Основні поняття сучасного природознавства

1. Що вивчає хімія, які основні етапи її розвитку? Дайте поняття структурної та еволюційної хімії

2. У чому сутність другого початку термодинаміки? Наведіть значення к.к.д. для теплових станцій. У чому полягає суть спору про «теплової смерті Всесвіту»? Які прийняті шкали температур? Який сенс абсолютного нуля температур?

3. Охарактеризуйте реакції, що лежать в основі енергії зірок. Вкажіть проблеми енергетики, пов'язані з термоядерною реакцією.

4. Опишіть розвиток уявлень про світло. Як і ким було показано, що світло є електромагнітна хвиля? У чому проявляються хвильові властивості світла?

5. Поясніть, що таке Всесвіт, які її розміри, які об'єкти її складають і які моделі розвитку Всесвіту Вам відомі. Які емпіричні підтвердження розвитку Всесвіту?

6. Дайте уявлення про фазових переходах, наведіть приклади фазових переходів різних типів (пологів). Що за явища - надтекучість і надпровідність?

7. Якими методами вдалося вивчити склад живої клітини та її молекулярне будова? Які основні положення і значення клітинної теорії у розвитку біології?

8. Які види мінливості Вам відомі, в чому їх схожість і відмінності? Яка форма мінливості дає вихідний матеріал для природного добору в природі? Доведіть, що природний відбір є направляючим чинником еволюції

10. Опишіть основні етапи розвитку біосфери. Як представляє наука початок життя на Землі? Які стадії походження життя за концепцією Опаріна? Чому життя поки виявлена ​​тільки на нашій планеті? Які сучасні уявлення про походження життя? Суть ідей Ейгена.

Список літератури

1. Що вивчає хімія, які основні етапи її розвитку? Дайте поняття структурної та еволюційної хімії

Хімія - наука, що вивчає речовини та їх перетворення. Перетворення речовин відбуваються в результаті хімічних реакцій.

Перші відомості про хімічних перетвореннях люди отримали, займаючись різними ремеслами, коли фарбували тканини, виплавляли метал, виготовляли скло. Тоді з'явилися певні прийоми і рецепти, але хімія ще не була наукою.

Не стала попередницею хімії та середньовічна алхімія. Метою алхіміків був пошук так званого філософського каменя, за допомогою якого будь-який метал можна було б перетворити на золото. Розуміються їхні зусилля залишилися марними. Але оскільки вони проводили різні досліди, їм вдалося зробити декілька важливих практичних винаходів. Почали використовуватися печі, ретори, колби, апарати для перегонки рідин. Алхіміки приготували найважливіші кислоти, солі та оксиди, описали способи розкладання руд і мінералів.

У наші дні хімія стала могутньою зброєю цивілізації, сировинною базою практично всіх галузей промисловості і сільського господарства. З її допомогою створюються ліки та вітаміни, добрива для підвищення родючості грунту і хімічні засоби захисту рослин. Вугілля, нафта, газ і руди хімія перетворює на енергію і метали, бетон і скло, кераміку і численні органічні сполуки, в тому числі такі, яких у природі не було і не могло бути.

Збройні знанням хімії люди ведуть синтез барвників, штучних волокон, вибухових речовин, отримують напівпровідники і надпровідники, паливо для ракетних двигунів, нові будівельні матеріали. Ядерна енергетика також немислима без знання хімії.

Проте в хімії до цих пір так багато неясного і невідкритого! Постійно з'являються нові області старої науки, нові речовини, нові методи їх отримання та дослідження. Вивчати хімію важко, але дуже цікаво. Особливо якщо з самого початку ти переконаєшся у тому, що вона всюдисуща. Дійсно, куди не глянь - усюди навколо нас об'єкти і явища цієї чудової науки - хімічні речовини і хімічні реакції.

Основна метаморфоза, яку зазнала хімія в 20-му столітті, полягає в тому, що з «експериментальної науки про речовини та їх перетворення» вона перетворилася на систему уявлень, методів, знань і теоретичних концепцій, спрямованих на вивчення атомно-молекулярних систем (АМС) . При цьому основним засобом опису, інтерпретації, прогнозу та використання АМС стала структура. Не буде великим перебільшенням назвати всю сучасну хімію структурної.

Розроблено концепцію еволюційного каталізу, що описує умови та закономірності існування, саморозвитку, самоорганізації і прогресивної еволюції елементарних відкритих каталітичних систем; обгрунтовано виділення еволюційної хімії як нової предметної області науки; запропонована загальна теорія прогресивної хімічної еволюції і біогенезу, що описує на кількісному рівні перехід від вищих проявів хімізму до життя ^1.

