Основы концепций современного естествознания

Введение



Наука — один из древнейших, важнейших и сложнейших компонентов человеческой культуры. Это и целый многообразный мир человеческих знаний, который позволяет человеку преобразовывать природу и приспосабливать ее для удовлетворения своих все возрастающих материальных и духовных потребностей. Это и сложная система исследовательской деятельности, направленная на производство новых знаний. Это и социальный институт, организующий усилия сотен тысяч ученых-исследователей, отдающих свои знания, опыт, творческую энергию постижению законов природы, общества и самого человека.

Наука теснейшим образом связана с материальным производством, с практикой преобразования природы, социальных отношений. Большая часть материальной культуры общества создана на базе науки, прежде всего достижений естествознания. Научная картина мира всегда была и важнейшей составной частью мировоззрения человека. Научное понимание природы, особенно в настоящую эпоху, существенно определяет содержание внутреннего духовного мира человека, сферу его представлений, ощущений, переживаний, динамику его потребностей и интересов.

Естествознание — наука о явлениях и законах природы. Современное естествознание включает множество естественнонаучных отраслей: физику, химию, биологию, физическую химию, биофизику, биохимию, геохимию и др. Оно охватывает широкий спектр вопросов о разнообразных свойствах объектов природы, которую можно рассматривать как единое целое.




Задание 1

Проанализируйте содержание материала, охарактеризуйте теорию как высшую форму организации научного знания, вычертите логико-смысловую схему, дайте к ней пояснения



Наука — один из важнейших компонентов духовной культуры, в котором в наибольшей степени представлена познавательная сторона деятельности. В наши дни наука — мощный фактор развития самых различных областей человеческой деятельности. Основополагающая роль науки не может быть подменена организационными и срочными оперативными мероприятиями по обеспечению безопасности страны и человечества. Познание объективных законов мира дает возможность целенаправленного практического освоения и изменения окружающего мира, является неотъемлемым моментом практики материального его преобразования. Познание может быть донаучным, вненаучным и научным. Знания должны отвечать определенным критериям.

Донаучное и вненаучное (обыденное) познания описывают состояния предметов и некоторые факты, хотя повседневное сознание включает много конкретных знаний об окружающем мире.

В практической деятельности человек накапливал знания о местности, животных, растениях и самом себе. Эти отрывочные знания, рецепты и правила отражены на глиняных табличках Месопотамии. Письменность появилась в Вавилонии в середине IV тысячелетия до н.э., а в Египте — на 500 лет раньше. Эти народы давно начали пользоваться водяными и солнечными часами, ввели единицы веса, длины, площади и объема. Они знали 5 видимых планет и целый ряд созвездий, научились предсказывать затмения. Свитки папируса, обнаруженные в долине Нила, относятся ко II тысячелетию до н. э. Египетские жрецы пользовались снадобьями для лечения и умели бальзамировать трупы. Знания частично классифицировались сначала образно, а затем и количественно. В Вавилоне и Древнем Египте были попытки упорядочить данные опытов и наблюдений. Около 5 тыс. лет назад появились определенные приемы счета времени по Луне и Солнцу; при этом ритмики природы, организма и трудовой деятельности связывались между собой. Разработку медных рудников, освоение рудного дела и плавку металла относят к V тысячелетию до н. э. Затем сложилось бронзолитейное производство, а ко второй половине IV тысячелетия до н. э. — производство рудного железа. Использование металлических изделий повысило производительность труда в несколько раз; появились плуг и мелкое ремесленное производство.

Познавательной предпосылкой науки явилось развитие критических функций разума и абстрактного мышления в Древнем Египте и Древнем Вавилоне. Человек стал выделять себя из мира природы, почувствовал себя активной силой, преобразующей ее для своей пользы. Общественное разделение труда поделило жизнь человека на личную, бытовую и производственную, трудовую. Так как последняя ориентировалась на рациональное сознание, она стала предпочтительней в развитии цивилизации, порождая конфликт личного и общественного. Накопление рациональных знаний и рост практических потребностей общества начали противоречить мифологическому сознанию. И хотя умозаключения еще делались на основе наблюдений, созерцания и рассуждений, в Древней Греции VII—VI вв. до н.э. возник интерес к пониманию мира в целом.

Переход к научному познанию предполагал выработку нового отношения к миру и человеку, был противоречивым и долгим. Постепенно формировались идеология и психология разделения общества на классы. Сознание человека разделилось на мораль, искусство, религию, философию и т.д. и было готово подняться до уровня абстракции, позволяющей задаться вопросом о первооснове бытия.

Итак, наука – определенный вид знания, а также особая сфера бщественной деятельности людей, специальной задачей которой является накопление и систематизация знаний, проверка и доказательство их истинности логическими (теоретическими) и практическими способами.

Методология - учение о методах.

