Концепции современного естествознания

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Преподаватели: , ,

Предмет, задачи и особенности современного естествознания

Естествознание – это комплекс наук, изучающих явления и законы природы. Современное естествознание включает в себя множество естественнонаучных отраслей: физику, астрономию, химию, биологию, геологию, экологию и др. С одной стороны, сегодня происходит процесс интеграции наук, что привело к созданию наук, стоящих на стыке различных естественно-научных отраслей, таких как биофизика, физическая химия, химическая физика, астрофизика, геохимия и др., а, с другой стороны, происходит дифференциация наук, т. е. выделение в рамках какой-либо из естественных наук, отраслей, занимающихся более конкретными проблемами. Так, в физике можно выделить физику плазмы, кристаллографию, физику космических лучей и др. Исследования в этих отраслях физики носят столь глобальный характер, что эти науки давно уже приобрели самостоятельный статус.

Огромную роль в естествознании играет математика. Именно благодаря математике естествознание стало современным. Математика – это формальный язык естествознания. Сегодня основу всех естественнонаучных теорий составляет математическое описание со стройной логической структурой.

Знания, а, следовательно, и науки бывают естественные и гуманитарные. Для отдельного человека вопрос различения знаний оборачивается главным образом проблемой выбора рода занятий, профессии, формирования культурных навыков и привычек. Для общества в целом проблемы выбора нет, но есть проблема совмещения, взаимосогласованности и гармонии ценностей двух типов культур естественно-научной и гуманитарной.

Само понятие «культура» является сложным и многогранным, понятием, которое вызывает многочисленные споры. Нов самом простом смысле, культура – это совокупность созданных человеком материальных и духовных ценностей, а также сама человеческая способность эти ценности производить и использовать.

С помощью данного понятия обычно подчеркивают надприродный, чисто социальный характер человеческого бытия. Культура – это все то, что создано человеком как бы в добавление к природному миру, хотя и на основе последнего. Но, в то же время, мир человеческой культуры существует не рядом с природным, а внутри него и потому неразрывно с ним связан. Следовательно, всякий предмет культуры в принципе можно разложить, как минимум, на две составляющие – природную основу и его социальное содержание и оформление.

Именно эта двойственность мира культуры и является в итоге основанием возникновения двух ее типов: естественнонаучного и гуманитарного. Первый изучает явления и законы природы, а второй – общество в целом и роль человека в обществе.

В таблице 1 приведены критерии различия гуманитарного и естественнонаучного знания.

Таблица 1.

Критерии различения естественнонаучного и гуманитарного Знания

Критерии различения	Естественные науки	Гуманитарные науки
1	2	3
Объект исследования	Природа	Человек, общество
Ведущая функция	Объяснение (истины доказываются)	Понимание (истины истолковываются)
Характер методологии	Генерализирующий (обобщающий)	Индивидуализирующий
Влияние ценностей	Малозаметно, неявно	Существенно, открыто
Антропоцентризм	Изгоняется	Неизбежен
Идеологическая нагрузка	Идеологический нейтралитет	Идеологическая нагруженность
Взаимоотношения субъекта и объекта познания	Строго разделены	Частично совпадают
Количественно – качественные характеристики	Преобладание количественных оценок	Преобладание качественных оценок
Применение экспериментальных методов	Составляет основу методологии	Затруднено
Характер объекта исследования	а) материальный; в)относительно устойчивый	а)больше идеальный, чем материальный; в)относительно изменчивый

Таким образом, гуманитарные и естественные науки весьма серьезно разделены. Но, несмотря на то, что размежевание этих культур приняло драматические формы, особенно в наши дни, они изначально взаимосвязаны и взаимозависимы. Они нуждаются друг в друге как наши правая и левая руки, как слух и зрение и т. д. Они не столько противоположны, сколько, согласно принципу дополнительности Нильса Бора, взаимодополнительны.

Сегодня человечество снова приходит к мысли, что современное образование должно быть целостным, т. е. включать и естественнонаучные, и гуманитарные знания. Но в XXI веке объем необходимой для изучения информации чрезвычайно велик. В связи с этим возникает вопрос: «Как ее изучать »? А вслед за ним и другой вопрос: «А можно ли вообще ее изучить»? Оказывается можно, если излагать естественнонаучные знания в рамках концепций, т. е. основопологающих идей и системного подхода. В основу дисциплины «Концепции современного естествознания» и положен концептуальный принцип, который позволяет на уровне основополагающих идей и системного подхода сформировать естественно-научное мировоззрение.

Ценность науки обычно рассматривается с двух точек зрения: что наука дает людям для улучшения их жизни, и что наука дает небольшой группе людей, изучающих природу и желающих знать, как устроен окружающий их мир? Ценной в первом случае является прикладная наука, а во втором – фундаментальная. Фундаментальные и прикладные науки тесно связаны между собой. Довольно часто, ученый, занимаясь какой-то конкретной задачей, открывает фундаментальные законы природы.

В разделе прикладных наук особое место занимают технические науки. К ним относятся электротехника, энергетика, материаловедение, металлургия и др. Предмет их исследований – техника, технология, материалы. Главной особенностью технических наук считается то, что конечной их целью выступает не познание истины о природных процессах, а эффективное использование этих процессов в производственной и иной деятельности человека.

Сильное государство всегда тратит много денег на фундаментальные исследования, несмотря на то, что выгоду от них можно получить только через многие годы. Ценность фундаментальных исследований заключается не только в возможной выгоде от них, но и в том, что они позволяют поддерживать высокий научный уровень прикладных исследований.

В основе естественнонаучного познания лежат три основные положения:

1) в основе естественнонаучного познания лежит причинно-следственная связь;

2) истинность естественнонаучных знаний подтверждается экспериментом;

3) любое естественнонаучное знание относительно.

Эти положения соответствуют трем основным стадиям или этапам естественно–научного познания. На первом этапе устанавливается причинно-следственная связь в соответствии с принципом причинности. В современном понимании причинность означает связь между отдельными составляющими видов и форм материи в процессе ее движения и развития. Возникновение любых объектов и систем, а также изменение их свойств во времени, имеют свои основания в предшествующих состояниях материи в процессе ее движения и развития. Эти основания называются причинами, а вызванные ими изменения – следствиями. Причинно-следственная связь является основой не только естественнонаучного познания, но и любой другой деятельности человека.

Вторая стадия познания заключается в проведении эксперимента. Критерий естественнонаучной истины – эксперимент. Эксперимент – это высшая инстанция естествоиспытателей, и его приговор не подлежит пересмотру.

Любые естественнонаучные знания (понятия, идеи, концепции, модели, теории, экспериментальные результаты и т. п.) ограничены и относительны. Определение границ соответствия и относительности естественнонаучных знаний является третьей стадией естественнонаучного познания. Например, установленная граница соответствия, называемая иногда интервалом адекватности, для классической механики означает, что ее законы описывают движение макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света в вакууме.

Весь процесс развития естествознания – это последовательное приближение к абсолютной истине.

