Понятие парадигм естествознания. Классы элементарных частиц

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия"

Кафедра: биологии, ветеринарной генетики, паразитологии и экологии

Контрольная работа

по дисциплине «Концепция современного естествознания»

Выполнила: студентка 1 курса

экономического факультета

заочного отделения

Худякова Е.В.

Ульяновск-2010

Вопрос №1. Когда было обнаружено расширение Вселенной

Считается, что после того как 15 млрд. лет назад произошел Большой взрыв, началось постепенное охлаждение и расширение Вселенной. Причины Большого взрыва и перехода к расширению во всех моделях Вселенной считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой физической современной теории.

Вселенная - самая крупная материальная система. Основные положения современной косметологии - науки о строении и эволюции Вселенной - начали формироваться после создания в 1917 г. А.Эйнштейном первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризовала стационарное состояние Вселенной, и как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной. Важный шаг в решение космологических проблем сделал в 1922 г. профессор А.А.Фридман. В результате решения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии - она должна расширяться либо сужаться. В 1924 г.американский астролог Э.Хаббл измерил расстояние до ближайших галактик, тем самым открыл мир галактик. В 1929 г Э.Хаббл экспериментально подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана о расширении Вселенной и установил эмпирический закон - закон Хаббла. Исследования Э.Хаббла подтвердили, что удаленные от нас галактики разбегаются, т.е. Вселенная находиться в состоянии расширения, а значит нестационарна. Другим важным экспериментальным свидетельством в пользу гипотезы расширяющейся Вселенной стало открытие реликтивного излучения - слабого радиоизлучения, свойства которого являются в точности такими, какими они должны быть на этапе горячей, взрывной Вселенной.

Вопрос №2. Какие научные теории называют парадигмой? Приведите примеры фундаментальных парадигм естествознания

Парадигма - строго научная теория, господствующая в течение определенного исторического периода в научном обществе. Это модель постановки проблем, методов их исследования и решения.

Парадигма в переводе с греческого означает пример, образец. Введение понятия парадигмы позволяет рассматривать процесс развития науки не как простое накопление отдельных открытий и изобретений, не как простой прирост знаний, а как процесс, условно разделенный на этапы, каждый их которых имеет два периода. Первый - период нормальной науки, второй - период научной революции.

«Парадигма-образец» формирует способ видения, проверенный временем, определяет тем самым стиль мышления ученого. Смена научных парадигм происходит в связи с кризисом в науке и знаменует собой научную революцию (Т.Кун).

Биологическая парадигма - синтетическая теория эволюции, которую можно рассчитать как неклассическую биологию.

Дарвиновская парадигма - эволюции жизни - от простых форм к сложным, более упорядоченным.

Синергетическая парадигма. Синергетика - область научных исследований связанных с процессами самоорганизации в открытых системах, комплексное поведение подсистем, связанных с неустойчивостью. Она опирается на физико-математические методы и является обобщением эволюционизма и по существу становится эволюционным естествознанием, дополняя детерминизм нютониановской парадигмы (если заданы начальные условия и есть уравнение, описывающее поведение системы, то можно рассчитать ее развитие) универсальными принципами развития и рождения нового. Суть этой новой научной парадигмы в том, что акцент переносится со статического положения равновесия на изучение состояния неустойчивости, механизмов возникновения и перестройки структур.

Вопрос № 3. Какие частицы называются элементарными? На какие классы принято делить элементарные частицы

Элементарные частицы - мельчайшие известные частицы материи. Характерная особенность элементарных частиц - способность к взаимным превращениям. Число известных элементарных частиц постоянно растет и превышает уже 300 разновидностей. Важнейшим свойством частицы является ее масса покоя. По этому свойству частицы делятся на 4 группы:

1. Легкие частицы - лептоны (фотон, электрон, позитрон). Фотоны не имеют массы покоя.

2. Частицы средней массы - мезоны (мю-мезон, пи-мезон).

