Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Введение
• 1. Понятие о симметрии. Принципы симметрии
• 1.1 Понятие о симметрии
• 1.2 Операции и виды симметрии. Принципы симметрии
• 1.3 Связь законов сохранения с симметрией пространства и времени
• 2. Факторы подтверждающие теорию эволюции: палеонтология, сравнительная анатомия, эмбриология и др.
• 2.1 Понятие эволюции
• 2.2 Современная теория эволюции
• 3. Космические циклы и их влияние на биосферу Земли
• 3.1 Биосфера
• 3.2 Космические Ритмы
• 3.3 Влияние космических циклов на биосферу Земли
• Выводы
• Литература



Введение

Данная контрольная работа делится на три основные части:

1. Понятие о симметрии. Принципы симметрии

2. Факторы подтверждающие теорию эволюции

3. Космические циклы и их влияние на биосферу Земли

1. Цель первой темы: дать представление о симметрии в окружающем мире? доказать, что законы сохранения являются отражением проявления различного типа симметрии.

Для достижения поставленной цели, необходимо решить задачи:

­ дать определение понятию «симметрия»;

- изучить симметрию, а значит выделить операции и виды симметрии и ее принципы;

­ охарактеризовать законы сохранения и связь ее с симметрией.

Понятие симметрии проходит через всю многовековую историю человеческого творчества. Оно встречается уже у истоков человеческого знания. Античные философы считали симметрию, порядок определенность сущностью прекрасного.

С симметрией мы встречаемся всюду. Архитекторы, художники, даже поэты и музыканты с древнейших времен знали законы симметрии. Строго симметрично строятся геометрические орнаменты? в классической архитектуре господствуют прямые линии, углы, круги, равенство колонн, окон, арок, сводов.

Идею симметрии подсказывает сама природа. Снежинки, кристаллы, листья, ветки, плоды, насекомые, рыбы, птицы, человеческое тело - все построено по законам, симметрии, вернее, разных симметрии, именно они заставляют нас восхищаться красотой живой и неживой природы.

Понятие симметрии в науке постоянно развивалось и уточнялось. Его широко используют все без исключения направления современной науки.

Принципы симметрии играют важную роль в физике и математике, химии и биологии, технике и архитектуре, живописи и скульптуре, поэзии и музыке. Законы природы, управляющие неисчерпаемой в своем многообразии картиной явлений, в свою очередь, подчиняются принципам симметрии.

Наука открыла целый мир новых, неизвестных раньше симметрии, поражающий своей сложностью и богатством, - симметрии пространственные и внутренние, глобальные и локальные? даже такие вопросы, как возможность существования антимиров, поиски новых частиц, связаны с понятием симметрии.

2. Цель и задачи второй части контрольной работы:

- дать представление об эволюции?

- дать определение общей теории эволюции и обстоятельства ее появления;

- изучить факторы, доказывающиесуществованиеэволюционного процесса.

С ?езапамятных времен человечество пытается на научной о???ве познать законы существова?ия и развития мирозда?ия. Достигнутые успехи впечатляют: открыты фундаментальные законы физики и химии, биологии и других естественных наук. Однако человечество, судя по всему, гораздо более склонно изучать законы окружающего мира, ?ежели собственного развития.

В свете зна?ия, накопленного многими поколениями ученых, эволюция жизни - это факт. Споры о том, есть эволюция или ее ?ет, кипевшие во времена Ч. Дарвина и даже в начале XX в., сейча? беспредметны. Преемственность признаков и постепенность их преобразова?ия, например, в ряду позво?очных (рыбы - амфибии - рептилии - млекопитающие - человек), служат доказательством развития живых орга?измов во все более сложные формы. Современные методы изучения природы дают новые доказательства преемственности между низкоорга?изова?ными и высокоорга?изова?ными формами жизни.

Современная биология на?квозь прониза?а историческим подходом, эволюционизмом. Можно даже сказать, что зрелость той или иной биологической дисциплины проверяется тем, на?колько она оказывается «встроенной» в общее зда?ие современной биологии, которое от фундамента до крыши оказывается эволюционным. Это ?е случайно. Все законы орга?изации и развития жизни, все зако?омерности жиз?едеятельности можно понять только опираясь на достижения эволюционного учения как теоретического стержня всей биологии. В?е эволюционного подхода ?евозможно понять ни функционирова?ие молекулярно-ге?етических систем, ни развитие живых орга?измов от рождения до смерти, ни существова?ие видов и их популяций, ни развитие и преобразова?ие биосферы в целом.

3. Цели третьей темы: узнать, какое влияние оказывают космические циклы на человека, климат, животных и на общее состояние окружающей среды.

Изучение космических циклов актуально, по причине их важности в жизни планеты Земля. Определение периодов спада и увеличения активности Солнца позволит определить благоприятные либо кризисные периоды задолго до их появления, с целью предотвратить последствия чрезмерной солнечной активности или получить больше выгоды во время её спада.

Сегодня каждый ученый, вооруженный геохимическими и космохимическими знаниями, видит эволюцию Земли и Космоса, как исторический процесс развития, который охватывает во взаимосвязи все явления живой и неживой природы. При совместном их рассмотрении возникает особая позиция естествоиспытателя в отношении развития явлений жизни.

