Текст книги "Концепции современного естествознания"

9. Теория Чарльза Дарвина

Великий англичанин Чарльз Дарвин известен своей теорией естественного отбора. Данную теорию приняли ученые-естествоиспытатели.

До Чарльза Дарвина свою теорию эволюции создал Ж. Б. Ламарк. Ламарк разработал свою теорию в XIX в.; он первый подметил, что живые организмы в процессе исторического развития усложняются.

Наука не стояла на месте. В 1831 г. Т. Шванн разработал клеточную теорию, в которой доказал принципиальное единство живого мира. Теперь мы можем сказать, что Чарльз Дарвин, когда приступил к разработке своей теории, имел достаточную научную базу. В своей книге, которая была раскуплена в первый же день продажи (тогда она уступала по «популярности» только Библии), Ч. Дарвин говорит, что материалом для естественного отбора является особь.

Он обратил внимание на то, что любой вид размножается в геометрической прогрессии: одна особь сельди выметывает в среднем до 40 тыс. икринок, осетр – до 2 млн икринок, лягушка – до 10 тыс. икринок, одно растение мака дает до 30 тыс. семян. Так почему же число взрослых особей остается относительно постоянным?

Чарльз Дарвин объяснил это простой конкурентной борьбой между взрослыми особями, а также недостатком корма (вследствие чего и возникает такая конкуренция), нападением хищников, влиянием неблагоприятных природных условий.

Дарвин назвал три вида борьбы:

1) внутривидовая борьба;

2) межвидовая борьба;

3) борьба с неживой природой.

Внутривидовая борьба. Такую борьбу Дарвин считал наиболее напряженной. Здесь идет борьба между особями одного вида, которые живут в одинаковых условиях, имеют равные пищевые потребности. Поэтому естественно, что здесь выживают наиболее сильные, наиболее приспособленные особи.

Межвидовая борьба. Это борьба с другими видами живых организмов, в том числе с хищниками и паразитами. В результате такой борьбы наиболее слабые виды живых организмов умирают.

Борьба с неживой природой. Это борьба «на выживание». Природа бывает не всегда благосклонна к животным и время от времени случаются засухи (а следовательно, – голод), наводнения, сильные морозы и т. п.

Из теории Чарльза Дарвина можно сделать следующие выводы:

1) природа и животные организмы постоянно меняются;

2) между видами живых организмов постоянно идет ожесточенная борьба за существование.

Однако, несмотря на то что Чарльз Дарвин основал свою теорию естественного отбора на обширном эмпирическом опыте, собранном как предшественниками Дарвина, так и им самим, она представляется малоубедительной. А некоторые факты эволюции в рамки теории естественного отбора вообще не укладываются.

10. Происхождение человека

На протяжении многих веков бытовало мнение, что человек произошел от богов. Шло время, и у ученых стали появляться первые эмпирические данные о происхождении человека. Началось все с того, что в 1856 г. во Франции были найдены останки древнего человека, который получил «имя» дриопитека.

В 1924 г. в Южной Африке были обнаружены останки австралопитека. На сегодняшний день ученые считают, что австралопитек – «ближайший родственник» человека. Австралопитек был прямоходящим млекопитающим, возраст найденных костей, как выяснили специалисты, составляет примерно от 5 до 2,5 млн лет.

Австралопитеки весили от 20 до 50 кг, рост их составлял примерно от 120 до 150 см.

Одними из главных сходств с человеком являлись: похожее строение зубной системы; передвижение на двух ногах.

На сегодня известно, что мозг австралопитеков весил примерно 550 г.

Голландский исследователь Эжен Дюбуа на острове Ява обнаружил останки человека прямоходящего. Этот человек прямоходящий был назван питекантропом. Питекантроп был довольно развитым человеком. Существовал он примерно от 500 тыс. до 2 млн лет назад. Питекантроп знал земледелие, употреблял растительную пищу. Вместе с этим он был охотником, умел пользоваться огнем.