3. Тяжелые частицы - барионы. К ним относятся нуклоны - составные части ядра: протоны и нейтроны. Протон - самый легкий барион.

4. Сверхтяжелые - гипероны.

Устойчивых разновидностей немного: фотоны, гравитоны, электроны, позитроны, протоны и антипротоны, нейтроны, нейтрино.

Особенностью элементарных частиц является то, что большинство из них могут возникнуть при столкновении с другими частицами достаточно высокой энергии: протон большой энергии превращается в нейтрон с испусканием пи-мезона. При этом элементарные частицы распадаются на другие: нейтрон на электрон, протон и антинейтрино, а нейтральный пи-мезон на два фотона. Пи-мезоны, таким образом, являются квантами ядерного поля, объединяющими нуклоны и ядра.

В ходе науки открываются все новые свойства элементарных частиц. Взаимная обусловленность свойств частицы свидетельствует о сложной их природе, наличие многогранных связей и отношений. В зависимости от специфики элементарной частицы может появиться тот или иной вид взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое. У большинства элементарных частиц есть античастицы, отличающиеся противоположными знаками электрических зарядов и магнитных моментов. Из античастиц могут быть образованы устойчивые ядра и антивещество, подчиняющееся тем же законам движения, что и обычное вещество.

Специфическая особенность элементарных частиц - четность - квантовое число, определяющее симметрию волновой функции относительного зеркального отражения. Если при зеркальном отражении волновая функция частицы не меняет знака, то ее четность положительна, если меняет знак - отрицательна. Эта квантово механическая характеристика подчиняет закону сохранения четности: при всех превращениях системы частиц четность состояния не меняется.

Вопрос № 4. Приведите формулировку принципа относительности Галилея. К каким явлениям применим этот принцип? Какие системы называют инерциальными

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности, впервые сформулированный Галилеем для механического движения. Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчета. Система, в которой выполняется первый закон Ньютона, называется инерциальной системой отсчета. Такая система либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно относительно какой-то другой системы, неподвижной или движущейся прямолинейно и с постоянной скоростью. С большей степенью точности инерциальной можно считать гелиоцентрическую (звездную) систему отсчета с началом координат в центре Солнца. Если системы отсчета движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, и в одной из них справедливы законы динамики Ньютона, то такие системы инерциальные. Для инерциальных систем выполняется механический принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму. Этот принцип означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, т.е. инвариантны по отношению к преобразованию координат.

А. Пуанкаре распостронил механический принцип относительности на все электромагнитные процессы, а Эйнштейн использовал его для специальной теории относительности, принципы которой он сформулировал в 1905 г. В обобщенном виде принцип относительности формулируется так: все инерциальные системы отсчета равноправны между собой в отношении протекания физических процессов или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.

Вопрос № 5. Какой тип взаимодействия описывается законом всемирного тяготения? Напишите выражение для этого закона. Как зависит этот тип взаимодействия от расстояния

Закон Всемирного тяготения открыт Ньютоном в 1667 году на основе анализа движения планет и, в частности, Луны. В этом же направлении работали Р.Гук (оспаривал приоритет) и Р.Боскович.

Закон справедлив для:

1. Однородных шаров.

2. Для материальных точек.

3. Для концентрических тел.

Закон всемирного тяготения выражается формулой согласно которому сила, действующая между двумя массами m1 и m2 обратно пропорциональна квадрату расстояния R между ними; здесь G - гравитационная постоянная. Введем по аналогии с электромагнитным полем вектор напряженности поля тяготения. Тогда закон всемирного тяготения можно понять так: масса m1 создает в пространстве некоторые условия, на которые реагирует масса m2 и в результате испытывает направленную к m1 силу F. Это и есть гравитационное поле, источником которого является масса m1. Чтобы не записывать каждый раз силу, зависящую от m2, разделим части уравнения, выражающего закон всемирного тяготения, на m2, считая ее за массу пробного тела, т.е. тела на которое действует другое тело (при этом, считая, что масса пробного тела не вносит возмущений в гравитационное поле). Тогда можем записать: теперь правая часть полученного уравнения зависит только от расстояния между массами m1 и m2 , но и не зависит от массы m2 и определяет гравитационное поле в любой точке пространства, отстоящей от источника гравитации m1 и на расстоянии R безотносительно к тому, имеется ли масса m2 или нет. Поэтому перепишем это уравнение так, чтобы определяющее значение имела масса источника гравитационного поля, обозначив левую часть через g и m1=М:

