Наука геофизика, биофизика

19

Московский государственный открытый университет

Учебный центр г. Чернигов

Факультет «Менеджмента и экономической политики»

РЕФЕРАТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ:

«Концепции современного естествознания»

Тема: «Наука геофизика, биофизика»

Выполнила: Кучкова Е.В.

Проверил: проф. д.т.н. Польшаков В.И.

г. Чернигов, 2000 г.

Оглавление

Введение

Глава 1. Биофизика

1.1 Понятие биофизики. Ее место в естествознании

1.2 Задачи (задания) и методы биофизики

1.3 Разделы и методы биофизики

Глава 2. Геофизика

2.1 Суть геофизики. Взаимосвязь геофизики как науки с другими дисциплинами

2.2 Задания геофизики

2.3 Методы геофизического исследования и их классификация

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Начиная исследование таких наук как биофизика и геофизика, необходимо отметить, что их истоки лежат в области физики. А развитие эти науки получили от «стыкования» и взаимопроникновения некоторых естественных наук в физику.

Можно сказать, что конечные теоретические основы любой области естествознания имеют физический характер. Это не означает сведения всего естествознания к физике, но из него следует понять, что познание физических законов дает возможность для структурного объяснения процессов в сложных системах, для подведения теоретического фундамента под комплекс естественных наук.

Развитие биологии показало, что для понимания и изучения элементарных биологических явлении необходимо применение понятий и методов точных наук. Такой подход оправдан тем, что все биологические объекты представляют в конечном итоге совокупность атомов и молекул и подчиняются физическим и химическим закономерностям. Но так как биологические системы -- это самоорганизующиеся системы, сложившиеся в процессе эволюции, им присущи многие свойства, не имеющие места в неживой природе. Сложность биологических систем обеспечивает протекание процессов, маловероятных для условий, обычно рассматриваемых в физике. Биофизика в основном рассматривает целостные системы, не разлагая их, по возможности, на химические компоненты. В связи с этим возникает необходимость перерабатывать известные физико-химические методы, создавая высокоспециализированные биофизические методы и приёмы.

Геофизика же неразрывно связана с физикой, поскольку возникла в результате взаимодействия комплекса наук, которые изучают физические качества и состав Земли, процессы, которые происходят в её оболочках в процессе их взаимодействия. Геология и физика были двумя первоисточника геофизики, когда ей отводилось лишь место в исследовании твердого тела Земли. Сейчас же геофизика имеет тесную взаимосвязь и со многими другими науками: астрономией, геологией, геодезией, теплофизикой, радиофизикой, химией, геохимией, почвоведением.

В данной работе мной будут рассмотрены науки биофизика и геофизика с точки зрения естествознания.

Глава 1. Биофизика

1.1 Понятие биофизики. Ее место в естествознании

Прежде чем раскрыть понятие биофизики, следует вначале разобраться с такими ее составляющими понятиями как биология и физика.

Физика - это наука, которая изучает строение и особенности конкретных видов материи - веществ и полей - формы существования материи - пространство и время.

В этом определении нет разделения живой и неживой природы. Приведённое определение не означает сведения всего естествознания к физике, но из него следует понять, что конечные теоретические основы любой области естествознания имеют физический характер.

Эти основы уже раскрыты в химии, мы знаем сейчас, что химия изучает структуру и изменение электронных оболочек атомов и молекул при их взаимодействии. Соответственно теоретическая химия сегодня полностью основана на квантовой и статистической механике, на термодинамике и физической кинетике.

Биология является наукой про живую природу, объекты которой необъятны и значительно сложнее неживых. А потому человечеству нужно пройти еще длинный путь, перед тем, как удастся раскрыть как-нибудь достаточно глубокие физические основы биологический явлений и закономерностей.

Исходя их вышесказанного, определим биологическую физику (далее биофизику) как физику явлений жизни, которые изучаются на всех уровнях, начиная с молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом вообще. Такое определение биофизики противостоит её пониманию как вспомогательной отрасли биологии или физиологии. Суть биофизики не обязательно связана с применением физических приборов в биологическом эксперименте.

