Некоторые представления о строении микро- и макромира

Размещено на http://www.allbest.ru/

27

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Тверской Государственный Технический Университет

Кафедра Биотехнологии и Химии

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Некоторые представления о строении микро- и макромира

Выполнила: студентка 1 курса

Абрамова А.В.

Тверь 2010 год

Содержание

Наука как часть культуры

Основные свойства пространства и времени в рамках ОТО и СТО

Представление о строении атомного ядра

Клетка. Строение и разновидности

Синергетика. Порядок и хаос в больших системах

Список литературы

Наука как часть культуры

пространство время синергетика

Понятия «наука» и «культура» столь многогранны, что не могут быть выражены каким-то одним определением, состоящим из совокупности признаков. Для термина «культура» существует около 200 смысловых определений и толкований. При деятельном подходе культура -- способ регуляции, сохранения и воспроизводства общества, «технология» человеческой деятельности, некий «ген» жизнедеятельности людей. Под культурой понимается все, что создано человеческим трудом в ходе истории. Она не существует вне человека и общества. Процесс труда включает мышление, знания, волю и чувства человека. Осваивая достижения культуры, человек развивает свой внутренний мир, знания, навыки, мировоззрение, а создавая новые элементы культуры, становится ее творцом, его труд -- творческим. В зависимости от целей культура может быть духовной, социальной и материальной.

К науке относят особую сферу человеческой деятельности, направленную на выработку, производство и систематизацию объективных знаний об окружающем мире. Наука -- это и совокупность самих знаний, отвечающих определенным критериям, и социальный институт, т. е. совокупность организаций, занимающих определенное место в структуре общества и выполняющих общественные функции.

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.

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.

Наука стремится к объективности, исключая личностное восприятие мира, и это отличает ее от других компонент духовной культуры. Гуманитарное знание включает этику, историю, философию, юриспруденцию, педагогику, филологию, искусствоведение и т.п. Естествознание направлено на изучение природы, в которой действуют независимые от человека законы, которые он пытается постичь. Выяснение причины явлений еще не означает понимания или получения полного знания о предмете или явлении (у Ньютона сила -- причина ускорения, а Аристотель к силе как причине движения относил и цель: «отец -- причина ребенка»). В гуманитарных науках часто важнее раскрыть цели, мотивы или намерения в поведении людей. Понимание достигается через истолкование явлений, текстов и событий; такой метод часто называют герменевтическим по имени бога Гермеса, служившего посредником между богами и людьми и способного истолковывать людям волю богов. Поэтому гуманитарное знание не только анализирует объективные причины, приведшие к той или иной ситуации, но и включает субъективные мотивы и мысли исследователя. Общественные науки больше используют гуманитарное знание, так как в обществе ничего не происходит без действий и намерений человека. Кроме того, существует ряд наук о человеке (физиология, психология), которые используют гуманитарные и естественнонаучные методы исследования.

Наука и искусство разными способами исследуют окружающий мир и отражают его в сознании; научные понятия и художественные образы по-разному воссоздают его, но их сосуществование даже плодотворно, о чем говорят примеры истории науки (Леонардо да Винчи, М.В. Ломоносов, И.В. Гете, А.П. Бородин).

Именно успехи математики меняют ситуацию «размежевания культур». Постулаты Евклида или закон Архимеда были связаны с эстетическими критериями: круг -- идеальная замкнутая кривая, повторяющееся движение должно совершаться равномерно по круговым орбитам; целые числа -- чудо, лежащее в основе мироздания, они определяют гармонию прекрасных созвучий и т.д. И такое знание связано с гармонией мира. Эти гармонии подвергались проверке и часто не выдерживали ее (например, круговые орбиты в системе мира Птолемея и Н. Коперника были заменены под давлением результатов тщательных наблюдений эллипсами -- искаженными окружностями Кеплера). Но П. Кеплер обнаружил новую гармонию в установленном им по результатам наблюдений законе площадей. И подобное происходило многократно в истории науки. Грандиозные успехи математизированного естествознания и порожденной им техники вызвали стремление к совершенствованию его структуры для достижения идеальной дедуктивной конструкции каждой научной дисциплины. Если в математике идеал самодостаточности ограничен теоремой Геделя*, то ограниченная форма этой структуры сохранила определяющее значение. И данное обстоятельство заслонило важность интуитивных, внелогических элементов теории. В естественных науках внелогический элемент сведен к суждению о достаточности опыта, а все прочие должны быть совместимы с положительным знанием и логикой, тогда как в науках гуманитарных и повседневной практической деятельности внелогические суждения разнообразны и являются основными.

