Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания»
Скачать 0.84 Mb.
|
Одно из основных понятий своей теории эволюции - понятие "борьба за существование" - Дарвин употреблял для обозначения отношений между организмами, а также отношений между организмами и абиотическими условиями, приводящих к гибели менее приспособленных и выживанию более приспособленных особей. Понятие "борьба за существование" отражает те факты, что каждый вид производит больше особей, чем их доживает до взрослого состояния, и что каждая особь в течение своей жизнедеятельности вступает в множество отношений с биотическими и абиотическими факторами среды. Дарвин выделил две основные формы изменчивости: - определенную изменчивость - способность всех особей одного и того же вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (климат, почву); - неопределенную изменчивость, характер которой не соответствует изменениям внешних условий. В современной терминологии неопределенная изменчивость называется мутацией. Мутация - неопределенная изменчивость в отличие от определенной носит наследственный характер. По Дарвину, незначительные изменения в первом поколении усиливаются в последующих. Дарвин подчеркивал, что решающую роль в эволюции играет именно неопределенная изменчивость. Она связана обычно с вредными и нейтральными мутациями, но возможны и такие мутации, которые оказываюся перспективными. Неизбежным результатом борьбы за существование и наследственной изменчивости организмов, по Дарвину, является процесс выживания и воспроизведения организмов, наиболее приспособленных к условиям среды, и гибели в ходе эволюции неприспособленных - естественный отбор. Механизм естественного отбора в природе действует аналогично селекционерам, т.е. складывает незначительные и неопределенные индивидуальные различия и формирует из них у организмов необходимые приспособления, а также межвидовые различия. Этот механизм выбраковывает ненужные формы и образовывает новые виды. Тезис о естественном отборе наряду с принципами борьбы за существование, наследственности и изменчивости - основа дарвиновской теории эволюции. Во времена Дарвина наследственность представляли как некое общее свойство организма, присущее ему как целому. В связи с этим шотландский инженер Флеминг Дженкин вошел в историю биологии, выдвинув возражения против теории Дарвина. Он считал, что новые полезные признаки некоторых особей данного вида должны быстро исчезнуть при скрещивании с другими, более многочисленными особями. Возражения Дженкина сам Дарвин считал очень серьезным, окрестив "кошмаром Дженкина". Эти возражения были опровергнуты только когда стало ясно, что аппарат наследственности сформирован отдельными структурными и функциональными единицами - генами. Тема 5. (4 часа) В период, предшествовавший оформлению науки в ее современном понимании, появился целый ряд сочинений, авторы которых пытались, исходя из естественных закономерностей, проследить историю мира от возникновения небесных тел до появления животных и человека. В настоящее время сформировалась новая научная программа исследований – программа универсального эволюционизма, включающая в себя: • разработку общетеоретических положений о механизмах развития природных и социальных систем; • анализ и переосмысление данных естественных и социальных наук в рамках единого эволюционного подхода; • приложение полученных результатов к поиску решения насущных социально-экологических проблем современной цивилизации. Основные положения универсального эволюционизма. 1. Вселенная не просто существует, но и может существовать лишь в развитии. 2. Развитие Вселенной объяснимо внутренними по отношению к ней факторами, действующими объективно и познаваемыми рационально. 3. В мире действуют принципы отбора, выделяющие из всех мыслимых состояний некоторое множество допустимых. 4. На ход всех процессов во Вселенной неизбежно влияют случайные факторы. 5. Развитие материальных объектов неизбежно приводит к точкам бифуркации, из которых возможен переход в различные состояния. 6. Упорядоченные диссипативные структуры, возникающие в результате самоорганизации, в отличие от кристаллов или технических устройств поддерживают свое существование путем непрерывного самовоспроизводства – автопоэзиса. 7. Эволюция – нечто большее, чем развитие структур на фоне неизменной окружающей среды. Самоорганизуясь и самовоспроизводясь, диссипативные структуры неизбежно изменяют саму окружающую среду. В ХХ в. был разработан теоретический язык, адекватно описывающий иерархические природные структуры, которые возникают в ходе эволюционного развития. Основное понятие этого языка – понятие фрактала. Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому. Основное свойство фракталов – самоподобие. Любой микроскопический фрагмент фрактала в том или ином отношении воспроизводит его глобальную структуру. В простейшем случае часть фрактала представляет собой просто уменьшенный целый фрактал. Фракталы очень тесно связаны с динамическим хаосом. Если динамическая система (например, метеорит в окрестностях двойной звезды или фондовый рынок) начинает вести себя хаотически, то ее траектории превращаются во фракталы. Тема 6. (4 часа) В середине ХIХ в. был открыт второй закон (второе начало) термодинамики, который определяет общее направление превращений энергии в нашем мире. Среди других фундаментальных физических законов он стоит несколько особняком. Во-первых, наиболее фундаментальные законы физики – это, как правило, законы сохранения той или иной физической величины. Сохранение, постоянство чего-либо означает эквивалентность прошлого и будущего, их полную симметричность. Во-вторых, известно много формулировок второго закона. Они полностью эквивалентны в смысле формальной логики, т.