Томський міжвузівський центр дистанційної освіти
Томський державний університет систем управління та радіоелектроніки (ТУСУР)
Контрольна робота № 3
З дисципліни «Концепція сучасного природознавства»
останні 2 цифри пароля: 07
Виконала
Студентка гр.З-828-Б
Спеціальності 080105
Афоніна Юлія Володимирівна
24 січня 2008
Г. Нефтеюганськ
Як поводяться макросистеми далеко від рівноваги? Поясніть принцип локального рівноваги
Положення рівноваги з молекулярно-кінетичної точки зору відповідає стан максимального хаосу в ізольованій системі. За законами термодинаміки така система повернеться в положення рівноваги, при видаленні від нього її стан стає все більш нестійким, і навіть малі зміни якого-небудь параметра можуть перевести систему в новий стан. Необхідно узагальнення теорії на незворотні процеси і на відкриті системи, які можуть обмінюватися з навколишнім середовищем речовиною або енергією. Таких узагальнень вимагала та розвивається техніка, і застосовується у фізиці, хімії, біології.
Поняття локальної рівноваги вводять при повільній зміні зовнішнього впливу і для часу, більшого характерного часу елементарного релаксаційного процесу, що формує рівновагу. Ці умови - з статистичного розгляду процесів. Принцип локального рівноваги обмежує число систем, доступних термодинамическому розгляду. Є також взаємний вплив один на одного одночасно відбуваються незворотних процесів. Існує принцип симетрії Кюрі, який у формулюванні Вейля говорить: «Якщо умови, однозначно визначають який-небудь ефект, мають деякою симетрією, то результат їх дії не порушить цю симетрію». Тому формально все нерівноважні процеси поділяють на скалярні (хімічні реакції), векторні (теплопровідність, дифузія) і тензорні (в'язке тертя). Відповідно до цього принципу величини різних розмірностей не можуть бути пов'язані один з одним. І скалярна величина (хімічна спорідненість) не може викликати векторний потік (теплопровідність).
Складні системи на відміну від простих, описуваних кількома параметрами, складаються з великого числа змінних і великого числа зв'язків між ними. У складній системі з'являється з-за внутрішніх взаємодій багато властивостей, яких немає у її частин (емерджентні властивості), вони - наслідок цілісності системи. На шляху будь-який досить складної системи до рівноваги, що характеризується максимумом ентропії, зустрічаються обставини, що не дозволяють це зробити. Серед таких виступають граничні умови. Якщо вони постійні, наприклад, підтримують на кордонах, то змінні стану прагнуть асимптотично до незалежних від часу величинам, досягаючи квазістаціонарного або стаціонарного стану.
Принцип локального рівноваги і теорема про мінімум виробництва ентропії в рівноважних станах були покладені в основу термодинаміки незворотних процесів.
Наведемо класифікацію нерівноважних макросистем по Пригожиним. У лінійної нерівноважної термодинаміки досить близькими до рівноважних є локально рівноважні системи або рівноважні в деякому локальній «елементарному» обсязі D V. Тільки в цьому обсязі дотримуються рівноважні термодинамічні закони. Звідси випливає, що в просторі системи всі основні термодинамічні змінні будуть залежати від часу t та просторової координати х. У термодинаміці це температура T (x, t), тиск P (x, t), хімічний потенціал m (x, t) та екстенсивні змінні щільності ентропії x (x, t), густини енергії u (x, t), число молей якогось компонента n (x, t) в одиничному об'ємі. В економіці це можуть бути заробітна плата, ціни, тарифи, грошові, товарні та людські ресурси (потоки) відповідно. І одиничними можуть бути якась площа або маса.
У цьому випадку для одиничних обсягів (тобто в кожній точці х в будь-t) справедливо співвідношення Гіббса
dU = Tds - Pdv +
Локальні обсяги можуть взаємодіяти з різними параметрами стану.
Виходячи із статистичної механіки, рівновага визначає розподіл Максвелла за швидкостями і при взаємодії локальних обсягів (не кожного) відбуваються хімічні реакції, а значить відхилення від рівноваги, але швидкість повернення в нього досить велика, що і дозволяє зберегти локальність. Однак при цьому повинні бути накладені деякі обмеження на молярну щільність і однорідність елементарного обсягу.
Відомо, що для невеликих відхилень від рівноваги дотримується феноменологічне співвідношення між потоками і силами. Нехай α = k для теплових потоків, тоді
Jk = LkjFj
Якщо врахувати співвідношення взаємності Онзагера Ljk = Lkj, то формула
σ = LjkFjFk> 0
визначає стійкість систем даного виду нерівноважності.
При цьому необхідно пам'ятати, що у зв'язку з неравновесностью якісь сили підтримують потоки постійними, а які-то зводять їх до нуля.
У термодинаміці це, наприклад, якась витік тепла при відсутності потоку речовини, в економіці - невелика постійна інфляція при стабільних цінах на визначальні товари.
При цьому стаціонарність, тобто сталість витоку якої-небудь речовини або енергії, забезпечує мінімум виробництва ентропії.
Однак часто ці лінійні феноменологічні співвідношення не виконуються і мікрооб'єми можуть вести себе коливально і, далі, хаотично.
Але почнемо зі стаціонарною нерівноважності, при якій (в термодинаміці) потоки енергії і речовини Jk не звертаються в нуль. Звідси перша варіація ентропії d S не звертається в нуль, а значить існує друга d 2S і зі своїми знаками.
Пригожиним запропоновано в таких нерівноважних системах користуватися критерієм Ляпунова, який говорить про те, що якщо обурене рух відрізняється від незбуреного на деяку малу позитивну величину і вона при цьому зменшується чи не виходить за рамки наперед заданої величини, то цей рух стійко. Пригожин запропонував у якості «функціоналу» Ляпунова використовувати d 2S, або «надлишкове виробництво ентропії»:
= > 0
Якщо нерівність виконується, то таке стаціонарний стан стійко. Однак і тут є обмеження. Вони стосуються флуктуацій. Це можуть бути неоднорідності, дефекти або будь-які випадкові фактори. В економіці це можуть бути мінливі умови в бізнесі, часта зміна законодавства та ін При наявності значних флуктуацій у нерівноважних системах можливо непередбачувана поведінка («дуалістичне»). Часто поведінка таких систем при певних умовах стає впорядкованим у просторі та часі. Це властивість нерівноважних систем переходити в упорядкований стан через флуктуації або «порядок через флуктуації» І. Пригожин визначив як фундаментальне.