Например, медицинский термометр, электрокардиограф, микроскоп - физические приборы, но врачи или биологи, которые используют эти инструменты, вовсе не занимаются физикой. Биофизическое исследование начинается с физической постановки задач (заданий), которые относятся к живой природе.

Но это, в свою очередь, означает, что такая задача формулируется, исходя из общих законов физики и атомно-молекулярного строения (построения) вещества.

Таким образом, конечная цель биофизики состоит в обосновании теоретической биологии. Одновременно биофизика разрешает многочисленные теоретические и практические (прикладные) проблемы более частичного характера.

1.2 Задачи (задания) и методы биофизики

Формулирование биологической задачи (задания) возможно, пока что, в ограниченном количестве случаев.

Живая природа настолько сложная, что биологические знания большей частью недостаточны для реализации физических подходов [4, 22]. Однако биология быстро и целенаправленно развивается, с её современным развитием неразрывно связана и биофизика.

Биофизика является наукой ХХ столетия. Это естественно не означает, что раньше никакие биофизические задания не решались.

Вот, например, Максвелл сформулировал, можно сказать построил, теорию цветного зрения; Гемгальц измерил скорость распространения нервного импульса. Количество примеров такого типа достаточно велико.

Но все-таки только в ХХ столетии биофизика перешла от изучения физических качеств организмов и физических действий (влияний) на них (свет, звук, электричество) до проблем, которые можно назвать фундаментальными - исследования наследственности и переменности, ортогенеза и филогенеза, метаболизма биоэнергетики [ 5, 16 ].

Задания биофизики фактически те же, что и биологии. Они состоят в познании жизненных явлений. Будучи частью физики, биофизика неотделима от биологии. Биофизик должен владеть и физическими и биологическими знаниями. Для успешной работы в отрасли (сфере) биофизики желательно общее понимание живой природы, то есть знание основ зоологии и ботаники, физиологии и экологии. Физики часто относятся с пренебрежением к общим разделам биологии. Необходимость зоологии и ботаники принципиальна, без Пиннея не могло бы возникнуть и учение Дарвина [ 3, 9 ].

При этом, не смотря на большие трудности, современная биофизика достигла больших успехов в объяснении целого ряда биологических явлений. Ученые уже узнали многое про строение и особенности биологических функциональных молекул, про особенности и механизм действия клеточных структур, таких как мембраны, биорганические органоиды, механохимические системы. Успешно разрабатываются физико-математические модели биологических процессов до самого ортогенеза и филогенеза. Реализованные общетеоретические подходы к явлениям жизни, основанные на термодинамике, теории информации, теории автоматического регулирования [3, 11].

Все эти вопросы и будут рассмотрены, про этом, в соответствии с пониманием биофизики как физики явлений жизни. Так, например, рецепция внешнего воздействия органами восприятия рассматривается в различных разделах биофизики: зрение - в разделе, который посвящен фотобиологическим явлениям, слух - в связи с механическими процессами, внешний вид личности - в связи с физикой молекулярного познания.

1.3 Разделы и методы биофизики

Живая природа, живые организмы представляют собой сложные многоуровневые системы. Большие и малые молекулы, клеточные органоиды, клетки, ткани, органы, организмы, популяции, биоценозы, биосфера - это уровни, которыми должны заниматься и биология, и биофизика.

Биофизика условно делится на три отрасли: молекулярная биофизика; биофизика клеток; биофизика сложных систем (схема 1).

Схема 1.Отрасли биофизики

Это разделение условное, но является общепринятым. Попробуем охарактеризовать суть и методы этих трех отраслей биофизики.

Молекулярная биофизика изучает строение и физико-химические качества биологически функциональных молекул, в первую очередь биополимеров - белков и нуклеиновых кислот. Молекулярная биофизика - наиболее развитая отрасль биофизики.