Появление научной мысли в биосфере в перспективе неизбежно полностью ее видоизменяет. В сочетании с трудовой деятельностью человека мысль становится неведомой до этого геологической силой, способной преобразовать вместе с биосферой весь поверхностный слой Земли. Носитель земного разума - человек - с нарастающим во времени темпом воздействует на биосферу, активно захватывая все занимаемое ею пространство, окультуривая флору и фауну, меняя облик земной поверхности. По убеждению В. И. Вернадского, преобразование биосферы грядет неизбежно и необратимо. Такая точка зрения была высказана в начале 30-х годов и со скептицизмом воспринята научным сообществом тех лет. Так во что же преобразуется биосфера, и что такое преобразование несет человеку, являющемуся неотъемлемой составной частью этой же биосферы? В. И. Вернадский назвал трансформированную биосферу ноосферой. Постепенно, используя свое интеллектуальное превосходство над остальными представителями животного мира, человек охватил своей жизнью, своей культурой всю верхнюю оболочку планеты - в общем, всю биосферу, всю связанную с жизнью область планеты. Развитие научной мысли привело к приручению животных, к созданию культурных растений. Человек стал менять окружающий его животный мир и создавать для себя новую, не бывшую никогда на планете живую природу.



1. Понятие о симметрии. Принципы симметрии

симметрия палеонтология биосфера

1.1 Понятие о симметрии

Термин “симметрия"в переводе с греческого означает соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей. Античные философы считали симметрию, порядок и определенность сущностью прекрасного. "Краткий Оксфордский словарь определяет симметрию как красоту, обусловленную пропорциональностью частей тела или любого целого, равновесием, подобием, гармонией, согласованностью. Однако это определение не охватывает всей глубины и широты этого понятия.

Одним из важных открытий современного естествознания является тот факт, что все многообразие окружающего нас физического мира связано с тем или иным нарушением определенных видов симметрий. Чтобы это утверждение стало более понятным, рассмотрим подробнее понятие симметрии.

Симметрия обладает многоплановым и многоуровневым характером. Симметрию нужно рассматривать на разных уровнях не только в таких областях научного знания, как физика, математика, химия, биология и др., но и в каждой отрасли отдельно. В системе физических знаний симметрия рассматривается на уровне явлений, законов, описывающих эти явления, и принципов, лежащих в основе этих законов, а в математике -- при описании геометрических объектов и геометрии. Симметрия может быть классифицирована как:

структурная;

геометрическая;

динамическая, описывающая соответственно кристаллографический, математический и физический аспекты данного понятия.

Симметрию определяют в связи с такими понятиями, как сохранение и изменение, равновесие, упорядоченность, тождество и различие, что связано с охватом всех аспектов. Сущностью симметрии, строго говоря, является тождество противоположностей.

Симметрия -- это группа преобразований. Всякое построение симметрии связано с введением того или иного равенства. Равенство относительно, и может существовать множество равенств и соответственно множество симметрий.

В ходе развития физики, особенно физики элементарных частиц, возрастает и значение принципов симметрии для познания природы, проблемы правого и левого (особенно в электротехнике, теории полей). Правое и левое -- это отражение реальных отличий в реальном, объективно существующем мире.

Таким образом, раньше в естествознании понятие симметрии связывали только с представлениями о структуре предметов, т.е. определяли только пространственно-временную симметрию, теперь же на основании большого числа научных данных можно говорить о симметрии сложных естественных процессов, пространственно-временных свойств, электрических зарядов, физических полей и т.д.

В общем случае симметрия выражает степень упорядоченности какой-либо системы или объекта. Например, круг более упорядочен и, следовательно, симметричен, чем квадрат. В свою очередь, квадрат более симметричен, чем прямоугольник. Другими словами, симметрия -- это неизменность (инвариантность) каких-либо свойств и характеристик объекта по отношению к каким-либо преобразованиям (операциям) над ним. Например, окружность симметрична относительно любой прямой (оси симметрии), лежащей в ее плоскости и проходящей через центр, она симметрична и относительно центра. Операциями симметрии в данном случае будут зеркальное отражение относительно оси и вращение относительно центра окружности.

В широком смысле симметрия -- это понятие, отображающее существующий в объективной действительности порядок, определенное равновесное состояние, относительную устойчивость, пропорциональность и соразмерность между частями целого.

Противоположным понятием является понятие асимметрии, которое отражает существующее в объективном мире нарушение порядка, равновесия, относительной устойчивости, пропорциональности и соразмерности между отдельными частями целого, связанное с изменением, развитием и организационной перестройкой. Уже отсюда следует, что асимметрия может рассматриваться как источник развития, эволюции, образования нового.

Калибровочная симметрия является важным понятием в современной физике. Калибровочные симметрии связаны с инвариантностью относительно масштабных преобразований. Сам термин «калибровка» происходит из жаргона железнодорожников, где он означает переход с узкой колеи на широкую. Под калибровкой, таким образом, первоначально понималось именно изменение уровня или масштаба. Так в СТО физические законы не изменяются относительно переноса (сдвига) системы координат. Траектории движения остаются прямолинейными, пространственный сдвиг остается одинаковым у всех точек пространства. Таким образом, здесь работают глобальные калибровочные преобразования.

Формы симметрии являются одновременно и формами асимметрии. Так геометрические асимметрии выражают неоднородность пространства - времени, анизотропность пространства и т.д. Динамические асимметрии проявляются в различиях между протонами и нейтронами в электромагнитных взаимодействиях, различие между частицами и античастицами (по электрическому, барионному зарядам) и т.д.



1.2 Операции и виды симметрии. Принципы симметрии

Среди целой группы принципов современной физики важнейшим, пожалуй, является принцип симметрии, или инвариантность, на основе которого действует закон сохранения физических величин.

