Зміст
1. Створення еволюційної теорії Ч. Дарвіна (1859)
2. Хромосомна теорія спадковості Г. М. Менделя (1863)
3. Закони: Аксіома боротьби за існування. Закон незнищенності енергії
Список літератури
1. Створення еволюційної теорії Ч. Дарвіна (1859)
Теорія Чарльза Дарвіна, відома під назвою теорії природного відбору, є однією з вершин наукової думки XIX ст. Однак її значення виходить далеко за межі свого століття і за рамки біології: теорія Дарвіна стала природно-історичною основою матеріалістичного світогляду. Теорія Дарвіна протилежна теорії Ламарка не тільки за своїми послідовно матеріалістичним висновків, але і по всьому своєму строю. Вона являє собою чудовий зразок наукового дослідження, грунтуючись на величезній кількості достовірних наукових фактів, аналіз яких веде Дарвіна до стрункій системі відповідних висновків. Дані для обгрунтування своєї теорії Дарвін збирав протягом багатьох років. Перший нарис теорії був написаний в 1842 р., але (разючий приклад наукової обережності і сумлінності!) Не був опублікований протягом багатьох років, протягом яких Дарвін продовжував збирати і аналізувати нові дані. Великий працю Дарвіна "Походження видів шляхом природного відбору або збереження обраних порід в боротьбі за життя" вийшов у світ лише в 1859 р.
Мінливість організмів у доместикованої стані
Перш за все Дарвін зібрав численні докази змінності видів тварин і рослин. На час Дарвіна практикою селекціонерів були створені численні породи різних свійських тварин і сорти сільськогосподарських рослин. Оскільки робота селекціонерів, веде до зміни породних і сортових якостей організмів, була свідомою і цілеспрямованою і було очевидно, що принаймні багато з порід домашніх тварин створено цією діяльністю у відносно недавній час, Дарвін звернувся до вивчення мінливості організмів у доместикованої стані.
Перш за все важливим був сам факт змін тварин і рослин під впливом одомашнення і селекції, що, власне кажучи, вже є доказом змінності видів організмів.
Штучний відбір
Так як основною формою мінливості, за Дарвіном, є невизначена, очевидно, що визнання спадкової мінливості організмів було ще недостатньо для пояснення процесу виведення нових порід тварин або сортів сільськогосподарських рослин. Необхідно було вказати ще силу, яка на основі незначних відмінностей особин формує стійкі і важливі породні ознаки. Відповідь на це питання Дарвін знайшов у практиці селекціонерів, які виробляють штучний відбір на плем'я тільки тих особин, які володіють потрібними людини ознаками. У результаті такого відбору від покоління до покоління ці ознаки стають все більш яскраво вираженими. Відбір являє собою творчу силу, перетворюючу приватні відмінності окремих особин в ознаки, характерні для даної породи чи сорту.
Мінливість організмів у природі
Дарвін зібрав численні дані, що свідчать про те, що мінливість самих різних видів організмів у природі дуже велика, а її форми принципово схожі з формами мінливості домашніх тварин і рослин.
Різноманітні і коливні відмінності між особинами одного виду утворюють як би плавний перехід до більш стійким відмінностям між різновидами цього виду; у свою чергу, останні так само поступово переходять у більш чіткі відмінності ще більше великих угруповань - підвидів, а відмінності між підвидами - в цілком певні міжвидові відмінності. Таким чином, індивідуальна мінливість плавно переходить у групові відмінності. З цього Дарвін зробив висновок, що індивідуальні відмінності особин представляють собою основу для виникнення різновидів. Різновиди при накопиченні відмінностей між ними перетворюються на підвиди, а ті, у свою чергу, - в окремі види. Отже, ясно виражена різновид може розглядатися як перший крок до відокремлення нового виду (різновид - "зачинаються вид").
Дарвін вважав, що між видом і різновидом немає якісної різниці - це лише різні етапи поступового накопичення відмінностей між групами особин різного масштабу.