Эксперимент сегодня составляет основу естествознания, является наиболее эффективным и действенным способом познания. Для современного эксперимента характерно: возрастание роли теории при подготовке к эксперименту; сложность технической аппаратуры и масштабность.

Если есть возможность, эксперимент повторяют: воспроизводимость результатов – веский аргумент в пользу правильности полученных данных, позволяющий исключить случайную ошибку. Огромную роль при проведении эксперимента играет измерение. Можно сказать, что почти вся история естественных наук – это в значительной мере придумывание и реализация различных способов измерений. С течением времени точность возрастает, а погрешности измерений – уменьшаются. Это приводит к тому, что уже сегодня человек может заглянуть и в глубину Вселенной и внутрь молекулы, а успехи ученых в области нанотехнологий столь велики, что скоро человек заглянет внутрь атома.

После того, как получены экспериментальные данные, ученый приступает к их анализу и обработке. В физике этот процесс, как правило, представляет собой составление и решение уравнений. Далее следует построение моделей. Следующий шаг – создание теории явления, которая не только подводит итог всему сделанному, но и рисует перспективы для дальнейшего исследования. Основой или фундаментом, теории служат опытные данные. Ярусом выше располагаются гипотезы, допущения и аксиомы, общие законы – «строительный материал» моделей, образующих следующий уровень. Правила логического вывода служат своего рода лестницами, соединяющими различные ярусы. В верхнем ярусе располагаются теории, выводимые из всего, что лежит ниже.

Результаты теории в какой-то момент могут передаваться инженерам, которые воплощают их в новые технические приборы, инструменты, позволяющие задавать природе новые вопросы. Цикл повторяется сначала, но не по замкнутому кругу, а по развертывающейся – с каждым разом все шире и шире – спирали. Процесс познания бесконечен.

В современном понимании методология естествознания – это учение о принципах построения, формах и способах естественнонаучного познания.

Метод – это совокупность приемов, или операций, практической или теоретической деятельности.

Метод неразрывно связан с теорией. Неразрывная связь метода и теории выражается в методологической роли естественнонаучных законов. Например, законы сохранения в естествознании составляют методологический принцип, требующий обязательного их учета при соответствующих теоретических операциях; рефлекторная теория высшей нервной деятельности служит одним из методов исследования поведения животных и человека.

Различные методы отраслей естествознания (физики, химии, биологии и т. п.) являются частными по отношению к общему диалектическому методу познания. Каждая отрасль естествознания, имея свой предмет изучения и свои теоретические принципы, применяет свои специальные методы. Применяемые специальные методы, например, в археологии или географии обычно не выходят за пределы этих наук. В то же время физические и химические методы, применяются не только в физике и химии, но и ряде других наук, например, астрономии, биологии, археологии. Применение метода какой-либо отрасли науки в других отраслях возможно потому, что их объекты подчиняются законам этой науки. Например, физические и химические методы применяются в биологии на том основании, что объекты биологического исследования включают в себя в том или ином виде физические и химические формы движения материи.

Приведем определения методов, которые используются практически во всех отраслях естествознания.

Сравнение – это установление сходства и различия объектов.

Сравнение лежит в основе многих естественнонаучных измерений, составляющих неотъемлемую часть любых экспериментов. Сравнивая объекты между собой, человек получает возможность правильно ориентироваться в окружающем нас мире.

Процесс естественнонаучного познания совершается таким образом, что мы сначала наблюдаем общую картину изучаемого объекта, в которой частности остаются в тени. При таком наблюдении нельзя познать внутреннюю структуру объекта.

Анализ представляет собой мысленное или реальное разложение объекта на составляющие его части.

Когда путем анализа частности достаточно изучены, наступает следующая стадия познания – синтез.

Синтез – это объединение в единое целое расчлененных анализом элементов.

Анализ фиксирует в основном то специфическое, что отличает части друг от друга. Синтез вскрывает то общее, что связывает части в единое целое.

Каждый изучаемый объект характеризуется множеством свойств и связей с другими объектами. В процессе естественнонаучного познания возникает необходимость сконцентрировать внимание на одной какой-либо стороне или свойстве изучаемого объекта и отвлечься от ряда других его качеств или свойств.

Абстрагирование – это мысленное выделение какого-либо предмета, в отвлечении от его связей с другими предметами, какого-либо свойства предмета в отвлечении от других его свойств, какого-либо отношения предметов в отвлечении от самих предметов.

Абстрагирование составляет необходимое условие возникновения и развития любой науки и человеческого познания вообще. Иоганну Кеплеру были неважны красноватый цвет Марса или температура поверхности Солнца для установления законов обращения планет. Когда Луи де Бройль устанавливал связь между свойствами электрона как частицы и как волны, он имел полное право не интересоваться никакими другими свойствами этой частицы.

Важным приемом естественнонаучного познания окружающего мира является идеализация как специфический вид абстрагирования.

Идеализация – это мысленное образование абстрактных объектов, не существующих и не осуществимых в действительности, но для которых имеются прообразы в реальном мире.

Фактически, идеализация – это создание моделей, позволяющих лучше познать окружающий нас мир. Примерами идеализированных понятий являются: «материальная точка», «точечный электрический заряд», «идеальный газ», «абсолютно черное тело» и т. д.

Важной задачей любого естественнонаучного познания является обобщение.

Обобщение – это процесс мысленного перехода от единичного к общему, от менее общего к более общему.

Примерами обобщения являются: мысленный переход от понятия «треугольник» к понятию «многоугольник», от понятия «механическая форма движения материи» к понятию «форма движения материи» и т. д.

Процесс естественнонаучного познания осуществляется двумя взаимосвязанными путями: путем восхождения от конкретного к абстрактному и наоборот.

Под абстрактным понимается одностороннее, неполное отражение объекта в сознании. Конкретное же знание есть отражение реальной взаимосвязи элементов объекта в системе целого, рассмотрение его со всех сторон, в развитии, со всеми свойственными ему противоречиями.

Конкретное – это результат научного исследования, отражение объективной действительности в системе понятий и категорий. Методом теоретического познания объекта как целого является восхождение от абстрактного к конкретному.

В природе самого понимания фактов лежит аналогия, связывающая неизвестное с известным. Новое легче осмысливается и понимается через образы и понятия старого, известного.

Аналогией называется вероятное, правдоподобное заключение о сходстве двух предметов в каком-либо признаке на основании установленного их сходства в других признаках.

В современной науке и технике все большее распространение получает метод моделирования.

Метод моделирования заключается в воспроизводстве свойств объекта познания на специально устроенном его аналоге – модели.

Ценность модели заключается в том, что ее значительно легче изготовить, с ней легче осуществлять эксперименты, чем с оригиналом и т. д.

В качестве методов естественнонаучного познания также широко используются индукция и дедукция.

Индукция – это выведение общего положения из частных посылок.

Дедукция – это процесс аналитического рассуждения от общего к частному.

Дедукция – основное средство доказательства. Дедукция, проводящаяся по строгим правилам не может приводить к заблуждениям.