е. любая из них влечет за собой все остальные формулировки как следствия. Существует физическая величина – энтропия, которая в замкнутой системе с течением времени может только возрастать. Понятие энтропии, как и неразрывно связанное с ним второе начало термодинамики, имеет чрезвычайно много граней и смыслов. Энтропия не есть некое расплывчатое общефилософское понятие типа «идея», «стремление» и т.п. Нет, это нормальная физическая величина, поддающаяся точному измерению и вычислению. Разные формы энергии также обладают разным качеством. О качестве энергии легче всего судить по легкости ее превращения в другие формы. Не представляет проблемы, например, превращение энергии электрического тока в равное количество тепловой энергии. Можно выстроить иерархию различных форм энергии по ее качеству. На верхних ступенях, кроме электрической, находится, например, механическая энергия. Чуть ниже по качеству химическая энергия, заключенная, например, в бензине или в аккумуляторах. Самым низким качеством обладает энергия тепловая, причем качество ее тем ниже, чем ниже температура тела. Установлено, что если система обладает запасом энергии U, то в полезную работу можно превратить не весь этот запас, а лишь его часть, которая называется свободной энергией. Свободную энергию F и следует считать мерой качества энергетического запаса системы. Видно, что она тем меньше, чем больше энтропия S. Поэтому: • энтропия системы является мерой некачественности ее энергетического запаса; • энергетический запас замкнутой системы, оставаясь неизменным количественно, с течением времени неуклонно ухудшается качественно. Энергетические проблемы цивилизации заключаются не в том, чтобы найти источник энергии для удовлетворения потребностей человека, а в том, чтобы найти источник энергии высококачественной. Термодинамика утверждает, что в мировых процессах преобладает тенденция к деградации. В этом заключается основной парадокс эволюционной картины мира. На самом же деле парадокса, понимаемого как противоречие между буквой закона возрастания энтропии и закона биологической эволюции, не существует. Дело в том, что второй закон термодинамики в своем буквальном смысле установлен для замкнутых систем. Однако ни один живой организм или сообщество организмов принципиально не может рассматриваться как замкнутая система. Земля не является замкнутой системой. Постоянный обмен энергией с космическим окружением позволяет нашей планете соблюдать отрицательный энтропийный баланс и создает необходимые условия для химической, биологической и социальной эволюции в геосфере. Установление второго закона термодинамики привело к осознанию еще одной фундаментальной проблемы мировоззренческого значения, которая получила название проблемы «тепловой смерти Вселенной». Она не нашла окончательного разрешения и до сих пор. Одну из наиболее последовательных и логически обоснованных попыток решения проблемы ТСВ предпринял Л.Больцман. Он исходил из преобладавшего в конце ХIХ – начале ХХ в. представления о том, что Вселенная является бесконечной (или практически бесконечной) в пространстве и вечной (или практически вечной) во времени. Вечность Вселенной предполагает, что к любому данному моменту времени она в соответствии со вторым законом термодинамики должна была уже прийти в состояние с максимальной энтропией. Однако Больцман обращает внимание на статистический характер второго закона, который не запрещает флуктуаций, случайных самопроизвольных отклонений от наиболее вероятного состояния. Флуктуационная гипотеза Больцмана заключалась в том, что мы живем как раз внутри такой гигантской флуктуации, приведшей к локальному понижению энтропии. Современный уровень научных знаний еще недостаточен для ответа на вопрос, почему наша Вселенная такова, какова она есть. Но того, что мы знаем, уже достаточно, чтобы попытаться представить, какой могла мы быть Вселенная, если бы ее физические свойства были иными. Физические свойства Вселенной определяются значениями фундаментальных констант (например, величиной элементарного электрического заряда, скорости света, масс электрона, протона и нейтрона, постоянной всемирного тяготения и т.д.) и некоторыми другими характеристиками, такими как размерность пространства-времени (в нашем мире пространство трехмерно, а время одномерно). Установлено, что небольшого отклонения любого из свойств Вселенной от его действующего значения было бы достаточно, чтобы существование сколько-нибудь сложных структур, в том числе человека, стало невозможным. Например, если бы разность между массами протона и нейтрона была чуть больше, то нейтроны полностью исчезли бы («вымерзли») на заре истории Вселенной, и тогда в ней мог бы существовать только один химический элемент, водород. Но реальная Вселенная оказывается строенной точно под человека! Для объяснения этого факта и был выдвинут антропный принцип, который в так называемой «слабой» формулировке гласит: Мы наблюдаем Вселенную с данными свойствами, потому что Вселенная с другими свойствами не содержала бы наблюдателей. В «сильной» формулировке антропного принципа утверждается, что существование человека напрямую воздействует на свойства Вселенной. Термодинамика не запрещает эволюционных явлений при условии, что система, в которой они происходят, открыта окружающему миру. Но термодинамика ничего не говорит о том, насколько неизбежна самоорганизация в открытых системах и каким закономерностям должен подчиняться процесс самоорганизации. Синергетика – это междисциплинарное направление научных исследований, предмет которого – общие закономерности самоорганизации в природных и социальных системах. Синергетика рассматривает системы самой разнообразной природы – физические, химические, биологические, социальные, - процессы самоорганизации в которых, как выяснилось, описываются одними и теми же математическими моделями