У термодинаміці досліджено ряд стійких організованих структур: осередки Бенара, шари Жаботинського. Вони названі Пригожиним дисипативними. Макросистемної моделі такого типу можуть бути використані в економіці перехідного періоду при великих незворотних потоках. Наприклад, при розробці стратегій безпеки, антикризових програм і в бурхливо розвиваються регіонах і галузях.
Головними є питання, як підтримувати систему далеко від рівноваги і за яких флуктуаціях вона переходить в нові стани.
У загальному вигляді рух або розвиток системи можна записати як
= Zk (Xi, λ),
де Хk - параметри стану системи; k = 1, 2, ..., n; λ - параметр, що дозволяє підтримувати систему далеко від рівноваги. Множинність вирішення цього рівняння є однією з умов, що призводить до нестійкості, дисипативним структурам, біфуркації.
Таким чином, за Пригожиним, можна виділити три варіанти нерівноважних моделей: локально рівноважні, стаціонарно нерівноважні і флуктуаційних-дисипативні.
Які етапи можна виділити в розвитку самоорганізовується
Самоорганізація - спонтанне утворення високо-впорядкованих структур із зародків або навіть з хаосу, спонтанний перехід від невпорядкованого стану до впорядкованого за рахунок спільного, кооперативного (синхронного) дії багатьох підсистем. Хаотичний стан містить у собі невизначеність - ймовірність і випадковість, які описуються за допомогою понять «інформація» і «ентропія». Після вивчення випадковості Хакен розглянув необхідності і отримав детерміновані рівняння руху. При цьому головними виявляються вибір рівноважних мод і дослідження їх стійкості. Випадкове подія викликає нестійкість, а це - поштовх для виникнення нових конфігурацій (мод). Зародком самоорганізації служить «ймовірність»; впорядкованість виникає через флуктуації, стійкість через нестійкість. У передмові до своєї книги «Синергетика» Ха-кен пише: «Я назвав нову дисципліну« синергетикою »не тільки тому, що в ній досліджується спільна дія багатьох елементів систем, але й тому, що для знаходження загальних принципів, які керують самоорганізацією, необхідно кооперування багатьох різних дисциплін ».
Сумарне зменшення ентропії у відкритих системах при певних умовах за рахунок обміну потоками з зовнішнім середовищем може перевищити її внутрішнє виробництво. З'являється нестійкість попереднього неупорядкованого однорідного стану, виникають і можуть зрости до макроскопічного рівня великомасштабні флуктуації. З хаосу можуть виникнути структури, які почнуть переходити у все більш впорядковані. Ці структури утворюються за рахунок внутрішньої перебудови системи, тому це явище отримало назву самоорганізації. При цьому ентропія, віднесена до того ж значенням енергії, убуває. Пригожин назвав впорядковані утворення, що виникають в дисипативних системах у ході нерівноважних необоротних процесів, дисипативними структурами (від лат. Dissipatio - розганяти, розсіювати). Вважається, що ці структури летючі і виникають при розсіюванні вільної енергії в нестійких відкритих системах.
Світ живого - самоорганізується. Подібно до того як біосфера - самоорганізована цілісність, такі й всі її рівні. Для тваринного світу формою організації є стадо. Соціальна поведінка тварин - це еволюційний механізм, який визначається перевагами суспільного життя. Поступово потреба в забезпеченні безпеки у тварин ставала вищої потребою, сформувала відповідні інстинкти. Спочатку була анонімна зграя, потім з'явилася безособова потім особиста сім'я. Етологія (від грец. Етос - поведінка, характер, вдача) - наука про поведінку тварин - показує, що у тваринному світі є суспільне життя з емоціями та почуттями. К. Фріш експериментував з бджолами, а К. Лоренц і Н. Тінберген вивчали більш складну поведінку багатьох видів птахів, риб, ссавців і комах.
Які системи можуть перебувати у високоупорядоченном стані? Які необхідні умови виникнення самоорганізації і чи існують достатні? Поясніть, чому інформованість, важлива властивість самоорганізації
Жива клітина - це елементарна організована частина живої матерії і складна високоупорядоченная система. Дослідним шляхом встановлено, що в ній безперервно відбуваються синтез великих молекул з дрібних і простих - анаболічні (від грец. Anabole - підйом) реакції, на які витрачається енергія, і їх розпад - катаболические (від грец. Katabole - скидання вниз) реакції.
Встановлено, що в клітці безупинно відбувається синтез великих молекул з дрібних і простих (анаболічні реакції, на які витрачається енергія) і їх розпад (катаболічес-кі реакції). Сукупність їх в клітці є процес метаболізму. Особи, що вивчаються на цьому рівні, не існують абсолютно ізольовано в природі, вони об'єднані на більш високому рівні організації - на рівні популяції.
Еволюцію на молекулярному рівні дозволяє простежити зіставлення однотипних білків різних видів організмів, можна побудувати і еволюційне древо на основі складу білка. Різниця може бути пов'язано з природним відбором, але відбір визначається біологічними функціями білків, фенотипами. Однак не завжди однозначна зв'язок «тексту» первинної структури ланцюга та просторової будови білкової глобули з біологічною функцією білка. Не всі мутації білків ведуть до зміни їх функцій, частина їх виявляється нейтральною. За теорією нейтралістской молекулярної еволюції японського генетика М. Кімури (1968) швидкість еволюції білка не залежить від розміру популяції, причому активна частина ланцюга еволюціонувала повільніше, ніж її «каркас». Швидкість еволюції білка за рік він висловлював відношенням числа заміщених амінокислотних залишків до одного залишку. Вона виявилася постійною для різних ліній еволюції при збереженні функцій і просторової структури молекули. Величини швидкостей заміщень були менше 10-9. Значить, час існування Всесвіту недостатньо для побудови макромолекул, якщо б положення кожної ланки фіксувалося відбором.