В Африке в 1960-1970-е гг. были обнаружены останки древнейших людей, которые пользовались простейшими орудиями труда из гальки. Этих людей назвали Homo habilis, т. е. «человек умелый». Просуществовал человек умелый всего лишь около 500 тыс. лет. Затем он эволюционировал и приобрел большое сходство с питекантропами.

Если можно так сказать, то детьми питекантропов были неандертальцы. Их останки были обнаружены сначала в Германии, в долине реки Неандр, а затем и по всей Европе, Азии и Африке.

Неандертальцы были предками кроманьонцев. Они были разделены на две группы.

Первая группа неандертальцев при небольшом росте (чуть больше 150 см) имела очень мощно развитую мускулатуру, у них был скошенный лоб; масса их мозга достигала уже 1500 г. Также ученые считают, что у этих предков современного человека появились зачатки членораздельной речи.

Вторая группа неандертальцев очень сильно отличалась от первой. Представители этой группы физически были менее развиты, так как они поняли, что группой охотиться безопаснее, группой же легче отбиваться от врагов. Поэтому у них значительно увеличился размер лобных долей головного мозга.

Скорее всего, именно вторая группа породила Homo Sapiens. Достоверно известно, что эти два вида млекопитающих существовали одновременно на протяжении нескольких тысячелетий. Но затем современные люди окончательно вытеснили неандертальцев.

Во Франции были обнаружены останки кроманьонца.

Кроманьонцы владели членораздельной речью; они были высокого роста (примерно до 180 см), а объем их черепной коробки равнялся в среднем 1600 см³.

11. Эволюция природы

История нашей Земли делится на три больших периода:

1) палеозойская эра;

2) мезозойская эра;

3) неозойская эра.

Палеозойская эра началась 600 млн лет назад, до нее была архейская эра. В период архейской эры еще не было жизни на Земле.

Палеозойская эра разделяется на: ранний палеозой и поздний палеозой.

В период раннего палеозоя входят следующие периоды: кембрийский, силурийский, девонский.

Поздний же палеозой включает каменноугольный и пермский периоды.

Именно в эру палеозоя на Земле появляются первые ростки жизни. В воде появляются водоросли, сначала небольшие.

После того как в воде появились водоросли, появляются и первые живые организмы – моллюски, которые питаются этими водорослями.

Также в палеозойскую эру в геометрической прогрессии растет число моллюсков; появляются рыбы, которые могут дышать и жабрами, и легкими.

Следующая эра – мезозойская. Это время настоящего расцвета животного царства на Земле. Тогда планету населяли множество видов рептилий. Они жили как в морях и океанах, так и на суше и в воздухе. Не только рептилии жили на планете, но и очень крупные насекомые, которые появились в конце палеозоя. Также в мезозойскую эру появляются и первые птицы. Предками птиц считаются такие рептилии, как птеродактили и археоптериксы.

Птеродактили были рептилиями с невероятно сильными и развитыми мышцами пальцев лап. И между ними появились перепонки, благодаря которым птеродактиль и научился летать.

У археоптерикса были крупные губы и зубы, а морда похожа на птеродактиля. Палеонтологи находят лишь скелеты птеродактилей, археоптерикса и древнихптиц, но не найдено ни одного промежуточного звена между ними.

Далее наступает неозойская эра. Животный мир неозойской эры очень похож на мир современных животных (например, в районах Африки, которые не затронуты ледником).

Человек, как считают ученые, появился в конце ледникового периода. Именно в это время появились все млекопитающие. Млекопитающие выделились как самостоятельный класс из класса пресмыкающихся.

Отличия млекопитающих от пресмыкающихся:

1) волосяной покров;

2) четырехкамерное сердце;

3) разделение артериального и венозного кровотока;

4) внутриутробное развитие потомства и вскармливание детенышей молоком;

5) развитие коры головного мозга, что обеспечило преобладание условных рефлексов над безусловными.

12. Механизм наследственности

Вся информация о «плане организма» содержится всего лишь в одной клетке, а точнее – в части клетки, которая именуется ядром клетки. Данное ядро состоит из набора частиц. Эти частицы по своей форме напоминают палочку или нить, а называются они хромосомы.