Можно выделить следующие операции симметрии:

¦ отражение в плоскости симметрии (отражение в зеркале);

¦ поворот вокруг оси симметрии (поворотная симметрия);

¦ отражение в центре симметрии (инверсия);

¦ перенос (трансляция) фигуры на расстояние;

¦ винтовые повороты.

Принципы симметрии делятся на пространственно-временные (геометрические или внешние) и внутренние, описывающие свойства элементарных частиц.

Основная характерная черта физических законов -- то, что они основаны на симметриях. Симметричным является объект, который в результате определенных изменений или преобразований остается неизменным, инвариантным.

Инвариантность -- это неизменность какой-либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям, т.е. способность не изменяться при преобразованиях.

В структуре фундаментальных физических теорий, которые охватывают все процессы, все формы движения материи, существуют более общие законы -- законы симметрии и инвариантности и связанные с ними законы сохранения.

Законы сохранения физических величин -- это утверждения, согласно которым численные значения некоторых величин не изменяются со временем в любых процессах или определенных классах процессов. Огромное значение законов сохранения и принципов симметрии состоит в том, что на них можно опираться при построении фундаментальных физических теорий, они демонстрируют единство материального мира.

Законы физики можно преобразовывать так, что при этом их структура остается неизменной, симметричной. Принципы симметрии долгое время существовали в неявном виде.

Лишь после появления теории относительности Эйнштейна и осознания того факта, что она есть не что иное, как теория инвариантов четырехмерного пространственно-временного континуума, или один из аспектов теории симметрии, стали обращать внимание на то, что все физические законы основаны на симметрии.

Пространственно-временные принципы симметрии

Симметрия в физике -- это свойство физических законов, детально описывающих поведение системы, оставаться неизменными (инвариантными) при определенных преобразованиях, которым могут быть подвергнуты входящие в них величины.

Изотропность -- это одинаковость свойств физических объектов в разных направлениях. Изотропность и однородность пространства как простейшие виды симметрии появились уже на заре человеческого познания.

Среди пространственно-временных принципов симметрии можно выделить следующие:

Сдвиг системы отсчета не меняет физических законов, т.е. все точки пространства равноправны. Это означает однородность пространства.

Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические законы неизменными, т.е. все свойства пространства одинаковы по всем направлениям, иными словами пространство -- изотропно. Например, свойства палки не меняются, если ее переворачивать в воздухе. А вот свойства корабля значительно изменятся, если он перевернется в воде, так как на границе раздела воды и воздуха свойства пространства разные. Таким образом, симметрия пространства означает, что в пространстве действия физических законов нет выделенных точек и направлений или что оно однородно.

Сдвиг во времени не меняет физических законов, т.е. все моменты времени объективно равноправны. Время однородно. Это означает, что можно любой момент времени взять за начало отсчета. Этот принцип означает закон сохранения энергии, который основан на симметрии относительно сдвигов во времени. Период колебаний маятника “ходиков” не изменится, если отсчитать его в полдень или в полночь, т.е. законы физики не зависят от выбора начала отсчета времени.

Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Этот принцип относительности является основным постулатом специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. В соответствии с принципом симметрии можно произвести переход в другую систему отсчета, движущуюся относительно данной системы с постоянной по величине и направлению скорости. Например, можно перейти из вагона поезда в машину, если уравнять их скорости.

Зеркальная симметрия природы -- отражение пространства в зеркале -- не меняет физических законов.

Фундаментальные физические законы не меняются при обращении знака времени. Необратимость, существующая в макромире, имеет статистическое происхождение и связана с неравновесным состоянием Вселенной.

Замена всех частиц на античастицы не влияет на физические законы, не меняет характера процессов природы.

В современной физике обнаружена определенная иерархия законов симметрии: одни выполняются при любых взаимодействиях, другие же -- только при сильных и электромагнитных. Эта иерархия отчетливо проявляется во внутренних симметриях.

Внутренние принципы симметрии

Внутренние принципы симметрии действуют в микромире. В релятивистской квантовой теории предполагается взаимное превращение элементарных частиц:

При всех превращениях элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной, т.е. до и после превращения сумма зарядов частиц должна остаться неизменной.

Барионный или ядерный заряд остается постоянным.

Лептонный заряд сохраняется.

Теория взаимодействия элементарных частиц развивается успешно. Начало этому было положено принципами симметрии.

1.3 Связь законов сохранения с симметрией пространства и времени

Принципы симметрии тесно связаны с законами сохранения физических величин - утверждениями, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определённых классах процессов. Фактически, во многих случаях законы сохранения просто вытекают из принципов симметрии.

Связь между симметрией пространства и законами сохранения установила в 1918 году немецкий математик Эмми Нетер (1882 - 1935). Она сформулировала и доказала фундаментальную теорему математической физики, названную ее именем, из которой следует, что если некоторая система инвариантна относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохраняющаяся величина.

Теорема Нетер, доказанная ею во время участия в работе целой группы по проблемам общей теории относительности как бы побочно, стала важнейшим инструментом теоретической физики, утвердившей особую роль принципов симметрии при построении физической теории. Можно сказать, что теоретико-инвариантный подход, эрлангенский принцип проник в физику и определил целесообразность формулирования физических теорий на языке лагранжианов. Так, упоминаемые законы сохранения являются следствиями симметрий, существующих в реальном пространстве - времени. Закон сохранения энергии является следствием временной трансляционной симметрии - однородности времени. В силу однородности времени функция Лагранжа замкнутой системы явно от времени не зависит, а зависит от координат и импульсов всех элементов, составляющих эту систему. Несложными математическими преобразованиями можно показать, что это приводит к тому, что полная энергия системы в процессе движения остается неизменной.