В религии аналогом доказательности для утверждения этических норм является авторитет постулированного высшего существа, абсолютного духа. Ее вечные истины тем самым опираются тоже на интуитивные суждения. Множество примеров из области искусства показывают его способность нести достоверность в самом себе через свои «сверхзадачи», убеждающие удовольствием, правдоподобием, своими многообразными частными функциями. И эти многообразные функции притягательны для потребителя искусства, они дают наслаждение, чувство гармонии, убеждают в правильности той или иной позиции. При выборе решения, модели или суждения, как видно из истории открытий в науке, эти функции искусства очень важны и являются условием выживания человечества. И чем больше логические функции психики передаются машине, тем ярче выступает внелогическая функция интеллекта. И в научном творчестве естественника все более проявляются черты, свойственные художественному творчеству и научной работе гуманитария.

Сейчас на границе между «двумя культурами» возникло много новых дисциплин. Так, филология разветвилась на лингвистику, поэтику, литературоведение, фольклористику; появились психофизиология и математическая лингвистика. Проникают внелогические элементы в кибернетику. Переход к системному анализу, диалоговым ЭВМ означает включение элементов, которые не связаны с числом, не формализуются. Это -- и синтетическая оценка ситуации, и неформализуемый отбор существенных факторов в отличие от несущественных и т.д. И не случайно ЭВМ требуют создания рабочих коллективов, где математики работают вместе с лингвистами и психологами. Стремительно возрастающая роль интеллектуальной деятельности, которая может быть передана машине и которую машина способна выполнить быстрее, подвергает формализации не только мыслительную способность человека, но и внелогические компоненты мышления. И это составляет сущность новой «интеллектуальной революции», называемой так по аналогии с «промышленной революцией» XVIII--XXI вв. Ныне не только простые вычисления, но и испытание, и количественная проверка моделей могут быть передоверены машине. Тем самым поиски новых моделей, принимаемых в науке и искусстве с учетом интуиции, остаются человеку и, составляя основу творческой деятельности интеллекта, создают почву для взаимопонимания и сближения «двух культур».

Наука все более ориентируется на человека, на развитие его интеллекта, творческих способностей, культуры мышления, на создание материальных и духовных предпосылок его целостного развития.

В настоящее время складывается и особая дисциплина, называемая этикой науки, которая была впервые сформулирована английским ученым Г. Спенсером. Нравственность, по его мнению, есть форма развития эволюции живой природы, определенной фазой которой является человеческое общество. Сторонники этого представления о нравственности развивают концепцию эволюционного гуманизма. Дж. Хаксли, К. Уодингтон, П. Тейяр де Шарден, русские мыслители-космисты -- Н.Ф. Федоров, В.И. Вернадский, А.Л. Чижевский пытались найти объективные (естественнонаучные) основания морали. Эти проблемы широко обсуждаются в обществе и особенно в таких науках, как социобиология, генетика, этология.

Основные свойства пространства и времени в рамках ОТО и СТО

В обыденном восприятии под пространством понимают некую протяженную пустоту, в которой могут находиться какие-либо предметы. Однако между небесными телами есть некоторое количество вещества, да и физический вакуум содержит виртуальные частицы. В науке пространство рассматривается как физическая сущность, обладающая конкретными свойствами и структурой. Пространство и время -- всеобщие и необходимые объективные формы бытия материи.

Основные свойства пространства формировались по мере освоения человеком территорий и развития геометрии (от греч. geometria -- землемерие). Сложившиеся к III в. до н. э. знания систематизировал древнегреческий математик Евклид. В своем знаменитом произведении «Начала», состоящем из 15 книг, ставшем основой геометрии, он организовал научное мышление на основе логики. В первой книге Евклид определил идеальные объекты геометрии: точка, прямая линия, плоскость, поверхность.

однородность -- нет выделенных точек пространства, параллельный перенос не изменяет вид законов природы;

изотропность -- в пространстве нет выделенных направлений, и поворот на любой угол сохраняет неизменными законы природы;

непрерывность -- между двумя различными точками в пространстве, как близко бы они не находились, всегда есть третья;

трехмерность -- каждая точка пространства однозначно определяется набором трех действительных чисел -- координат;

«евклидовость» -- описывается геометрией Евклида, в которой, согласно пятому постулату, параллельные прямые не пересекаются или сумма внутренних углов треугольника равна 180°.

Положение тел в окружающем пространстве определяется тремя координатами (долгота, широта, высота), т.е. наглядным представлениям соответствует трехмерность пространства. Птолемей в своем труде «Альмагест» утверждал, что в природе не может быть более трех пространственных измерений.

В основе СТО лежат два постулата: скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения наблюдателя или источника света; все физические явления (механические и электродинамические) происходят одинаково во всех телах, движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно. Это означало сокращение длин и замедление течения времени в соответствии с преобразованиями Лоренца для тел, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. «Отныне пространство и время, взятые по отдельности, обречены влачить призрачное существование, и только единство их обоих сохранит реальность и самостоятельность» (Г. Минковский). Изменения длин и времен ощутимы лишь при скоростях, близких к скорости света; при меньших скоростях движение происходит по законам классической механики. В таком пространстве-времени уже удобнее криволинейные координаты. В разных системах координат по-разному будут выглядеть математические записи законов физических явлений. Итак, в СТО время и пространство объединяются в четырехмерное пространство-время.