Метод - совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности. Он вооружает человека системой принципов, требований, правил, руководствуясь которыми он может достичь намеченной цели. Методы научного познания можно классифицировать как: 

1. общечеловеческие приемы мышления (анализ, синтез, сравнение, обобщение, индукция, дедукция); 

2. способы теоретического и эмпирического исследования (наблюдение, эксперимент, измерение, моделирование, идеализация, формализация).

На эмпирическом уровне применяются такие общенаучные методы, как наблюдение, эксперимент, измерение и т.д.; на теоретическом уровне - идеализация, формализация и т.д.; на эмпирическом и теоретическом уровнях могут применяться анализ, моделирование и т.д. Каждая частная наука (биология, химия и т.д.) имеет свои специфические методы (частнонаучные) исследования. В них могут присутствовать наблюдение, измерение, индуктивные или дедуктивные умозаключения и т.д. 

Наблюдение - целенаправленное, организованное восприятие предметов и явлений. Проводят для сбора фактов, укрепляющих или опровергающих гипотезу и т.д. Полная зависимость наблюдателя от изучаемого процесса, явления (наблюдатель не может изменять объект, регулировать само протекание процесса, управлять им и контролировать его). 

Эксперимент - способ исследования, отличающийся от наблюдения активным характером. В ходе наблюдения и эксперимента проводится измерение. 

Измерение - материальный процесс сравнения какой - либо величины с эталоном, единицей измерения. 

Аналогия - прием познания, при котором на основании сходства объектов в одних признаках заключают об их сходстве и в других свойствах (выводы по аналогии всегда бывают только вероятностными). 

Моделирование - замена изучения интересующего нас явления в натуре изучением аналогичного явления по модели меньшего или большего масштаба, обычно в специальных лабораторных условиях. Сама модель может быть определена как материальная (естественно существующая или искусственно созданная) или мысленно представляемая система, заменяющая объект познания. Модель может быть программой, документом, объектом и др. 

Идеализация - процесс абстрагирования, мысленного создания понятий об идеализированных объектах, которые в реальном мире не существуют, но имеют прообраз. Идеальный газ - в физике. 

Интуиция - способность постижения истины прямым ее усмотрением. Интуиция - свернутая логика мысли (А. Г. Спиркин). Интуиция так же относится к логике, как внешняя речь - к внутренней речи (в ней многое опущено и фрагментарно)". "Логика и интуиция играют каждая свою необходимую роль. Логика - орудие законодательства, интуиция есть орудие изобретательства". (А. Пуанкаре). Считается, что интуиция опирается на осевший в подсознании опыт, на подсознательное восприятие и запоминание. В различных науках используются методы математической гипотезы и модельного эксперимента. 

Виды экспериментов: исследовательский, поисковый, проверочный, воспроизводящий, изолирующий, качественный, количественный, физический, химический, биологический, социальный, мысленный и т.д.

К формам научного знания относят элементы теоретических систем: проблемы, гипотезы, теории, идеи, принципы, категории, законы, - все это можно обозначить единым термином "концепции".

Факт - явления самой действительности. О значении фактов писал И. П. Павлов: "факты - это воздух ученого". (Как крыло птицы опирается на воздух, так ученый не может взлететь без фактов). Необходимо учитывать не отдельные факты, а всю совокупность относящихся к рассматриваемому вопросу фактов, без единого исключения. 

Проблема (задача) - это «знание о незнании», как осознанный вопрос, для ответа на который имеющихся знаний недостаточно. 

Догадка рождается при осмыслении фактов и попытках решения проблем. Может стать научной гипотезой. 

Научная гипотеза - такое предположительное знание, истинность или ложность которого еще не доказана, но которое выдвигается не произвольно, а при соблюдении ряда правил – требований. Термин имеет множество смыслов. 

Теория – одна из устойчивых форм научного знания. Теория - (в научном смысле) - система истинного, уже доказанного, подтвержденного знания о сущности явлений; высшая форма научного знания, всесторонне раскрывающая структуру, функционирования и развития изучаемого объекта, взаимоотношения всех его элементов, сторон и связей. Теории оперируют не реальными объектами, а их идеализациями, идеальными моделями, которыми неизбежно абстрагируются от каких - то реальных сторон объектов, и поэтому всегда дают неполную картину действительности. Теория от научной гипотезы отличается достоверностью, доказанностью. Стабильность обеспечивается ее системностью и общим характером. Чем более общее знание, тем оно устойчивее.

Структурообразующими элементами теории являются принципы и законы. Принципы и законы выражаются через соотношение двух или более категорий. Принципы - (знания не требующие доказательств наиболее общие и важные фундаментальные положения теории. Аспекты содержания принципов раскрываются в совокупности законов и категорий теории. 