Закон сохранения импульса является следствием трансляционной Инвариантности пространства (однородности пространства). Если потребовать, чтобы функция Лагранжа оставалась неизменной при любом бесконечно малом переносе замкнутой системы в пространстве, то получим закон сохранения импульса.

Закон сохранения момента импульса является Следствием симметрии относительно поворотов в пространстве, свидетельствует об изотропности пространства. Если потребовать, чтобы функция Лагранжа оставалась неизменной при любом бесконечно малом повороте замкнутой системы в пространстве, то получим закон сохранения момента импульса. Эти законы сохранения характерны для всех частиц, являются общими, выполняющимися во всех взаимодействиях.

До недавнего времени в физике проводилось четкое разделение на внешние и внутренние симметрии. Внешние симметрии - симметрия физических объектов в реальном пространстве - времени, называемые также пространственно временными или геометрическими. Законы сохранения энергии, импульса и момента импульса являются следствиями внешних симметрий.



2. Факторы подтверждающие теорию эволюции: палеонтология, сравнительная анатомия, эмбриология и др.

2.1 Понятие эволюции

Эволюцией называется необратимый процесс развития любой системы, в результате которого возникают новые структуры и новые функции. В биологии термин «эволюция» (от лат. evolutio - развитие, развертывание) впервые использовал швейцарский натуралист Шарль Бонне в 1762 г. в одной из эмбриологических работ.

По современным представлениям, биологическая эволюция - это необратимое и, в известной мере, направленное историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, образованием и вымиранием видов, преобразованиями биогеоценозов и биосферы в целом.

Понятие "эволюция" употребляется в разных смыслах, но большей частью отождествляется с развитием. Под эволюцией живого мира понимают процесс развития природы со времени возникновения жизни до настоящего времени. В ходе эволюции менялись и возникали новые виды, появлялись все более сложные формы живых организмов, причем живое приспосабливалось к изменениям окружающей среды. После возникновения одноклеточных ступень эволюции заключалась в образовании и прогрессивном развитии многоклеточного организма. Одной из важных предпосылок возникновения высокоразвитых форм жизни стало образование колоний клеток путем скопления клеток с ядрами (эукариотов) и распределения функций между ними. Возникновение примерно 0,6 млрд лет назад многоклеточных эукариотов привело к взрывоподобному увеличению числа высокоразвитых форм жизни.

В течение сравнительно короткого геологического периода появились многие виды беспозвоночных и макроскопические водоросли. Для того чтобы произошел этот эволюционный скачок, понадобились три шага: 1) развитие полового размножения; 2) открытие принципа гетеротрофии; 3) образование колоний клеток с распределением функций.

Всех многоклеточных разделяют на три царства: грибы (Fungi), растения (Melaphyta) и животные (Metazoa). Относительно эволюции грибов известно очень мало, так как палеонтологическая летопись их остается скудной. Два других царства намного богаче представлены ископаемыми остатками, дающими возможность довольно подробно восстановить ход их истории.

В протерозойскую эру (около 1 млрд лет назад) эволюционный ствол древнейших эукариот разделился на несколько ветвей, от которых возникли многоклеточные растения (зеленые, бурые и красные водоросли), а также грибы. Большинство из первичных растений свободно плавало в морской воде (диатомовые, золотистые водоросли), часть прикреплялась ко дну.

Существенным условием дальнейшей эволюции растений было образование почвенного субстрата на поверхности суши в результате взаимодействия бактерий и цианей с минеральными веществами и под влиянием климатических факторов. В конце силурийского периода почвообразовательные процессы подготовили возможность выхода растений на сушу (440 млн лет назад). Среди растений, первыми освоивших сушу, были псилофиты.

Самые ранние следы животных обнаруживаются в конце докембрия (700 млн лет назад). Предполагается, что первые животные произошли либо от общего ствола всех эукариот, либо от одной из групп древнейших водорослей.



2.2 Современная теория эволюции

Теория эволюции (дарвинизм) - это тот раздел биологии, который в результате засилья догматических взглядов пострадал в советское время в такой же степени, как и генетика. В СССР было издано незначительное число пособий по дарвинизму и теории эволюции, тогда как на Западе проводились тщательные эксперименты по проверке положений Дарвина, издавались оригинально составленные пособия.

Вначале, как всякое другое учение (марксизм, маоизм, буддизм), учение носило имя учителя - "дарвинизм". Этот термин был предложен другом Дарвина - Т. Гексли и А. Р. Уоллесом - соавтором Дарвина по открытию принципа естественного отбора. Свое учение Дарвин изложил в трудах:

"Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь" (1859),

"Изменение животных и растений под влиянием одомашнений" (1868),

"Происхождение человека и половой отбор" (1871).

Эксперименты по проверке положений дарвинизма в XIX столетии подтвердили верность дарвиновского механизма эволюции. Дарвинизм стал теорией. Эта теория хорошо разработана, экспериментально проверена и подтверждена. Она постоянно совершенствуется и соответствует обнаруженным фактам, удовлетворительно их объясняет.

Современная теория эволюции представляет собой синтетическую науку, базирующуюся на всех науках биологического комплекса. Современная теория эволюции основана на учении Дарвина о происхождении жизни, возникновении разнообразия живой природы, адаптации и целесообразности у живых организмов, о возникновении человека, возникновении пород и сортов. Современный дарвинизм часто называютнеодарвинизмом, синтетической теорией эволюции. Правильнее называть науку, изучающую процесс эволюции органического мира,эволюционной теорией.