В конце XIX в. появились неевклидовы теории пространства-- различные варианты геометрии Н.И. Лобачевского, Я. Больяйи и Г.Ф.Б. Римана. Они отвергали один из постулатов Евклида -- в них через точку можно провести несколько прямых, параллельных заданной, или ни одной, соответственно. Проверкой было бы измерение суммы внутренних углов треугольника, но измерения Гаусса и Лобачевского не обнаружили отклонений физического пространства от евклидового. Пространство Римана, в котором сумма углов больше 180°, соответствует геометрии на сфере и легло в основу общей теории относительности (ОТО) -- обобщенной теории тяготения, разработанной Эйнштейном (1916). При наличии в пространстве тяготеющих масс (т.е. и поля тяготения) пространство искривляется, становится неевклидовым. Движения тел в нем происходят по кратчайшему пути -- по геодезическим линиям. Свойства пространства-времени определяются распределением и движением материи в пространстве.

Хотя в ОТО соотношение между количеством материи и степенью кривизны простое, но сложны расчеты -- для описания кривизны в каждой точке нужно знать значения 20 функций пространственно-временных координат.

Большинство экспериментальных данных о гравитации хорошо описывается в пространстве Евклида или в динамике Ньютона, но есть немногочисленные явления (отклонение света в поле тяготения или смещение перигелия Меркурия), которые противоречат теории Ньютона и хорошо объясняются в ОТО.

Характер физических законов существенно зависит от масштаба исследуемых явлений, и принято говорить о микро-, макро- и мегамире. Объектами микромира являются атомные ядра и молекулы, атомы и элементарные частицы. К объектам макромира относят живую клетку, человека и соизмеримые с ним предметы. Мегамир -- это планеты, Солнце, звезды, галактики и вся Вселенная в целом. В мегамире существенную роль играют эффекты СТО и ОТО, преобладающим взаимодействием является гравитационное. В макромире законы движения тел определяются классической механикой, а в микромире -- квантовой физикой.

Представление о строении атомного ядра

В экспериментально установленном Резерфордом (1911) ядерном строении атома были две частицы -- ядро и электрон. Появилась гипотеза строения атома из этих двух частиц. Ядро характеризовалось зарядом и массой. Заряд ядра равен +Ze, где Z -- атомный номер, совпадающий с номером в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева; +е -- элементарный заряд ядра; масса ядра примерно равна А, где А -- массовое число; тР -- масса протона, равная 938,28 МэВ, а масса электрона -- 0,511 МэВ. Протон имеет спин, равный 1/2, и собственный магнитный момент-- единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Масса нейтрона тп = 939,57 МэВ, т.е. близка к массе протона (тп - тР = = 1,3 МэВ), что соответствует 2,5 те. Заряд нейтрона равен нулю, а спин s = (1/2), нейтрон обладает и собственным магнитным моментом Здесь знак «-» означает, что направления собственного магнитного и механического моментов у нейтрона противоположны. В свободном состоянии нейтрон оказался нестабильным -- он самопроизвольно распадается (с периодом полураспада 12 мин), превращаясь в протон и электрон, испуская еще одну частицу -- антинейтрино: Масса нейтрино чрезвычайно мала, она много меньше даже массы электрона. Масса нейтрона превышает массу протона на 2,5 те, поэтому можно сказать, исходя из закона сохранения массы при этом превращении нейтрона, что она больше, что масса протона, электрона и нейтрино на 1,5 масс электрона, или на 0,77 МэВ. Эта энергия и выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

Таким образом, в протонно-нейтронной модели ядра оно характеризуется своим зарядовым числом Z, равным числу протонов в ядре, при этом число нейтронов N = А - Z. Поэтому ядра (элемента X) и обозначают символом вида Ядра с одинаковым зарядовым числом (или порядковым номером в Периодической системе) и разными А называют изотопами. Например, у кислорода есть три стабильных изотопа: А = 16, 17, 18; у водорода тоже три: А - 1, 2, 3. Все изотопы водорода имеют одинаковые свойства, отличаясь только массами. У более тяжелых элементов, например урана-235, в ядре 92 протона и 143 нейтрона. В природной смеси на долю урана-235 приходится всего 1/144 от урана. Безусловно, относительная разница в массе невелика, и проблема отделения одного изотопа от другого усложняется. Но большинство элементов в природе встречается именно в смеси изотопов.

Размеры ядер Ф, где Ф (ферми) -- единица длины, используемая в ядерной физике, равная 10-15 м. Спин ядра определяется сложением из спинов нуклонов, каждый из которых равен (1/2), поэтому он зависит от числа нуклонов в ядре.