Більшої мінливістю характеризуються більш широко поширені види, що живуть у більш різноманітних умовах. У природі так само, як і в доместикованої стані, основною формою мінливості організмів є невизначена, що служить універсальним матеріалом для процесу видоутворення.
Боротьба за існування і природний відбір
Зіставляючи всі зібрані відомості про мінливість організмів у дикому і прирученном стан і про роль штучного відбору для виведення порід і сортів одомашнених тварин і рослин, Дарвін підійшов до відкриття тієї творчої сили, яка рухає і направляє еволюційний процес у природі, - природного відбору. "Так як народжується набагато більше особин кожного виду, ніж, скільки їх може вижити, і так як, отже, постійно виникає боротьба за існування, то з цього випливає, що всяке істота, яка в складних і нерідко мінливих умовах його життя, хоча незначно , зміниться в напрямку, для нього вигідному, матиме більше шансів вижити і, таким чином, піддасться природному відбору. У силу суворого принципу спадковості відібрана різновид буде прагнути розмножуватися у своїй новій і зміненій формі ". Іншими словами, природний відбір, або переживання найбільш пристосованих, являє собою збереження корисних індивідуальних відмін чи змін і знищення шкідливих. Зміни, нейтральні за своєю цінністю (некорисні і нешкідливі), не піддаються дії відбору, а представляють непостійний, коливний елемент мінливості.
Результати дії природного відбору
Природний відбір є неминучим результатом боротьби за існування і спадкової мінливості організмів. За Дарвіном, природний відбір є найважливішу творчу силу, яка направляє еволюційний процес і закономірно обумовлює виникнення пристосувань організмів, прогресивну еволюцію і збільшення різноманітності видів.
Виникнення пристосувань (адаптації) організмів до умов їх існування, додає будові живих істот риси "доцільності", є безпосереднім результатом природного відбору, оскільки сама сутність його - диференційоване виживання і переважне залишення потомства саме тими особами, які в силу своїх індивідуальних особливостей краще за інших пристосовані до навко-жаюшім умов. Накопичення відбором від покоління до покоління тих ознак, які дають перевагу в боротьбі за існування, і призводить поступово до формування конкретних пристосувань.
Перерахуємо найважливіші положення терії Дарвіна:
Організмам як у прирученном, так і в дикому стані властива спадкова мінливість. Найбільш звичайною і важливою формою мінливості є невизначена. Стимулом для виникнення мінливості організмів служать зміни зовнішнього середовища, але характер мінливості визначається специфікою самого організму, а не напрямком змін зовнішніх умов.
У центрі уваги еволюційної теорії повинні знаходитися не окремі організми, а біологічні види і внутрішньовидові угрупування (популяції).
Всі види організмів у природі змушені вести жорстоку боротьбу за своє існування. Боротьба за існування для особин даного виду складається з їхньої взаємодії з несприятливими біотичними та абіотичними факторами зовнішнього середовища, а також з їх конкуренції між собою. Остання є наслідком тенденції будь-якого виду до безмежного розмноження і величезного "перевиробництва" особин в кожному поколінні. За Дарвіном, найважливішою є саме внутрішньовидова боротьба.
Неминучим результатом спадкової мінливості організмів і боротьби за існування є природний добір - переважне виживання та забезпечення потомством краще пристосованих особин. Гірше пристосовані організми (і цілі види) вимирають, не залишаючи потомства.
Наслідками боротьби за існування і природного відбору є: розвиток пристосувань видів до умов їх існування (зумовлює "доцільність" будови організмів), дивергенція (розвиток від загального предка декількох дочірніх видів, всі більша розбіжність їх ознак в еволюції) і прогресивна еволюція (ускладнення та удосконалення організації).
Приватним випадком природного відбору є статевий відбір, що забезпечує розвиток ознак, пов'язаних з функцією розмноження.
Породи домашніх тварин і сорти сільськогосподарських рослин створені за допомогою штучного відбору, аналогічного природному відбору, але що ведеться людиною в своїх інтересах.