Висновки Кімури про еволюцію білків і нуклеїнових кислот не слід поширювати на природний відбір, що відноситься до організмів. Нейтральність мутацій в «каркасі» білка багато в чому зумовлена його будовою і кодуванням. Еволюція макромолекул відрізняється від еволюційного поведінки організмів. Гомеостаз веде до того, що багато шкідливі мутації ведуть себе як нейтральні. Наприклад, одна з мутацій погіршила властивості білка-ферменту, і він почав переробляти субстрат повільніше. Тоді організм виправить ситуацію якимсь способом, може бути, збільшить кількість цього ослабленого ферменту.
Математичні моделі можуть змінити уявлення біологів про витоки впорядкованості в еволюції. Адже всі живі організми є строго впорядкованими системами. Вони володіють складними структурами, які підтримували і відтворювали себе завдяки слабко вираженому взаємодії хімічних і поведінкових процесів.
Опишіть процеси виникнення біосфери, хімічної еволюції преджізненних форм
Істотно змінюється біосфера через швидке розвитку життя і «кисневої революції». Відбувся перехід від прокаріотів до еукаріотів. На початку палеозою жива речовина переходить на сушу, займаючи області з вологим кліматом, формуючи наземні флору і фауну. Маса живої матерії різко зростає, життя проникає і в більш глибокі області океанів. Змінюється якісний склад живого, організми починають засвоювати мінеральні речовини для формування свого скелета. Розвиваючись життя змінює і світ навколо себе. Морська вода стає все більш хлоридно-сульфатною, такі елементи, як Fe, Mn, P, Co, Va, Сі, стали існувати у вигляді малорозчинних, сильно окислених сполук, і концентрація їх у морській воді різко впала. Велика кількість кисню знизило рухливість Fe, Mn, P, Va, Cr, Co, Cu, Ni та ін, вони виявилися лише у вигляді суспензій, тому їх поклади можуть бути поблизу берегів моря. На суші процес накопичення солей відбувався періодично. В океанах формувалися бітумінозні глини, горючі сланці, а на суші вугілля.
Для утворення вугілля більш відповідними були кам'яновугільний і пермський періоди, а після слабшання процесу в тріасі - юрський, млявий і палеогені періоди. Організми стали використовувати для утворення скелетів СаС03 і Si02, що зробило склад морської води лужним. Почали осідати фосфорити, що призвело до появи їх родовищ. Так, під впливом живої речовини океан став іншим, і осадові породи з закісно-окисних стали углисто-карбонатно-галогенними. Еволюція Землі як планети і еволюція живого на ній були взаємопов'язані і взаємозалежні. На весь хід міграції хімічних елементів у верхніх оболонках Землі все сильніше - і прямо, й побічно - впливало жива речовина біосфери.
Зміна вигляду нашої планети можна оцінити при зміні масштабу сприйняття. Для наочності геолог і мандрівник князь П. М. Кропоткін створив «сценарій» такого «фільму», коли кожна секунда екранного часу відповідає мільйону років життя Землі. Перші 2 - 3 хв йдуть «кадри» створення світу: з згустку космічного пилу, газу і уламків загиблих світів формується кулясте тіло планети. Наступні 40 хв «фільму» - розповідь про найдавнішому етапі геологічної історії (архейської ера), Земля знайшла первинну атмосферу, на ній з'явилося життя. Але розвивалося життя дуже мляво, і майже нічого не змінилося за 2 млрд років, або 33,3 хв. Тільки в протерозої всього за 17 хв (1 млрд років) рослинність поширилася з океанів на прибережні ділянки суші; з'явилися хробаки, молюски, трилобіти. Весь розвиток життя (фанерозой) промайне за 10 хв - «кадри» змінюватимуться з величезною швидкістю, будуть мінятися контури материків, рослинність, рельєф, види тварин і т.д. Змінюються фізичні поля і атмосфера. І з цих 10 хв історія людини займе лише 2 с.
Хімічна еволюція континентальної частини земної кори проходила від основного, базальтового складу, характерного для океанічного типу кори, до кислого, гранітному, і океанічна кора поступово (приблизно 2,5 млрд років тому) перетворилася на континентальну. Цьому сприяло декілька факторів:
при формуванні ядра планети в одній з півкуль виділилося більше базальтів;
склад продуктів виверження вулканів змінювався, змінюючи товщину континентальної кори. Базальтові магми збагачувалися SiO2, А12O3, Fe2O3, Na2O, відповідно зменшуючи частку MgO, FeO, CaO;
почався потужний кругообіг речовин, що включає переробку первинної кори під дією сонячної енергії, гравітації і всієї біосфери (рис. 10.4, а).
Величезні маси земної континентальної кори пройшли через стан осадових порід, були перемитих водою і змінилися під дією багатьох компонент. Тривалий кругообіг води вимивало з кори деякі базальтові елементи (найбільш розчинні Са + +, Mg + +, Fe + +), зберігаючи малорухомі типу SiO2, А12O3. Натрій потрапляв в океан у великій кількості, знаходився там в розчиненому вигляді, але його значна частина поверталася в континентальну кору у вигляді опадів. Калій затримувався в тонкодисперсних глинах і рослинних залишках, тому його більше в континентальній корі, ніж в океанічній (рис. 1).
У лабораторних умовах моделювали глобальні зміни тільки останнього геологічного періоду. Для вивчення взаємодії пар земних шарів виготовили двошарові моделі: лист гуми товщиною 1,5 см залили тонким шаром (3-4 мм) легкоплавкого матеріалу (воску або парафіну), зчіпного з гумою. Після охолодження моделі розтягнули домкратами. У верхньому шарі гуми з'явилася мережа тріщин і виникла блокова структура, характерна для верхнього шару земної кори. При сильному подрібненні від підкладки відшарувалися найдрібніші «блоки», і дроблення припиняли. Так перевірили ідею Вернадського про певну організованості процесів у земній корі і енергонасиченості геологічного середовища.