Масса ядра оказалась меньше суммы масс входящих в него частиц. Это связано с тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия их связи друг с другом. Как известно из СТО, энергия покоя частицы связана с ее массой соотношением: Е = тс2. Это означает, что энергия покоящегося ядра меньше суммарной энергии невзаимодействующих нуклонов. Эта разница составляет величину, которая называется энергией связи в ядре и равна работе, которую нужно совершить для того, чтобы разделить нуклоны в ядре и разнести их на расстояния, где они бы не взаимодействовали. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи в ядре, величина -- дефектом массы ядра. Дефект массы связан с энергией соотношением А = Есв/с2.

Приведем оценки атома гелия. В состав ядра входят 2 протона и 2 нейтрона, масса атома равна 3728,0 МэВ; масса атома водорода -- 938,7 МэВ, а нейтрона -- 939,57 МэВ. Подставив эти значения в формулу для энергии связи, получим:

Есв = (2 * 938,7 + + 2 * 939,5) - 3728,0 = 28,4 МэВ.

Если это значение разделить на число нуклонов, получим 7,1 МэВ, тогда как энергия связи валентных электронов порядка 10 эВ, т.е. в миллион раз меньше. Если найти значения удельной энергии связи для других элементов, то она в зависимости от массового числа будет иметь вид, изображенный на рис. 6.4.

График имеет отдельные пики и провалы для определенных изотопов. Энергия связи на один нуклон в общем растет с увеличением атомного номера, но для определенных комбинаций получаются исключения, которые можно как-то объяснить, считая, что при контактном взаимодействии достигается большая связь между нуклонами, т.е. нуклоны на поверхности ядра меньше связаны, чем внутри него. При числе нуклонов более пятидесяти, по-видимому, начинает проявляться и кулоновское отталкивание, так что полная энергия связи на нуклон уменьшается.

Особая устойчивость ядер в середине Периодической системы химических элементов объяснима. Для расщепления тяжелого ядра атома на части необходимо пройти ряд промежуточных стадий, для чего требуется дополнительная энергия -- энергия активации. Она может быть сообщена тяжелому ядру захваченным им дополнительным нейтроном. Такой процесс при захвате нейтрона ядром урана или плутония лежит в основе реакции деления в ядерных реакторах или атомной бомбы. В обычных условиях атомы не распадаются, им неоткуда получить дополнительную энергию. Для того, чтобы произошло слияние легких ядер, они должны подойти на расстояние порядка 10^-15 м, но такому сближению препятствует кулоновское отталкивание между ними. Чтобы преодолеть его, ядра должны двигаться с огромными скоростями, соответствующими температурам в сотни миллионов кельвин. Поэтому реакции синтеза и называют термоядерными, такие реакции происходят в недрах Солнца и звезд, в водородных бомбах.

Поскольку взаимодействие между заряженными частицами переносится через электромагнитное поле, которое можно представить и совокупностью фотонов, то говорят, что это взаимодействие осуществляется через обмен фотонами. Каждая частица создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Но это модельное описание не следует понимать буквально, происходит обмен не реальными фотонами, а воображаемыми, виртуальными. В силу принципа неопределенности этот испущенный фотон будет вскоре поглощен, иначе нарушится закон сохранения энергии.

Сферическую оболочечную модель атомного ядра предложили в 1949 г. Мария Гепперт-Майер и Йоханнес Йенсен. Их идея состояла в том, чтобы применить для анализа движения нуклонов в ядре те же принципы квантовой механики, что и к вращающимся электронам в атоме. Так как существует принцип Паули, ядро строится путем последовательного заполнения оболочек нейтронами и протонами, причем заполнение начинается с состояний с наименьшей энергией. В атомах заполнение электронных оболочек приводит к появлению инертных газов. Похожая ситуация и в ядрах -- при определенных числах протонов или нейтронов возникает ядро с «жесткой» сферической формой. Эти числа -- 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126, 184 -- назвали магическими. Ядра, имеющие два магических числа, особенно устойчивы, пример тому кислород - 16: 8 протонов и 8 нейтронов.

Итак, четыре силы в природе ответственны за все известные взаимодействия частиц. Перечисленные типы взаимодействий имеют, видимо, разную природу. К настоящему времени неясно, исчерпываются ли ими все взаимодействия в природе. Самым сильным является короткодействующее взаимодействие, электромагнитное слабее его на два порядка, слабое -- на 14 порядков, а гравитационное -- самое слабое, оно меньше сильного на 39 порядков. В соответствии с величиной силы взаимодействия они происходят за разное время. Сильные ядерные взаимодействия происходят при столкновении частиц с околосветовыми скоростями, и время реакций, определяемое делением радиуса действия сил на скорость света, дает величину порядка 10-23 с. При слабом взаимодействии процессы происходят медленней -- за 10-9 с. Характерное время для гравитационного взаимодействия -- порядка 10¹⁶ с, или 300 млн. лет.