2. У чому сутність другого початку термодинаміки? Наведіть значення к.к.д. для теплових станцій. У чому полягає суть спору про «теплової смерті Всесвіту»? Які прийняті шкали температур? Який сенс абсолютного нуля температур?

Другий закон термодинаміки у формулюванні німецького фізика Р. Клаузіуса звучить так: «Теплота не переходить мимовільно від холодного тіла до більш гарячого». З урахуванням введеного в термодинаміку поняття ентропії як міри безладдя системи Клаузіус знову сформулював другий закон: ентропія замкнутої системи, тобто системи, яка не обмінюється з навколишнім середовищем ні енергією, ні речовиною, постійно зростає. А це означає, що такі системи еволюціонують у бік збільшення в них безладу, хаосу і дезорганізації, поки не досягнуть точки термодинамічної рівноваги, в якій будь-яке виробництво роботи стає неможливим.

Переходячи до другого початку термодинаміки, Клаузіус розглядає кругові оборотні процеси і вказує, що в простому круговому процесі типу циклу Карно відбуваються два види перетворень: перехід теплоти в роботу і перехід теплоти більш високої температури в теплоту більш низької температури. Друге початок «має виражати відношення між цими двома перетвореннями». Обидва ці перетворення - «явища однакової природи» і в оборотному процесі можуть заміщати один одного. Клаузіус формулює другий початок як принцип еквівалентності перетворення наступним чином:

«Якщо ми назвемо еквівалентними два перетворення, які можуть заміщати один одного, не вимагаючи для цього ніякого іншого тривалого зміни, то виникнення з роботи кількості теплоти Q, що має температуру Т, володіє еквівалентом Q / ф, а перехід кількості теплоти Q від температури T1, до температури Т2 має еквівалент Q (1 / ф 2-1 / ф 1), де ф є деяка функція температури, незалежна від роду процесу, за допомогою якого відбуваються перетворення ». Клаузіус показує, що для оборотного кругового процесу сума еквівалента дорівнює нулю:

Це, по Клаузиусу, є математичним виразом другого початку. «Варта під знаком інтеграла вираз dQ / ф, - пише Клаузіус,-є диференціалом деякої пов'язаної зі станом тіла величини, яка повністю визначена, якщо відомо стан тіла в даний момент, хоча б нічого не було відомо про шлях, яким тіло в розглядається стан прийшов ».

Суть спору про «теплової смерті Всесвіту» полягає в тому, що Всесвіт може зникнути, тому що системи, яка не обмінюється з навколишнім середовищем ні енергією, ні речовиною, постійно зростає. А це означає, що такі системи еволюціонують у бік збільшення в них безладу, хаосу і дезорганізації, поки не досягнуть точки термодинамічної рівноваги, в якій будь-яке виробництво роботи стає неможливим.

Як відомо, середній ККД теплової електростанції складає 45%, і 55% внутрішньої енергії палива перетворюється на теплову енергію, утилізація якої в системах КВТЕ підвищує загальний ККД енергоджерел до 80-90%.

Гранично низька температура, при якій тиск ідеального газу звертається в нуль, називають абсолютним нулем температури.

При наближенні температури до абсолютного нуля енергія теплового руху молекул наближається до нуля.

Абсолютний нуль температури - початок відліку абсолютної температури за термодинамічною шкалою (шкалою Кельвіна). Абсолютний нуль температури розташований на 273,16 До нижче температури потрійної точки води (на 273,15 С нижче нуля температури за шкалою Цельсія;

При абсолютному нулі температури припиняються хаотичні рухи атомів, молекул, електронів, що визначають температуру системи, але залишаються їхні регулярні рухи, що підкоряються квантової механіки, наприклад нульові коливання атомів в решітці, з якими пов'язана нульова температура ^2.

3. Охарактеризуйте реакції, що лежать в основі енергії зірок. Вкажіть проблеми енергетики, пов'язані з термоядерною реакцією

Випромінювання зірок підтримується в основному за рахунок двох типів термоядерних реакцій. У масивних зірок це реакції вуглець-азотного циклу, а в маломасивних зірок типу Сонця це протон-протонні реакції. У перших вуглець відіграє роль каталізатора: сам не витрачається, але сприяє перетворенню інших елементів, у результаті чого 4 ядра водню об'єднуються в одне ядро гелію.