Сегодня основной парадигмой естествознания ( парадигма – заданный выдающимися научными достижениями образец постановки и решения проблем, на который ориентируются ученые в разработке научных теорий) является создание современной единой естественно – научной картины мира.

Физические концепции

Слово “физика” появилось еще в древние времена и в переводе с греческого означает “природа”. Крестным отцом физики считается «Учитель Древности» - Аристодо н. э.). Именно он задумал физику как науку о природе, но основателем физики он так и не стал. Это связано с тем, что почти все суждения Аристотеля о физическом устройстве мира оказались неправильными, что, в свою очередь связано с отсутствием эксперимента во времена Античности.

Физика составляет основу естествознания, как раз и изучающего природу. Физика - это наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира.

В соответствии с многообразием исследуемых форм материи и ее движения она подразделяется на механику, термодинамику, электричество, оптику, атомную и ядерную физику, которые в свою очередь делятся на многие подразделы. На стыке физики с другими естественными науками возникли биофизика, астрофизика, геофизика, физическая химия и т. д.

Всю историю развития физики можно условно разделить на три основных этапа:

1.  доклассической физики;

2.  классической физики;

3.  современной физики.

Первый этап охватывает период времени от Аристотеля (IV в. до н. э.) до конца XVI в.

Начало второго этапа связывают с одним из основателей естествознания Галилео Галилеем и основоположником классической физики Исааком Ньютоном.

К началу XX в. появились экспериментальные результаты, трудно объяснимые в рамках классических знаний. На рубеже XIX-XX в физике произошла революция, которая изменила ряд наших представлений об окружающем мире. Альберт Эйнштейн создает специальную теорию относительности, а Макс Планк формулирует основы квантовой механики.

Одна из важнейших задач естествознания – создание естественнонаучной картины мира в виде целостной упорядоченной системы. Для решения данной задачи используются общие и абстрактные понятия: материя, движение, время и пространство.

Материя – это все то, что прямо или косвенно действует на органы чувств человека и другие объекты. Неотъемлемое свойство материи – движение, которое представляет собой любые изменения, происходящие с материальными объектами результате их взаимодействий. Материя не существует в бесформенном состоянии – из нее образуется сложная иерархическая система материальных объектов различных масштабов и сложности.

В современном естествознании различают три вида материи: вещество, физическое поле и физический вакуум.

Вещество – основной вид материи, обладающей массой. В химии вещества подразделяются на простые (с атомами одного химического элемента) и сложные –химические соединения. Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия составляющих его атомов и молекул, что и обусловливает различные агрегатные состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Переход вещества из одного состояния в другое можно рассматривать как один из видов движения материи.

Физическое поле – особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем.

Физический вакуум – низшее энергетическое состояние квантового поля. Среднее число частиц – квантов поля – в вакууме равно нулю, однако в нем могут рождаться виртуальные частицы – частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время. Виртуальные частицы влияют на физические процессы. При достаточно большой концентрации энергии вакуум взаимодействует с реальными частицами. Предполагается, что из физического вакуума, находящегося в возбужденном состоянии, родилась Вселенная.

Всеобщими универсальными формами существования и движения материи принято считать время и пространство.

Время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого процесса или явления. Временная характеристика реальных процессов основывается на постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время.

Пространство выражает порядок сосуществования физических тел.

Пространство, как и время, относительно.

В настоящее время принято считать, что не только вещество, но и другие виды материи – физическое поле и физический вакуум – имеют дискретную структуру. Даже пространство и время, согласно квантовой теории поля, в сверхмалых масштабах образуют хаотически меняющуюся пространственно-временную среду с ячейками размером 10-35 м и временем 10-43 с. Квантовые ячейки настолько малы, что их можно не учитывать при описании свойств атомов, нуклонов и т. п., считая пространство и время непрерывными.

Долгое время считалось, что взаимодействие материальных объектов, находящихся на большом расстоянии друг от друга, передается через пустое пространство мгновенно. Такое утверждение соответствует концепции дальнодействия. К настоящему времени экспериментально подтверждена другая концепция – концепция близкодействия: взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. Эта, по существу, полевая концепция в квантовой теории поля дополняется утверждением: при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами – квантами поля.

Все взаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому.

Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. В соответствии с квантовой теорией поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля.

Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, является источником переменного магнитного поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и молекулы, происходят химические превращения вещества. Различные агрегатные состояния вещества, трение, упругость и т. п. определяются силами межмолекулярного взаимодействия, электромагнитными по своей природе. Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро, тем больше его удельная энергия связи. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается и ядро может распадаться, что и происходит с ядрами элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева. Сильное взаимодействие передается глюонами (векторными бозонами) – частицами, “склеивающими” кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц.

В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие проявляется главным образом в процессах бета-распада атомных ядер многих изотопов, свободных нейтронов и т. д. Переносчиками слабого взаимодействия являются вионы – частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.

В современном естествознании множество материальных систем принято делить на микромир, макромир и мегамир. К микромиру относятся молекулы, атомы и элементарные частицы. Материальные объекты, состоящие из огромного числа атомов и молекул, образуют макромир. Самую крупную систему материальных объектов составляет мегамир – мир планет, звезд, галактик и Вселенной.

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности, впервые сформулированный Г. Галилеем для механического движения: механическое движение относительно и его характер зависит от системы отсчета. Система, в которой выполняется первый закон Ньютона называется инерциальной системой отсчета. Такая система либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно относительно какой-то другой системы, неподвижной или движущейся прямолинейно и с постоянной скоростью, т. е. без ускорения.

Для инерциальных систем отсчета выполняется механический принцип относительности: во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму.

А. Пуанкаре распространил механический принцип относительности на все электромагнитные процессы, а А. Эйнштейн использовал его для создания специальной теории относительности, принципы которой он сформулировал в 1905 г. В обобщенном виде принцип относительности формулируется так: все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.

Специальная теория относительности включает два постулата:

1) принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источников света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

В 1916 г. А. Эйнштейн обобщил полученные результаты на системы, движущиеся с ускорением, создав общую теорию относительности. Выяснилось, что не только инерциальные, но и любые системы равноценны, а инерциальные и гравитационные массы эквивалентны. Тяготение неразрывно связано с пространством-временем и правоверно говорить о четырехмерном вещественно-пространственно-временном континууме.

Вместе с принципом относительности в физике утвердились понятия инвариантности, инвариантов, изотропности, симметрии, однородности и их связь с фундаментальными законами сохранения. Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой.

Для понимания законов природных явлений и процессов весьма важен принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени, т. е. параллельных переносов начал координат и отсчета времени. Он формулируется так: смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов.

Симметрией называется инвариантность структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований.

Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направления осей координат системы отсчета, т. е. относительно ее поворота в пространстве на любой угол.

Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются, т. е. не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.

Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени.

Связь между свойствами пространства – времени и законами сохранения установила немецкий математик Э. Нетер: из однородности пространства следует закон сохранения импульса, из однородности времени – закон сохранения энергии, а из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса.