Законы служит математической моделью, конкретизацией принципа, раскрывают "механизм", действия, взаимосвязь вытекающих из них следствий. Категории науки - наиболее общие и важные понятия теории, характеризующие существенные свойства объекта теории и ее предмета. 


Cхематично структуру научного познания можно представить так: 



эмпирический факт → научный факт → наблюдение → реальный эксперимент → модельный эксперимент → мысленный эксперимент → фиксация результатов эмпирического уровня исследований → эмпирическое обобщение → использование имеющегося теоретического знания → формулирование гипотезы → проверка ее на опыте → формулирование новых понятий → введение терминов и знаков → определение их значения → выведение закона → создание теории → проверка ее на опыте → принятие в случае необходимости дополнительных гипотез.представить следующим образом: 













Итак, с начало изучаем теоретический материал, делаем эксперименты, исследования, обобщаем знания теоретические с практическими и затем делаем вывод или заключение.



Задание 2

Расположите представления о материи в порядке их возникновения: 1. Абсолютной пустоты не существует, физический вакуум является сложноустроенной формой материи, обладающей нетривиальными свойствами; 2. Все мировое пространство заполнено легчайшей упругой средой – мировым эфиром, колебание которого и есть свет; 3. Пустоты не существует, вселенная плотно заполнена непрерывной бесконечно делимой бескачественной материей



Правильный ответ: 3; 1; 2.

- Пустоты не существует, вселенная плотно заполнена непрерывной бесконечно делимой бескачественной материей. 

- Абсолютной пустоты не существует, физический вакуум является сложноустроенной формой материи, обладающей нетривиальными свойствами.

- Всё мировое пространство заполнено легчайшей упругой средой – мировым эфиром, колебание которого и есть свет.




Задание 3

Задача. Найдите правильный ответ. Следствием однородности времени является закон сохранения: 1. импульса; 2. энергии; 3. заряда; 4. массы



Правильный ответ: 2 энергии.



Задание 4

В чем суть эффекта замедления времени в специальной теории относительности? Что такое лоренцево сокращение?



Специа́льная тео́рия относи́тельности (СТО) — теория, описывающая преобразование законов движения, законов механики, электродинамики и лоренц-инвариантной теории гравитации на основе пространственно-временных отношений в разных системах отсчёта, при скоростях движения, которые могут достигать скорости света. 

К наиболее распространенным эффектам СТО, их ещё называют релятивистскими эффектами, относят:

Замедление времени

Время в движущейся системе отсчета течет медленнее:







С этим эффектом связан так называемый парадокс близнецов.

Сокращение линейных размеров

Линейные размеры тел в движущейся системе отсчета сокращаются:

, для длины.

, для объема.

Такое сокращение размеров еще называют лоренцевым сокращением.

Задача. Выберите правильный ответ. Общая теория относительности предсказывает существование во Вселенной сверхмассивных объектов, вблизи которых (на расстоянии гравитационного радиуса): 1. Пространство и время приобретают относительный характер. 2. Излучение не может их покинуть. 3. Время меняет направление. 4. Время практически останавливается для наблюдателя со стороны

Правильный ответ: 1. Пространство и время приобретают относительный характер.



Задание 5

Выберите правильный ответ и обоснуйте свой выбор. Статистические научные теории: 1. Описывают состояние системы на языке вероятности, с которой та или иная величина характеризующая принимает заданное значение; 2. Описывает состояние системы значениями измеримых величин, характеризующих эту систему; 3. Позволяет точно рассчитывать и однозначно предсказывать лишь вероятность того, что величина, характеризующая систему, примет то или иное значение

	

	Статические научные теории описывают состояние системы значениями измеримых величин, характеризующих эту систему.

	Так как статическая наука раскрывает объективные свойства и черты предмета исследования в ряде категорий, показателей и посредством специальных методов.

Изобретение Ньютоном и Лейбницем дифференциального и интегрального исчислений, развитие методов статистической обработки результатов опыта способствовали использованию математики во всех областях естествознания. Была «непостижима эффективность применения математики», но по ее законам были «на кончике пера» открыты планеты Нептун и Плутон, ток смещения в уравнениях Максвелла, электромагнитная природа света, нестационарность модели Вселенной А. Фридмана, обнаружено красное смещение в спектрах далеких галактик и многое другое. Природа таких математических предсказаний реальности вызывает многочисленные философские дискуссии.

Развитие математики и появление ЭВМ позволили решать невероятно сложные нелинейные уравнения теории с огромным числом взаимосвязанных параметров. Такие уравнения описывают сложные системы, более реальные, чем идеальные модели классической науки. Созданы совершенно новые разделы математики — кибернетика, теория катастроф и др. И от статических моделей систем, находящихся почти в равновесии, переходят к моделированию сложных систем в далеких от равновесия состояниях. Широко используют понятия случайности, вероятности, выбора варианта развития, эволюции, скачкообразных переходов. Необратимость процессов, существование обратных связей и нелинейность стали главными доминантами современного описания процессов.