Количество хромосом различно: 8, 12, а у человека их 48. Правильнее будет говорить о том, что в клетке содержится 24 пары хромосом. И именно они несут в себе весь шифровальный код организма.

Если присмотреться, то мы увидим схожесть хромосом. Это объясняется тем, что часть хромосом приходит от матери, т. е. от яйцеклетки, а вторая часть – от отца, т. е. от оплодотворяющего сперматозоида.

Ученые провели исследование, в ходе которого было достоверно установлено, что основной «код наследственности» содержится в нити ДНК. Нить ДНК и составляют хромосомы, по виду она напоминает сетку. В этом «коде наследственности» есть и свои единицы. Такой единицей для микроорганизма являются три нуклеоти-да. Они построены довольно просто – по длине молекулы ДНК. Хромосомы высших организмов построены гораздо сложнее, но существует предположение, что процесс считывания информации (хотя это достоверно не было установлено) в общих чертах похож на тот, который наблюдается у микроорганизмов.

Рост организма происходит путем митоза.

Митоз – это последовательное клеточное деление. Яйцеклетка делится на две «дочерние» клетки, которые затем делятся на 4, 8, 16, 32, 64 и т. д. При этом следует отметить, что частота деления клеток во всем организме не одинакова, вследствие чего нарушается число делений клеток.

При митозе хромосомы удваиваются. Смысл митоза заключается в том, что дочерние клетки получают точные копии набора хромосом яйцеклетки. Отсюда следует вывод, что все клетки тела подобны друг другу.

Мейоз. После того как особь начала развиваться, часть клеток резервируется. Зарезервированная часть клеток не участвует больше ни в каких процессах. Она активируется только лишь тогда, когда особь достигает зрелости, и участвует в размножении особи. Из этой зарезервированной части клеток очень скоро, но до того, как особь начнет размножаться, начинают формироваться клетки – гаметы. Мужские гаметы называются спермии, а женские – яйцеклетки.

Между тем клетки могут различаться по числу хромосомных наборов:

1) клетки, имеющие только один хромосомный набор, именуются гаплоидными (это те же самые гаметы);

2) обычные клетки именуются диплоидными;

3) в жизни встречаются индивидуумы с тремя, четырьмя и более хромосомными наборами: триплоиды, тетраплоиды, полиплоиды.

13. Квантовая механика

Квантовая механика – это теория, которая устанавливает способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и их системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте.

Квантовая механика помогла человечеству описать и осознать такие явления, как:

1) ферромагнетизм твердых тел;

2) сверхтекучесть твердых тел;

3) сверхпроводимость твердых тел;

4) была объяснена природа и происхождение нейтронных звезд, белых карликов и других астрофизических объектов.

На этом значение квантовой механики не заканчивается.

В теории квантовая механика делится на два вида:

1) нерелятивистскую квантовую механику;

2) релятивистскую квантовую механику.

Различие релятивистской и нерелятивистской квантовой механики. Естественно, что если существует два направления квантовой механики, то значит, они должны противоречить друг другу. Через это противоречие можно просмотреть значение как нерелятивистской, так и релятивистской квантовой механики.

Вот эти характеристики, различающие оба направления:

1) нерелятивистская квантовая механика более «строгая», это законченная фундаментальная физическая теория, главной особенностью которой является ее непротиворечивость. Релятивистская квантовая механика является более «мягкой», она допускает наличие противоречий в теории;

2) в нерелятивистской теории принято считать, что информация, помогающая взаимодействию, передается мгновенно. Релятивистская же квантовая механика утверждает, что взаимодействие распространяется со строго определенной скоростью. Следовательно, должно существовать что-то, что будет способствовать такой передаче. И этим «помощником» является физическое поле. Одним из основоположников квантовой механики можно назвать Планка. Он первым выступил против существовавшей в то время теории теплового излучения. В основе теории теплового излучения лежала статистическая физика и классическая электродинамика. Эти две отрасли науки не дополняли друг друга, а наоборот, приводили к противоречию всю теорию теплового излучения.