К концу XIX в. была создана последовательная теория, описывающая свойства большой совокупности атомов и молекул – молекулярно-кинетическая теория или статистическая механика. В ее основе лежат три основных положения:

- любое тело – твердое, жидкое или газообразное – состоит из большого числа молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы);

- молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющем какого-либо преимущественного направления движении (броуновском);

- интенсивность движения молекул, определяемая их скоростью, зависит от температуры вещества.

Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории вытекает важный вывод: средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа прямо пропорциональна его термодинамической температуре и зависит только от нее: E=3/2 kT, где k – постоянная Больцмана, а T – температура.

Из данной формулы следует, что при Т=0 средняя кинетическая энергия равна нулю, т. е. при абсолютном нуле (-273◦ С) прекращается поступательное движение молекул газа, т. е. ниже абсолютного нуля температура падать не может.

Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: совершение работы и теплообмен.

Известно, что в процессе превращения энергии действует закон сохранения механической энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. Данное утверждение составляет основу первого начала термодинамики: количество теплоты ∆Q, сообщенное телу идет на увеличение его внутренней энергии ∆U и на совершение телом работы ∆А, т. е. ∆Q = ∆U + ∆A.

Из первого начала термодинамики следует невозможность создания вечного двигателя первого рода, т. е. такого двигателя, который совершал бы работу “из ничего”, без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу.

Все тепловые процессы в отличие от механического движения необратимы.

Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела находятся в состоянии покоя по отношению друг к другу, обладая одинаковыми температурой и давлением.

Равенство температур во всех точках есть условие равновесия двух систем или двух частей одной и той же системы.

Это положение называется нулевым началом термодинамики.

Количественной характеристикой теплового состояния системы является термодинамическая вероятность W, равная числу микроскопических способов, с помощью которых это состояние может быть достигнуто. Система, предоставленная самой себе, стремится перейти в состояние с большим значением W. Принято пользоваться не самой вероятностью W, а ее натуральным логарифмом, умноженным на постоянную Больцмана S = k lnW. Эту величину называют энтропией и она является мерой беспорядка в системе.

Второе начало термодинамики, определяющее направление тепловых процессов, формулируется как закон возрастания энтропии: для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии: ∆S ≥ 0.

При абсолютном нуле температуры энтропия принимает значение, не зависящее от давления, агрегатного состояния и других характеристик вещества. Такое значение можно положить равным нулю.

Это утверждение называется тепловой теоремой или третьим началом термодинамики.

Французский ученый Луи де Бройль, осознавая существующую в природе симметрию и развивая представление о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма: не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают и волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю, любой микрообъект можно описать с одной стороны, корпускулярными характеристиками – энергией Е и импульсом р, а с другой – волновыми характеристиками – частотой ν и длиной волны λ: E = h ν; p = h / λ, где h постоянная Планка.

Немецкий физик В. Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с этим ограничения в их поведении, пришел в 1927 г. к выводу: любой объект микромира невозможно одновременно с заданной наперед точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Он сформулировал принцип неопределенности: микрочастица (микрообъект) не может иметь одновременно определенную координату х и определенный импульс р, причем неопределенности этих величин удовлетворяют условию ∆х ∆р ≥ h.

Поскольку в классической механике принято, что измерение координаты и импульса может быть произведено с заданной точностью, то соотношение неопределенностей является, таким образом, квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам.

Для описания микрообъектов Н. Бор сформулировал в 1927 г. принцип дополнительности: получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.

Такими взаимно дополнительными величинами можно считать, например, координату частицы и ее импульс (скорость).

В становлении квантово-механических представлений важную роль сыграл выдвинутый Н. Бором в 1923 г. принцип соответствия: всякая новая более общая теория, являющаяся развитием классической, не отвергает ее полностью, а включает в себя, указывая границы ее применения, причем в определенных предельных случаях новая теория переходит в старую.

Так, формулы кинематики и динамики релятивистской механики (когда объект движется со скоростью близкой к скорости света) переходят при скоростях, много меньших скорости света в вакууме, в формулы механики Ньютона. Волновыми свойствами обладают все тела, однако для макроскопических тел ими можно пренебречь, т. е. для них применима классическая механика Ньютона.

Квантово-механическая концепция, описывающая, казалось бы, загадочный и далекий от обычных представлений микромир, все активнее вторгается в практические сферы человеческой деятельности. Появляется все больше приборов, основанных на квантово-механических принципах – от квантовых генераторов (лазеров, мазеров и др.) до многообразных микроэлектронных устройств. Видимо, пришел черед и вычислительной техники – предполагается, что компьютеры, построенные на квантовых вычислительных элементах, совершат переворот в разработке современных вычислительных средств. Вполне возможно, что через какое-то время квантовый компьютер станет инструментом, столь же привычным, как сегодня обычный компьютер.

Химические концепции

Химия - это наука о составе, свойствах и взаимодействии различных веществ. Химия изучает свойства вещества, отвечающие за его способность вступать в реакции с другими веществами. Примерами химических реакций могут служить следующие процессы: скисание молока, ржавление металла, горение топлива.

Сегодня в химии существует несколько разделов, каждый из которых имеет свой предмет исследования. Это – неорганическая, органическая, физическая и аналитическая химия, а также эволюционная химия.

По-видимому термин «химия» впервые употребил греческий философ - естествоиспытатель Зосима Пенополитанский во второй половине IV века. Этим термином он обозначал процессы «настаивания», «наливания».

Развитие химических знаний происходило с древних времён. Уже первобытные люди овладели процессами дубления кож, приготовления пищи., изготовления строительных материалов. В средние века получила развитие алхимия. Алхимия – это особый этап развития химии, да и всей науки в целом. Алхимики посвящали свои исследования поиску путей превращения неблагородных металлов в золото. Считалось, что осуществить желаемый процесс можно с помощью философского камня. Уже потом появились задачи создания «эликсира жизни» и «эликсира молодости».

Химера легкого обогащения увлекла многих. Искать философский камень и придумывать способы искусственного приготовления золота принимались люди, принадлежащие к разным классам и сословиям и часто не имеющие научной подготовки. «Священное тайное искусство» становилось сферой деятельности шарлатанов. Эта ситуация и повлияла на негативную оценку вклада алхимии в развитие науки. Причем именно алхимики выработали прочные навыки химического эксперимента. Они подробно описали свойства некоторых веществ и открыли много новых, в том числе серную, азотную и соляную кислоты, царскую водку (смесь концентрированных азотной и соляной кислот), едкие щелочи, соединения ртути и серы, сурьму и фосфор. Они первыми наблюдали реакцию нейтрализации, изобрели порох и предложили способ производства фарфора из каолина. Алхимики ввели в обиход различную лабораторную посуду, водяную и песчаную бани, фильтры из ткани и шерсти. Без этих приспособлений не могло начаться развитие искусства химического эксперимента. Конечно, реальные достижения алхимиков блекнут на фоне бесконечного, бесплодного труда, затраченного на поиски философского камня и бесчисленных попыток приготовить «дармовое золото». Но игнорировать алхимию, говоря о возникновении первоначальных химических представлений, невозможно. Алхимия хронологически предшествовала химии нового времени и в конечном итоге стала ею. Но путь этот был длиною в тысячелетие. Во второй половине XVII века алхимики практически исчерпали себя.