Задание 6

Дайте несколько формулировок второго начала термодинамики. Объясните



Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.

Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:

- Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса).

Вот простая и наглядная иллюстрация этой формулировки: берем из холодильника кубик льда и кладем его в раковину. По прошествии некоторого времени кубик льда растает, потому что теплота от более теплого тела (воздуха) передастся более холодному (кубику льда). С точки зрения закона сохранения энергии, нет причин для того, чтобы тепловая энергия передавалась именно в таком направлении: даже если бы лед становился всё холоднее, а воздух всё теплее, закон сохранения энергии всё равно бы выполнялся. Тот факт, что этого не происходит, как раз и свидетельствует об уже упоминавшейся направленности физических процессов.

Почему именно так взаимодействуют лед и воздух, мы можем легко объяснить, рассматривая это взаимодействие на молекулярном уровне. Из молекулярно-кинетической теории мы знаем, что температура отражает скорость движения молекул тела — чем быстрее они движутся,тем выше температура тела. Значит, молекулы воздуха движутся быстрее молекул воды в кубике льда. При соударении молекулы воздуха с молекулой воды на поверхности льда, как подсказывает нам опыт, быстрые молекулы, в среднем, замедляются, а медленные ускоряются. Таким образом, молекулы воды начинают двигаться всё быстрее, или, что то же самое, температура льда повышается. Именно это мы имеем в виду, когда говорим, что тепло передается от воздуха ко льду. И в рамках этой модели первая формулировка второго начала термодинамики логически вытекает из поведения молекул.

- Постулат Томсона: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона).

Представьте себе цилиндр двигателя внутреннего сгорания вашего автомобиля. В него впрыскивается высокооктановая топливная смесь, которая сжимается поршнем до высокого давления, после чего она воспламеняется в малом зазоре между головкой блока цилиндров и плотно пригнанным к стенкам цилиндра свободно ходящим поршнем. При взрывном сгорании смеси выделяется значительное количество теплоты в виде раскаленных и расширяющихся продуктов сгорания, давление которых толкает поршень вниз. В идеальном мире мы могли бы достичь КПД использования выделившейся тепловой энергии на уровне 100%, полностью переведя ее в механическую работу поршня.

В реальном мире никто и никогда не соберет такого идеального двигателя по двум причинам. Во-первых, стенки цилиндра неизбежно нагреваются в результате горения рабочей смеси, часть теплоты теряется вхолостую и отводится через систему охлаждения в окружающую среду. Во-вторых, часть работы неизбежно уходит на преодоление силы трения, в результате чего, опять же, нагреваются стенки цилиндров — еще одна тепловая потеря (даже при самом хорошем моторном масле). В-третьих, цилиндру нужно вернуться к исходной точке сжатия, а это также работа по преодолению трения с выделением теплоты, затраченная вхолостую. В итоге мы имеем то, что имеем, а именно: самые совершенные тепловые двигатели работают с КПД не более 50%.

Такая трактовка второго начала термодинамики заложена в принципе Карно, который назван так в честь французского военного инженера Сади Карно. Она сформулирована раньше других и оказала огромное влияние на развитие инженерной техники на многие поколения вперед, хотя и носит прикладной характер. Огромное значение она приобретает с точки зрения современной энергетики — важнейшей отрасли любой национальной экономики. Сегодня, сталкиваясь с дефицитом топливных ресурсов, человечество, тем не менее, вынуждено мириться с тем, что КПД, например, ТЭЦ, работающих на угле или мазуте, не превышает 30-35% — то есть, две трети топлива сжигается впустую, точнее расходуется на подогрев атмосферы — и это перед лицом угрозы глобального потепления. Вот почему современные ТЭЦ легко узнать по колоссальным башням-градирням — именно в них остужается вода, охлаждающая турбины электрогенераторов, и избытки тепловой энергии выбрасываются в окружающую среду. И столь низкая эффективность использования ресурсов — не вина, а беда современных инженеров-конструкторов: они и без того выжимают близко к максимуму того, что позволяет цикл Карно. Те же, кто заявляет, что нашел решение, позволяющее резко сократить тепловые потери энергии (например, сконструировал вечный двигатель), утверждают тем самым, что они перехитрили второе начало термодинамики. С тем же успехом они могли бы утверждать, что знают, как сделать так, чтобы кубик льда в раковине не таял при комнатной температуре, а, наоборот, еще больше охлаждался, нагревая при этом воздух.

- «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться» (закон неубывания энтропии).