Для экспериментального исследования биологически функциональных молекул используется широкий арсенал физических (одновременно биофизических) методов. Ими являются во-первых, методы, которые используются в физике макромолекул для определения их молекулярных масс, размеров и форм - сендиментация в ультрацентрифуге, рассеивание света и рассеивание рентгеновских лучей смесью веществ, которые исследуются. Во-вторых, методы исследования структуры молекул основаны на взаимодействии света с веществами. Также используются методы оптики спектроскопии, в самом широком понимании этих слов. В-третьих, методы калометрии, что используются для изучения преобразований биологических макромолекул.

И, наконец, используется прямое изучение структуры белков и нуклеиновых кислот посредством электронной микроскопии.

Использование ряда этих методов в биологии (биофизике в частности) достаточно специфично.

Молекулярная физика естественно переходит в биофизику клеток, которая в свою очередь изучает строение и функциональность систем клеток и тканей. Эта отрасль биофизики является самой старой и традиционной. Её главные задачи связаны сегодня с изучением физики биологических мембран и биоенергетических процессов, а также с рядом новых объектов, которые возникли в связи с достижениями этой науки.

Все большее значение приобретают проблемы моделирования искусственных мембран и активного транспорта ионов.

Одним из примеров практического применения знаний, полученных в этой области биофизики, биохимией и физиологией, является создание искусственной почки.

Важной проблемой биофизики является изучение биоэлектрических явлений. В этой области биофизика тесно связана с физиологией. Исследования показали, что между наружной и внутренней средой каждой живой клетки поддерживается разность потенциалов около 0,1 в. Её источник -- создаваемый клеткой ионный градиент между наружной и внутриклеточной средой. Эти данные послужили основой для создания мембранной теории генерации потенциалов в клетке, выдвинутой в начале века немецким ученым Д. Бернштейном и экспериментально обоснованной в 50--60-е гг. работами английских учёных А. Ходжкина, А. Хаксли и Б. Каца, изучавших изменение проницаемости мембраны нервного волокна и ионные потоки в нерве при возбуждении.

Биофизика клеток включает изучение генерации и распространения нервного импульса, изучение механохимических процессов, изучение фотобиологических явлений.

Биофизика клеток имеет дело с наиболее сложными заданиями и встречаются с большими трудностями по сравнению с молекулярной биофизикой.

Биофизике сложных систем условно присвоено приоритетное место теоретической отрасли биофизики, которая посвящается рассмотрению общих физико-математических проблем моделирования биологических процессов и физико-биологических проблем.

Рассмотрим основные современные разделы теоретической биофизики сложных систем (таблица 1).

Таблица 1. Современные разделы теоретической биофизики сложных систем

Глава 2. Геофизика

2.1 Суть геофизики. Взаимосвязь геофизики как науки с другими дисциплинами

Комплекс наук, которые изучают физические качества и состав Земли, процессы, которые происходят в её твердой, жидкой, газоподобной оболочках в процессе их взаимодействия называется геофизикой ( от грецкого ge - земля и phisis - природа).

Геофизика возникла на стыке физики и ряда других естественных наук, рассматривает Землю как единое, сложное и непрерывно изменяющееся тело, которое является частью Солнечной системы, и которое поддается воздействию космических тел, таких как Солнце, Луна и др. В комплексное изучение Земли и её оболочек или геосфер входят такие вопросы как: происхождение, размеры, развитие этих оболочек и Земли в целом, а также их состав, особенности, взаимодействие, физические (геофизические в частности) поля.

Сложность построения и состава биосфер, разнообразие и разница происходящих физических процессов, неодинаковая доступность для измерения и наблюдения их физических (географических) величин приводят к необходимости самостоятельного изучения оболочек Земли разнообразными науками. А потому в геофизике выделяют три самых больших раздела внутри этой науки, в соответствии с двумя её геосферами: 1) физику так называемой твердой Земли, или так называемого твердого тела Земли; 2) геофизику; 3) физику атмосферы.

Каждый из этих разделов имеет специфические задания и состоит из целого ряда отдельных наук.

Физика твердого тела Земли (физика Земли) исследует состав, строение, физические особенности твердого тела земли и процессы, которые происходят в нем. Решение этих проблем исполняет целый ряд наук: сейсмология, гравометрия, магнитология, земная электроэнергия, радиометрия, геотермика и др.