Формирование химии как науки связано с Робертом Бойлем. Он отделил химию от ремесленных и медицинских целей, развил атомистические представления, объясняя самими частицами, их формой, расположением и движениями превращения веществ и их свойства. сумел объединить корпускулярные представления о строении веществ и кинетическую теорию теплоты. Он сформулировал закон сохранения вещества и движения. А. Лавуазье создает теорию химического элемента. Он же предпринимает первую попытку систематизировать химические элементы. Классификация Лавуазье основана на соединениях кислорода (кислоты, основания, соли, органические вещества). Постепенно учение о составе веществ стало частью науки, но до XIX века оно составляло всю химию. Развитие промышленности требовало от химии расширения сырьевой базы, понимания происходящих в химических реакциях процессов.

В 1793 году И. Рихтер показал, что химические элементы взаимодействуют в строго ограниченных количествах, сохраняющихся в виде пропорциональных чисел при переходе от одного сложного вещества к другому. Эта упорядоченность была названа Рихтером стехиометрией, т. е мерой элементов, входящих в состав химического вида. Сам закон Рихтера стали называть законом эквивалентов.

Французский химик Ж. Пруст установил закон постоянства состава. По этому закону любое химическое соединение обладает строго неизменным составом. Атомы прочно притягиваются в соединении, и этим соединение отличается от смесей. Всякое чистое соединение имеет неизменный состав и при этом не зависит от способа получения этого вещества. Закон Пруста теоретически обосновал Дж. Дальтон. Он развил атомистические представления, показав, что все вещества состоят из молекул, а молекулы – из атомов. Дальтон ввел обозначения атомов – составных частей молекул и отметил возможность обмена атомами в процессе реакции.

Так Дальтон пришел к закону кратных соотношений, который завершал учение о стехиометрии. Согласно этому закону, ученый полагал, что все атомы каждого отдельного элемента одинаковы и обладают определенным атомным весом. Поэтому химическое взаимодействие элементов сводится к соединению неизменных атомов в «сложные цепи». Поскольку абсолютное значение атомного веса нельзя установить, можно использовать относительный вес. Выбрав за единицу вес атома водорода, Дальтон составил первую таблицу атомных весов. Шведский химик Й. Берцелиус более точно определил атомные веса элементов. Берцелиус ввел и обозначения элементов по первым буквам греческого или латинского названия, которые используются и сейчас.

Эти три закона стехиометрии: эквивалентности, постоянства состава и кратных отношений, - стали фундаментом химии. Утверждение дискретности химической организации вещества стало ведущим представлением вплоть до создания квантовой химии.

Развитие молекулярной физики позволило иначе взглянуть на свойства вещества в простейшем агрегатном состоянии – газе. Появились газовые законы, которые связали параметры газов. Это законы Бойля – Мариотта, Гей – Люссака и Шарля. Д. Бернулли и удалось вывести соответствующие этим законам соотношения между макроскопическими параметрами газа (давление, объем, температура), исходя из идеи молекулярного строения вещества. В 1811 году итальянский ученый А. Авагадро установил, что при одинаковых условиях равные объемы газов содержат одинаковое число молекул. Это значит, что при одинаковых условиях грамм – молекула любого газа занимает одинаковый объем. При нормальных условиях этот объем равен 22.4 л, и в нем содержится молекул газа. Это число получило название числа Авагадро. Молекулой называли наименьшую частичку вещества, сохраняющую его свойства. Но обнаруживались все более сложные молекулы, К ним стали относить полимеры, кристаллы, т. е. агрегаты. Поэтому проблема состава вещества оставалась актуальной.

В 1860 году в Карлсруэ (Германия) состоялся первый Международный конгресс химиков. На нем были установлены основные принципы, теории и законы химии, установлены единые понятия. Химия тесно связана с производством, поэтому ее основная задача – получение веществ с заданными свойствами. Реализация этой задачи требует осуществлять качественные превращения веществ, т. е. решать задачи происхождения свойств веществ. На первом этапе свойства веществ определялись элементным и молекулярным составом.

Учение о составе веществ сильно зависило от возможностей анализа. Поэтому понятие химического элемента изменялось с развитием методов исследования. Постепенно атомно-аналитическая концепция переросла в атомно-теоретическую. Если в XVII – XVIII веках в химии в основном господствовал случай, то на рубеже XIX – XX веков появились теории, которые включали в себя возможность прогнозирования. Сегодня химик обязан знать высшую математику. Современная химия опирается на мощный теоретический аппарат.

В середине XIX века из сопоставления периодичности химических свойств веществ и атомных весов элементов построил периодическую таблицу элементов. В то время было известно всего 62 химических элемента, но на основе установленной зависимости Менделееву удалось предсказать свойства еще не открытых элементов, и вскоре они были найдены. Уже в XIX веке периодический закон стал «фундаментом общей химии», упорядочил химические свойства, придал новое содержание проблеме соотношения состава и свойств.

После открытия атомного ядра стало понятно, что в периодической системе место элемента определяется не атомным весом, а зарядом ядра атомов. В 1897 году И. Ридберг заключил, что периодичность свойств элементов и их атомная масса определяются функцией порядковых номеров в таблице химических элементов. Поэтому понятие химического элемента связано с одинаковым зарядом ядра атомов. В эту совокупность включаются также изотопы. Изотопы – это разновидность атомов одного химического элемента, имеющие одинаковый заряд атомного ядра, но разную атомную массу. При химических превращениях любой атом сохраняет заряд атомного ядра, т. е. он остается атомом данного элемента. Сам же атом меняется, так как меняется его электронная оболочка, ответственная за химические свойства.

Только в 30-е годы XX была создана квантовая теория периодичности свойств элементов. В связи с пониманием природы химических связей как обменных взаимодействий валентных электронов четко было сформулировано понятие химического соединения. Химическое соединение – это качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет химических связей объединены в частицы: молекулы, комплексы, агрегаты и др. Впоследствии были открыты макромолекулы полимеров, которые состоят из повторяющихся химически связанных структурных единиц и имеют большую молекулярную массу. Сложно организованной единицей являются молекулярные ассоциаты. Более крупная единица, состоящая из атомов и молекулярных блоков, называется молекулярным агрегатом. При образовании молекулярных агрегатов изменяется фазовое состояние вещества.

Из учения о составе развилась аналитическая химия.

Для описания свойств одного изолированного атома в химии было введено понятие валентности. Валентность постепенно стала отражать свойства связанного атома, т. е. атома, находящегося в молекуле и тем самым изменившего свои свойства под действием других атомов. В 1857 году немецкий химик Ф. Кекуле приходит к выводу, что некоторые элементы могут замещать в ряде соединений три атома водорода, а другие – только два или один. Кекуле вводит понятии химического сродства, означающее число атомов водорода, которое может заменить данный элемент. Число единиц сродства ученый и назвал валентностью. Ф. Кекуле и А. Купер создают теорию, согласно которой молекула представлялась целостным образованием, которое складывается из атомов за счет полного взаимного насыщения единиц сродства.