Третья формулировка второго начала термодинамики, приписываемая обычно австрийскому физику Людвигу Больцману, пожалуй, наиболее известна. Энтропия — это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия — тем хаотичнее движение материальных частиц, составляющих систему. Больцману удалось разработать формулу для прямого математического описания степени упорядоченности системы. Давайте посмотрим, как она работает, на примере воды. В жидком состоянии вода представляет собой довольно неупорядоченную структуру, поскольку молекулы свободно перемещаются друг относительно друга, и пространственная ориентация у них может быть произвольной. Другое дело лед — в нем молекулы воды упорядочены, будучи включенными в кристаллическую решетку. Формулировка второго начала термодинамики Больцмана, условно говоря, гласит, что лед, растаяв и превратившись в воду (процесс, сопровождающийся снижением степени упорядоченности и повышением энтропии) сам по себе никогда из воды не возродится. И снова мы видим пример необратимого природного физического явления.

Тут важно понимать, что речь не идет о том, что в этой формулировке второе начало термодинамики провозглашает, что энтропия не может снижаться нигде и никогда. В конце концов, растопленный лед можно поместить обратно в морозильную камеру и снова заморозить. Смысл в том, что энтропия не может уменьшаться в замкнутых системах — то есть, в системах, не получающих внешней энергетической подпитки. Работающий холодильник не является изолированной замкнутой системой, поскольку он подключен к сети электропитания и получает энергию извне — в конечном счете, от электростанций, ее производящих. В данном случае замкнутой системой будет холодильник, плюс проводка, плюс местная трансформаторная подстанция, плюс единая сеть энергоснабжения, плюс электростанции. И поскольку рост энтропии в результате беспорядочного испарения из градирен электростанции многократно превышает снижение энтропии за счет кристаллизации льда в вашем холодильнике, второе начало термодинамики ни в коей мере не нарушается.



Задание 7

На какие основные группы подразделяются элементарные частицы? Вычертите схему, дайте пояснения



По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные частицы:

- адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны);

барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, —протон и нейтрон.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы:

- лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;

три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель.

Найдите правильный ответ: лептоны – это частицы, участвующие в: 1. слабом взаимодействии; 2. сильном взаимодействии; 3. слабом и сильном взаимодействии; 4. слабом и электромагнитном взаимодействии

Правильный ответ: 4. слабом и электромагнитном взаимодействии.



Задание 8

Охарактеризуйте теории нестационарного состояния Вселенной



Теория нестационарной Вселенной ввела следующие представления о космической эволюции: примерно 15-20 млрд. лет назад из точки сингулярности в результате Большого взрыва началось расширение Вселенной, которая вначале была горячей и очень плотной, но по мере расширения охлаждалась, а вещество во Вселенной по мере остывания конденсировалось в галактики. Последние, в свою очередь, разбивались на звезды, собирались вместе, образуя большие скопления. В процессе рождения и умирания первых поколений звезд происходил синтез тяжелых элементов. После превращения звезд в красные гиганты, они выбрасывали вещество, конденсирующееся в пылевых структурах. Из газово-пылевых облаков образовывались новые звезды, и возникало многообразие космических тел. Теория Большого взрыва рисовала картину эволюции Вселенной в целом. В ее истоках лежало открытие А.А.Фридмана. Анализируя «мировые уравнения» Эйнштейна, описывающие метрику четырехмерного искривленного пространства-времени, А.А.Фридман нашел нестационарные решения мировых уравнений и предложил три возможных модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства должен был расти и Вселенная, соответственно, расширяться; третья модель предлагала картину пульсирующей Вселенной с периодически меняющимся радиусом кривизны.



Задание 9

Определите понятие «химическая связь». В чем сущность водородной связи?



Химическая связь — явление взаимодействия атомов, обусловленное перекрыванием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы. 

Водородная связь - особый тип взаимодействия между реакционно-способными группами, при этом одна из групп содержит атом водорода, склонный к такому взаимодействию. Водородная связь – глобальное явление, охватывающее всю химию. В отличие от обычных химических связей, Н-связь появляется не в результате целенаправленного синтеза, а возникает в подходящих условиях сама и проявляется в виде межмолекулярных или внутримолекулярных взаимодействий.

Особенностями водородной связи, по которым ее выделяют в отдельный вид, является ее не очень высокая прочность, распространенность и важность, особенно в органических соединениях, а также некоторые побочные эффекты, связанные с малыми размерами и отсутствием дополнительных электронов у водорода.



Задание 10

Каковы основные черты клеточного и субклеточного уровней организации живого?



Клеточный и субклеточный уровни - отражают особенности специализации клеток, а также внутриклеточные структуры. На этом уровне происходят процессы жизнедеятельности (обмен веществ, питание, дыхание, раздражимость и т. д.). 