2. Хромосомна теорія спадковості Г. М. Менделя (1863)
Дарвін розумів, що для створення теорії еволюції необхідне знання законів спадковості. На час видання "Походження видів" Дарвіна науці нічого не було відомо про успадкування ознак. Відповідно до поглядів Дарвіна на спадковість вважалося, що якась речовина, утворене кожним з батьків, необоротно змішується в потомстві, що і визначає розвиток певних ознак у наступних поколінь. Виходячи з цього вважалося, що онук має змішану спадковість. Що складається на одну чверть з речовини (або "крові"), отриманого від діда і бабці. І тільки Грегор Мендель заклав основи сучасної теорії спадковості, або як її називають зараз, генетики.
Принципи менделевської теорії спадковості.
Менделевської спадковість об'єднує п'ять основних принципів, два з яких він сформулював у вигляді законів.
Спадковість дискретна, і за винятком статевих хромосом, внесок кожного з батьків у своє потомство рівноцінний. Матеріал, що визначає спадкові властивості, передається нащадкам сперматозоїдом і яйцеклітиною і не змішується. Спадковий матеріал являє собою набір дискретних частинок, званий генами. Гени - це гігантські молекули, що визначають своєю будовою і взаємодією з іншими аналогічними молекулами природу спадкових ознак.
Спадкові ознаки не "забруднюють" один одного. Гени, отримані потомством від батьків, становлять пари, причому таких пар в організмі може бути тисячі. Гени передаються в тому ж вигляді, в якому вони існували у предків.
При схрещуванні двох чистопородних організмів, що розрізняються по парі контрастують ознак, перше покоління, як правило, має ознаки одного з батьків. Таким чином, вихідні (дідівські) форми знову виявляються у другому поколінні, або, як зараз кажуть, вищепляются. Це перший закон Менделя, підтверджує вищевикладене друге положення, званий закон розщеплення.
Якщо схрестити організми, що розрізняються по двох або більшого числа пар контрастують ознак, то в другому поколінні ці ознаки розподіляються абсолютно незалежно один від одного. Це правило отримало назву закон незалежного розподілу.
П'ятим принципом теорії спадковості Менделя доводилася виняткова стабільність генів. Гени рідко змінюються (мутують) з утворенням різних форм (мутантів). Ці зміни можуть викликати появу нових спадкових ознак. З 50 000 тисяч статевих клітин тільки одна з них буде нести мутаційні зміни з якого-небудь гену. Значна частина статевих клітин буде нести, принаймні, одну нову мутацію.
Домінантність спадкових ознак.
Перш ніж говорити про домінантності, слід розкрити такі поняття: алелі, гомозиготи, гетерозиготи.
Гени, які контролюють спадкові властивості, укладені в хромосомах. Хромосоми парні, тому кожен ген у клітині представлений двічі, по одному в кожній хромосомі і в тому ж місці хромосоми. Гени, розташовані в одному і тому ж місці хромосоми називаються аллеморфамі (алелями). Вони можуть бути однаковими, а можуть різнитися. Організм, що має пару однакових алельних генів, називається гомозиготним. Організм, що несе два різних аллеморфа, називається гетерозиготним.
Мендель працював з двома чистими лініями гороху: одна з яких з зеленими насінням gg, а інша з жовтими GG. (Gg - рецесивна ознака зелених насіння, GG - домінантна ознака жовтих насіння). За зовнішнім виглядом утворюється два види типу насіння відносно 3 жовтих до 1 зеленому. Фенотипом називається сукупність ознак, якими володіє організм, а генетичний склад, який визначає ці ознаки, називається генотипом. У менделевської схрещуванні є тільки два різних фенотипу у другому поколінні щодо 3 жовтих до 1 зеленому, але три генотипу відносно 1GG: 2Gg: 1gg.
При схрещуванні з двох чистих ліній, що розрізняють ознак, можна визначити домінантність одного з ознак з розщеплення у другому поколінні. Якщо одна з ознак домінує, то ми отримаємо два фенотипу щодо 3: 1, де особин з домінантною ознакою більшість. Але при відсутності домінантності буде розщеплення у відношенні 1: 2: 1, де більшість гетерозигот. У наведеній схемі 1 дано результати поворотного схрещування, де співвідношення гетерозигот до гомозигота дорівнює 1: 1.