обращает внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Он создает теорию химического строения вещества. В работах Бутлерова появляется новая характеристика - непрерывность изменения химической связи. Под химической связью стали понимать такой вид взаимодействия атомов, который обусловлен совместным использованием их электронов. Существуют разные виды химической связи – ковалентная (полярная и неполярная), ионная, металлическая, водородная.

Теория Бутлерова называется теорией химического строения потому, что выдвинула на первый план представления о химической связи и химической энергии, за счет которой происходит объединение атомов в молекулы. В конце XIX века поняли, что валентность – это число химических связей, осуществляемых атомом при образовании химических соединений. Валентность стала структурной характеристикой связанного атома.

Теория Бутлерова дала резкий толчок для развития органического синтеза. Были синтезированы многие лекарства, красители, взрывчатые вещества. Но в производстве по-прежнему использовалось дорогое органическое сырье, пути получения многих необходимых веществ не были понятны. Теория Бутлерова ввела в понятие структуры энергетическую прочность химических связей. В результате понятии свойств веществ расчленилось на два понятия: химических свойств макроскопического тела и реакционной способности отдельных структурных элементов, всей молекулы и всего вещества как совокупности молекул. Свойства вещества оказались зависящими не только от состава, но и от структуры молекул.

На основе учения о валентности была разработана теория строения молекул. Под молекулярной структурой понимают сочетание определенного числа атомов, расположенных в пространстве определенным образом и связанных друг с другом посредством химической связи. В середине 1870 –х годов стало возможным учесть сорасположение атомов в молекуле, поскольку были открыты изомеры. В 1874 году Я. Вант-Гофф и Ж. Ле Бель независимо друг от друга выдвинули стройную концепцию, получившую название стереохимия. Стереохимия – это синтез представлений о химическом строении и пространственном расположении атомов в молекулах.

Сразу же после открытия электрона стали предприниматься попытки связать его с природой химической связи. Немецкий физик Й. Штарк вводит понятие валентных электронов, связав валентность элемента с числом электронов на периферии атома.

В работах Ф. Лондона и В. Гайтлера были заложены основы квантовой химии. Они не считают электрон вращающимся по на определенной орбите, а говорят об электронном облаке, и вероятность нахождения электрона в какой-то области определяют как квадрат волновой функции. В 30-е годы американский физик и химик Л. Полинг усовершенствовал метод атомных орбиталей, применив его для расчета достаточно сложных молекул. Метод молекулярных орбиталей стал широко использоваться после появления быстродействующих ЭВМ.

В XX-XXI веках в химии был сделан существенный прорыв. Это прежде всего связано с появлением новых методов исследования (рентгеноструктурный анализ, спектральный анализ, дифракция медленных электронов и др.) и применением быстродействующих ЭВМ для обработки данных.

После создания учений о составе и структуре химических веществ, было создано учение о закономерностях химических процессов. Учение о закономерностях химических процессов представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких, как температура, давление, скорость протекания реакций и некоторые другие. Все эти факторы оказывают существенное влияние на характер процессов и объем получаемых веществ, что имеет первостепенное значение для массового производства.

В 60-е годы XX века начинает развиваться эволюционная химия, которая формируется до сих пор. Эволюционный этап развития химии связан с синтезом новых, сложных, высокоорганизованных соединений без участия человека. Необходимость решать эволюционные задачи возникла у химиков по ряду причин. Во-первых, это мечта овладеть опытом «лаборатории живого организма», во-вторых, это попытки ввести в химию идею истории, чтобы объяснить самопроизвольное восхождение от низших химических материальных систем к высшим. И, в третьих, это появление работ, указывающих на установление экспериментальным путем фактов прогрессивной эволюции химических объектов через естественный отбор.

С появлением эволюционной химии тесно связана теория эволюционного катализа . Самосовершенствование катализаторов в реакциях было открыто в работах А. Гуотми и Р. Каннингема. Обычно катализаторы в ходе реакции стареют и их деятельность ослабевает, а здесь они перестраиваются в сторону повышения активности и селективности. По Руденко саморазвитие систем происходит за счет постоянного поглощения катализатором потока энергии, выделяющейся в ходе реакции. Таким образом, система является открытой, в ходе реакции происходит отбор каталитических центров с наибольшей активностью.

Наиболее ярким примером возникновения самоорганизации в химических системах является реакция Белоусова-Жаботинского – реакция образования структуры в жидкости.

Таким образом, при своем развитии химия прошла через четыре уровня. Это учение о составе, структурная химия, учение о закономерностях химических процессов и эволюционная химия.

К задачам химии относят не только получение веществ с заданными свойствами, но и возможности влиять на скорости получения этих веществ.

Скорости химических реакций изучает химическая кинетика. Более того, химическая кинетика дает ключ к управлению реакций. Одна из основных задач химической кинетики – управление скоростью химической реакции. Полезные реакции нужно заставить идти быстрее, а вредные – замедлить. Для этого нужно знать, какие факторы влияют на их скорость.

На скорость химических реакций существенное влияние оказывают концентрации реагирующих веществ, температура и наличие катализатора. Катализаторы изменяют скорость реакции, направляя ее по другому, энергетически более выгодному пути, но сами в процессе не расходуются.

Теория столкновений помогает понять, как влияет концентрация на скорость элементарных реакций. Для них эта зависимость выражается законом действующих масс: Скорость элементарной реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих молекул.

В зависимости от числа молекул, участвующих в элементарной реакции, закон действующих масс может иметь следующий вид:

V = k∙[X] – для мономолекулярных реакций;

V = k∙[X]∙[Y] – для бимолекулярных реакций;

V = k∙[X]∙[Y]∙[Z] - для тримолекулярных реакций.

Коэффициент пропорциональности k между скоростью и произведением концентраций называют константой скорости. Эта величина не зависит от концентраций, но на нее влияют температура и природа реагирующих веществ.

Сумму показателей степеней при концентрациях веществ называют общим порядком реакции. Показатели степеней при концентрациях в законе действующих масс равны единице только в случае элементарных реакций. Мономолекулярные реакции имеют первый порядок, бимолекулярные – второй, тримолекулярные – третий. Часто «докопаться» до элементарной стадии химических процессов очень непросто, и общий порядок реакции устанавливают экспериментально, определяя вид зависимости от концентрации реагента. Для порядок реакции, но это довольно сложная задача. процессов, механизм которых известен, можно математически рассчитать общий порядок, но это очень сложная задача.

В общем случае для сложных реакций тоже можно сформулировать закон действующих масс:

Скорость сложной реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих молекул, возведенных в некоторые степени.