Все клеточные формы жизни на земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток — прокариоты (доядерные) и эукариоты (ядерные). Прокариотические клетки — более простые по строению, по-видимому, они возникли в процессе эволюции раньше. Эукариотические клетки — более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими.

Несмотря на многообразие форм организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.

Живое содержимое клетки — протопласт — отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.

Органоиды (от орган и греч. éidos — вид), или органеллы — в цитологии постоянные структуры клеток. Каждый органоид осуществляет определённые функции, жизненно необходимые для клетки. Термин «Органоиды» объясняется сопоставлением этих компонентов клетки с органами многоклеточного организма. Органоиды противопоставляют временным включениям клетки, которые появляются и исчезают в процессе обмена веществ.

Иногда органоидами считают только постоянные структуры клетки, расположенные в ее цитоплазме. Часто ядро и внутриядерные структуры (например, ядрышко) не называют органоидами. Клеточную мембрану, реснички и жгутики тоже обычно не причисляют к органоидам.

Рецепторы и прочие мелкие, молекулярного уровня, структуры, органоидами не называют. Граница между молекулами и органоидами очень нечеткая. Так, рибосомы, которые обычно однозначно относят к органоидам, можно считать и сложным молекулярным комплексом. Все чаще к органоидам причисляют и другие подобные комплексы сравнимых размеров и уровня сложности — протеасомы, сплайсосомы и др. В то же время сравнимые по размерам элементы цитоскелета (микротрубочки, толстые филаменты поперечнополосатых мышц и т. п.) обычно к органоидам не относят. Степень постоянства клеточной структуры — тоже ненадежный критерий ее отнесения к органоидам. Так, веретено деления, которое хотя и не постоянно, но закономерно присутствует во всех эукариотических клетках, обычно к органоидам не относят, а везикулы, которые постоянно появляются и исчезают в процессе обмена веществ — относят. Во многом набор органоидов, перечисляемый в учебных руководствах, определяется традицией.




Задание 11

Задача. Выберите правильный ответ. Известные концепции по отношению к первичности образования белков или нуклеиновых кислот: 1. голобиоза, 2.ароморфоза; 3. ценобиоза; 4. биогеоценоза; 5. генобиоза



Правильный ответ: 1. голобиоза; 5. генобиоза.

Концепция А. И. Опарина относится к группе голобиоза, поскольку исходит из идеи первичности структур типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ, при участии ферментного механизма. Нуклеиновые кислоты при таком механизме появляются на завершающем этапе.

Концепция Дж. Холдейна, согласно которой первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромо-лекулярная система, подобная гену и способная к саморепродукции, и потому названная им "голым геном". Подобную группу концепций называют генобиозом или информационной гипотезой.



Задание 12

Задача. Найдите правильные ответы. Объясните. Основными положениями хромосомной теории наследственности являются: 1. гены располагаются в хромосомах линейно; 2. гены, тесно связаны между собой, наследуются вместе; 3. гены находятся в хромосомах; 4. все гены наследуются сцеплено; 5. кроссинговер представляет процесс обмена генами между гомологичными хромосомами



Правильный ответ: все ответы правильные.

1. Ген – это элементарный наследственный фактор. Ген представляет собой участок хромосомы, отвечающий за развитие определенного признака. Иначе говоря, гены локализованы в хромосомах.

2. В одной хромосоме могут содержаться тысячи генов, расположенных линейно (подобно бусинкам на нитке). Эти гены образуют группы сцепления. Число групп сцепления равно числу хромосом в гаплоидном наборе. 

3. Если гены сцеплены между собой, то возникает эффект и сцепленного наследования признаков, т.е. несколько признаков наследуются так, как будто они контролируются одним геном. При сцепленном наследовании в череде поколений сохраняются исходные сочетания признаков.

4. Сцепление генов не абсолютно: в большинстве случаев гомологичные хромосомы обмениваются аллелями в результате перекреста (кроссинговера) в профазе первого деления мейоза. В результате кроссинговера образуются кроссоверные хромосомы (возникают новые гаплотипы, т.е. новые сочетания аллелей.). С участием кроссоверных хромосом в последующих поколениях у кроссоверных особей должны появляться новые сочетания признаков.

5. Вероятность появления новых сочетаний признаков вследствие кроссинговера прямо пропорциональна физическому расстоянию между генами. Это позволяет определять относительное расстояние между генами и строить генетические (кроссоверные) карты разных видов организмов.