Гіпотезу дрейфу континентів розвивав німецький вчений А. Вегенер (1912), хоча вона здавалася необгрунтованою. Подібність обрисів західного берега Африки і східного берега Південної Америки здавна вважали свідченням поділу єдиного материка.
Вегенер назвав його Пангея (від грец. Pan - все + gaia - земля). Італійський учений Сінднер-Пеллегріні вказував на подібність не тільки обрисів, але і викопних рослин і родовищ вугілля в Америці і Європі. Приблизно в цей же час гляциолог Ф. Б. Тейлор пов'язував освіту молодих гір третинного періоду навколо Тихого океану з «розкриттям» дна Атлантичного океану. Причину він бачив у приливних силах Місяця після її захоплення Землею в крейдяному періоді, що і викликало дрейф континентів. А. Холмс у 1927 - 29 рр.. виділив сили конвективного течії у верхній мантії Землі як здатні перемістити континенти (верхню оболонку товщиною 50 - 100 км). Вимірювання сили тяжіння на морі і на суші свідчили на користь гіпотези дрейфу континенту.
Район землетрусів утворюють вузькі і довгі зони, що розділяють сейсмічно активний верхній шар Землі на літо]-Сферна плити-стабільні ділянки. Плити (товщиною 75 - 150 км) включають в себе значну частину верхньої мантії. Зони, що обмежують плити, утворені серединно-океанічними хребтами і глибокими і широкими океанськими жолобами. За ним розташоване більше число діючих вулканів. Плити переміщаються по поверхні мантії Землі, краї плит розсуваються або сходяться. При раздвижении утворюється тріщина, в яку надходить речовина мантії; у поверхні воно твердне, утворюючи кору. Цей процес називається спредингом. Вихід речовини - один з процесів рудоутворення. Оцінка швидкості наближення цих елементів до поверхні дозволила б зрівняти споживання металу зі швидкістю формування руд для досягнення стійкого розвитку людства. Якщо плити сходяться, їх краї занурюються в мантію, плита потрапляє як би на переплавку.
Гіпотеза Вегенера відродилася під впливом відомостей про будову океанічного дна і нових даних палеомагнетизму. Виявилося, що континенти в ході історії Землі відчували зсуву щодо магнітних полюсів, причому в порівнянні з кінцем палеозою (230 млн років тому) розташування континентів змінилося. Для розуміння процесів потрібно було провести магнітні вимірювання в океанах. У товщі земних опадів встановили кілька рівнів зміни векторів намагніченості порід. Ми живемо в епоху, яка почалася близько 730 тис. років тому, змінивши епоху зворотної полярності. Але за цей період були й короткочасні зміни магнітних полюсів. Дослідження геофізиків показали, що вік порід кори менше віку осадових порід на дні океану і зростає в залежності від відстані до хребта. Значить, на осі хребта створюється нова речовина кори, а утворене раніше зміщується від зони розсовуючи зі швидкістю кілька сантиметрів на рік.
Гіпотеза літосферних плит заснована на їхній здатності ковзати по поверхні астеносфери (розплавленим глибинним порід), ніж поверхня Землі приводиться в стан, близький до гідростатичного рівноваги. Ця теорія отримала визнання в 60-і рр.. XX ст. Вважається, що верхній шар кори складається з 15 жорстких плит, з них 50% - великі (до 1000 км), які плавають на гарячому, пластичному шарі мантії Землі по поверхні астеносфери. При цьому плити можуть стикатися, занурюватися один під одного і насуватися одна на іншу. Разом з плитами можуть переміщатися і континенти. Цю гіпотезу називають гіпотезою нової глобальної тектоніки, оскільки вперше спробували пояснити розвиток Землі за допомогою даних, отриманих при вивченні розвитку континентів і океанів. Літосферу моделюють системою плит, що переміщаються щодо один одного зі швидкостями кілька сантиметрів на рік. Так, Гімалаї, Памір і Тянь-Шань - результат надвигания однієї плити на іншу.
При зростанні плит розширюється океанічна улоговина, магма піднімається, застигає і утворює уздовж підводного хребта океанічну кору. При уповільненому процесі скорочується протяжність спредінгових центрів. В даний час довжина такої системи близько 56 тис. км, а швидкості розвитку близько 5 см / рік (в Атлантиці - майже вдвічі нижче, в Тихому океані - в 3 рази вище). Множачи середню швидкість росту на довжину спредінгових центрів, отримаємо швидкість формування кори - 2,8 км2/год. Середня площа океанів - 310 млн км2, тобто вони сформувалися за 110 млн. років. Засобом перевірки гіпотези тектоніки плит служила програма буріння із судна «Гломар Челленджер». Результати буріння дна підтверджують, що океани більш «молоді», ніж вважали раніше. Вік західній частині Тихого океану - до 180 млн років, тобто за останні 2 млрд років могли виникнути і зникнути до 20 океанів. Якщо дно і континент належать до однієї і тієї ж плиті, то континент переміщається разом з нею. Океанічна кора може зануритися під континент, приєднуючись до мантії (субдукція). Кора піднімається на хребті, переміщається поперек улоговини і занурюється вздовж жолоба, що відокремлює зону субдукції. Породи охолоджуються в океані, розтікаються по осі хребта і в сторони від нього, і кора поступово занурюється. Деякі гори на океанічному плато настільки великі, що піднімаються, як острови. Підводні гори найчастіше базальтові і з'являються з «гарячих точок», розташованих під плитою. Якщо плита ковзає по магмі, виникає цілий ланцюг швидко зростаючих вулканів, як на Гавайських островах. Скупчення мінеральної сировини по всіх кордонів плит підтверджує існування таких процесів.
Як здійснюється математичне моделювання біологічної еволюції
Математичне моделювання як науковий напрям ще дуже молодо, і, судячи з усього, його еволюція в рамках комп'ютерно-технологічних зрушень триває.