Например, для реакции A + B → P V = k∙ [A]x∙[B]y. Показатели степени x и y, которые называют порядками по веществам А и В, в общем случае не связаны с коэффициентами в уравнении реакции. Эти числа могут быть положительными, отрицательными или дробными. Большое разнообразие порядков характерно для гетерогенных реакций.

Большинство химических и биохимических процессов с ростом температуры ускоряется. Так, мясо при комнатной температуре испортится гораздо скорее, чем в холодильнике. В странах с жарким тропическим климатом фрукты созревают раньше, а машины ржавеют быстрее, чем в северных широтах. Железо не реагирует с холодной концентрированной серной кислотой, но растворяется в горячей.

Этот эффект еще в XIX в. был описан с помощью эмпирического, т. е. выведенного опытным путем правила Вант-Гоффа:

Скорость многих реакций при нагревании на 10º увеличивается в 2-4 раза.

Так, при повышении температуры с 30º до 40ºС скорость гидролиза сахарозы в присутствии воды возрастает в 3.9 раза.

Математически правило Вант-Гоффа можно записать в виде степенной зависимости:

V(T2)/V(T1) = Υ(T2-T1)/10 ,

где Υ – температурный коэффициент, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при нагревании на 10ºС.

Однако правило Вант-Гоффа справедливо лишь при небольшом изменении температуры и далеко не для всех реакций. Гораздо более точно описывает температурные эффекты в химической кинетике уравнение Аррениуса для константы скорости:

K(T) = A∙ e-EA/RT,

Где A и EA – постоянные величины, которые не зависят от температуры и определяются только природой реагирующих веществ; R – универсальная газовая постоянная. Температура в уравнении Аррениуса измеряется по шкале Кельвина. Последний сомножитель e-EA/RT равен доле активных молекул, энергия которых больше некоторого порогового значения EA. Величину EA называют энергией активации. Доля молекул, имеющих энергию, большую, чем EA, быстро растет с увеличением температуры.

Энергию активации реакции можно определить экспериментальным путем, если измерить зависимость константы скорости (или самой скорости) от температуры.

В 1884 году французский физикохимик и металловед Анри Луи Ле Шатилье сформулировал общий принцип смещения химического равновесия:

Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказывать внешнее воздействие (изменять температуру, давление, концентрации веществ), то положение равновесия смещается в такую сторону, чтобы ослабить внешнее воздействие.

Принцип Ле Шатилье прекрасно действует и в том случае, если в его формулировке опустить указание, что равновесная система должна быть химической.

Биологические концепции

Возникновение жизни на Земле и ее биосферы является одной из основных проблем современного естествознания. В настоящий момент наиболее детально рассматриваются три гипотезы:

1)  эволюционная гипотеза;

2) гипотеза панспермии, предполагающая, что земная жизнь имеет космическое происхождение;

3) гипотеза креационизма, считающая, что происхождение мира, жизни и человека есть результат божественного творения и отрицающая изменение видов и их историческое развитие.

По понятным причинам в этой лекции мы остановимся только на первой, прекрасно осознавая, что и в ней достаточно много основополагающих вопросов, пока остающихся без четких ответов. Причем чем ближе в своем исследовании мы приближаемся к началу мироздания, тем таких вопросов становится больше. Именно поэтому мы и вынуждены называть данные умозаключения гипотезами, а не законченными теориями.

По-видимому, переход неживой материи к живой произошел после возникновения двух основополагающих жизненных систем – системы обмена веществ и системы воспроизводства материальных основ жизни.

Система обмена веществ поддерживает равновесное состояние живого организма. Такая сложная задача решается путем отбора и синтеза нужных организму веществ. При этом из организма выводятся все не усвоенные им вещества.

Система воспроизведения материальных основ жизни содержит в закодированном виде полную информацию для развития и воспроизведения живого организма. Ключевая роль при этом принадлежит природному полимерному соединению - дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК), выполняющей функции носителя генетической информации и рибонуклеиновой кислоте (РНК), которая служит для передачи информации от хромосом к местам синтеза белков.

Рассматривая вопрос о зарождении живых организмов, следует назвать еще одну важнейшую отличительную особенность, связанную с оптической активностью органических веществ живых организмов, т. е. способность поворачивать плоскость поляризации либо влево, либо вправо. Все белковые молекулы живых организмов поворачивают плоскость поляризации влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию – L – конфигурацию, а молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК – только вправо, т. е. обладает правой или D – конфигурацией. Этот факт тем более удивителен, что при синтезе органических соединений аналогичного состава в лабораторных условиях образуется примерно одинаковое число молекул с правой и левой конфигурацией, поэтому их плоскость поляризации не поворачивается.

Молекулы, имеющие одинаковый химический состав, отличаются своей пространственной структурой, как левая и правая рука. Смесь органических молекул обеих конфигураций называется рацематом. Предполагается, что в преджизненный период образования органических соединений существовал только рацемат. При зарождении жизни произошла сортировка молекул, появилась хиральность (зеркальная симметрия органических молекул) и в белках отсортировались молекулы с L – конфигурацией, а в ДНК и РНК – молекулы с D – конфигурацией. Согласно современным представлениям о происхождении жизни на Земле, выбор органическими молекулами определенного вида зеркальной симметрии послужил главной предпосылкой их выживания и последующего самовоспроизводства. Однако вопрос, как и почему произошла такой выбор, - до сих пор остается одной из самых больших загадок естествознания.

Несмотря на существенные различия между живой и неживой материей, их объединяет то, что в состав клеток живых организмов входят те же химические элементы, которые встречаются в неживой природе. Так, 75 – 85% массы клетки составляет вода, 10 – 20% - белки, 1 – 5% - жиры, 0.2 – 2% - углеводы, 1 – 2% - нуклеиновые кислоты, о.1 – 0.5% - низкомолекулярные органические соединения, 1 – 1.5% - неорганические вещества. И все эти органические и неорганические соединения состоят из 80 химических элементов Периодической таблицы . Химических элементов, свойственных только живой материи, в природе не существует. Это и есть одно из доказательств общности живой и неживой материи.

Хранение и передачу наследственной информации в живых организмах обеспечивают природные органические полимеры – нуклеиновые кислоты. Различают их две разновидности – ДНК и РНК. В состав ДНК входят азотистые основания (аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц)), дезоксирибоза C5H10O4 и остаток фосфорной кислоты. В состав РНК вместо тимина входит урацил (У), а вместо дезоксирибозы – рибоза (C5H10O5). Мономерами ДНК и РНК являются нуклеотиды, которые состоят из азотистых, пуриновых (аденин и гуанин) и пиримидиновых (урацил, тимин и цитозин) оснований, остатка фосфорной кислоты и углеводов (рибозы и дезокрибозы).

Молекулы ДНК содержатся в хромосомах ядра клетки живых организмов, в эквивалентных структурах митохондрий, хлоропластов, в прокариотных клетках и во многих вирусах. По своей структуре молекула ДНК похожа на двойную спираль.