Задание 13

Найдите правильный ответ. Признак, характерный для молекулы РНК: 1. Состоит из одной полинуклеотидной цепи; 2. Состоит из двух полинуклеотидных цепей; 3. Имеет нуклеотиды А, Т, Ц.; 4. Является хранителем наследственной информации



Правильный ответ: 1. Состоит из одной полинуклеотидной цепи, 4. Является хранителем наследственной информации


Задание 14

Охарактеризуйте основные положения ноосферы и биогеоноокосмического подхода



Основные положения ноосферы:

Единство биосферы и человека. 1. Человек, как он наблюдается в природе, как и все живые организмы, как всякое живое вещество, есть определенная функция биосферы, в определенном ее пространстве-времени;
2. Человек во всех его проявлениях представляет собой часть биосферы;
3. Прорыв научной мысли подготовлен всем прошлым биосферы и имеет эволюционные корни. Ноосфера – это биосфера, переработанная научной мыслью, подготавливающейся всем прошлым планеты, а не кратковременное и переходящее геологическое явление.

Наука как основной фактор ноосферы. 1. Научное творчество человека – сила, изменяющая биосферу. 2. Это изменение биосферы – неизбежный процесс, сопровождающий научный рост. 3. Но это изменение биосферы – стихийный природный процесс, происходящий независимо от человеческой воли. 4. Вхождение в биосферу нового фактора ее изменения – человеческого разума есть природный процесс перехода биосферы в ноосферу. 5. Постоянно совершенствуясь, наука может продвинуться все дальше в изучении окружающей среды.



Задание 15

Кратко охарактеризуйте концепцию креационизма



Креациони́зм (от англ. creation — создание) — философско-методологическая концепция, в рамках которой основные формы органического мира (жизнь), человечество, планета Земля, а также мир в целом, рассматриваются как намеренно созданные неким сверхсуществом или божеством. Последователи креационизма разрабатывают совокупность идей — от сугубо богословских и философских до претендующих на научность, хотя в целом современное научное сообщество относится к таким идеям критически.



Задание 16

Какие органические вещества входят в состав клетки? 



Органические вещества входящие в состав клетки: углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, АТФ.

Какие органические вещества являются самыми распространенными на Земле? Углеводы являются самыми распространенными органическими веществами на Земле. Они содержатся в клетках всех живых организмов.

Охарактерезуйте, какие функции в клетках выполняют органические вещества: углеводы, жиры.

Функции углеводов в клетке.

1. Энергетическая. Моно - и олигосахара являются важным источником энергии для любой клетки. Расщепляясь, они выделяют энергию, которая запасается в виде молекул АТФ, которые используется во многих процессах жизнедеятельности клетки и всего организма. Конечными продуктами расщепления всех углеводов являются углекислый газ и вода.

2. Запасательная. Моно- и олигосахара благодаря своей растворимости быстро усваиваются клеткой, легко мигрируют по организму, поэтому непригодны для длительного хранения. Роль запаса энергии играют огромные нерастворимые в воде молекулы полисахаров. У растений, например, это - крахмал, а у животных и грибов – гликоген. Для использования этих запасов организм должен сначала превратить полисахара в моносахара.

3. Строительная. Подавляющее большинство растительных клеток имеют плотные стенки из целлюлозы, обеспечивающей растениям прочность, упругость и защиту от большой потери влаги.

4. Структурная. Моносахара могут соединяться с жирами, белками и другими веществами. Например, рибоза входит в состав всех молекул РНК, а дезоксирибоза – в ДНК.

Функции жиров в клетке.

1. Строительная. Мембрана клетки и все мембранные органеллы клетки содержат два слоя фосфолипидов.

2. Энергетическая. При расщеплении жира выделяется в два раза больше энергии, чем при расщеплении одинакового количества углеводов, поэтому жиры являются более экономичной формой хранения химической энергии. Конечными продуктами расщепления всех жиров являются углекислый газ и вода.

3. Теплоизоляционная. Жир плохо проводит тепло, поэтому подкожные запасы жира предохраняют животных, обитающих в высоких широтах (киты, моржи, тюлени) от потери тепла.

4. Витаминная. Ряд витаминов представляют собой жироподобные вещества. К ним относятся витамин Е, бетта-каротин (провитамин А), витамин А , витамин D .

5. Гормональная. Мужские и женские половые гормоны позвоночных животных являются стероидами.



Задание 17

Составьте тезарус (ключевых слов и словосочетаний) по теме «Сущность проблемы антропогенеза. Основные этапы антропогенеза»



Антропогенез

Человек

Эволюция человека

Факторы антропогенеза

Процесс антропогенеза

Концепция антропогенеза

Этапы антропогенеза

Коренные расы

Проблемы антропогенеза



Задание 18

Найдите правильные ответы. Итоги неолитической революции: 1. рост численности человечества; 2. возникновение скотоводства и земледелия; 3. возникновение техногенной цивилизации; 4. переход к ноосфере



Правильный ответ: 2. Возникновение скотоводства и земледелия; 3. Возникновение техногенной цивилизации.



Задание 19 

Назовите фамилии ученых, из каких областей естествознания, в какой период развития науки были сделаны открытия



Этап

физика

биология

химия

Другие

384-322 до н.э.