Побудова моделей являє собою "застосування фундаментальних законів природи, варіаційних принципів, аналогій, ієрархічних ланцюжків", а процес побудови моделі включає в себе наступні етапи:
«Cловесно-смислове опис об'єкта або явища" ("формулювання предмоделі»);
«Завершення ідеалізації об'єкта» і спрощення опису;
Перехід «до вибору або формулюванні закону (варіаційного принципу, аналогії тощо)» та його записи в математичній формі;
«Завершує формулювання моделі її« оснащення »(завдання початкового стану і параметрів об'єкта). Цей етап особливо важливий, оскільки:
«І, нарешті, формулюється мета дослідження моделі (знайти закон заломлення світла, досягти розуміння закономірностей зміни популяції, визначити вимоги до конструкції ракети, що запускає супутник, і т.д.)»;
Модель вивчається всіма доступними методами (у тому числі із застосуванням різних підходів і обчислювальних методів);
У результаті дослідження моделі досягається поставлена мета. При цьому "має бути встановлена всіма можливими способами (порівнянням з практикою, зіставленням з іншими підходами) її адекватність - відповідність об'єкту і сформульованим припущенням".
Послідовність етапів моделювання, що відповідає цьому розбиття, представлена нами на рис. 1.
Рис.1
Плідність методології математичного моделювання при вирішенні різноманітних завдань за минулі роки була неодноразово підтверджена численними прикладами з області механіки, термодинаміки, біології, економіки і соціальних наук.
Демографічна проблеми, пов'язаних зі старінням і поганим відтворенням населення, останнім часом приділяється все більше уваги. Дослідження на людському матеріалі в силу цілого ряду обставин часто не дозволяють отримати переконливих результатів. Проблема зв'язку старіння з генетичними (спадковими) факторами, умовами життя і навколишнім середовищем відносяться до числа таких проблем. Експерименти на тваринах з простіший генетичної та фізіологічної організацією і з коротким життєвим циклом дозволяють глибше зрозуміти загальні біологічні основи старіння і, в принципі, розпочати розробку заходів з продовження життя і запобігання передчасного старіння в людини. Стандартні експерименти найчастіше ставляться на популяціях плідних і короткоживучих комах (плодова мушка Drosophila і середземноморська мушка Ceratitis Capitata). Дослідження останньої має і самостійне прикладне значення, оскільки в ряді ця мушка є найбільш поширеним шкідником фруктових плантацій, і вже близько десяти років вирощується в промислових масштабах в Мексиці в рамках програм біологічного захисту врожаю.
«Академічний» етап моделювання старіння представлений класичними популяційно-генетичними моделями Фішера, фізіологічними моделями, моделями "теорії надійності" та термодинамічними моделями. Перехід до активних комп'ютерних методів дослідження пов'язаний з переходом до методів Монте-Карло. Дотримуючись давньою традицією, фізики з ентузіазмом беруться за вирішення кардинальних питань життя, в даному випадку за розробку моделей старіння. Найбільш відома витончена bit-string модель бразильського фізика пiнними ус (що представляє геном у вигляді рядка двійкових сигналів). Однак, як і у випадку аналізу "життя з точки зору фізика", результати цієї роботи виявилися цікавими в основному для самих фізиків і для широкої публіки. Розробляються поза зв'язком з експериментальними дослідженнями, ці "моделі старіння" виявилися абсолютно неадекватними з точки зору біолога.
Але новому етапі мети математичного моделювання пов'язані в першу чергу з бажанням удосконалити процес вилучення інформації про механізми старіння і захисних механізмах у експериментальних тварин на основі реальних спостережуваних в експерименті даних. Математичні моделі дозволяють висувати біологічно обгрунтовані і формально коректні гіпотези про такі механізми і тестувати їх. Тому не дивно, що останнім часом практично всі провідні експериментальні команди у світі, що ведуть дослідження механізмів старіння на популяціях комах, включили до свого складу фахівців з моделювання.
Загальна мета цих робіт, хоча і слабо формалізована, полягає в кардинальній зміні ролі моделювання в експериментальному дослідженні живих систем. Замість традиційного аналізу "загальних тенденцій" і відтворення в моделі середньо-абстрактного об'єкта (організму або популяції), практика моделювання біосистем неухильно рухається до он-лайновому включенню моделі в сам процес експериментальних досліджень. Результати модельного дослідження i-го експерименту повинні стати вихідними позиціями для постановки (i +1)-го. Можна навіть сказати, ризикуючи викликати справедливий гнів біологів-експериментаторів, що самі експериментальні дослідження стають засобом верифікація математичної моделі. Важко очікувати, що найближчим часом цей процес завершиться. Але сама мета стає все більш очевидною.
Характерним прикладом такої взаємодії могло б стати наше "комп'ютерне повторення" класичних експериментів Майнарді Сміта, не будь воно проведено через сорок років після самих експериментів. Ми змогли в рамках єдиної моделі (гомеостатична модель старіння) об'єднати дві ранніх теорії старіння, Теорію темпу життя і Порогову теорію.
Які фактори визначають зміни клімату планет? Що доводить одноразова походження тіл Сонячної системи
Зміна клімату - коливання клімату Землі в цілому або окремих її регіонів з плином часу. Його вивченням займається наука палеокліматологія. Причиною зміни клімату є динамічні процеси на Землі, зовнішні впливи, такі як коливання інтенсивності сонячного випромінювання, і, з недавніх пір, діяльність людини. Останнім часом термін «зміна клімату» використовується як правило (особливо в контексті екологічної політики) для позначення зміни в сучасному кліматі.
Зміни клімату обумовлені змінами в земній атмосфері, процесами, що відбуваються в інших частинах Землі, таких як океани, льодовики, а також ефектами, супутніми діяльності людини. Зовнішні процеси, що формують клімат, - це зміни сонячної радіації і орбіти Землі.
зміна розмірів і взаємного розташування материків і океанів,
зміна світимості сонця,
зміни параметрів орбіти Землі,
зміна прозорості атмосфери і її складу в результаті змін вулканічної активності Землі,
зміна концентрації парникових газів (СО2 і CH4) в атмосфері,
зміна відбивної здатності поверхні Землі (альбедо),
зміна кількості тепла, наявного в глибинах океану.