У принципі можливо безліч інших термоядерних реакцій, але розрахунки показують, що при температурах, що панують в ядрах зірок, саме реакції цих двох циклів відбуваються найбільш інтенсивно і дають вихід енергії, в точності необхідний для підтримки спостережуваного випромінювання зірок.

Як бачимо, зірка - це природна установка для керованих термоядерних реакцій. Якщо створити в земній лабораторії такі ж температуру і тиск плазми, то і в ній почнуться такі ж ядерні реакції. Але як утримати цю плазму в межах лабораторії? Адже у нас немає матеріалу, який би витримав дотик речовини з температурою 10-20 млн. До і при цьому не випарувався. А зірку цього не потрібно: її потужна гравітація з успіхом протистоїть гігантському тиску плазми.

Поки в зірку протікають протон-протонна реакція або вуглець-азотний цикл, вона знаходиться на головній послідовності, де проводить основну частину життя. Пізніше, коли у зірки утворюється гелиевое ядро і температура в ньому підвищиться, відбувається «гелієва спалах», тобто починаються реакції перетворення гелію в більш важкі елементи, також приводять до виділення енергії.

Турбіна атомної електростанції є тепловою машиною, визначальною у відповідності з другим законом термодинаміки загальну ефективність станції. У сучасних атомних електростанцій коефіцієнт корисної дії приблизно дорівнює. Отже, для виробництва 1000 МВт електричної потужності теплова потужність реактора повинна становити 3000 МВт. 2000 МВт повинні несеться водою, що охолоджує конденсатор. Це призводить до локального перегріву природних водойм і подальшому виникнення екологічних проблем.

Однак, головна проблема полягає в забезпеченні повної радіаційної безпеки людей, що працюють на атомних електростанціях, та попередження випадкових викидів радіоактивних речовин, які у великій кількості накопичуються в активній зоні реактора. При розробці ядерних реакторів цій проблемі приділяється велика увага. Тим не менш, після аварій на деяких АЕС, зокрема на АЕС в Пенсільванії (США, 1979 р.) та на Чорнобильській АЕС (1986 р.), проблема безпеки ядерної енергетики встала з особливою гостротою ^3.

Сучасна атомна енергетика базується на розщепленні ядер атомів на два більш легких з виділенням енергії пропорційно втраті маси. Джерелом енергії та продуктами розпаду при цьому є радіоактивні елементи. З ними пов'язані основні екологічні проблеми ядерної енергетики.

Ще більша кількість енергії виділяється в процесі ядерного синтезу, при якому два ядра зливаються в одне більш важкий, але також з втратою маси і виділенням енергії. Вихідними елементами для синтезу є водень, кінцевим - гелій. Обидва елементи не чинять негативного впливу на середовище і практично невичерпні.

Результатом ядерного синтезу є енергія сонця. Людиною цей процес змодельовано при вибухах водневих бомб. Завдання полягає в тому, щоб ядерний синтез зробити керованим, а його енергію використовувати цілеспрямовано. Основна складність полягає в тому, що ядерний синтез можливий при дуже високих тисках і температурах близько 100 млн. ° С. Відсутні матеріали, з яких можна виготовити реактори для здійснення сверхвисокотемпературних (термоядерних) реакцій. Будь-який матеріал при цьому плавиться і випаровується.

Учені пішли по шляху пошуку можливостей здійснення реакцій у середовищі, не здатної до випаровування. Для цього в даний час випробовуються два шляхи. Один з них заснований на утриманні водню в сильному магнітному полі.

Незважаючи на деякі позитивні результати щодо здійснення керованого ядерного синтезу, висловлюються думки, що в найближчій перспективі він навряд чи буде використаний для вирішення енергетичних проблем. Це пов'язано з невирішеністю багатьох питань і з необхідністю колосальних витрат на подальші експериментальні, а тим більше промислові розробки.

4. Опишіть розвиток уявлень про світло. Як і ким було показано, що світло є електромагнітна хвиля? У чому проявляються хвильові властивості світла?

Ще древні цікавилися природою світла і задавалися питання, чому і як людина бачить навколишній світ. Піфагорійці вважали, що з ока людини виходять невидимі закінчення, які обмацують предмет і тим створюють зорове відчуття. Емпедокл уявляв, що таке випромінювання надходить не тільки з очей, але і від світяться тел. Платон, розвиваючи ці уявлення, додав, що «якщо флюїди подібні один одному, то вони міцно зв'язуються» і створюють відчуття побаченого. Демокріт вважав, що світяться тіла виділяють не флюїди, а дрібні атоми, які можуть потрапляти в око. Аристотель розвивав погляди атомістів, пояснюючи походження квітів змішуванням різних часток світла і темряви.