Биология сегодня представляет собой сложную, очень дифференцированную науку, изучающую сущность и закономерности биологической формы движения материи. Отдельные биологические науки различаются как объектами исследований, так и комплексом изучаемых проблем. Многие проблемы, исследуемые специальными науками, имеют общебиологическое значение, но ни одна наука не может заменить дарвинизм - эволюционную теорию. Как и всякая наука, эволюционизм имеет свой объект и предмет исследования, свои методы исследования, свои цели и задачи. Объект исследования теории эволюции: организмы, популяции, виды. Предмет изучения теории эволюции: процесс эволюции живой природы.

Задачи теории эволюции: изучение проблемы происхождения жизни на Земле, выяснение причин эволюции, определение закономерностей исторического развития живой материи, исследование развития царств живой природы, изучение происхождения и эволюции человека, прогнозирование эволюционных, микроэволюционных процессов, разработка способов научного управления микроэволюционными процессами

Палеонтология изучает ископаемые остатки древних организмов, сохранившиеся в земной коре. Ученые находят целые организмы, скелеты, раковины, отпечатки следов или организмов на камне. Чем древнее горные породы, тем малочисленное и примитивнее встречающиеся в них остатки организмов. Это свидетельствует о том, что населяющие в настоящее время Землю организмы прошли длительный путь эволюции: они развивались, усложнялись по мере изменения условий жизни на планете.

Об эволюции живой природы свидетельствуют переходные формы - организмы, совмещающие признаки как менее, так и более высокоорганизованных существ. Например, ископаемое животное ихтиостега - переходная форма от рыб к земноводным, по одним признакам напоминала рыбу, а по другим - земноводное. У нее, как у рыб, было уплощенное с боков тело, спинной плавник. В то же время она, как и земноводные, имела пятипалые конечности, легкие, при помощи которых ихтиостега могла дышать атмосферным воздухом.

Ученым удалось проследить эволюцию некоторых видов и восстановить филогенетические ряды, отражающие стадии эволюции отдельных видов. Так, русский палеонтолог В.О.Ковалевский по ископаемым остаткам реконструировал внешний вид и строение предков современной лошади. Эти животные были размером с лисицу, питались травянистыми растениями, обитали в тропических лесах на территории Северной Америки. Смена жаркого и влажного климата на умеренный привела к исчезновению лесов и распространению злаков. У предков современной лошади формируются приспособления к жизни на открытых степных пространствах и питанию растительной пищей: способность к быстрому бегу; уменьшение числа пальцев и образование рогового копыта; ведение стадного образа жизни; изменение строения зубов в связи с питанием растительной пищей; увеличение длины кишечника.

Эмбриология - наука, которая исследует строе 1000 ние и развитие зародышей различных организмов. Русский ученый Карл Бэр (1792-1876), изучая зародышей различных позвоночных, обнаружил их удивительное сходство, которое прослеживается в контурах тела, наличии хвоста, жабр, зачатков конечностей. Причем наибольшее сходство обнаруживается на ранних стадиях развития зародыша: стадии одной клетки, бластулы, двуслойного зародыша, образования тканей. Вначале все зародыши сходны. По мере развития различия между ними увеличиваются, появляются признаки класса, отряда. Позже всего у зародыша формируются индивидуальные отличия особей.

Детально изучив эмбриональное развитие рыб, пресмыкающихся и млекопитающих, К.Бэр сформулировал закон зародышевого сходства. Суть его состоит в том, что зародыши различных позвоночных сходны между собой, причем наибольшее сходство прослеживается на ранних стадиях развития. Этот закон подтверждает родство всех позвоночных животных и указывает на происхождение их от общих предков. Из этого закона следует, что филогенез (эволюция вида в целом) и онтогенез (индивидуальное развитие организма) связаны между собой.

Во второй половине XIX в. немецкий ученый Эрнст Геккель (1834-1919) сформулировал биогенетический закон. Сущность его заключается в том, что онтогенез есть краткое повторение филогенеза. В соответствии с этим законом каждая особь в ходе эмбрионального развития повторяет историю развития вида в целом. Например, зародыш человека на определенном этапе эмбрионального развития проходит стадию рыбообразных предков: он имеет зачатки жаберных щелей, хвоста. Гусеница бабочки повторяет червеобразную стадию предков, а головастик лягушки - стадию рыбы. Из споры мха сначала прорастает нить, похожая на зеленую водоросль. Впоследствии биогенетический закон был уточнен: в онтогенезе повторяются стадии развития не взрослых предков, а их зародышей.

Большой вклад в исследование проблемы соотношения онтогенеза и филогенеза внес отечественный ученый А.Н.Северцов (1866-1936), который показал обратное влияние онтогенеза на филогенез. Им было доказано, что в ходе онтогенеза возникают ценные, имеющие приспособительное значение наследственные изменения, которые сохраняются естественным отбором. Эти наследственные изменения оказывают влияние на филогенез.

Биогеография -- наука, изучающая закономерности географического распространения животных и растений, а также характер фауны и флоры отдельных территорий.

Если два вида сравнительно недавно произошли от одной популяции, то они, как правило, обитают недалеко от ареала этой исходной популяции, а значит и недалеко друг от друга. Таким образом, географическое распределение видов должно быть совместимо с филогенетическим деревом.

Если не принимать во внимание теорию эволюции, то разумно предположить, что виды живут в наиболее подходящих для них условиях. Теория эволюции же предсказывает, что должно быть много благоприятных для вида мест, в которых представители вида тем не менее отсутствуют, в связи с наличием географических барьеров.