Вектор g называется вектором напряженности гравитационного поля, он дает полное описание этого поля, создаваемого массой М в любой точке пространства. Так как величина g определяет силу, действующую на единицу массы, то по своему физическому смыслу и размерности она является ускорением. Поэтому сила в уравнении классической динамики аналогична силе, действующей в гравитационном поле:

Вопрос № 6. Приведите примеры проявления симметрии в природе

Симметрия - понятие, отражающее существующий в природе порядок, пропорциональность и соразмерность между элементами какой-либо системы или объекта природы, упорядоченность, равновесие системы, устойчивость, т.е. некий элемент гармонии (В.Готт).

«Симметричным является предмет, с которым можно сделать нечто, не изменяя этого предмета» (Г.Вейль)

Симметрия - это такая особенность природы, про которую принято говорить, что она охватывает все формы движения и организации материи. Наиболее важным открытием древних было осознание сходства и различия правого и левого.

Здесь природными образцами им служили собственное тело, а также тела животных, птиц и рыб.

Среди разных типов симметрии различают пространственно- временные симметрии и внутренние симметрии.

1)Пространственно-временные симметрии являются наиболее общими симметриями природы. Их можно разделить на симметрии, связанные с непрерывными и дискретными преобразованиями. К непрерывным преобразованиям относятся следующие: перенос (сдвиг) системы как целого в пространстве. Симметрия физических законов относительно сдвигов в пространстве означает эквивалентность всех точек пространства, то есть отсутствие в пространстве каких-либо выделенных точек (однородность пространства). Изменение начала отсчета времени (сдвиг во времени); симметрия относительно этого преобразования означает эквивалентность всех моментов времени (однородность времени), благодаря которой физические законы не меняются со временем. Поворот системы как целого в пространстве; симметрия физических законов относительно этого преобразования означает эквивалентность всех направлений в пространстве (изотропию пространства).

Переход к системе отсчета, движущейся относительно данной системы с постоянной (по направлению и величине) скоростью. Симметрия относительно этого преобразования означает, в частности, эквивалентность всех инерциальных систем отсчета. Симметрия относительно первых двух преобразований приводит к законам сохранения импульса и энергии, а симметрия относительно поворотов - к закону сохранения момента и равномерному прямолинейному движению центра инерции физической системы (в инерциальной системе координат). Среди дискретных пространственно-временных симметрий различают СРТ-симметрию и зеркальную симметрию.

Из свойств пространства и основных положений квантовой теории поля следует, что для любой частицы, обладающей каким- либо зарядом, должна существовать симметричная ей античастица (обладающая той же массой, временем жизни и спином, но с противоположным значением заряда), а также необходимость определенной симметрии между движениями частиц и античастиц. Основной для указанной симметрии является то, что одновременное отражение всех пространственных осей и временной оси (то есть переход к зеркальной системе пространственных координат и отсчет времени в обратном направлении) формально сводится к реальному повороту. Поэтому теория, удовлетворяющая требованиям релятивистской инвариантности должна быть инвариантна и относительно так называемого слабого отражения. Поскольку при слабом отражении энергия и импульс частиц меняются на противоположные значения, инвариантность теории относительно слабого отражения, казалось бы, приводит к существованию физически недопустимых состояний с отрицательными энергиями. В квантовой теории поля это можно устранить, истолковав движение частиц с отрицательными энергиями как обращенное по времени, зеркально симметричное движение частиц с положительной энергией, но с противоположным значением заряда. Таким образом, необходимость существования античастиц следует из требования релятивистской инвариантности и положительности энергии. Законы природы оказываются, следовательно, симметричными относительно так называемого сильного отражения (СРТ) и зарядового сопряжения (то есть перехода от частиц к античастицам). Это утверждение составляет содержание теоремы СРТ, согласно которой для любого движения частиц может осуществляться в природе симметричное ему движение античастиц.