Гидрофизика занимается изучением физических процессов в водной оболочке Земли. Она также рассматривает молекулярное строение и физико-математические (механические) особенности воды во всех ее агрегатных состояниях, электрические, радиационные и другие особенности воды, снега и льда. В гидрофизике выделяют два подраздела:

ѕ физика моря;

ѕ физика вод суши.

Физика атмосферы (метеорология) изучает физические процессы и явления в воздушной оболочке Земли, их взаимодействие с земной поверхностью и космическим простором. Это наиболее разработанный и развитый раздел геофизики, который рассматривает также строение атмосферы, состав и качества атмосферного воздуха.

Геофизика имеет тесную взаимосвязь с другими науками: астрономией, геологией, геодезией, физикой, теплофизикой, радиофизикой, химией, геохимией, почвоведением. Геология и физика были двумя первоисточника геофизики, когда ей отводилось лишь место в исследовании твердого тела Земли.

2.2 Задания геофизики

У геофизики очень много заданий. Они сводятся к обеспечению (удовлетворению) требований практики хозяйственного развития и потребностей человечества. По сути, известия, которые получает геофизика, необходимы человечеству для того, чтобы выгодно и целенаправленно взаимодействовать с природой и эффективно использовать ее в интересах общества. Из всего перечня заданий, всего многообразия заданий можно выделить два, которые и остаются самыми главными для геофизики. Это, во-первых, рациональное использование природных ресурсов и, во-вторых, разумный учет и использование всех качеств геосфер, которые воздействуют на практическую деятельность человека.

2.3 Методы геофизического исследования и их классификация

Существующие методы геофизических исследований представляют собой единый комплекс методов решения конкретных заданий по практическому и теоретическому освоению (познанию) естественных процессов и явлений в каждой геосфере и на Земле в целом. Все методы вытекают из заданий геофизики и направлены на получение информации о характеристиках физико-химического, термодинамического и других состояний геосфер, естественных процессов и явлений, на выяснение закономерностей пространственно-временных изменений геофизических полей, величин и явлений.

Методы изучения и исследования геосфер классифицируют в зависимости от целей геофизических исследований и технического их обеспечения (схема 2). По первому признаку выделяют две группы методов. Первая из них включает методы исследования геофизических полей, величин и явлений. По сути, она представляет собой весь комплекс методов изучения природы: экспедиционный, стационарных наблюдений, экспериментальный и теоретического анализа. Каждый из этих четырех методов взаимно дополняют друг друга, но при разрешении глобальных геофизических проблем на данный момент основными являются стационарные наблюдения и теоретический анализ.

Другая группа методов - методы изучения строения, состава и свойства геосфер - включает прямое и так называемое «косвенное» зондирование оболочек Земли. Прямое зондирование находит наибольшее применение при изучении атмосферы, рек, озер, болот, ледников и вод Мирового океана. «Косвенное» зондирование является основным при получении сведений про физические свойства, агрегатное состояние и строение глубинных земных недр.

Обе группы методов являются традиционными методами геофизических исследований, которые имеют длинную историю своего развития. Эти методы продолжают усовершенствоваться и развиваться в данное время.

В последние годы широко развернулась работа по изучению всех геосфер общими усилиями ученых многих государств, которые проводятся с использованием новейшей техники и мощных методов исследования.

Вследствие научно-технического прогресса возник новый метод - комплексного зондирования геосфер из космического пространства.

Схема 2. Классификация методов геофизического исследования

Большое значение современная геофизика уделяет изучению земной коры, ее строению, движению и другим происходящим в ней процессам.

Хотелось бы обратить внимание на практическое значение изучения структуры движения земной коры, рассматривая значение изучения геофизических процессов на конкретных примерах.

Так, горы и долины возникают путем образования складок и разломов в непрестанно изменяющейся земной коре. Складки - это волнообразные изгибы горных пород, разломы-трещины; те и другие появляются вследствие сильных давлений, вызванных дрейфом материков. Они особенно привлекают геологов, так как часто образуют структурные ловушки, к которым тяготеют промышленно-ценные месторождения минерального сырья.