Клетка. Строение и разновидности

Онтогенетический уровень живого представлен отдельными организмами (особями). Клетки как элементарные структуры действуют как самостоятельные организмы (бактерии, простейшие), а так же, как клетки многоклеточных организмов. Особенность клеточного подуровня в том, что именно с него и начинается жизнь.

Клетка -- элементарная живая система и основная форма организации живой материи: она усваивает пищу, способна существовать и расти, может разделиться на две, каждая из которых содержит генетический материал, идентичный исходной клетке. Клетка -- это один из основных структурных, функциональных и воспроизводящих элементов живого. Между клетками растений и животных нет принципиальной разницы по строению и функциям, некоторые отличия лишь в строении мембран и некоторых органелл. За 3 млрд. лет существования на Земле живое вещество развилось до нескольких миллионов видов, но все они -- от бактерий до высших животных -- состоят из клеток. Специфичность клеточного подуровня заключается в специализации клеток. В человеческом организме до 10¹⁵ клеток. Половые клетки служат для размножения, соматические (от греч. soma -- тело) имеют разное строение и функции (нервные, мышечные, костные). Клетки отличаются своими размерами, формой, количеством поглощенного красителя. Среди живого есть одно- и многоклеточные организмы. Вирусы -- неклеточные организмы, они размножаются в чужих клетках. Некоторые водоросли потеряли свое клеточное строение. На клеточном уровне происходит разграничение и упорядочение процессов жизнедеятельности во времени и пространстве, что связано с приуроченностью функций к различным субклеточным структурам.

Об открытии клеточного строения живого вещества сообщил в 1665 г. Р. Гук в книге «Микрография, или некоторые физиологические описания мельчайших тел посредством увеличительных стекол» (тогда же он впервые употребил термин «клетка»). Гук, впервые применивший микроскоп для исследования живой ткани, увидел только клеточные стенки, отличающиеся размерами и толщиной. В конце XVII в. А. Левенгук при 200-кратном увеличении наблюдал «зародыши» и различные одноклеточные организмы, в том числе бактерии.

Клеточная теория, или цитология (от греч. kytos... -- сосуд, клетка), сложилась в течение XIX в., когда появились более совершенные микроскопы (в последнее время ее чаще называют биологией клетки). Английский ботаник Р. Броун открыл ядро (1833), описав его как характерное тельце растительных клеток. Его открытие послужило толчком к другим открытиям. У клеток выделяют два уровня организации -- прокариоты, не имеющие оформленного ядра, и эукариоты, у которых оно есть. Обобщил наблюдения Броуна и установил клеточную природу растительной ткани немецкий ботаник М. Шлейден. Вместе со своим другом Т. Шванном он впервые сформулировал основные положения о клеточном строении всех организмов и образовании клеток (1839). Чешский естествоиспытатель Я. Пуркине, открывший ядро яйцеклетки (1825) и проводивший исследования по физиологии зрительного восприятия, ввел понятие протоплазмы для клеточного содержимого (1839), когда понял, что именно оно, а не стенки клетки, является живым веществом. Позже протоплазму клетки стали разделять на цитоплазму и ядро.

«Все клетки образуются в результате деления других клеток» -- дополнил немецкий патолог и антрополог Р. Вирхов (1855) клеточную теорию Шлейдена и Шванна. Он считал, что любой организм есть совокупность живых клеток, организованных наподобие небольшого государства. И каждая клетка ведет самостоятельную жизнь. Установили, что хранение и передача наследственных признаков осуществляются с помощью клеточного ядра (Вирхов, Геккель). При большем увеличении микроскопов в клетках открыли постоянные специализированные структуры (органоиды, или органеллы) -- пластиды (такие, как хлоропласта, характерные для клеток, способных к фотосинтезу) и митохондрии. В 1898 г. итальянский гистолог К. Гольджи изобрел новый метод изучения клеток через микроскоп, вводя в них соли серебра, и обнаружил в нервных клетках совы и кошки сетчатые структуры, позднее названные аппаратом Гольджи.

Основа клеточной теории: клетка -- основная структурная единица теории и единица развития живых организмов; ядро -- основная составляющая клетки; клетки размножаются только делением; всем клеткам присуще мембранное строение; клеточное строение -- свидетельство единого происхождения растительного и животного мира (рис. 12.1).

Процесс митозного деления клетки и особенности поведения хромосом были описаны в 1873 г. (И.Д. Чистяков, Э. Страсбургер). Затем установили, что первичное ядро зародышевой клетки образуется путем слияния сперматозоидов и яйцеклетки (О. Гервинг, Г. Фоль), что существует закон постоянства хромосом для каждого вида (Т. Бовери, Э. Страсбургер). В 1880 г. Флеминг описал хромосомы и последовательность событий при митозе, а через 10 лет были выяснены и более сложные явления, происходящие в ядре при мейозе.