Світло має хвильовими властивостями - дефракціей і інтерференцією, які корпускулярна теорія могла пояснити тільки при величезному числі допущень і припущень. Для розуміння явищ більш складних, ніж аналізовані в геометричній оптиці, створена фізична оптика. У ній не лише розглядаються хвильові властивості світла і його природа, але і встановлюються межі застосування геометричної оптики як наближення до хвильової ^4.

У XVII столітті виникло дві теорії світла: хвильова і корпускулярна. Корпускулярну теорію запропонував Ньютон, а хвильову - Гюйгенс. Згідно з уявленнями Гюйгенса світло - хвилі, що поширюються в особливій середовищі - ефірі, що заповнює весь простір. Дві теорії тривалий час існували паралельно. Коли одна з теорій не пояснювала якогось явища, то воно пояснювалося іншою теорією. Наприклад, прямолінійне поширення світла, що приводить до утворення різких тіней не можна було пояснити виходячи з хвильової теорії. Проте на початку XIX століття було відкрито такі явища як дифракція і інтерференція, що дало привід для думок, що хвильова теорія остаточно перемогла корпускулярну. У другій половині XIX століття Максвелл показав, що світло - приватний випадок електромагнітних хвиль. Ці роботи послужили фундаментом для електромагнітної теорії світла. Проте на початку XX століття було виявлено, що при випромінюванні і поглинанні світло поводиться подібно до потоку частинок.

Існує кілька способів визначення швидкості світла: астрономічний і лабораторні методи.

Вперше швидкість світла виміряв датський вчений Ремер у 1676 р., використовуючи астрономічний метод. Він засікав час, який найбільший з супутників Юпітера Іо перебував у тіні цієї величезної планети. Ремер провів вимірювання в момент, коли наша планета була найближче до Юпітера, і в момент, коли ми перебували небагато (за астрономічними поняттями) далі від Юпітера. У першому випадку проміжок між спалахами склав 48 годин 28 хвилин. У другому випадку супутник спізнився на 22 хвилини. З цього був зроблений висновок, що світу необхідно 22 хвилини, щоб пройти відстань від місця попереднього спостереження до місця цього спостереження. Знаючи відстань і час запізнювання Іо він обчислив швидкість світла, яка виявилася величезною, приблизно 300 000 км / с.

В кінці XIX-початку XX ст. ряд нових дослідів змусив знову повернутися поданням про особливі світлових частинках - фотонах. Було встановлено, що світло має двоїсту природу, поєднуючи в собі як хвильові властивості, так і властивості, притаманні частинкам.

В одних явищах, таких як інтереренція, дифракція та поляризація, світло поводиться, як хвиля, в інших фотоефект, ефект Комптона) - як потік частинок (фотонів). За сучасними уявленнями світло має двоїсту корпускулярно-хвильову природу (у зв'язку з цим прийнято говорити про корпускулярно-хвильовий дуалізм): в одних випадках він веде себе як електромагнітна хвиля, в інших - як потік особливих частинок або корпускул (фотонів). Згідно сучасним уявленням електромагнітна природа світла - це лише один різновид прояви світла. Інший різновид характеризується його квантовою природою.

Експериментальне підтвердження ідеї де Бройля про універсальність корпускулярно-хвильового дуалізму, обмеженість застосування класичної механіки до мікрооб'єктів, що диктується принципами додатковості і невизначеності, а також протиріччя цілого ряду експериментів застосовуваним на початку XX ст. теоріям привели до нового етапу розвитку фізичних уявлень навколишнього світу, і в особливості мікросвіту - створення квантової механіки, яка описує властивості мікрочастинок з урахуванням їх хвильових особливостей. Її створення і розвиток охоплюють періоді 1900 року (формулювання Планком квантової гіпотези) до 20-х років XX ст. і пов'язано перш за все з роботами австрійського фізика Е. Шредінгера, німецького фізика В. Гейзенберга і англійського фізика П. Дірака.