Зеркальная симметрия осуществляется в процессах, вызываемых сильными и электромагнитными взаимодействиями, а также в системах, связанных с помощью этих взаимодействий (атомах, атомных ядрах, молекулах, кристаллах и т.д.). Наличие зеркальной симметрии означает, что для любого процесса, обусловленного сильным или электромагнитным взаимодействием, с равной вероятностью могут осуществляться два зеркально-симметричных перехода. Это обуславливает, например, симметричность относительно плоскости, перпендикулярной спину, углового распределения квантов, испускаемых поляризованными ядрами. Зеркально- симметричные состояния отличаются друг от друга противоположными направлениями скоростей (импульсов) частиц и электрических полей и имеют одинаковые направления магнитных полей и спинов частиц.

2) Под внутренней симметрией понимают симметрию между частицами (в квантовой теории поля - между полями) с различными внутренними квантовыми числами. Среди различных внутренних симметрий можно выделить глобальные симметрии и локальные симметрии. Симметрия называется глобальной симметрией, если параметр преобразования не зависит от пространственно - временных координат точки, в которой рассматривается поле. Если параметры преобразований для глобальных симметрий можно рассматривать как произвольные функции пространственно-временных координат, то говорят, что соответствующие симметрии выполняются глобально.

В известной мере симметрия отражает степень упорядоченности системы. Например, окружность, ограничивающая каплю на плоскости, более упорядочена, чем размытое пятно на этой же площади, и, следовательно, более симметрично. Для живых организмов симметричное расположение частей органов тел помогает сохранить им равновесие при передвижении и функционировании, обеспечивает и жизнестойкость и лучшее приспособление к окружающему миру, что справедливо и в растительном мире. Например, ствол ели или сосны чаще всего прям и ветви равномерно распределены относительно ствола. Так дерево, развиваясь в условиях действия силы тяжести, достигает устойчивого положения. К вершине дерева ветви его становятся меньше в размерах - оно приобретает форму конуса, поскольку на нижние ветви, как и на верхние, должен падать свет. Внимательно приглядевшись к обступающей нас природе, можно увидеть общее даже в самых незначительных вещах и деталях. Форма листа дерева не является случайной: она строго закономерна. Листок как бы склеен из двух или более или менее одинаковых половинок, одна из которых расположена зеркально относительно другой. Живая природа в любых проявлениях обнаруживает одну и ту же цель, один и тот же смысл жизни: всякий предмет повторяет себя в седее подобном.

Основные понятия классической симметрии:

1) Отражение в плоскости симметрии (отражение в зеркале) - обладает все, допускающее разбитие на две равные части. Например, лист дерева.

2) Поворотная симметрия - внешний вид узора не изменяется, если его повернуть на некоторый угол вокруг оси. Например, цветок, поворачивающийся вокруг оси, переходит в себя.

3) Отражение в центре симметрии. Шаровые формы, например, капли тумана, облака.

4) Трансляция или перенос фигуры на расстояние - любой неограниченно повторяющийся предмет. Например, узоры, дорожки вымощенные плитками.

5) Винтовые повороты - поворот на определенное число градусов, сопровождающийся трансляцией на расстоянии вдоль оси поворота. Например, расположение листьев на стебле растения.

Вопрос №7. Когда возникла квантовая механика? Какие явления она смогла объяснить

естествознание квантовая механика тяготение

Квантовая механика (волновая механика) - 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 системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте.