Рис. 12.1. Схема деятельности основных структурных компонентов клетки

В начале XX в. многие биологи повторили опыты австрийского естествоиспытателя И. Менделя, открывшего еще в 1865 г. существование индивидуальных наследственных факторов (генов). Все это способствовало развитию цитогенетики. Современная клеточная теория исходит из единства расчлененности многоклеточного организма на клетки и его целостности, основанной на взаимодействии клеток. В цитоплазме различают цитолимфу, включения и органеллы. Цитолимфа -- жидкая часть цитоплазмы, содержащая растворенные продукты жизнедеятельности клеток, а включения -- нерастворимые структуры (капли жира, зерна крахмала, глыбки гликогена). Органеллы подразделяют на мембранные (наружная плазматическая мембрана -- НПМ, эндоплазматическая сеть -- ЭПС, аппарат Гольджи -- АГ, лизосомы, митохондрии, пластиды) и немембранные (рибосомы, клеточный центр, жгутики и реснички, цитоскелет). От окружающей среды клетка отделена плазматической мембраной, которая регулирует обмен между внутренней и внешней средой и служит границей клетки. В каждой клетке содержатся генетический материал в форме ДНК, регулирующей жизнедеятельность и самовоспроизведение, и цитоплазма.

Размеры клеток измеряют в микрометрах (мкм) и нанометрах (нм). Например, соматическая животная клетка средних размеров имеет 10 -- 20 мкм в диаметре, растительная -- 30 -- 50 мкм; длина хлоропласта цветкового растения 5 -- 10, бактерии -- 2 мкм.

Для изучения клеточного строения световые микроскопы не годятся, так как их разрешающая способность ограничена длиной световой волны -- чем меньше длина волны, тем выше разрешающая способность. Даже фиолетовой линии соответствует разрешение 200 нм, что недостаточно для изучения клеточных структур. Более высокое разрешение было достигнуто в 30-е гг. с помощью электронного микроскопа. С развитием методов исследования стало понятно, что клетка -- это самовоспроизводящаяся химическая система, поэтому она должна поддерживать баланс с окружением, поглощать те вещества, которые требуются ей в качестве «сырья», и выводить наружу накапливающиеся «отходы», т. е. обеспечивать гомеостаз.

Электронный микроскоп устроен почти как световой, но роль пучка света в нем играют электроны. Пучок электронов обладает волновыми свойствами, а длина волны электронов короче, чем у света. Вместо обычных линз используют электромагнитные, направляющие пучок электронов, который вылетает из электронной пушки. На фотопластинке получается изображение предмета. Но срезы вещества должны быть достаточно тонкими, чтобы сквозь них могли проходить электроны, и, чтобы электроны не захватывались молекулами воздуха, нужно обеспечить условия почти полного вакуума. Это весьма сложно, и в 50-е гг. электронный микроскоп трансмиссионного типа заменили сканирующим. Электроны в нем отражаются от поверхности объекта, и изображение получается в обратном направлении. Разрешение несколько хуже, но требования к вакууму снижены, и можно проводить прижизненные исследования некоторых организмов. Фотографии имеют очень хорошее качество с самыми мелкими деталями поверхности.

Получаемую с помощью электронного микроскопа структуру стали называть ультраструктурой.

Химический состав клеток весьма сложен, так как каждая клетка выполняет свою функцию в организме. Специализация достигается за счет усиленного развития тех или иных свойств, присущих почти всем типам клеток (рис. 12.2). Кроме воды (около 70 %) в ней содержатся белки, нуклеиновые кислоты, ионы минеральных солей, углеводы, жироподобные вещества -- липиды и другие вещества с меньшей молекулярной массой, которые являются строительным материалом для биополимеров.

Все соматические клетки живых организмов специализированы: клетки костной ткани образуют скелет, клетки крови отвечают за иммунитет и разносят кислород, нервные -- проводят электрические импульсы и т.д. Эмбриональные стволовые клетки «хранят» информацию обо всем организме и «знают», как ею воспользоваться, чтобы размножиться в миллиард клеток растущего живого организма. Эти клетки еще не «включили» механизмы, запускающие специализацию, их геном не начал даже и программу размножения и формирования многоклеточного организма; такая клетка может стать одной из 150 видов зародышевых клеток, а пока она способна только переносить мРНК в следующее клеточное поколение. Из эмбриональных стволовых клеток формируются островки в различных тканях и органах, поэтому все органы построены из специализированных клеток с вкраплениями эмбриональных стволовых. При хранении зародыша в холодильнике при Т= +4°С за 4 -- 5 ч все клетки погибнут, кроме эмбриональных стволовых.