Галактика М 82 в сузір'ї Великої Ведмедиці. Близько 3 млн років тому з неї було викинуто речовина об'ємом в 6 млн сонячних мас, і частина його отримала швидкості, близькі до світлових, тобто стався вибух з викидом енергії в 1065 Дж, еквівалентний одночасної спалаху 10 млн найновіших. Для вибуху об'єкта Лебідь А викид енергії оцінюється в 10 тисяч разів більше. Такі величезні значення енергії, що перевищують у декілька разів гравітаційну енергію зв'язку всіх зірок у радіогалактик, мають своїм джерелом область галактичного ядра, де генеруються релятивістські електрони.
Планети зміщуються по відношенню до Сонця в одній фазі, тобто одночасно, пропорційно масам отримавши запас кінетичної енергії та швидкість, вони приблизно одночасно досягають максимального видалення, потім майже одночасно починають рух назад.
Обгрунтуйте на основі еволюційних уявлень про розвиток структурних рівнів організації матерії становлення ноосфери. У чому полягає суть концепції ноосфери по Вернадський? Чи існує ноосфера зараз
Вернадський говорив, що «біосфера перейде одного разу в сферу розуму ноосферу. Відбудеться велике об'єднання, внаслідок якого розвиток планети зробиться направленим силою Розуму ». Сам термін «ноосфера» виник на семінарі, де виступав Вернадський зі своєю концепцією біосфери. Його широко використовували Е. Ле Руа і П. Тейяр де Шарден, але розуміли його як «оболонку думки» на планеті. На думку Тейяра де Шардена, виникнення думки - явище, яке знаменує собою «трансформацію, що зачіпає стан всієї планети».
Ноосфера - це вища ступінь інтеграції всіх форм існування матерії, коли будь-яка перетворююча діяльність людини буде грунтуватися на науковому розумінні природних і соціальних процесів і органічно узгоджуватися з загальними законами розвитку природи. Це вищий етап еволюції системи «природа - суспільство», який тільки формується і має бути, якщо людство хоче жити без глобальних потрясінь. Такий тип відносин «природа - суспільство» відповідає коеволюції. У структурі ноосфери можна виділити людство, сукупність наукових знань, суму техніки і технологій в єдності з біосферою.
Сонячна енергія запустила геохімічні цикли кругообігу хімічних елементів, в які втягуються все нові маси речовини. Утворилися товщі осадових порід запасли енергію біомаси (у формі газу, вугілля, нафти). Ці перетворення планетарного масштабу і виробили людини - носія Розуму. Людина залежить від біосфери, він - її породження. Щоб підпорядкувати своїм розвитком середовище проживання, він повинен опанувати біосферними процесами, інакше буде приречений як біологічний вид. Але забезпечення коеволюції людини, природи і суспільства вимагають введення деяких обмежень діяльності. Тому перехід в ноосферу означає обов'язок людини взяти відповідальність за подальшу еволюцію біосфери в цілому, тобто і за себе, діючи за принципом «не нашкодь». У вченні про ноосферу Вернадський вперше усвідомив і спробував здійснити синтез природних і суспільних наук у дослідженні глобальної діяльності людства. Жива речовина перетворює верхню оболонку Землі, поступово людина стає силою геологічного масштабу, тому і несе відповідальність за еволюцію планети. Сам він використовував це поняття у різних значеннях: як стан планети, коли людина стає перетворюючої геологічною силою; як область активного прояву наукової думки; як основний фактор перебудови і зміни всієї біосфери.
Ноосферної етап (етап допустимого розвитку) полягає в тому, що економічні та екологічні проблеми взаємин з біосферою визначаються не виживанням людства, а збереженням екосфери в гармонії живої та неживої матерії, збереженням гармонії природи з збереженням ресурсу тваринного і рослинного світів, які співіснують в біоценозах і екосистемах .
Відносини в системі «людина-природа» будувалися по-різному у різних культурних традиціях. У класичній західноєвропейській культурі: природа - пасивний матеріал для прояву творчих можливостей людини; у східній культурі вона - джерело побожного шанування до повного розчинення в ній людського начала; в російській - склалася самоцінність природи, вона - активний матеріал, розмірний статусу людини і світобудови. Вернадський намітив для досягнення етапу ноосфери серію заходів: вирішити проблему розумної щільності народонаселення та оптимальної чисельності жителів Землі; ліквідувати бідність; розширити межі біосфери і вийти у космос; відкрити нові джерела енергії; оцінити допустимість і достатність економічного розвитку в рамкахсбалансірованного самовідновлення біосфери; виключити війни з життя суспільства; підняти культуру людини на всіх рівнях організації суспільства.
Чим займається нейрофізіологія? Опишіть процеси гальмування і збудження. Поясніть поняття «умовний і безумовний рефлекс». Чим відрізняються інстинкти від рефлексів? Який зв'язок між вченням Павлова про рефлекси і кодуванням інформації. Як вивчають мозок за допомогою електродів. Що таке розум і мова? Яке співвідношення інтелекту й інстинкту
Нейрофізіологія - розділ фізіології тварин і людини, що вивчає функції нервової системи та її основних структурних одиниць - нейронів. Вона тісно пов'язана з нейробіологією, психологією, неврологією, клінічної нейрофізіології, електрофізіологією, етологією, нейроанатоміі та іншими науками, що займаються вивченням мозку [
Здатність впізнавати образ - одне з фундаментальних властивостей мозку. Реалізована так інформація - змістовна основа мислення. Навколишній світ відображається у свідомості людини у всьому різноманітті. Відомості про нього надходять через органи відчуттів, потім передаються в мозок єдиним способом - модуляцією нервових імпульсів. Імпульси йдуть за різними волокнах в різні ділянки мозку. Просторове і тимчасове підсумовування імпульсів, пов'язана з ним мозаїка процесів збудження і гальмування в корі головного мозку - це фізіологічна основа людського мислення. Але ще необхідно відфільтрувати шуми і виділити структурний інваріант, що лежить в основі формування образу.