Аристотель 

1932-1951

Вавилов С.И.







 1908г-1945





Вернадский В.И.



1580-1642

Галилей Г.







1921

Гейзенберг В.







1842-1894







Гельмгольц Г.

1640-1650

Декарт Р.







425-370 до н.э.







Демокрит

1901







Хаббл Э.

1925-

Дирак П.





Крик Ф.

1929



Крик Ф.





3 в. до н.э.







Евклид

1935- 

Жолио-Кюри Ф







1935







Гумилев Л.Н.

1936

Гамов







19 в.







Кант И.

ок. 99-55 до н.э. 







К. Лукрецкий

1600-1630







Кеплер И.

2в.







К. Птолемей

1943







Кун Т.

1495-1543







Коперник Н

1938

Курчатов И.В







1880-1906

Кюри П.







1768-1829







Ламарк Ж.Б.

1928

Ландау Л.Д.







1770-1827

Лаплас







5 в до н.э.







Левкипп

1666-1716







Лейбниц

1730-1778







Линней К.

1729-1765







Ломоносов М.В.

1845-1884







Мендель Г.

1925



Опарин А.И.





1870-1936







Павлов И.П

407-347 до н.э.







Платон

1905







Сукачев В.Н.

17912-1849

Семёнов Н.Н.



Семёнов Н.Н.



1852-1905







Сеченов И.М.

445-399 до н.э.







Сократ

1903-1937

Резерфорд Э.







ок. 600-547







Фалес

1821-1867

Фарадей М.







1911-1925







Фридман А.А.




Задание 20

К диссипативным структурам относятся: 1. Любой правильный кристалл, возникающий при охлаждении жидкости; 2. Любой живой организм; 3. Любая неупорядоченная равновесная структура, возникающая в результате самоорганизации; 4. Любая техническая конструкция, возникающая в результате проектирования и строительства



Правильный ответ: 3. Любая неупорядоченная равновесная структура, возникающая в результате самоорганизации.



Задание 21

Объясните значение следующих терминов и понятий: Антропогенный, ген, гипотеза, естественнонаучная картина мира, кварки, кибернетика, концепция, липиды, однородность, прокариоты, спин



Ген – это элементарный наследственный фактор. Ген представляет собой участок хромосомы, отвечающий за развитие определенного признака.

Прокариоты – древнейшие организмы в истории Земли, следы их жизнедеятельности выявлены в отложениях протерозоя, образовавшихся около миллиарда лет назад. 

Кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались. Делятся на 6 типов и являются бесструктурными, участвуют в сильном взаимодействии.

Гипотеза – это научное предположение, допущение, истинное значение которого неопределенно. Формулируя гипотезу, исследователь строит предположение о том, каким образом намеревается достичь поставленной цели.

Естественно-научная картина мира - это система основных концепций (идей, законов, принципов, знаний) о природе.

Кибернетика — дисциплина, посвященная изучению систем управления и коммуникации у животных, в организациях и механизмах. Кибернетика проводит аналогии между процессами.

Концепция — это определенная система связанных между собою и вытекающих один из другого взглядов, способов понимания и трактовки явления, предмета или процесса, система достижения целей.

Липиды (от греч. lipos - жир), обширная группа природных органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества.

Спин (от англ. spin — вертеться) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого.

Антропогенный - созданный человеком, возникший в результате его деятельности.




Заключение



В мире еще много непознанного. Многие явления природы и самого человека, его биологической и духовной составляющих пока не получили убедительного научного объяснения и потому носят загадочный, таинственный характер. Так, не исследованы в достаточной мере физические и оптические явления в атмосфере, законы макроэволюции, общественного развития, энергетика человеческого организма, возможности и пороги ощущений и восприятий, сфера эмоциональных переживаний личности, формы общения, коммуникации, глубинные архетипические структуры духовности и многое другое. Но наука не может сразу и немедленно решить все проблемы познания, немедленно объяснить все непонятное и загадочное. Наука — это не волшебный ключик, которым в одно мгновение можно открыть все тайны и загадки природы. Научное познание — это историческая деятельность, которая развивается по мере совершенствования не только целей, но и средств познания. Многие явления научно не объяснены и остаются загадочными не потому, что они в принципы непознаваемы, а потому, что пока не сформировались средства и методы, способы их познания.




Список литературы



1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: ВЛАДОС, 2008.-512с

2. Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания. - М.: Культура и спорт ЮНИТИ, 2008. - 208 с.

3. Найдыш В.М.. Концепции современного естествознания. М.: ИНФРА-М, 2009.

4. Рузавин. Г. И. Концепции современного естествознания. - М.: ЮНИТИ, 2007. - 287 с.

5. Самыгин С.И. Концепции современного естествознания. Ростов-на-Дону: Феникс, 2006.-448с