В разных организмах число клеток существенно отличается, и по числу клеток все живые организмы делят на царства: бактерии, грибы, растения и животные. Самые древние ископаемые организмы -- это одиночные клетки, значит, и эволюция жизни сопровождалась усложнением структуры и числа клеток.

Синергетика. Порядок и хаос в больших системах

Аналогию процессов, происходящих в сложных нелинейных системах, с фазовыми переходами отметили несколько ученых, работавших в квантовой электронике: немецкие ученые Грэхем и Хакен и итальянские -- де Джиржио и Скулли в 1970 г. Если рассматривать излучение лазера и лампы накачки, то можно сказать, что оно претерпело фазовый переход и изменило свои свойства -- свет стал когерентным, более узким в спектральном отношении и усиленным по направлению испускания. Сначала такая аналогия казалась поверхностной, но с каждым параметром фазового перехода в парамагнетике удалось сопоставить соответствующий параметр квантовой генерации. Возражение, касающееся искусственности создания самого прибора, творящего эти превращения со светом, были сняты, когда открыли мазеры в космическом пространстве, где генерация происходила естественным путем.

Коллективные процессы Г. Хакен выделил во всех самоорганизующихся системах: коллективно организуются молекулы в узлах кристаллической решетки, элементарные магнитные моменты (спины) в ферромагнетике, вихри внутри жидкости, порождая видимую на макроскопическом уровне структуру. Возбуждаясь в рабочем веществе лазера, атомы самосогласованно и коллективно испускают когерентное излучение. Итак, кооперативность -- общая черта процессов самоорганизации. Кроме того, инверсная населенность, как и неравновесное состояние в жидкостях, должна поддерживаться внешней средой, только в этом случае возникающие структуры будут устойчивы. Система должна быть открытой. Устойчивые структуры возникают при обмене с внешней средой энергией (или веществом -- для биологических систем), которые могут поддержать отклонение от равновесия. Этот внешний поток не только гасит рост энтропии, но может привести к ее понижению. И еще: для самоорганизующихся систем непременными атрибутами являются сложное движение, описываемое нелинейными уравнениями, и пороговый характер возникновения.

Эти самоорганизующиеся системы и процесс самоорганизации математически оформили следующим образом: сначала просто записали связь эффекта с его причиной в зависимости от времени, а потом исключили внешнее воздействие, предоставив систему самой себе. Хакен расширил систему так, чтобы включенные в уравнения внешние силы стали силами внутренними, и описал механизм нарастания внутренних флуктуаций с помощью введения стохастического члена. Так самоорганизация определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. В дальнейшем он разработал теорию лазерной генерации как фазового перехода, а потом теорию гидродинамических неустойчивостей как фазовых переходов. Для них удалось получить не только теоретическое подтверждение факта существования ячеек Бенара, но и описание положения шестиугольных цилиндров и их диаметров. И каждый раз в этой аналогии открывались более глубинные черты. Развиваемый метод дал интересные результаты при рассмотрении фазового перехода -- разрушения упругой конструкции (моста, например). Так стал работать новый метод -- синергетический, основанный на идее синтеза.

Самоорганизация происходит при генерации в атомной системе. В кристалле твердотельного лазера имеются активные, возбужденные накачкой от внешнего источника атомы, которые работают как антенна и испускают цуг волн. При малой мощности накачки световые цуги испускаются независимо друг от друга, и лазер работает как обычная лампа, испуская некогерентный свет. Начиная с некоторого значения мощности накачки (порогового) все антенны начинают работать согласованно, атомы испускают свет в одной фазе, возникает гигантский цуг когерентного лазерного излучения, интенсивность излучения резко возрастает (на торцах кристалла -- зеркала, отбирающие цуги). Переход лазера в режим генерации соответствует образованию ячеек Бенара. В сверхкритической области устанавливается стабильный режим лазера, тогда как у простой лампы -- неустойчивый. Очевидно, что лазер является системой, находящейся вдали от равновесия. Наблюдается кооперативное поведение атомов и излучения.

К основным свойствам самоорганизующихся систем относятся открытость, нелинейность, диссипативность. Система должна находиться в состоянии, далеком от равновесия.

Открытость системы обеспечивается непрерывным потоком вещества, энергии или информации, получаемым из внешней среды на поддержание определенного состояния. В таких системах флуктуации играют определяющую роль, могут привести к необратимому макроскопическому изменению состояния системы, разрушить созданный в ней порядок.

На нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции, т.е. возможно, чтобы совместные действия двух причин привели к результату, совершенно отличному от того, который был бы, если эти причины действовали по отдельности. Процессы в нелинейных системах носят пороговый характер -- в состояниях, далеких от равновесия, слабые возмущения могут усиливаться и радикально перестроить систему. Нелинейные системы, открытые и неравновесные, сами создают в среде неоднородности. Между средой и системой может установиться положительная обратная связь (так, в реакции может вырабатываться фермент, присутствие которого стимулирует выработку его же самого). Важно найти эту петлю положительной обратной связи, и в системе начнется режим самоорганизации. В химии -- это автокатализ, в молекулярной биологии -- основа жизни. Системы неравновесные необычно и «чутко» реагируют на внешнее воздействие и «учитывают» их в своем функционировании. Поэтому некоторые слабые воздействия могут оказать на эволюцию системы большее влияние, чем сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы.

Диссипативность -- качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, происходящих на микроуровне. Она проявляется в разных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий; в «естественном отборе» среди многих микропроцессов для обеспечения основной тенденции развития; в когерентности микропроцессов, устанавливающей темп развития, и пр. С диссипативностью связано понятие «параметр порядка», который выделяет только ведущие степени свободы из всех возможных для системы. Уравнения для параметров порядка намного проще, и основная задача -- найти параметры порядка системы при моделировании поведения системы.

Примером возникающей самоорганизации являются вихревые структуры в виде двойной спирали, впервые обнаруженной в закрученных газовых потоках в трубке Ранка--Хилша (рис. 13.7, а, б) в Институте теплофизики СО РАН группой исследователей (Ю.Н. Дубнищев, В.А. Арбузов, П.П. и П.Я. Белоусовы). Интерес к таким системам связан с попытками построить адекватную физическую модель энергоразделения в закрученных потоках, где структуры возникают при определенных угловых скоростях.

Еще один пример упорядоченных волновых структур, имеющих синергетическую природу и возникающих на поверхности вращающихся жидкостей и тонких пластин, показан на рис. 13.8.

Итак, переход от хаоса к порядку поддается математическому моделированию, причем универсальных моделей такого перехода оказалось не так много. Они пригодны в разных областях естествознания, в истории, экономике, экологии и пр. История развития природы -- история образования все более сложных форм, которые обеспечивают эволюцию природы на всех уровнях организации -- вплоть до самых высших. Э. Ферми и Д. Нейман в 50-е гг.

XX в. решали на ЭВМ задачи о возникновении теплового хаоса в цепочке грузов с нелинейными пружинками. Ферми, Паста и Улам (ФПУ) получили неожиданный результат: такая система описывается уравнением КдФ. Так солитоны обрели второе рождение. Они ведут себя как частицы, и были найдены в разных средах. Ярким приложением солитонной теории стало явление самоиндукцированной прозрачности, которое привело к идее «оптического телеграфа» -- передачи светового солитона по стекловолокну.

Список литературы

пространство время синергетика

Арнольд В.И. Теория катастроф. -- М.: Наука, 1990.

Бялко А.В. Наша планета -- Земля. -- М.: Наука, 1989.

Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. -- М.: Наука, 1968.

Войткевич Г.В. Химическая эволюция Солнечной системы. -- М.: Наука, 1991.

Галимов Э.М. Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции. -- М.: Едиториал УРСС, 2001.

Гумилев Л.Н. Этногенез и биосфера Земли. -- Л.: Гидрометеоиздат, 1990.

Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. -- Новосибирск: ЮКЭА, 1997. - М.: Маркетинг, 2000, 2001.

8. Дубнищева Т.Я. Современное естествознание / Т.Я. Дубнищева, А.Ю. Пигарев. -- Новосибирск: ЮКЭА, 1998. -- М.: Маркетинг, 2000.

9. Дубнищева Г.Я. Ретрофизика в зеркале философской рефлексии. --М.: ИНФРА-М, 1997.

Дэвис И. Случайная Вселенная. -- М.: Мир, 1989.

Камшилов М.М. Эволюция биосферы. -- М.: Наука, 1979.

Князева Е.Н. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем / Е.Н. Князева, С.П. Курдюмов. -- М.: Наука, 1994.

Липкин А.И. Основания современного естествознания. -- М.: Вузовская книга, 2001.

Моисеев Н.Н Универсум, информация, общество. -- М.: Устойчивый мир, 2001.

Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. -- М.: Гардарика, 1999.

Наука и безопасность России: историко-научные, методологические, историко-технические аспекты. -- М.: Наука, 2000.

Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. -- М.: Наука, 1988.

Пехов А.П. Биология с основами экологии. -- СПб.: Изд-во «Лань», 2000.

Пригожин И. Порядок из хаоса: новый диалог человека с природой / И. Пригожин, И. Стенгерс. -- М.: Прогресс, 1994.

Суханов А.Д. Концепции современного естествознания / А.Д. Суханов, О.Н. Голубева. -- М.: Агар, 2000.

Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. -- М.: Наука, 1988.

Эйген М. Игра жизни / М. Эйген, Р. Винклер. -- М.: Наука, 1979.

Размещено на Allbest