Квантовая механика описывает законы движения микрочастиц. Однако поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, постольку квантовая механика применяется для объяснения многих макроскопических явлений. Например, квантовая механика позволила понять многие свойства твердых тел, последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звезды, выяснить механизм протекания термоядерных реакции в Солнце и звездах. Для классической механики характерно описание частиц путем задания их положения в пространстве (координат) и скоростей и зависимости этих величин от времени. Опыт показал, что такое описание частиц не всегда справедливо, в частности, оно не применимо для описания микрочастиц.

Квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности. Нерелятивистская квантовая механика (как и механика Ньютона для своей области применимости) - это законченная и логически непротиворечивая фундаментальная физическая теория. Релятивистская квантовая механика не является в такой степени завершенной и свободной от противоречий теорией. Если в нерелятивистской области можно считать, что взаимодействие передается мгновенно на расстоянии, то в релятивистской области оно распространяется с конечной скоростью, значит, должен существовать агент, передающий взаимодействие - физическое поле. Трудности релятивистской теории - это трудности теории поля, с которыми встречается как релятивистская классическая механика, так и релятивистская квантовая механика.

Соотношение между классической и квантовой механикой определяется существованием универсальной мировой постоянной - постоянной Планка, которая называется также квантом действия и имеет размерность действия. Если в условиях данной задачи физические величины размерности действия значительно больше постоянной Планка, то применима классическая механика. Формально это условие и является критерием применимости классической механики.

Впервые квантовые представления были введены в 1900 году немецким физиком Планком в работе, посвященной теории теплового излучения. Существовавшая в то время теория теплового излучения, построенная на основе классической электродинамики и статистической физики, приводила в противоречию. Чтобы его разрешить, Планк предположил, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными дискретными порциями энергии - квантами.

Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории связано с работой Гейзенберга 1927 года, в которой был сформулирован принцип, утверждающий, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные, точные значения. Этот принцип получил название "соотношение неопределенностей". Соотношение неопределенностей устанавливает, что понятия координаты и импульса в классическом смысле не могут быть применены к микроскопическим объектам. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению входящих в соотношение неопределенностей динамических переменных. При этом неопределенность в измерениях связана не с несовершенством измерительной техники, а с объективными свойствами микромира. Завершение построения аппарата квантовой механики породило острые дискуссии в отношении интерпретации этой теории, поскольку она существенно отличается от классических теорий.

Важное отличие состоит в том, что в классических теориях описываются свойства объектов вне их отношения к тем приборам, с помощью которых обнаруживаются эти свойства, в то время как в квантовой механике учет условий наблюдения неотъемлем от самой теоретической постановки проблемы (при этом в различных макроскопических ситуациях микроявления обнаруживают различные, порой прямо противоположные свойства, например, частицы или волны).

Вопрос №8. Как изменился взгляд на эволюцию неживой природы в связи с идеями И.Пригожина

В экспериментальных исследованиях И.Пригожиным было продемонстрировано, что, удаляясь от равновесия, термодинамические системы приобретают принципиально новые свойства и начинают подчиняться особым законам. При сильном отклонении от равновесной термодинамической ситуации возникает новый тип динамического состояния материи, названный Пригожиным диссипативными структурами. Согласно Пригожину, тип диссипативной структуры в значительной степени зависит от условий ее образования, при этом особую роль в отборе механизма самоорганизации могут играть внешние поля. Этот вывод имеет далеко идущие последствия, если учесть, что он применим ко всем открытым системам, имеющим необратимый характер. Необратимость -- это как раз то, что характерно для современных неравновесных состояний. Они “несут в себе стрелу времени” и являются источником порядка, порождая высокие уровни организации.