Нуклеотиды соединяются в цепь посредством ковалентных связей. Образованные таким образом цепи нуклеотидов объединяются в одну молекулу ДНК по всей длине водородными связями: адениновый нклеотид одной цепи соединяется с тиминовым нуклеотидом другой цепи, а гуаниновый с цитозиновым. При этом аденин всегда распознает только тимин и связывается с ним и наоборот. Подобную пару образуют гуанин и цитозин. Такие пары оснований, как и нуклеотиды, называются комплементарными, а сам принцип формирования двухцепочной молекулы ДНК – принципом комплементарности. Число нуклеотидных пар, например, в организме человека составляет 3 – 3.5 млрд.

ДНК – материальный носитель наследственной информации, которая кодируется последовательностью нуклеотидов. Расположение четырех типов нуклеотидов в цепях ДНК определяет последовательность аминокислот в молекулах белка, т. е. их первичную структуру. От набора белков зависят свойства клеток и индивидуальные признаки организмов. Определенное сочетание нуклеотидов, несущих информацию о структуре белка, и последовательность их расположения в молекуле ДНК образуют генетический код. Ген – единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо признака. Он занимает участок молекулы ДНК, определяющий структуру одной молекулы белка. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма, называется геномом, а генетическая конституция организма (совокупность всех его генов) – генотипом. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК, а, следовательно, в генотипе приводит к наследственным изменениям в организме – мутациям.

Генетический код обладает удивительными свойствами. Главное из них - триплетность: одна аминокислота кодируется тремя рядом расположенными нуклеодидами – триплетом, называемым кодоном. При этом каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Другое не менее важное свойство – код един для всего живого на Земле. Это свойство генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, которое, по-видимому, отражает происхождение всех живых существ от единого предка.

Для молекул ДНК характерно важное свойство удвоения – образования двух одинаковых двойных спиралей, каждая из которых идентична исходной молекуле. Такой процесс удвоения молекулы ДНК называется репликацией. Репликация включает в себя разрыв старых и формирование новых водородных связей, объединяющих цепи нуклеотидов. В начале репликации две старые цепи начинают раскручиваться и отделяться друг от друга. Затем по принципу комплементарности к двум старым цепям пристраиваются новые. Так образуются две идентичные двойные спирали. Репликация обеспечивает точное копирование генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, и передает ее по наследству от поколения к поколению.

Кодирование генетической информации и репликация молекул ДНК – два важнейших взаимосвязанных процесса, составляющих основу развития и воспроизведения живых организмов.

Белки важнейшая составляющая живых клеток – представляют собой высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков 20 аминокислот. Аминокислоты – органические соединения, в состав которых входят карбоксильные группы COOH, аминогруппа NH2 и углеводородный радикал. По своей структуре белки относятся к полимерам. Их молекулы имеют форму длинных цепей, состоящих из повторяющихся молекул – мономеров.

Образование молекул белков в клетках из аминокислот называется биосинтезом. В процессе биосинтеза белков определяющую роль играет генетическая информация об их структуре. Биосинтез белков состоит из двух этапов: транскрипции и трансляции. Транскрипция – это синтез молекул всех типов РНК на одной из цепей молекулы ДНК при помощи ферментов РНК - полимеразы. Трансляция – перевод информационной РНК в последовательность аминокислот. Сборка одной молекулы белка, состоящей из 200 – 300 аминокислот, происходит за 1 – 2 мин и требует сравнительно больших затрат энергии.

Во всех живых организмах белки играют исключительно важную роль: они участвуют в построении клеток и тканей, являются биокатализаторами (ферментами), гормонами, защитными веществами и др.

Все живые существа (как животные, так и растения) состоят из клеток. Из клеток строятся ткани, из тканей – различные органы и их системы. Клетка представляет собой элементарную живую систему, основу строения и жизнедеятельности всех животных и растений. Клетки могут существовать как самостоятельные организмы (простейшие, бактерии), так и в составе многоклеточных организмов. Размеры клеток варьируются в пределах от 0.1 – 0.25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Тело взрослого человека состоит из 1015 клеток, а число различных видов клеток у человека – боле 200.

Клетка способна питаться, расти и размножаться, вследствие чего ее можно считать живым организмом. Составляющие ее части лишены жизненных функций.

Все клетки состоят из трех основных частей – плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно, цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра, содержащего носитель генетической информации. Все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли - цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. Обычно растительные клетки окружены оболочкой – клеточной стенкой. Кроме того, они включают пластиды - цитоплазматические органоиды (специализированные структуры клеток), нередко содержащие пигменты, обусловливающие их окраску.

Окружающая клетку плазматическая мембрана состоит из двух слоев молекул жироподобных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Она обладает избирательной проницаемостью и поддерживает нормальную концентрацию солей, сахаров, аминокислот и других продуктов обмена веществ. Изменение проницаемости наружной мембраны – первый признак гибели клетки.

Внутри клеточной плазматической мембраны находится цитоплазма, содержащая водный раствор солей с растворимыми ферментами и другими веществами. В цитоплазме располагаются разнообразные органеллы – маленькие органы, окруженные своими мембранами. К органеллам, в частности, относятся митохондрии – мешковидные образования с дыхательными ферментами. В них превращается сахар и высвобождается энергия. В цитоплазме есть и небольшие тельца – рибосомы, состоящие из белка и нуклеиновой кислоты (РНК) и принимающие участие в биосинтезе белка. Внутриклеточная среда достаточно вязкая, несмотря на то, что 75 – 85% массы клетки составляет вода. Во всех жизнеспособных клетках содержится ядро. Ядро – важнейшая часть клетки, без него клетка гибнет. В ядре находятся хромосомы – длинные нитевидные тельца, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты и присоединенного к ней белка.

Клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние. При делении дочерней клетке передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию материнской клетки, для чего вначале число хромосом в клетке удваивается и затем каждая дочерняя клетка получает по одному их набору. Такой процесс деления клеток, обеспечивающий равное распределение генетического материала между дочерними клетками называется митозом.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы: прокариоты и эукариоты. К прокариотам относятся бактерии, а к эукариотам – все остальные организмы – простейшие, грибы, растения и животные. Эукариоты бывают одноклеточными и многоклеточными. Прокариоты все одноклеточные. В них нет четко очерченного ядра: молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. Их деление происходит без митоза. Размеры прокариотов относительно небольшие, в то же время наследование признаков в них основано на передаче ДНК дочерним клеткам. Предполагается, что первыми организмами, появившимися около 3.5 млрд. лет назад, были прокариоты.

Принято считать, что главная причина старения организма – утеря генетической информации. Молекулы ДНК постепенно повреждаются мутациями, что приводит к гибели клеток и всего организма. Поврежденные участки молекулы ДНК способны восстанавливаться благодаря репаративным ферментам. Хотя их возможности ограничены, но они играют важную роль в продлении жизни организма.

Появление научной мысли в биосфере в перспективе неизбежно полностью ее видоизменит. По убеждению академика преобразование биосферы грядет неизбежно и необратимо. Ученый назвал трансформированную биосферу ноосферой. Под ноосферой он понимал не выделенный над биосферой “мыслящий пласт”, а качественно новое ее состояние.