3. Закони: Аксіома боротьби за існування. Закон незнищенності енергії
Аксіома боротьби за існування
Як Дарвін, так і Уоллес у теорії природного відбору ставили головний акцент на індивідуальне пристосування особини, що дозволяє їй вийти переможцем у боротьбі за існування. Ясно, що в цьому випадку не можна обійти ролі простого випадку. Незалежно від хорошого пристосування, особина може загинути в результаті простого збігу обставин. У сумі, однак, більшість особин виживає завдяки тому, що вони відповідним чином пристосувалися до умов життя. Іншими словами, не всі особини мають однакові шанси залишитися в живих, тобто відзначається диференційоване виживання особин (differential survival) залежно від їх фенотипових і генотипових властивостей.
Дарвін правильно вважав, що вижила особина має можливість залишити потомство і передати йому ті корисні ознаки, які забезпечили даної особини перемогу в конкуренції з іншими особами тієї ж самої та інших видів. Незабаром Спенсер ввів поняття виживання найбільш пристосованих, і цей термін завоював собі право громадянства, а Дарвін користувався ним пізніше як синонімом природного відбору.
Сучасна теорія природного відбору ввела, однак, і в цьому пункті істотні поправки до первісної теорію дарвінізму. Перш ніж приступити до розбору наступних питань сучасної теорії природного відбору, слід зупинитися трохи ближче на питанні про те, яку особину, з точки зору еволюції, можна назвати відповідно пристосованої.
Питання пристосування добре представлений у публікаціях Т. Добржанського, на яких формуємо наш аналіз цього поняття. У якій би то не було популяції, що живе в постійних умовах, загальний запас її генів, тобто генофонд, піддається лише незначних змін. У результаті спадкової мінливості, що полягає головним чином у рекомбінації генів, виникають різні генотипи. Не всі вони, однак, можуть в рівній мірі передати наступним поколінням свої набори генів. Одні з них взагалі не розмножуються, інші ж виробляють менше потомства, ніж третє. Таким чином, між ними має місце різна здатність до розмноження, яку англосакси називають "differential fertility", тобто диференційована плодючість.
Цим шляхом деякі набори генів постійно елімінуються з популяції, а інші особини певною мірою передають свої гени нащадкам. Ясно, що якщо в такій популяції шляхом мутації виникнуть гени, які розбудують здатність до розмноження володіють ними особин, ці особини або взагалі не будуть розмножуватися, або кількість насіння його буде дуже обмеженим. У результаті ці шкідливі гени будуть відкинуті з популяції. Звідси важливим показником пристосування особини, або його еволюційної пристосованості, з'явиться здатність виробляти велику кількість потомства, яке досягає статевої зрілості і в свою чергу зробить наступне покоління. В оцінці пристосування має значення не тільки індивідуальні властивості особи, як фізична сила або агресивність, але й статева активність. Якщо раніше основна увага звертали на диференційоване виживання, то в даний час, перш за все, беремо до уваги диференційовану плодючість.
Закон незнищенності енергії
Найважливішим досягненням природознавства є встановлення закону збереження енергії. Значення цього закону виходить далеко за рамки приватного фізичного закону. Замість до закону збереження мас цей закон утворює наріжний камінь наукового матеріалістичного світогляду, висловлюючи факт незнищенності матерії і руху. Власне, філософські передумови для такого твердження вже були в наявності. Вони були і в античних філософів, особливо атомістів, і у Декарта, і особливо конкретно і чітко проглядалися у Ломоносова.
У 1807 році член Паризької Академії наук французький фізик і хімік Жозеф Луї Гей-Люссак, вивчаючи властивості газів, поставив досвід. До цього вже було відомо, що стиснений газ, розширюючись, охолоджується. Учений припустив, що це може відбуватися тому, що теплоємність газу залежить від його обсягу. Він вирішив перевірити це. Гей-Люссак змусив газ розширюватися з посудини в порожнечу, тобто іншу посудину, з якого був попередньо відкачано повітря.