Особую эвристическую ценность приобретают развитые Пригожиным и его коллегами идеи о том, что “стрела времени” проявляется в сочетании со случайностью, когда случайные процессы способны породить переход от одного уровня самоорганизации к другому, кардинально преобразуя систему. Описывая этот механизм, Пригожин подчеркивал, что определяющее значение в данном процессе развития будут иметь внутренние состояния системы, перегруппировка ее компонентов и т.д. Для диссипативных структур характерным является ситуация, обозначаемая как возникновение порядка через флуктуации, которые являются случайным отклонением величин от их среднего значения. Иногда эти флуктуации могут усиливаться, и тогда существующая организация не выдерживает и разрушается. В такие переломные моменты (точки бифуркации) оказывается принципиально невозможным предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие, станет ли система хаотической или перейдет на более высокий уровень упорядоченности.

Случайность в данный момент как бы подталкивает то, что осталось от системы, на новый путь развития, а после выбора пути вновь в силу вступает детерминизм, и так до следующей бифуркации.

При этом оказывается, что чем сложнее система, тем большей чувствительностью она обладает по отношению к флуктуациям, а это значит, что даже незначительные флуктуации, усиливаясь, могут изменить структуру, и в этом смысле наш мир предстает как лишенный гарантий стабильности.

И.Пригожин и П. Гленсдорф предприняли попытку сформулировать универсальный критерий эволюции (выступающий в качестве математического правила), суть которого сводилась к следующему: термодинамика при определенных условиях не только не вступает в противоречие с теорией эволюции, но может прямо предсказать возникновение нового. Вводя данное правило, авторы явно претендовали на создание универсального закона, как для живой, так и для неживой материи, закона самоорганизации и эволюции любой открытой системы. Практически речь шла о расширении класса самоорганизующихся систем, когда явления самоорганизации оказалось возможным применить как к неживой природе, так и к биологическим, и к социальным процессам.

Этот аспект применения идей самоорганизации нашел свое отражение в работе Э. Янча “Самоорганизующаяся Вселенная: научные и гуманистические следствия возникающей парадигмы эволюции”.

В современном естественнонаучном познании возникают новые тенденции отношения человека к природе. Природа в широком смысле слова не представляется более как “мертвый механизм”, на который направлена деятельность человека: человек не может относиться к ней как судья, заранее зная, как она должна отвечать на поставленные вопросы.

Как отмечают И.Пригожин и И.Стенгерс, “он умер, тот конечный, статичный и гармоничный старый мир, который разрушила коперниканская революция, поместив Землю в бесконечный космос. Наш мир -- это не молчаливый и однообразный мир часового механизма... Природа создавалась не для нас, и она не подчиняется нашей воле... Наступило время ответить за старые авантюры человека, но если мы и можем это сделать, то лишь потому, что таков отныне способ нашего участия в культурном и естественном становлении, таков урок природы, когда мы даем себе труд выслушать ее. Пришло время нового содружества, начатого издавна, но долгое время непризнанного между историей человека, человеческими обществами, знанием и использованием Природы в наших целях”.

Вопрос № 9.Сформулируйте принцип Ле Шателье

Факторами, влияющими на состояние равновесия, является концентрация и температура. Именно от этих факторов зависит скорость реакции. Равновесие достигается, когда скорости прямой и обратной реакции становятся одинаковыми. Любой фактор, который изменяет скорость прямой или обратной реакции, может оказывать влияние на состояние равновесия. При изменении концентрации реагирующих веществ (или продуктов реакции) изменяются и их равновесные концентрации. При изменении температуры также изменяются равновесные концентрации. Катализаторы, повышающие скорости реакции, однако, не изменяют состояния равновесия. Следовательно, любой катализатор оказывает одинаковое влияние на скорости прямой и обратной реакции.

В каком направлении будет смещаться равновесие? И какова степень влияния, т.е. какие новые равновесные концентрации будут создаваться в изменившихся условиях? Качественно предсказать влияние изменений внешних условий можно с помощью правила, впервые сформулированного в 1884 г французским химиком Ле Шателье. Это правило называется принципом Леш Шателье, или принципом подвижного равновесия: если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий, определяющих равновесие, то равновесие смещается в том направлении, в каком эффект воздействия уменьшается. Принцип Ле Шателье позволяет качественно судить о состоянии равновесия.