Именно так дело и обстоит на практике. Среди млекопитающих Австралии преобладают сумчатые. Плацентарные млекопитающие представлены китообразными, ластоногими и рукокрылыми (которые могли перебраться в Австралию сравнительно легко), а также грызунами, которые появляются в палеонтологической летописи в миоцене, когда Австралия приблизилась к Новой Гвинее.

При этом природные условия Австралии благоприятны и для других видов млекопитающих. Например, завезённые на континент кролики быстро размножились, широко расселились и продолжают вытеснять аборигенные виды. В Австралии и на Новой Гвинее, на юге Южной Америки и в Африке встречаются нелетающие бескилевые птицы, свистуны (зубастые жабы) и двоякодышащие, в других частях света они отсутствуют. Условия обитания в пустынях Африки, Америки и Австралии очень похожи, и растения из одной пустыни хорошо растут в другой.

Тем не менее, кактусы были обнаружены только в Америке (за исключением Rhipsalis baccifera (англ.)русск., по всей видимости занесённого в Старый Свет перелётными птицами). Многие африканские и австралийские суккуленты (то есть растения, имеющие специальные ткани для запасания воды) внешне напоминают кактусы за счет конвергентной эволюции, но относятся к другим порядкам.

Морские обитатели восточных и западных берегов Южной Америки различны, за исключением некоторых моллюсков, ракообразных и иглокожих, но на противоположных берегах Панамского перешейка живёт около 30 % одних и тех же видов рыб, что объясняется недавним возникновением перешейка (около 3 млн лет назад).

На большинстве океанических островов (то есть островов, которые никогда не были соединены с материком) отсутствуют наземные млекопитающие, земноводные и другие животные, не способные преодолевать значительные водные преграды. Видовой состав фауны таких островов беден и является результатом случайного заноса некоторых видов, обычно птиц, рептилий, насекомых.

Географическое распределение видов в прошлом, которое можно частично восстановить по ископаемым останкам, также должно соответствовать филогенетическому дереву. Теория дрейфа материков и теория эволюции позволяют предсказать, где следует искать те или иные ископаемые останки.

Первые окаменелости сумчатых найдены в Северной Америке, их возраст составляет около 80 млн лет. 40 млн лет назад сумчатые уже были распространены в Южной Америке, но в Австралии, где они сейчас доминируют, сумчатые появились только около 30 млн лет назад.

Теория эволюции предсказывает, что австралийские сумчатые произошли от американских. Согласно теории дрейфа материков, 30--40 млн лет назад Южная Америка и Австралия ещё оставались частью Гондваны, крупного континента в южном полушарии, а между ними находилась будущая Антарктида.

На основании двух теорий исследователи предсказали, что сумчатые мигрировали из Южной Америки в Австралию через Антарктиду 30--40 млн лет назад. Это предсказание сбылось: начиная с 1982 года на острове Сеймур, расположенном недалеко от Антарктиды, были найдены более десяти ископаемых сумчатых возрастом 35--40 млн лет.

Наиболее близкие родственники современных людей -- гориллы и шимпанзе -- обитают в Африке. Исходя из этого, в 1872 году Чарльз Дарвин предположил, что и древних предков человека следует искать в Африке. Многие исследователи, такие как Луис, Мэри и Ричард Лики, Раймонд Дарт и Роберт Брум, последовали совету Дарвина, и начиная с 1920-х годов в Африке было найдено множество промежуточных форм между человеком и человекообразными обезьянами.

Если бы ископаемых австралопитеков обнаружили, например, в Австралии, а не в Африке, то представления об эволюции гоминид пришлось бы пересматривать.

Биохимические доказательства

Анализ ДНК даёт убедительнейшие доказательства теории эволюции. Сам факт наличия наследственной изменчивости необходим для эволюции, и если бы оказалось, что ДНК устойчива к изменениям, это означало бы конец теории. Но ДНК постоянно мутирует, причём эти мутации соответствуют различиям между геномами разных видов.

Биохимическое единство жизни. Носителем наследственной информации во всех клетках являются молекулы ДНК, у всех известных организмов в основе размножения -- репликация этой молекулы. В ДНК всех организмов используются 4 нуклеотида (аденин, гуанин, тимин, цитозин), хотя в природе встречаются не менее 102 различных нуклеотидов. Кроме того, в природе встречается 390 различных аминокислот, но белки всех организмов составляются из одного и того же набора, в котором всего 22 аминокислоты. При этом возможно 1,4 * 1070 различных информационно эквивалентных генетических кодов, использующих те же самые кодоны и аминокислоты. Если не учитывать эволюционное происхождение всех организмов от общего предка, то ничто не мешает каждому виду иметь собственный генетический код. Такое положение вещей было бы крайне выгодным, так как при этом исключалось бы преодоление вирусами межвидовых барьеров. Тем не менее, ничего подобного не наблюдается, и теория эволюции исключает такую возможность: изменения генетического кода приводят к изменению большинства белков организма, такая мутация практически всегда оказывается летальной, поэтому код не мог значительно измениться со времён последнего общего предка, что гарантирует его универсальность.

2-я хромосома человека. После слияния двух хромосом остаются характерные следы: остатки теломер и рудимертарная центромера. 2-я хромосома, таким образом, представляет собой убедительное доказательство эволюционного происхождения людей и других обезьян от общего предка.

Морфологические доказательства основаны на принципе: глубокое внутреннее сходство организмов может показать родство сравниваемых форм, следовательно, чем больше сходство, тем ближе их родство.