Необхідність імовірнісного підходу до опису мікрочастинок - важлива відмінна особливість квантової теорії. Чи можна хвилі де Бройля тлумачити як хвилі ймовірності, тобто вважати, що ймовірність знайти мікрочастинки в різних точках простору змінюється по хвильовому законом? Таке тлумачення хвиль де Бройля невірно вже хоча б тому, що тоді ймовірність знайти частку в деяких точках простору може бути негативною, що не має сенсу. ⁵

Щоб усунути ці труднощі, німецький фізик М. Борн (1882-1970) в 1926 р. припустив, що по хвильовому законом змінюється не сама вірогідність, а амплітуда ймовірності, названа хвильової функцією. Опис стану мікрооб'єктів за допомогою хвильової функції має статистичний, імовірнісний характер: квадрат модуля хвильової функції (квадрат модуля амплітуди хвиль де Бройля) визначає ймовірність знаходження частинки в даний момент часу в певному обмеженому обсязі.

Отже, у квантовій механіці стан мікрочастинок описується принципово по-новому - за допомогою хвильової функції, яка є основним носієм інформації про їх корпускулярних і хвильових властивості.

5. Поясніть, що таке Всесвіт, які її розміри, які об'єкти її складають і які моделі розвитку Всесвіту Вам відомі. Які емпіричні підтвердження розвитку Всесвіту?

Слово «всесвіт» виникло як калька грецького терміна «ойкумена», тобто заселена земля. Вже тут видно його первісна рівнозначність висловом «весь світ» або «світ». Але таке розуміння всесвіту давно застаріло.

Розміри Всесвіту:

Маса - 5,976 * 10 ²⁴ кг;

діаметр - 12756 км;

щільність - 5,518 г / см ^3;

обсяг - 1,083 * 10 ¹² км ^2;

площа поверхні - 510,2 млн. км ^2.

Модель роздувається Всесвіту точно збігається з загальноприйнятим описом спостережуваного світу починаючи з 10 ^-30 с після початку розширення. Тільки в ці мікроскопічні частки секунди відмінність моделей. Як і модель Великого вибуху, модель інфляційного Всесвіту вважає, що Початок був 10-15 млрд. років тому з сингулярного (сверхорячего і чверхплотного) стану і продовжується зараз. Ці моделі пояснили і реліктівное випромінювання, і червоне зміщення у спектрах далеких галактик, і первинне вміст легких елементів ^6.

6. Дайте уявлення про фазових переходах, наведіть приклади фазових переходів різних типів (пологів). Що за явища - надтекучість і надпровідність?

Фазами називають різні однорідні частини фізико-хімічних систем. Однорідним є речовина, коли всі параметри речовини однакові у всіх його елементарних обсягах, розміри яких великі порівняно з міжатомними станами. Суміші різних газів завжди становлять одну фазу, якщо в усьому обсязі вони знаходяться в однакових концепціях. Одне і те ж речовина в залежності від зовнішніх умов може бути в одному з трьох агрегатних станів - рідкому, твердому чи газоподібному паливі. У залежності від зовнішніх умов система може перебувати в рівновазі або в одній фазі, або відразу в декількох фазах.

У навколишньому нас природі ми особливо часто спостерігаємо фазові переходи води. Під час переходу води в пару відбувається спочатку випаровування - перехід поверхневого шару рідини в пар, при цьому в пар переходять тільки найшвидші молекули: вони повинні подолати тяжіння оточуючих молекул, тому зменшуються їх середня кінетична енергія і, відповідно, температура рідини. спостерігається в побуті і зворотний процес - конденсація.

Під час фазового переходу температура не змінюється, але змінюється об'єм системи. Фазові переходи бувають кількох родів.

Зміни агрегатних станів речовини називаються фазовими переходами 1-го роду, якщо:

1. температура постійна під час всього переходу;

2. змінюється об'єм системи;

3. змінюється ентропія системи.

Щоб відбувся такий фазовий перехід, потрібно даної масі речовини повідомити певну кількість тепла, відповідного прихованої теплоті перетворення.

Фазові переходи 2-го, 3-го і т.д. пологів пов'язані з порядком тих похідних термодинамічного потенціалу, які відчувають кінцеві зміни в точці переходу.

Явище про надплинності, відкрите Капіцею спостерігали і раніше, відзначаючи дивне поведінки гелію при температурі близько 2К, але тільки він докладно дослідив і описав його.

Атоми надтекучого гелію поводяться узгоджено, як єдине ціле, безладу у цій системі немає, ентропія дорівнює нулю. Неможливо повідомити якоїсь частини надтекучого гелію тепло - всі його атоми однакові підтверджені впливу. Неможливий і обмін енергією між атомами - всі вони в найнижчими стані, і в'язкість середовища дорівнює нулю.