Вопрос № 10. Какими свойствами характеризуется генетический код? Какое Эволюционное значение имеет каждое свойство

Генетический код -- свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. В ДНК используется четыре нуклеотида -- аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом -- урацилом, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв. Для построения белков в природе используется 20 различных аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства. Набор аминокислот также универсален для почти всех живых организмов. Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза иРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на матрице иРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам

Свойства генетического кода

1. Триплетность -- значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).

2. Непрерывность -- между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.

3. Неперекрываемость -- один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).

4. Однозначность (специфичность) -- определённый кодон соответствует только одной аминокислоте

5. Вырожденность (избыточность) -- одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.

6. Универсальность -- генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности -- от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии).

7. Помехоустойчивость -- мутации замен нуклеотидов не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.

Расшифровка молекулярной основы наследственности (ДНК) и генетического кода на самом деле была важнейшим "моментом истины" в истории эволюционного учения. "Вещество наследственности" вполне могло оказаться разным у разных видов (например, у человека - ДНК, а у шимпанзе - какой-нибудь другой биополимер). Генетический код тоже мог оказаться разным. В обоих случаях эволюционное превращение одного вида в другой, как и их происхождение от общего предка, стало бы принципиально невозможным, и эволюционная теория была бы опровергнута. Но и "вещество наследственности" (полинуклеотиды ДНК и РНК), и генетический код оказались одинаковыми у всех без исключения форм жизни - от вирусов и бактерий до человека включительно. Правда, в генетическом коде изредка встречаются вариации, но они очень невелики и обычно затрагивают только некоторые второстепенные, "избыточные" кодоны. Эволюционная теория четко объясняет, почему генетический код практически не может изменяться в ходе эволюции. Чисто "технически" радикальное изменение генетического кода осуществить легко и просто: достаточно внести несколько десятков мутаций в гены транспортных РНК - молекул, играющих ключевую роль в "считывании" кода. В результате, например, "триптофановая" тРНК, распознающая кодон УГГ и присоединяющая к синтезируемой молекуле белка аминокислоту триптофан, начнет распознавать другой кодон или кодоны, например АГГ и АГА, которые сейчас кодируют аргинин. Но в результате этой простой мутации произойдет радикальное изменение всех белков, синтезируемых клетками организма: во всех белковых молекулах там, где должен быть аргинин, окажется триптофан. Такое изменение, затронувшее сразу все белки, не может не оказаться чрезвычайно вредным для организма. Соответственно, такая мутация немедленно будет отсеяна отбором. Антиэволюцинизм, напротив, не может предложить никаких внятных объяснений наблюдаемого единства генетического кода у всех организмов. Творец вполне мог бы снабдить разные виды сотворенных им существ разными генетическими кодами - ну хотя бы для того, чтобы не вводить биологов во искушение, предоставляя им еще один чрезвычайно весомый довод в пользу эволюции. К тому же это было бы и полезно для организмов, так как предотвратило бы межвидовую передачу болезнетворных вирусов. Именно таким путем человек "обзавелся" вирусами оспы (от рогатого скота), СПИДа (от обезьян), гриппа и др. Чисто "технически" разные варианты кода совершенно равнозначны и работать смогли бы одинаково хорошо

Литература

1. Карпенков С.Х. «Концепции современного естествознания», 2004 г

2. Хорошавина С.Г. «Концепции современного естествознания» курс лекций, 2005 г

3. «Концепции современного естествознания» 100 экзаменационных ответов по редакцией профессора С.И.Самыгина, 2002 г

4. Горбачев В.Е. «Концепции современного естествознания», 2008 г

Размещено на Allbest.ru