Обычно складки и разломы лучше всего развиты в осадочных и вулканических породах, но могут проявляться и в глубинных изверженных породах. Правильная структурная интерпретация складок и разломов существенна при разработке месторождений полезных ископаемых. Опрокинутая складка или обратный сброс могут вызвать, например, повторение угольных пластов в вертикальном разрезе, а нормальный сброс -горизонтальный разрыв и разобщение пласта. Вследствие этого пласт угля может быть неоднократно пересечен при бурении или, наоборот, пропущен. Разломы, возникающие над гранитным интрузивом, позволяют минерализующим растворам проникнуть в породы кровли массива и отложить там минералы. Аналогичным образом разломы, не достигшие поверхности, могут играть роль каналов, по которым будут подниматься нефть и газ. Если в вогнутых складках пористые песчаные пласты подстилаются водоупорными глинами или глинистыми сланцами, то в песках накапливается вода и могут образовываться артезианские источники.

Движение массивных плит горных пород, составляющих земную кору, сопровождается возникновением высокого давления на их границах. Иногда столкновение двух плит приводит к воздыманию горных цепей, сложенных интенсивно смятыми в складки породами, разбитыми многочисленными разломами. Иногда вдоль краев плит происходит растяжение, породы расступаются, образуя длинные депрессии, ограниченные разломами. Складки бывают от нескольких миллиметров до сотен километров в поперечнике. Вогнутые чашеобразные складки называются синклиналями, а выпуклые - антиклиналями. Синклинориями и антиклинориями называют крупные синклинальные или антиклинальные сооружения, крылья которых осложнены более мелкими складками. Складки, формирующиеся одновременно с отложением осадков, - эго складки уплотнения.

Складчатость, как и складки, бываем трех основных типов. Прежде всего это истинная складчатость, или складчатость изгиба, которая образуется при сжатии компетентных (крепких) пород. Она связана постепенными переходами со вторым типом складчатости - складчатостью течения, развивающейся на участках, сложенных некомпетентными (слабыми) породами. Некомпетентные породы ведут себя подобно густой пасте: они не способны легко передавать давление и обычно образуют многочисленные мелкие складки. Третий тип-складчатость скалывания - может развиваться в хрупких породах путем возникновения мелких трещин, напоминающих сланцеватость, вдоль которых тонкие плитки породы способны перемещаться по отношению друг к другу. Все складки, если только они не обрезаны разломом, в конце концов затухают путем замыкания и по форме подобны половинке чаши или купола.

Простые складки обычно встречаются в молодых породах, третичных или четвертичных. Сложные складки больше распространены а древних, которые испытывали движения земной коры на протяжении длительного времени и часто погружались на глубокие уровни в земной коре. Весьма древние породы, такие, как породы докембрия в Норвегии, претерпели многократную повторную складчатость, вследствие чего в них развились структуры типа будинажа, брусчатые структуры и сланцеватость. Эти древние породы, кроме того, подверглись значительным изменениям под воздействием тепла и давления, как при внедрении интрузивных пород, так и при глубоком погружении. В результате в них образовались пластинчатые минералы, кристаллы которых располагаются параллельно друг Другу. Такие породы проявляют тенденцию к расщеплению на тонкие плитки по плоскостям сланцеватости, их называют кристаллическими сланцами. Когда породы уже больше не способны изгибаться под давлением, они трескаются, образуя разлом. Если они подвергаются растяжению, возникает нормальный сброс, если сжатие - взброс, или надвиг. При движении в плоскости разлома на его стенках, прилетающих друг к другу, выцарапываются штрихи и борозды, которые позволяют определять направление относительных боковых и вертикальных перемещений и судить о характере движения -линейное оно или вращательное. Часто разломы, сопряженные с землетрясениями, бывают хорошо выражены на поверхности в виде сбросовых уступов и рифтовых долин.