Прийнято розділяти мислення образами (конкретне) і поняттями (абстрактне), причому права півкуля головного мозку спеціалізується на образах реальних об'єктів і емоційних реакціях, а ліве - формує абстрактне мислення. Через асиметрії мозку звичайно одна з його частин домінує, тому вважають, що «право-полушарной мислення» налаштовує на більш успішні заняття гуманітарними науками чи мистецтвом, а володарі «лівопівкульним мислення» повинні вибирати науково-технічні галузі діяльності. Але дослідження нейрофізіологів показали, що права півкуля розпізнає текст цілком, а ліве - поелементно. Тому і функції їх можна вважати синтетичної та аналітичної відповідно, і обидві вони повинні перебувати в гармонії для адекватного пізнання дійсності як окремою людиною, так і наукою в цілому.
У притягальну для будь-якої людини область явищ психіки вперше проник І. М. Сєченов. Він першим висловив положення про наявність зв'язку життєвої діяльності клітини із зовнішнім середовищем. Сєченов довів, що психічне життя людини і, зокрема, її свідомість є результатом діяльності мозкових клітин (1863). Він стверджував, що всі акти свідомої і несвідомої життя людини за способом проходження - тільки рефлекси, причому джерелом рефлексів можуть бути як внутрішні, так і зовнішні подразники. У людини в якості таких джерел можуть бути моральні регулятори. Демонструючи в дослідах на собі швидкість проходження рефлексу, він силою волі затримував швидкість деяких з них. Звідси - особлива роль зіткнення людини з життям, виховання в широкому сенсі слова у моральній регуляції вчинків, а значить, і в швидкості тих чи інших реакцій організму. Ці дослідження дали підстави І. П. Павлову стверджувати, що «наближається важливий етап людської думки, коли фізіологічне і психологічне, об'єктивне і суб'єктивне справді зіллються, і ... відпаде природним шляхом протиставлення моєї свідомості моєму тілу ». Павлов перейшов від вивчення зв'язків організму з навколишнім середовищем, здійснюваних нервовою системою, до досліджень функцій великих півкуль головного мозку. Він розділив рефлекси на безумовні і умовні. У 1925 р. він відкрив при своїй лабораторії дві клініки - нервову і психіатричну, в яких застосовував для лікування результати, отримані в дослідженнях вищої нервової діяльності. Таким чином, він показав, що ряд порушень душевної діяльності (наприклад, шизофренія) пов'язаний з підкресленою проявом так званого охоронного гальмування.
РЕФЛЕКС - це відповідна реакція різних органів на подразнення. Скажімо, очей, реагує на колір тим, що відображає його і передає інформацію в мозок. Барабанна перетинка вуха сприймає звук - це її відповідна реакція на подразнення, вся інформація від неї йде також у мозок. Мозок реагує на всі рефлекси з метою визначення більш вигідних або небезпечних для існування. Скажімо, якщо ми чуємо страшний звук, мозок шляхом аналізу та порівняння визначає ступінь його небезпеки і пропонує відповідний стереотип дій. Не слід розглядати РЕФЛЕКС як реакцію всього організму, як єдиного цілого, тому що організм складається з безлічі органів і тканин, які все реагують по-різному.
Інсти НКТ (від лат. Instinctus - спонукання), доцільна поведінка без усвідомлення мети; ситуація, в якій здійснення одного рефлексу приводить до здійснення іншого. Інстинкт - комплекс рухових актів або послідовність дій, властивих організму даного виду, реалізація яких залежить від функціонального стану тварини (визначеного домінуючою потребою) та що склалася в даний момент ситуації. Інстинктивні реакції носять вроджений характер, і їх висока видова специфічність часто використовується як таксономічний ознака поряд з морфологічними особливостями даного виду тварин.
Інстинкт - комплекси генетично закріплених у мисленні індивіда неусвідомлюваних установок послідовності дій та алгоритмів поведінки, які забезпечували попереднім поколінням успіх у виживанні та появі даного життєздатного індивіда. Інстинкт проявляється як реакція на зміни станів зовнішнього середовища, а так само як реакція на прогнозовані зміни у зовнішньому середовищі, неосознаваемо оцінювані як впливають на виживання індивіда.
На початку 50-х років У.Р. Хесс вперше провів експерименти з введенням електродів. Він виявив, що при стимуляції певної ділянки гіпоталамуса у кішки її поведінка ставала агресивним, як у випадках небезпеки: вона гарчала і фиркала, випускала кігті, шерсть у неї піднімалася дибки. Піддослідна тварина поводилася так, як ведуть себе всі кішки при зіткненні з гавкаючим псом, але це відбувалося за відсутності собаки або якого-небудь іншого зовнішнього подразника. Сама по собі нервова активність, яка виходить із гіпоталамуса, викликала цю агресивну реакцію, пов'язану зі страхом.
У 1953 році Джеймс Олдс і його колеги вживляли електроди в різні області гіпоталамуса щурам. Тварини не тільки навчалися натискати на важіль, щоб отримувати роздратування, але, одного разу навчившись, продовжували робити це з частотою кілька тисяч разів на годину протягом десяти годин. Оскільки щур трудилася з таким завзяттям, її поведінка означало, що їй «подобається» відчуття, яке викликається такий самостимуляцією. Відповідні області гіпоталамуса стали тому називати «центрами задоволення».
У результаті подальших досліджень був виявлений цілий радий ділянок, які тварини прагнули стимулювати. Ці ділянки в основному збігалися з шляхами передачі збудження від дофамінергіческіх нейронів чорної субстанції і адренергіческіх нейронів блакитної плями. Оскільки електростимуляція справді посилює синтез і секрецію відповідних медіаторів (дофаміну і норадреналіну), можна припускати, що один з них або обидва грають істотну роль у виникненні «задоволення». Однак звідси ще не можна укласти, що відчуття задоволення пов'язане з активацією згаданих шляхів.
Електростимуляцію виробляли також у деяких хворих під час операції на головному мозку. Маніпуляції на мозковій тканині не викликають болю, і це дозволяє проводити деякі з таких операцій без загального наркозу. Багато хворих повідомляли про приємні відчуття, що виникали при електричній стимуляції ділянок мозку, які приблизно відповідають «центрам задоволення» у щурів.
Що дали людині рішення на ЕОМ глобальних проблем світу? Поясніть терміни: «ядерна зима», «ядерна осінь», «концептуальне пристрій розвитку»
Ядерна зима - гіпотетичне глобальний стан клімату Землі в результаті широкомасштабної ядерної війни. Передбачається, що в результаті винесення в стратосферу великої кількості диму і сажі, викликаного великими пожежами під час вибуху 30% -40% накопичених у світі ядерних боєзарядів, температура на планеті повсюдно знизиться до арктичної в результаті істотного підвищення кількості відображених сонячних променів.
Можливість виникнення ядерної зими передбачена Карлом Саганом у США і підтверджена в СРСР розрахунками В. В. Александрова. Ці роботи були широко висвітлені пресою і отримали великий суспільний резонанс. Згодом багато фізиків оскаржували достовірність отриманих результатів, однак переконливого спростування гіпотеза не отримала.
Ядерна осінь - гіпотетичний стан клімату одного з регіонів Землі в результаті обмеженої ядерної війни. Для моделювання ситуацій ядерної осені, як правило, використовується модель конфлікту, де сумарна потужність вибухів становить від 5 до 40 мегатонн (зазвичай це еквівалентно використанню 300-400 тактичних ядерних боєзарядів і / або нейтронного зброї). Експерти вважають, що подібний конфлікт може призвести до негативних екологічних наслідків для регіону - випадання кислотних опадів, зараженню грунтів і локальним епідеміям променевої хвороби і загибелі декількох урожаїв.
Можливо загальне зниження температури на 1 - 2 градуси С. Ймовірно, в регіоні відбудеться масова загибель широколистяних лісів. Хвойні ліси, можливо, зуміють вціліти і в перспективі кілька розширять свій ареал. У довгостроковій перспективі в регіоні, що пережив ефект «ядерної осені», можливий зсув пір року: настання зими в середині жовтня, і весни - в середині квітня.
Моделювання ефекту «ядерної осені» використовувалося експертами на початку 1980-х років при аналізі можливого ядерного конфлікту в Європі на базі євроракет. У 2000-і роки подібний ефект моделюється для гіпотетичних обмежених ядерних конфліктів в Індостані і на Корейському півострові. Ефект «ядерної осені» може виникнути і в результаті поразки ядерних об'єктів одного з держав (гіпотетична операція США проти Ірану і КНДР). за допомогою ЕОМ вирішуються завдання, які не могли бути вирішені чверть століття тому. Виявилося, що в складних системах далеко від рівноваги можуть виникати з хаосу впорядковані стану. Хаос став виступати творчим початком, конструктивним і обов'язковим механізмом еволюції. В даний час суспільству необхідно вирішувати складні задачі виходу з численних криз, причому шляхи виходу не повинні бути катастрофічними, фактично - це завдання балансування між ризиками і безпекою. Проблеми вибору стратегії пов'язують з нелінійною динамікою, яка розробила різні шляхи переходу від хаосу до порядку.
Опишіть предмет і цілі природознавства. Наскільки можна застосувати природничонаукові моделі до суспільних процесів? Оцініть роль науки і техніки в сучасному світі і у формуванні політичних поглядів
Предметом природознавства є "рухома матерія" або різні форми руху матерії в природі. Природа, яка служить предметом природознавства, розглядається не абстрактно, поза діяльністю людини, а конкретно, як що знаходиться під впливом людини, тому що її пізнання досягається в результаті не тільки теоретичною, але практичної виробничою діяльністю людей. Природознавство, як відображення природи в людській свідомості, удосконалюється в процесі її активного перетворення в інтересах суспільства.
Цілі природознавства двоякі: 1) знаходити сутність явищ природи, їх закони і на цій основі передбачати або створювати нові явища; 2) розкривати можливість дослідження на практиці пізнаних законів, сил і речовин природи.
Іншими словами:
- Пізнання істини - безпосередня або найближча мета природознавства, а сприяння практичному використанню її - кінцева мета.
До науки відносять особливу сферу людської діяльності, спрямовану на вироблення, виробництво і систематизацію об'єктивних знань про навколишній світ. Наука - це і сукупність самих знань, що відповідають певним критеріям, і соціальний інститут, тобто сукупність організацій, що займають певне місце в структурі суспільства і виконують громадські функції.
Наука - один з найважливіших компонентів духовної культури, в якому найбільшою мірою представлена пізнавальна сторона діяльності. У наші дні наука - потужний фактор розвитку різних галузей людської діяльності. У прийнятій у 1996 р. «Доктрині розвитку російської науки» їй була дана наступна оцінка: «Російська наука за свою багатовікову історію внесла величезний внесок у розвиток країни та світового співтовариства. Своїм становищем великої світової держави Росія багато в чому зобов'язана досягнень вітчизняних вчених ». Основна роль науки не може бути підмінена організаційними і терміновими оперативними заходами щодо забезпечення безпеки країни і людства. Пізнання об'єктивних законів світу дає можливість цілеспрямованого практичного освоєння та зміни навколишнього світу, є невід'ємним моментом практики матеріального його перетворення. Пізнання може бути донаукових, позанаукові і науковим. Знання повинні відповідати певним критеріям.
Застосування методів природничих наук до суспільних явищ може дати цінні результати. Саме це і намагалася зробити класична економічна теорія, і в багатьох ситуаціях вона досить добре працювала.
Література
Галімов Е. М. Феномен життя: між рівновагою і нелінійністю. Походження і принципи еволюції. - М.: Едіторіал УРСС, 2001.
Гумільов Л. Н. Етногенез і біосфера Землі. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990.
Дубніщева Г. Я. Ретрофізіка в дзеркалі філософської рефлексії. -
М.: ИНФРА-М, 1997.
Дубніщева Т.Я. Концепції сучасного природознавства: навч. посібник для студ. вузів / Тетяна Яківна Дубніщева. - 6-е вид., Испр. і доп. - М.: Видавничий центр «Академія», 2006. - 608 с.
Дубніщева Т.Я. Сучасне природознавство / Т.Я. Дубніщева, О.Ю. Пігарєв. - К.: ЮКЕА, 1998. - М.: Маркетинг, 2000.
Липкин А. І. Підстави сучасного природознавства. - М.: Вузівська книга, 2001.
Електронний підручник «концепції сучасного природознавства»