и, следовательно, подчиняются универсальным закономерностям. В 1900 г. появилась статья французского физика Бенара, изучавшего теплоперенос в жидкости. Бенар наливал спермацетовое масло в сосуд, подогреваемый снизу. Характер переноса тепла между верхним и нижним слоями жидкости зависит от интенсивности нагрева, который определяет разность температур между ними, ∆Т. При слабом нагреве сама жидкость неподвижна, переносится лишь тепловая энергия за счет теплопроводности. По мере повышения интенсивности нагрева (увеличения ∆Т) все большую роль начинает играть конвекция: нагретая жидкость расширяется, становится более легкой и стремится всплыть вверх. На смену опускаются более холодные и плотные слои. Однако это происходит спорадически: восходящие потоки возникают то в одном месте, то в другом и существуют недолго. Конвекция идет в хаотическом режиме. Когда разность температур ∆Т достигает некоторого критического значения, картина меняется принципиальным образом. Весь объем жидкости разделяется на одинаковые ячейки, в каждой из которых происходит уже незатухающее конвекционное движение частиц жидкости по замкнутым траекториям. В условиях опыта Бенара конвекционные ячейки имели форму почти правильных шестиугольников, так что приводимые в его статье фотографии показывают эффектную структуру, очень похожую на пчелиные соты. В центре каждой ячейки нагретая жидкость поднималась снизу вверх, а вдоль границ ячеек – опускалась сверху вниз. Процессы самоорганизации в подогреваемой снизу жидкости не заканчиваются образованием конвективных ячеек. При достижении критической разности температур ∆Т1>∆ТС ячейки Бенара начинают колебаться с определенной частотой. При этом периодически меняется и температура жидкости в них. В 1951 г. Б.П.Белоусов, изучая простую реакцию между броматом калия и лимонной кислотой в присутствии катализатора, обнаружил, что она идет не монотонно, как обычные реакции. Окраска реакционной смеси изменялась от исходной бесцветной до конечной желтой – и обратно! Белоусов наблюдал несколько десятков периодов колебаний. Аналогично явлению Бенара реакция Белоусова не стала фундаментальным химическим открытием, т.е. таким, которое заставляет создавать новую теорию. А.М. Жаботинский показал, что колебательный режим реакции допускается обычными уравнениями химической кинетики, если хотя бы одна из промежуточных стадий реакции является автокаталитической, т.е. если какой-то из ее продуктов ее же ускоряет. Одно из главных достижений синергетики – выяснение условий, выполнение которых необходимо для начала самоорганизации в системе любой природы. Подчеркнем, что эти условия – необходимые, т.е. если хотя бы одно из них не выполнено, никаких упорядоченных структур в системе не возникнет наверняка. К сожалению, до сих пор неизвестны достаточные условия, выполнение которых гарантировало бы начало самоорганизации. Система должна быть неравновесной. Основным признаком неравновесности является протекание сквозь систему потоков энергии и вещества, вызываемых температурными, химическими и иными градиентами. Система должна быть сильно неравновесной. Физическая теория неравновесных систем, неравновесная термодинамика, начала развиваться в середине ХIХ в., однако в течение почти ста лет считалось, что все процессы в таких системах приводят лишь к разрушению структур, сглаживанию неоднородностей. Все живые организмы являются сильно неравновесными системами. Ячейки Бенара возникают только при достаточно большом перепаде температур ∆Т. Реакция Белоусова-Жаботинского входит в колебательный режим лишь при достаточно высоких концентрациях реагентов. Система должна быть нелинейной. Термодинамику слабо неравновесных систем называют еще линейной. Тогда теория сильно неравновесных структур должна быть нелинейной. Формальное определение нелинейной системы таково: Нелинейной называется система, поведение которой описывается нелинейными математическими уравнениями. Поведение системы, в которой происходит самоорганизация, удобно рассматривать с помощью бифуркационной диаграммы. |
Похожие:
 | Учебно-методический комплекс по дисциплине Концепции современного... Учебно-методический комплекс по дисциплине «Концепции современного естествознания» составлен в соответствии с требованиями Государственного... | | Учебно-методический комплекс на модульной основе дисциплины «концепции... Целью курса «Концепции современного естествознания» является обеспечение фундаментальности и целостности высшего образования, что,... |
| 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... |  | Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями гос впо... Дубов В. П. Концепции современного естествознания. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов специальности 032001.... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «Концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... | | Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... | | Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... | | Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины Протокол согласования рабочей программы дисциплины «Концепции современного естествознания» | | Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания... ... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... | | Учебно-методический комплекс дисциплины «Концепции современного естествознания» Контрольный экземпляр находится на кафедре биохимии, микробиологии и биотехнологии |
| Рабочая программа дисциплины концепции современного естествознания... Рабочая программа учебной дисциплины «Концепции современного естествознания» подготовлена Голигузовым Д. В., к ф н., доцентом кафедры... | | Учебно-методический комплекс дисциплины «Концепции современного естествознания» Рабочая программа составлена на основании типовой программы гос впо и авторских разработок |