1. Гомология органов. Органы, име ющие сходное строение и общее происхождение, называются гомологичными. Они занимают одинаковое положение в теле животного, развиваются из сходных зачатков и имеют одинаковый план строения. Типичный пример гомологии -- конечности наземных позвоночных животных (рис. 3.21). Так, скелет свободных передних конечностей у них обязательно имеет плечевую кость, предплечье, состоящее из лучевой и локтевой костей, и кисть (запястье, пясть и фаланги пальцев). Такая же картина гомологии отмечается при сравнении скелета задних конечностей. У лошади грифельные косточки гомологичны пястным косточкам второго и четвертого пальцев других копытных. Очевидно, что у современной лошади эти пальцы исчезли в процессе эволюции.

Доказано, что ядовитые железы змей -- гомолог слюнных желез других животных, жало пчелы -- гомолог яйцеклада, а сосущий хоботок бабочек -- гомолог нижней пары челюстей других насекомых.

Гомологичные органы есть и у растений. Например, усики гороха, колючки кактуса и барбариса -- видоизмененные листья.

Установление гомологии органов позволяет найти степень родства между организмами.

2. Аналогия. Аналогичные органы -- это органы, имеющие внешнее сход ство и выполняющие одинаковые фун кции, но имеющие разное происхож дение. Эти органы свидетельствуют лишь о сходном направлении приспо соблений организмов, определяемом в процессе эволюции действием естественного отбора. Наружные жабры головастиков, жабры рыб, многощетинковых кольчатых червей и водных личинок насекомых (например, стрекоз) аналогичны. Бивни моржа (видоизмененные клыки) и бивни слона (разросшиеся резцы) -- типичные аналогичные органы, так как их функции сходны. У растений аналогичны колючки барбариса (видоизмененные листья), колючки белой акации (видоизмененные прилистники) и шиповника (развиваются из клеток коры).

Рудименты. Рудиментарными (от лат. rudimentum -- зачаток, первоос нова) называются органы, которые закладываются в ходе эмбрионального раз вития, но в дальнейшем перестают развиваться и остаются у взрослых форм в недоразвитом состоянии. Другими словами, рудименты -- это органы, утра тившие свои функции. Рудименты -- ценнейшие доказательства историчес кого развития органического мира и общности происхождения живых форм. Например, у муравьедов рудиментарны зубы, у человека -- ушные мышцы, кожная мускулатура, третье веко, а у змей -- конечности (рис. 3.22).

Атавизмы. Появление у отдельных организмов какого-либо вида признаков, которые существовали у отдаленных предков, но были утраче ны в ходе эволюции, называется атавизмом (от лат. atavus -- предок). У человека атавизмами являются хвост, волосяной покров на всей повер хности тела, многососковость. Среди тысяч однопалых лоша дей встречаются экземпляры с трехпалыми конечностями. Атавизмы ненесут каких-либо функций, важных для вида, но показывают историческую взаимосвязь между вымершими и ныне существующими родственными формами.

Генетические доказательства

Дальнейшее развитие биологии, включая современный этап, позволило не только уточнить многие положения эволюционной теории, но и представить новые доказательства ее справедливости. В частности, данные генетики позволили установить сходство организации генетического материала и наследственной изменчивости. В 1920 г. отечественный генетик Н. И. Вавилов сформулировал закон гомологических рядов наследственной изменчивости, подтвержденный большим фактическим материалом на растениях, грибах и животных. Согласно этому закону, близкие виды организмов характеризуются сходным спектром наследственной изменчивости, и сходство этого спектра тем больше, чем ближе по систематическому положению рассматриваемые виды.

Данный закон может быть объяснен только общностью происхождения разных видов на основе дивергенции, т. е. путем эволюции. Родственные по происхождению виды получают от своего предка гомологичный генетический материал (набор генов), поэтому спектр его наследственной изменчивости (аллели генов, образующиеся за счет мутаций) и должен быть одинаковым. Так как сходство набора генов прямопропорционально степени родства видов, это касается и спектра наследственной изменчивости.

Например, анализируя окраску цветков 14 видов семейства Бобовых, Н. И. Вавилов обнаружил, что белая окраска встречается у 13, фиолетово-синяя - 12, розовая - 11, а красная и желтая - 6, причем в последнем случае 4 вида характеризовались обоими типами окраски. У всех видов встречались длинные и короткие, широкие и узкие, а также цельнокрайние листья, хотя зубчатые формы листа были обнаружены только у 4 видов. Изучение различных видов млекопитающих по окраске шерсти показывает, что у них имеются окрашенные и неокрашенные (альбинотические) формы, а среди окрашенных у многих видов есть шиншилловые, черные, серые, коричневые, серые со светлым брюхом и др. У многих хорошо генетически изученных млекопитающих встречается наследственно обусловленное отсутствие шерстного покрова.

Существенный вклад в доказательство существования эволюции внесло изучение хромосомных наборов разных видов организмов, которое показало у близких видов сходство числа хромосом с высокой степенью их гомологии. Например, у большинства представителей семейства Кошачьих диплоидный набор содержит 38 хромосом, хотя у тигра и леопарда это число равно 36. Все представители семейства Дельфиновых и многие другие виды Китообразных имеют в диплоидном наборе 44 хромосомы, а кашалоты - 42. Все виды макак, павианов, мангобеи и мандрил характеризуются наличием 42 хромосом в диплоидном наборе, гиббоны - 44, орангутан, горилла и шимпанзе - 48, а человек - 46. При этом небольшие различия в числе хромосом у родственных видов обусловлены слиянием пары мелких хромосом с образованием одной более крупной. Таким образом, существуют и генетические доказательства эволюции.