Разломы и складки возникают под действием одних и тех же тектонических сил, поэтому разломы постоянно связаны со складчатыми областями. Иногда при возобновлении подвижек по существующим глубинным разломам поверхностные слои разбиваются трещинами с образованием сложной мозаики блоков. Активизация таких глубинных разломов считается причиной катастрофического Ташкентского землетрясения 1966 г. Тектоническая активизация, выраженная в повторном возникновении разломов, отмечается в районах, где новые поля напряжений с иной ориентацией накладываются на прежние.

Заключение

Не смотря на большие трудности, современная биофизика и геофизика достигли больших успехов в объяснении (каждая в своем аспекте) явлений природы. Так благодаря биофизике, мы много узнали о строении и свойствах биологически функциональных молекул. Достаточными есть знания об особенностях и механизме действия клеточных структур, которыми являются мембраны и биоэнергетические органоиды, механические системы. К примеру, можно вспомнить и об успешных разработках физико-математических моделей биологических процессов.

Бесспорными являются достижения геофизики. Они относятся практически ко всем направлениям ее исследований. О достижениях и существующих проблемах в отрасли гидрофизики и физики атмосферы можно узнать из других специальных соответствующих дисциплин.

Опираясь на достижения физики, химии, сейсмологии и других наук, геофизика достигла серьезных успехов в изучении вещественного состава и построения земных недр. Одним из наиболее фундаментальных достижений геофизики вместе со многими другими естественными науками являются разработки по геофизическим полям, в частности по механизму формирования основной части внутреннего магнитного поля, по созданию теории геомагнитного динамо. Используя космические методы и способы исследования, геофизики получили ряд важных для науки и практики данных о гравитационном поле Земли. А это в свою очередь позволило уточнить форму земной поверхности, а измерения с искусственных спутников Земли уровня Мирового океана позволило построить карту рельефа его дна.

Значение био- и геофизики научно и практически определяется результатами решаемых ими заданий. По мере своего развития эти науки все точнее отображают физическое строение Земли, динамику и взаимодействие геосфер (в геофизике) и явлений (в биофизике), полнее удовлетворяют потребности человечества, и все больше становятся продуктивной силой. Такая их роль определяется активным участием в решении кардинальных проблем, а именно: рационального использования природных ресурсов, более точного и дальнейшего исследования биологических процессов.

Современная био- и геофизика впервые реально стали носить глобальный характер. Такой глобальный характер этих наук немыслим без широкого международного сотрудничества ученых, необходимость которого в свое время возросла где-то в средине ХХ столетия. А сегодня нам следует задуматься еще больше над тем, насколько важными являются эти науки для людей, для всего живого, для нашей планеты - нашей Земли. Поэтому следует продолжать работу и в соответствии с мировой тенденцией преобразования науки на орудие, на продуктивную силу преобразовать эти науки в продуктивную силу, в орудие, которое приносило бы людям лишь пользу.

Список использованной литературы

1. Большая советская энциклопедия. Третье издание. - М.: Советская энциклопедия,1970.

2. Вилли К., Детье В. Биология. - М.: Мир, 1974.

3. Волькенштейн М.В. Общая биофизика. - М.: Наука, 1978.

4. Волькенштейн М.В. Молекулярная биофизика. - М.: Наука, 1975.

5. Волькенштейн М.В. Физика и биология. - М. : Наука, 1980.

6. Геофизика: Доклады АИ 349/№5 - 1990.

7. Деркач М. Основи біофізики. - 1967.

8. Дмитриев В.И. Справочник геофизика. - М.: 1990.

9. Мир живой природы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. (Радость познания. Популярная энциклопедия в 4-х томах. Т. 2).

10. Наша планета: Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. (Радость познания. Популярная энциклопедия в 4-х томах. Т. 3).

11. Философские проблемы естествознания. Учеб. Пособие Для аспирантов и студентов ВУЗов /Под ред. С.Т. Мелюхина. -М. Высшая школа, 1985.

12. Чечкин С.А. Основы геофизики. - Учебник. - Л.: 1990.

13. Чечкин С.А. Тектонические движения земной коры. - Л.: 1985.