Дослідження в області низьких температур, що спочатку мали суто практичну спрямованість, призвели до багатьом великим відкриттям. У 1911 р. Камерлінг-Оннес виявив, що при температурі 7,2 К опір свинцевого провідника раптово знизилося в мільйони разів і практично зникло. Це дивне явище отримало назву надпровідності. В одному з експериментів в зробленому з чистого свинцю кільці був наведений струм в декілька сотень ампер. Через рік виявилося, що струм все ще продовжує йти в кільці, і величина його не змінилася, тобто опір винця було дорівнює нулю ^7.

7. Якими методами вдалося вивчити склад живої клітини та її молекулярне будова? Які основні положення і значення клітинної теорії у розвитку біології?

За 3 мрд. років на нашій планеті живе речовина розвивалося в кілька мільйонів видів, але всі вони - від бактерій до вищих тварин - складаються з клітин. Клітина - організована частина живої матерії: вона засвоює їжу, здатна існувати і рости, може поділятися на дві, кожна з яких містить генетичний матеріал, ідентичний вихідної клітці.

У 1665 р. Гук видав книгу «Мікрографія, або деякі фізіологічні описи найменших тіл за допомогою збільшувальних стекол», де повідомив про відкриття ним клітинної будови живої речовини (тоді ж він уперше вжив термін «клітка»). Фактично ж Гук побачив тільки клітинні стінки, що відрізняються розмірами і товщиною. Після Гука клітини, вірніше, їх оболонки, так як мікроскопи були недосконалі, виявляли у різних рослин і в тканинах тварин.

Клітинна теорія, або цитологія склалася протягом ХІХ ст. в результаті мікроскопічних досліджень, коли з'явилися більш досконалі мікроскопи (останнім часом їх все частіше називали біологією клітини).

Ботанік Маттіс Шлейден (1804-1881), вивчаючи рослинні тканини, встановив, що вони мають клітинну природу. Використовуючи його узагальнення, німецький біолог Теодор Шванн (1810-1882), який досліджував тваринні тканини, у своїй класичній праці «Мікроскопічні дослідження про відповідності в структурі і рості тварин і рослин» (1839) вперше сформулював основні положення про клітинному будові всіх організмів і освіті всіх організмів та освіті клітин.

Було детально вивчено і клітинне ділення. Вірхов доповнив клітинну теорію Шлейдена і Шванна твердженням: всі клітини утворюються в результаті розподілу інших клітин (1855). Потім встановили, що зберігання і передача спадкових ознак здійснюється за допомогою клітинного ядра (Вірхов, Геккель). При великому збільшенні мікроскопів у клітинах відкрили постійні спеціалізовані структури (органели, або органели) - пластиди і мітохондрії.

На початку ХХ ст. багато біологів повторювали досліди австрійського дослідника природи Йоганна Менделя (1822-1884), який відкрив ще 1865 існування індивідуальних спадкових факторів (генів). Все це сприяло розвитку цитогенетики. Сучасна клітинна теорії виходить з єдності розчленованості багатоклітинного організму на клітини та його цілісності, заснованої на взаємодії клітин ^8.

Відкриття клітини належить англійському вченому Р. Гуку, який, переглядаючи під мікроскопом тонкий зріз пробки, побачив структури, схожі на бджолині стільники, і назвав їх клітинами. Пізніше одноклітинні організми досліджував голландський вчений Антоні ван Левенгук. Клітинну теорію сформулювали німецькі вчені М. Шлейден і Т. Шванн в 1839 р. Сучасна клітинна теорія істотно доповнена Р. Біржовим та ін

Основні положення сучасної клітинної теорії:

Клітина - основна одиниця будови, функціонування і розвитку всіх живих організмів, найменша одиниця живого, здатна до самовідтворення, саморегуляції і самовідновлення;

Клітини всіх одноклітинних і багатоклітинних організмів подібні (гомологііни) за своєю будовою, хімічним складом, основним проявам життєдіяльності і обміну речовин;

Розмноження клітин відбувається шляхом їх розподілу, кожна нова клітина утворюється в результаті розподілу вихідної (материнської) клітини;

У складних багатоклітинних організмах клітини спеціалізовані по тих функцій і утворюють тканини, з тканин складаються органи, які тісно взаємопов'язані і підпорядковані нервової та гуморальної регулюванням.

Ці положення доводять єдність походження всіх живих організмів, єдність всього органічного світу. Завдяки клітинної теорії стало зрозуміло, що клітина - це найважливіша складова частина всіх живих організмів. Клітина - найменша одиниця організму, межа його подільності, наділена життям і всіма основними ознаками організму. Як елементарна жива система, вона лежить в основі будови і розвитку всіх живих організмів. На рівні клітини виявляються такі властивості життя, як здатність до обміну речовин і енергії, авторегуляції, розмноження, ріст і розвиток, подразливість. ⁹

8. Які види мінливості Вам відомі, в чому їх схожість і відмінності? Яка форма мінливості дає вихідний матеріал для природного добору в природі? Доведіть, що природний відбір є направляючим чинником еволюції

Певні види мінливості є періодичними. Вони-то і є «вібрації», які визначають рівні буття в їх ієрархії. У Всесвіті все суть живе, не рахуючи «периферії» - нижнього краю шкали «водородов». Відповідно, і все по-своєму розумно. Ступінь «розумності» визначається частотою «вібрацій».

Мінливість - здатність організмів набувати нових ознак і властивості в процесі онтогенезу.

Мінливість буває неспадкової і спадковою.

Неспадкові, або модифікаційні (від лат. Modificatio - зміна), зміни не пов'язані зі зміною генів, хромосом, генотипу в цілому і виникають під впливом факторів середовища. Ці зміни в більшості випадків носять масовий характер і у спадок не передаються. Це означає, що однакові зміни виникають у всіх особин, що піддаються дії певного чинника. Якщо фактор, що викликав цю зміну, перестає діяти, то зміна (наприклад, засмага, що з'являється під яскравими променями сонця) може зникнути.

Розвиток кожного організму, формування ознак визначаються її генотипом. Але і фактори зовнішнього середовища - температура, вологість, освітленість, кількість і якість їжі - дуже впливають на розвиток організму. Чи буде корова високоудійних, залежить як від її генотипу, так і від догляду та годування. Сіамські кошенята, що ростуть на холоді, темніше кошенят, які живуть в теплому приміщенні.

Головний фактор, що визначає розвиток тієї чи іншої ознаки в організму, - генотип. Однак ступінь прояву ознаки залежить і від зовнішніх факторів середовища. Наприклад, відповідно до генотипом високорослий горох може досягти висоти 180 см. Але для цього необхідна хороша освітленість, вологість, родючий грунт. При відсутності оптимальних умов рослина залишається низькорослим. Отже, фенотип формується під впливом як генотипу, так і умов середовища проживання.

Різні ознаки одного й того ж організму змінюються в різному ступені під впливом факторів середовища проживання: одні сильніше, а інші слабше. Наприклад, надої молока у корів збільшуються при хорошому годуванні і догляду, але жирність його при цьому майже не змінюється.

Будь-який ознака може змінюватися лише в певних межах. Межі модифікаційної мінливості ознаки називають його нормою реакції. Норма реакції в одних ознак вузька, в інших широка. Вузька норма реакції, або невеликі кордону мінливості, характерна для якісних ознак, таких, як колір очей, малюнок на пальцях у людини, а широка норма реакції - для кількісних ознак, таких, як зростання, маса насіння у рослин. Причому чим ширше норма реакції ознаки, тим більше в організму можливостей для пристосування до умов середовища проживання. Так, генотипи більшості особин однієї популяції подібні. Однак особини сильно розрізняються за фенотипом. Наприклад, дерева розрізняються по висоті, розміром крони і т. д. Це пов'язано з тим, що рослини з подібним генотипом розвиваються в умовах різної вологості, освітленості, складу грунту.

Усі листки одного дерева мають однаковий генотип, проте вони відрізняються за фенотипом, наприклад за розмірами. Частота народження листя різного розміру неоднакова.

Як показали спостереження, найбільш часто зустрічаються листя з середнім виразом ознаки. Пояснюється це тим, що листя розвиваються в різних умовах. Дрібні листя формуються в несприятливих умовах, наприклад при поганій освітленості і недостатньої вологості і т.д. Найбільші листи розвиваються в найбільш сприятливих умовах. Однак як дуже сприятливі, так і зовсім несприятливі умови середовища в природі спостерігаються рідко. Рослини, як правило, відчувають різні впливу: одні сприяють розвитку ознаки, інші - пригнічують його. Тому більшість особин виявляється приблизно в подібних умовах і має середнім ступенем вираженості ознаки. Чим різноманітніше умови середовища, а, отже, і поєднання її чинників, тим ширше модифікаційна мінливість.

