и активно развиваться более сложноорганизованные эукариотные организмы, использующие кислородное дыхание. Примерно 600 млн. лет назад концентрация кислорода в атмосфере Земли, созданного прокариотами, достигла т.н. точки Пастера (около 1% от нынешней), когда кислородное дыхание становится более чем на порядок эффективнее анаэробного в процессах усвоения солнечной энергии. Такого, а далее всё возрастающего, количества кислорода стало достаточно, чтобы приспособительные преимущества перешли к эукариотам, которые и составляют в настоящее время практически всё живое вещество биосферы. Эукариоты – это организмы, обладающие, в отличие от прокариотов, самостоятельным, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы клетки ядерной оболочкой. Представлены всеми животными и подавляющим большинством растений. Появились в биосфере Земли около 600 млн. лет назад, в начале Палеозойской эры по геохронологической шкале, когда концентрация кислорода в атмосфере достигла примерно 0,2%. Нет научных оснований считать, что эукариоты возникли независимо от существовавшей в то время мощной прокариотной среды, однако, нет и никаких данных о существовании переходных форм. Согласно современным синергетическим идеям об универсальном характере процессов самоорганизации в сложных неравновесных системах, возникновение эукариотов представляется как специфическая бифуркация в эволюции земной биосферы, направившая траекторию её развития к одному из возможных аттракторов. Еще через 200 млн. лет, когда концентрация кислорода возросла до приблизительно 2% и возник озоновый слой, экранирующий поверхность земли от жесткого ультрафиолета, эукариотные организмы стали выходить из воды и занимать сушу. Поскольку резко возросла и эффективность фотосинтеза, темп пополнения атмосферы кислородом усилился по экспоненте, и анаэробные прокариоты были практически полностью вытеснены из биосферы. Генетический материал эукариотов заключен в хромосомах и передается посредством полового размножения. Более сложные и высокоорганизованные эукариоты биологически смертны, однако именно это обстоятельство плюс особенности передачи генетической информации резко интенсифицировали необратимый во времени эволюционный процесс и постепенно привели биосферу к чрезвычайному разнообразию существующих видов живых организмов. |
Похожие:
 | Аннотация к рабочей программе учебной дисциплины «Концепции современного естествознания» Дисциплина «Концепции современного естествознания» входит в цикл Математических и естественнонаучных дисциплин (Б. 2) |  | Методическая разработка по дисциплине «Концепции современного естествознания» Дисциплина «Концепции современного естествознания», согласно государственному образовательному стандарту, является обязательной для... |
| Рабочая программа дисциплины концепции современного естествознания... Рабочая программа учебной дисциплины «Концепции современного естествознания» подготовлена Голигузовым Д. В., к ф н., доцентом кафедры... | | С. П. Филин Концепции современного естествознания: конспект лекций Конспект лекций соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования РФ и... |
| Учебно-методический комплекс на модульной основе дисциплины «концепции... Целью курса «Концепции современного естествознания» является обеспечение фундаментальности и целостности высшего образования, что,... | | Программа дисциплины «Концепции современного естествознания» Программа дисциплины «Концепции современного естествознания» разработана доцентом кафедры прикладной и медицинской физики, к ф м... |
| Методические рекомендации к самостоятельной работе студентов по дисциплине... Содержание внеаудиторной самостоятельной работы студентов по дисциплине «концепции современного естествознания» включает в себя различные... | | Методические рекомендации к самостоятельной работе студентов по дисциплине... Содержание внеаудиторной самостоятельной работы студентов по дисциплине «концепции современного естествознания» включает в себя различные... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине Концепции современного... Учебно-методический комплекс по дисциплине «Концепции современного естествознания» составлен в соответствии с требованиями Государственного... | | Концепции Современного Естествознания методические рекомендации Главное в такой работе – показать владение концептуальным аппаратом современного естествознания, умение видеть широкие взаимосвязи... |
| Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями гос впо... Дубов В. П. Концепции современного естествознания. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов специальности 032001.... | | Пояснительная записка требования гос к уровню знаний, умений и навыков,... Т. В. Сазанова. Концепции современного естествознания: Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов озо специальности... |
| «Концепции современного естествознания» Учебное пособие обсуждено на заседании кафедры статистики, эконометрики и естествознания 24. 06. 11, протокол №11 | | Программа дисциплины Концепции современного естествознания для... Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов направления подготовки бакалавра... |
| Методическая разработка по дисциплине «Концепции современного естествознания» Методические рекомендации для выполнения индивидуальной работы №1 – реферата на тему «Актуальные проблемы естествознания» 34 | | Методическая разработка по дисциплине «Концепции современного естествознания» Методические рекомендации для выполнения индивидуальной работы №1 – реферата на тему «Актуальные проблемы естествознания» 34 |