3. Космические циклы и их влияние на биосферу Земли

3.1 Биосфера

В буквальном переводе термин “биосфера” обозначает сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 - 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина "биосфера" Э.Зюсс в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитаюшую на поверхности Земли".

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.Б. Ламарк (1744 - 1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. Те элементы знания, которые стали необходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связанными с возникновением экологии, науки, которая изучает взаимоотношения организмов и окружающей среды. Биосфера является определенной природной системой, а ее существование в первую очередь выражается в круговороте энергии и веществ при участии живых организмов.

Очень важным для понимания биосферы было установление немецким физиологом Пфефером (1845 - 1920) трех способов питания живых организмов:

· автотрофное - построение организма за счет использования веществ неорганической природы;

· гетеротрофное - строение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;

· миксотрофное - смешанный тип построения организма (автотрофно-гетеротрофный).

Биосфера (в современном понимании) - своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами

3.2 Космические Ритмы

Космические ритмы (циклы) - периодические изменения в природе, происходящие под влиянием гравитационных сил. Все ритмы принято делить по значению их периода на две группы. К первой группе относят ритмы, действующие в антропной шкале времени,т. е. в шкале, соизмеримой с жизнью человека. Здесь, прежде всего, можно выделить суточный ритм, обусловленный вращением Земли вокруг своей оси, месячный ритм, связанный с вращением Луны вокруг Земли, и годичный ритм, обусловленный вращением Земли вокруг Солнца.

В суточном и годичном ритмах изменяются освещенность, создаваемая Солнцем на поверхности Земли, температурный режим и ряд физических параметров атмосферы и гидросферы. В результате происходит смена дня и ночи, смена времен года. Суточные и месячные вариации гравитационного поля на поверхности Земли, связанные с приливным действием Луны и Солнца, создают сложное явление океанических приливов. С такими же периодами (сутки и месяц) происходят вариации магнитного поля Земли. Изменение ориентации земной магнитосферы относительно солнечного ветра (радиального потока плазмы солнечной короны в межпланетное пространство) задает суточный ритм магнитного поля. Вращение Солнца, а вместе с ним межпланетного магнитного поля, имеющего характерную структуру, задает 27-дневный ритм вариаций магнитного поля Земли.

Ко второй группе относят ритмы, действующие в геологической шкале времени, т. е. на протяжении очень длительных периодов, гораздо больших длительности жизни человека. Долгопериодические изменения влияют на погоду и климат на Земле, а через это и на биосферу. Климатические циклы связаны с характерными особенностями орбитальных движений Земли и Солнца, обусловленных воздействием других планет и галактик.

Выделяют следующие климатические циклы, за которые ответственность несут особенности орбитального движения Земли:

1) 26-тысячелетний цикл, обусловленный прецессией оси вращения Земли, так называемый Большой платонический год;

2) 41-тысячелетний цикл, связанный с периодом изменения угла наклона оси вращения Земли к эклиптике (большому кругу небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца);

3) 100-тысячелетний цикл, равный периоду изменения значения эксцентриситета земной орбиты.

Совместное действие этих космических факторов, их наложение, взаимное усиление приводят к долго-периодическим изменениям климата Земли. Выявлены орбитальные климатические ритмы, обусловленные совместным действием космических факторов: длительностью в 400 тыс. лет; 1,2; 2,5 и 3,7 млн лет, среди которых 400-тысячелетний ритм служит основной причиной долгопериодических изменений климата и эволюции органического мира. Этот ритм выявлен геологами из последовательности ледниковых событий и только потом обнаружен астрономами.

3.3 Влияние космических циклов на биосферу Земли

Люди еще в древности подметили, что явление космоса имеет влияние на процессы, происходящие на Земле. В начале 20в в философии появилось направление - русский космизм, которое сформулировало гипотезы, идеи о влиянии космоса на явления происходящие на Земле.Эти идеи изложены в трудах А.Л.Чижевского, Л.Н. Гумелева, Цеолковского, Вернадского, Федорова и т д.

Космос оказывает активное влияние на самые различные процессы жизни на Земле благодаря взаимосвязи всего существующего.

Значение космоса в происходящих на Земле процессах, таких как влияние Луны на морские приливы и отливы, солнечные затмения, люди подметили еще в древности. Однако многие века влияние космоса и его связь с Землей оценивались как несущественные, на уровне научных гипотез и догадок или вообще ставились вне рамок науки. Во многом это было результатом ограниченных возможностей человека, недостаточной научной базы и инструментария. В XX в. знание о влиянии космоса на Землю существенно пополнилось. В этом есть заслуга и российских ученых, в первую очередь представителей русского космизма -- Н.Ф. Федорова, АЛ. Чижевского, К.Э. Циолковского, В.И. Вернадского и др.

В.И. Вернадский, говоря о факторах, влияющих на развитие биосферы, указывал среди прочих и космическое влияние. Так, он подчеркивал, что без космических светил, в частности без Солнца, жизнь на Земле не могла бы существовать. Живые организмы трансформируют космическое излучение в земную энергию (тепловую, электрическую, химическую, механическую) в масштабах, определяющих существование биосферы. На существенную роль космоса в появлении жизни на Земле указывал шведский ученый, Нобелевский лауреат С. Аррениус. По его мнению, занос жизни из космоса на Землю был возможен в виде бактерий благодаря космической пыли и энергии. Не исключал возможности появления жизни на Земле из космоса и В.И.Вернадский.