Природний відбір - спрямовує чинник еволюції. Природний відбір - це диференціальне виживання і розмноження особин, які відрізняються один від одного генетично детермінованими ознаками. Більш пристосовані до даних умов середовища особини залишають більше нащадків, ніж менш пристосовані. Ми можемо виміряти відносну пристосованість особини часткою її нащадків серед особин наступного покоління і, отже, частотою її алелів, які увійшли до генофонд наступного покоління.

Ефективність природного відбору залежить від його інтенсивності і запасу спадкової мінливості, накопиченого в популяції. Інтенсивність відбору визначається тим, яка частка особин доживає до зрілого віку і бере участь у розмноженні. Чим менше ця частка, тим більше інтенсивність відбору. Якщо, наприклад, з 10 000 особин в кожному поколінні виживають і розмножуються тільки 100 найбільших, то середній розмір особин в цій популяції зростає набагато швидше, ніж у випадку більш м'якого відбору, коли, наприклад, половина всіх особин в популяції бере участь в розмноженні ¹⁰ .

10. Опишіть основні етапи розвитку біосфери. Як представляє наука початок життя на Землі? Які стадії походження життя за концепцією Опаріна? Чому життя поки виявлена ​​тільки на нашій планеті? Які сучасні уявлення про походження життя? Суть ідей Ейгена

Біосфера не раз переходила у новий еволюційний стан. Це було, наприклад, в кембрії, коли з'явилися великі організми з кальцієвими скелетами, або в третинний час -15-80 млн. років тому, коли виникли ліси і степи, а з ними і великі ссавці і зараз, за останні 10-20 тис. років, коли людина, виробивши в соціальному середовищі наукову думку, створює в біосфері нову геологічну силу. Біосфера тим самим переходить у новий еволюційний стан - ноосферу. Прояви наукової думки впливає допомогою створюваних ним знаряддями на відсталу, що містить його середовище біосферу, створюючи ноосферу - царство розуму.

У розвитку навчань про походження життя істотне місце займає теорія, яка стверджує, що все живе походить тільки від живого - теорія біогенезу. Цю теорію в середині XIX століття протиставляли ненауковим уявленням про самозародження організмів (хробаків, мух та ін.) Однак як теорія походження життя біогенез неспроможний, оскільки принципово протиставляє живе неживому, стверджує відхилену наукою ідею вічності життя.

Абіогенез - ідея про походження живого з неживого - вихідна гіпотеза сучасної теорії походження життя.

У 1924 р. відомий біохімік А. І. Опарін висловив припущення, що при потужних електричних розрядах в земній атмосфері, яка 4-4,5 млрд. років тому складалася з аміаку, метану, вуглекислого газу і пари води, могли виникнути найпростіші органічні сполуки , необхідні для виникнення життя. Передбачення академіка Опаріна виправдалося. У 1955 р. американський дослідник С. Міллер, пропускаючи електричні заряди через суміш газів і парів, отримав найпростіші жирні кислоти, сечовину, оцтову і мурашину кислоти і кілька амінокислот. Таким чином в середині XX століття був експериментально здійснено абіогенний синтез белковоподобних та ін органічних речовин в умовах, що відтворюють умови первісної Землі.

М. Ейген на основі нерівноважної термодинаміки і теорії інформації розроблена концепція самоорганізації матерії. Ейген обмежується моделюванням добіологіческой еволюції макромолекул, але розвинені їм ідеї та методи мають більш загальне принципове значення. Так само як і роботи школи Пригожина, роботи Ейгена вийшли за рамки окремих наук і мають загальнонаукове методологічне значення.

Відповідно до теорії Ейгена, самоорганізація не є очевидним властивістю матерії, яке обов'язково проявляється при будь-яких обставин. Повинні бути виконані певні внутрішні та зовнішні умови, перш ніж такий процес стане неминучим. Самоорганізація починається з флуктуації. Для виникнення процесу самоорганізації необхідні інструктивні властивості системи на мікрорівні ^11.

Список літератури

1. Бернс Дж. О. Гігантські структури Всесвіту / / У світі науки, 1986, № 1.

2. Девіс П. Суперсила - М.: Світ, 2002.

3. Дубніщева Т.Я. Концепції сучасного природознавства. Новосибірськ: ТОВ «Видавництво ЮКЕА», 2005.

4. Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. Навчальний посібник. М.: Вища школа, 1999.

5. Карпенків С.Х. Основні концепції природознавства. М.: ЮНИТИ, 1998.

6. Ейген М., Вінклер Р. Гра життя. - М.: Наука, 2002.