Суть его точки зрения заключается в том, что свет излучается не непрерывно, а порциями. А точнее – дискретными порциями энергии, т. е. квантами.

В квантовой механике выделяют так называемые дискретные состояния. Смысл данного состояния в том, что тело большого масштаба непрерывно изменяет свою скорость. Причем изменение этой скорости может происходить как в сторону ее увеличения, так и в сторону ее уменьшения. Для изменения скорости имеют большое значение разнообразные физические явления. Именно эти явления способствуют увеличению скорости или же, наоборот, ее уменьшению.

14. Этапы развития квантовой механики

Этапы развития квантовой механики выглядят так:

1) в 1905 г. Альберт Эйнштейн построил теорию фотоэффекта. Данная теория была построена с целью развития идей Планка. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами. Следовательно, дискретность присуща самому свету;

2) в 1913 г. Бор применяет идею квантов по отношению к планетарной системе атомов. Данная идея Бора привела к научному парадоксу. Согласно Бору, радиус орбиты электрона постоянно уменьшался. Электрон в конце концов должен был просто «упасть» на ядро. Бор решил, что электрон испускает свет не постоянно, а лишь тогда, когда он переходит надру-гую орбиту;

3) в 1922 г. американец Комптон доказал, что рассеяние света происходит путем столкновения двух частиц;

4) эффект Комптона привел также к парадоксу. Он утверждал о корпускулярно-волновой природе света. И это было явное противоречие: эти два явления не могли смешиваться. В 1924 г. французский ученый Луи де Бройль выдвинул теорию, согласно которой каждой частице надо поставить волну, которая связана с импульсом частицы;

5) австриец Шредингердоказал гипотезу де Бройля. Шредингер придумал уравнение, которое соответствует поведению волн де Бройля. Данное уравнение получило название «уравнение Шредингера»;

6) в 1926 г. ученые-физики проводили опыты, которые экспериментально окончательно подтвердили теорию де Бройля;

7) в 1927 г. Дирак придумывает свое уравнение, которое становится главным аргументом релятивистской квантовой механики. Это уравнение описывает движение электрона во внешнем силовом поле.

Окончательно квантовая механика как последовательная теория сформировалась благодаря трудам немецкого ученого – физика В. Гейзенберга, создавшего формальную схему. Особенностью данной схемы было то, что вместо математических координат и математических скоростей фигурировали абстрактные величины, так называемые матрицы.

Работы Гейзенберга были развиты другими учеными (например, Борном, Иорданом и др.). Работа немецкого физика Гейзенберга стала основой для матричной механики.

Также Гейзенберг является автором гипотезы о том, что любая физическая система никогда не может находиться в состоянии, в котором координаты ее центра инерции и импульса принимают одновременно равные значения.

Этот принцип известен в науке как «соотношение неопределенностей».

15. Понятие биохимии, история ее появления

Биохимия – это наука, которая изучает соединения углерода с другими элементами, т. е. органическими элементами и законами их превращения. Эта наука изучает химические вещества, их структуру и распределение в организме.

Использование законов биохимии относится к глубокой древности. Термин «органическая химия» был введен в 1827 г. ученым Й. Берцелиусом.

Все началось с того, что была подорвана точка зрения, согласно которой в синтезе присутствует так называемая «жизненная сила». Это произошло после того, как в 1828 г. Ф. Велер исследовал мочевину.

На органической химии основаны все жизненные процессы, потому что углероды способны соединяться со многими элементами и могут образовывать молекулы самого разного состава и строения (например, цепного, циклического и т. д.). Именно этой способностью углерода и обусловлено такое множество органических соединений: к 1990-м гг. XX в. их число составляло более 10 млн.

И весь этот процесс синтеза углерода с различными элементами привел к тому, что стали появляться отдельные отрасли науки и новые отрасли промышленности.