На подив усіх вчених, які спостерігали за досвідом, ніякого пониження температури не відбулося, температура всього газу не змінилася. Отриманий результат не виправдав припущення вченого, і він не зрозумів сенсу досвіду. Гей-Люссак зробив велике відкриття і не зміг його помітити.
Дуже важливу роль у розвитку вчення про превратімості сил природи зіграли дослідження російського вченого Еміля Християновича Ленца, що примикають в цьому відношенні до досліджень Фарадея. Його чудові роботи з електрики мають явну енергетичну спрямованість і істотним чином сприяли зміцненню закону. Тому з повним правом Ленц займає одне з перших місць у плеяді творців і зміцнювач закону збереження енергії.
Першим точно сформулював цей великий закон природознавства німецький лікар Роберт Майєр.
Роберт Юлій Майєр (1814-1878) народився в Гейльбронне в сім'ї аптекаря. Після закінчення середньої школи Майєр вступив до Тюбінгенський університет на медичний факультет. Тут він не слухав математичних та фізичних курсів, але зате грунтовно вивчив хімію у Гмеліна. Закінчити університет у Тюбінгені без перерви йому не вдалося. За участь у забороненій сходці він був заарештований. У в'язниці Майєр оголосив голодування і на шостий день після арешту був звільнений під домашній арешт. З Тюбінгена Майєр виїхав до Мюнхена, потім до Відня. Нарешті, в січні 1838 року йому дозволили повернутися на батьківщину. Тут він склав іспити і захистив дисертацію.
Незабаром Майер прийняв рішення вступити на голландський корабель, який вирушає до Індонезії, в якості суднового лікаря. Ця подорож зіграло важливу роль у його відкритті. Працюючи в тропіках, він зауважив, що колір венозної крові у жителів жаркого клімату більш яскравий і яскраво-червоний, ніж темний колір крові у жителів холодної Європи. Майер правильно пояснив яскравість крові у жителів тропіків: внаслідок високої температури організму доводиться виробляти менше теплоти. Адже в жаркому кліматі люди ніколи не мерзнуть. Тому в жарких країнах артеріальна кров менше окислюється і залишається майже такою ж червоною, коли переходить у вени.
Якщо кількість теплоти змінюється, то робота і теплота зобов'язані своїм походженням одного й того ж джерела - окисленої в організмі їжі. Адже робота і теплота можуть перетворюватися одна в іншу. Ця ідея відразу дала можливість Майєру зробити ясним і загадковий досвід Гей-Люссака.
Якщо теплота і робота взаємно перетворюються, то при розширенні газів у порожнечу, коли він не робить ніякої роботи, так як немає ніякої сили тиску, яка протидіє збільшення його обсягу, газ і не повинен охолоджуватися. Якщо ж при розширенні газу йому доводиться виконувати роботу проти зовнішнього тиску, то його температура повинна знижуватися. Але якщо теплота і робота можуть перетворюватися один в одного, якщо ці фізичні величини подібні, то виникає питання про співвідношення між ними.
Майер зрозумів, що ця різниця в теплоті обумовлена тим, що газ, розширюючись, здійснює роботу. Роботу одного моля розширюється газу при нагріванні на один градус визначити неважко. Будь-який газ при малій щільності можна вважати ідеальним - його рівняння стану було відомо. Якщо нагріти газ на один градус, то при постійному тиску його обсяг зросте на якусь величину.
Таким чином, Майєр знайшов, що для будь-якого газу різниця теплоємності газу при постійному тиску і теплоємності газу при постійному обсязі є величина, звана газова постійна. Вона залежить від молярної маси і температури. Тепер це рівняння носить його ім'я.
Одночасно з Майєром і незалежно від нього закон збереження і перетворення енергії розроблявся Джоулем і Гельмгольцем.
Механічний підхід Гельмгольца, який він сам був змушений визнати вузьким, дав можливість встановити абсолютну міру для "живої сили" і розглядати всілякі форми енергії або у вигляді кінетичної ("живих сил"), або потенційної ("сил напруги").
Кількість перетвореної форми руху можна виміряти величиною тієї механічної роботи, наприклад, з підняття вантажу, яку можна було б отримати, якщо повністю все зникло рух затратити на це підняття. Експериментальне обгрунтування принципу і полягає, перш за все, в доказі кількісної визначеності цієї роботи. Цьому завданню і були присвячені класичні досліди Джоуля.
Джемс Прескот Джоуль (1818-1889) - манчестерський пивовар - почав з винаходу електромагнітних апаратів. Ці прилади та явища, з ними пов'язані, стали конкретним яскравим проявом превратімості фізичних сил. У першу чергу Джоуль досліджував закони виділення тепла електричним струмом. Так як досліди з гальванічними джерелами (1841) не давали можливості встановити, чи є теплота, що розвивається струмом в провіднику, тільки перенесеної теплотою хімічних реакцій в батареї, то Джоуль вирішив поставити експеримент з індукційним струмом.
Він помістив у замкнутий посудину з водою котушку із залізним сердечником, кінці обмотки котушки приєднувалися до чутливого гальванометра. Котушка наводилася в обертання між полюсами сильного електромагніта, по обмотці якого пропускався струм від батареї. Число оборотів котушки досягало 600 в хвилину, при цьому поперемінно чверть години обмотка електромагніта була замкнута, чверть розімкнута. Тепло, яке виділялося внаслідок тертя, в другому випадку віднімалося з тепла, що виділяється в першому випадку. Джоуль встановив, що кількість тепла, що виділяється індукційними струмами, пропорційно квадрату сили струму. Так як в даному випадку струми виникали внаслідок механічного руху, то Джоуль прийшов до висновку, що тепло можна створювати за допомогою механічних сил.
У роботах 1847-1850 років Джоуль розробляє свій головний метод, який увійшов в підручники з фізики. Він дає найбільш досконале визначення механічного еквівалента тепла. Металевий калориметр встановлювався на дерев'яній лаві. Усередині калориметра проходить вісь, що несе лопаті або крила. Крила ці розташовані у вертикальних площинах, що утворюють кут 45 градусів один з одним (вісім рядів). До бічних стінок в радіальному напрямку прикріплені чотири ряди платівок, що не перешкоджають обертанню лопатей, але перешкоджають руху всієї маси води. З метою теплової ізоляції металева вісь розділена на дві частини дерев'яним циліндром. На зовнішньому кінці осі є дерев'яний циліндр, на який намотуються дві мотузки в однаковому напрямку, залишають поверхню циліндра в протилежних точках. Кінці мотузок прикріплені до нерухомих блокам, осі яких лежать на легких коліщатках. На осі намотані мотузки, що несуть вантажі. Висота падіння вантажів відлічується по рейках.
Розрахунки Майера і досліди Джоуля завершили двохсотлітній суперечка про природу теплоти. Доведений на досвіді принцип еквівалентності між теплотою і роботою можна сформулювати наступним чином: у всіх випадках, коли з теплоти з'являється робота, витрачається кількість тепла, рівне отриманої роботі, і навпаки, при витраті роботи виходить те ж кількість тепла. Цей висновок був названий Першим законом термодинаміки.
Згідно з цим законом, роботу можна перетворити на тепло і навпаки - теплоту в роботу. Причому обидві ці величини дорівнюють одна одній. Висновок цей справедливий для термодинамічного циклу, в якому система повинна бути приведена до вихідних умов. Таким чином, для будь-якого кругового процесу здійснена системою робота дорівнює отриманої системою теплоті.
Відкриття Першого закону термодинаміки довело неможливість винаходу вічного двигуна. Закон збереження енергії спочатку так і називали - "вічний двигун неможливий".
Список літератури
Горєлов А.А. Концепції сучасного природознавства. - М.: ЮНИТИ, 2004.
Данилова В.С. Основні концепції сучасного природознавства. - М.: Логос, 2003.
Концепції сучасного природознавства. / За ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. - М.: Справа, 2002.
Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. - М.: ОМЕГА-Л, 2004.
Рузавін Г.І. Концепції сучасного природознавства. - М.: БЕК, 2003.