Сама биохимия состоит из общей и аналитической химии, которые были ее «родителями». На сегодняшний день органическая химия уже сама давно обзавелась «потомством». В середине 1920-х гг. XX в. произошло выделение молекулярной биологии. В связи с ростом народного хозяйства в отдельную науку выделилась техническая биохимия.

Молекулярная биология занимается тем, что исследует основные свойства и проявления жизни на молекуляр-

ном уровне, а также выясняет, каким образом и в какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации и многие другие явления обусловлены структурой и свойствами биологических белков и нуклеиновых кислот, т. е. макромолекул.

Молекулярная биология тесно связана не только с органической химией, но и с:

1) биофизикой;

2) генетикой;

3) микробиологией.

Две точки зрения возникновения микробиологии:

1) молекулярная биология выделилась в 1920-е гг. XX в. В это время происходит активное внедрение в биологию идей и методов, которые были позаимствованы из физики. Такое заимствование произошло для того, чтобы объяснить ряд явлений, таких как мышечное сокращение, наследственность и многие другие;

2) молекулярная биология возникла в 1953 г. Именно в этом году Дж. Уотсон и Ф. Крик разработали свою идею двойной спирали ДНК.

Молекулярную биологию, биофизику, биохимию и т. п. включают в единый комплекс наук – физико-химическую биологию.

16. Белозерский Андрей Николаевич и его научные работы

Белозерский Андрей Николаевич родился в г. Ташкенте 16 августа 1905 г. Он стал выдающимся российским биохимиком, лауреатом множества всесоюзных и международных премий.

В 1913 г. оба родителя Андрея Николаевича умирают, и он остается круглым сиротой. Ему удается, не имея среднего образования, поступить в высшее учебное заведение – в Среднеазиатский государственный университет на физико-математический факультет. Позже он начинает работать в этом университете. Поначалу Белозерский устроился работать лаборантом. По прошествии нескольких лет, в 1925 г., Андрей Николаевич уже приступает к преподавательской деятельности.

Андрей Николаевич Белозерский попадает под положительное влияние известного биолога А. В. Благовещенского. Именно под его руководством Белозерский готовит свою первую научную работу, которая была посвящена концентрации водородных ионов в вытяжках из листьев некоторых горных растений.

Белозерский занялся тем, что стал искать ДНК не только у животных, но и у растений. Спустя какое-то время, время упорного труда, он обнаружил ДНК у обычного гороха, а затем еще у ряда других растений и даже у бактерии. Он сделал вывод, что ДНК присуща не только животным. ДНК присуща вообще всем живым организмам. Это открытие принесло Андрею Николаевичу мировую известность. Своим открытием он помог возродиться в Советском Союзе такой науке, как генетика. Андрея Николаевича приглашают посетить ряд престижных научных симпозиумов, которые должны пройти в зарубежных странах.

Имя Белозерского связано с открытием не только ДНК у растений, но и рядом других открытий, которые заслуживают внимания. В 1957 г. Белозерский и Спирин высказывают предположение, согласно которому клетки содержат не только ДНК, но и РНК. Вслед за этим Андрей Николаевич успешно защищает свою докторскую диссертацию.

В 1958 г. Андрей Николаевич Белозерский избирается членом-корреспондентом Академии наук СССР. Спустя три года, в 1962 г., Белозерский становится действительным членом Академии наук СССР, а еще через девять лет произошло нечто вообще малообъяснимое: Андрей Николаевич Белозерский был избран вице-президентом Академии наук СССР.

Также благодаря усилиям Белозерского была организована современная лаборатория биохимии и микроорганизмов (тогда она называлась лабораторией антибиотиков); кафедра вирусологии на биолого-почвенном факультете МГУ в 1964 г.; при его поддержке был создан Институт белка Академии наук в г. Пущино в 1968 г. В 1965 г. Белозерский в Московском государственном университете создал межфакультетскую лабораторию биоорганической химии. Для того чтобы показать, как важен вклад Андрея Николаевича Белозерского в развитие молекулярной биологии, организованная им в 1965 г. лаборатория была переименована в Институт физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского.