Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Научные теории естествознания

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Естествознание»

Оглавление

1. Что такое наука, ее основные черты и отличия от других отраслей культуры

2. Классификация естественных наук. Основные проблемы, решаемые отдельными естественными науками

3. Свойства пространства и времени. Главные выводы специальной и общей теории относительности

4. Характеристика основных физических взаимодействий

5. Эволюция Вселенной. Модель Большого взрыва и расширяющейся Вселенной

6. Естественнонаучные модели происхождения жизни

7. Функции ДНК и ее химическая характеристика

8.Роль мутаций и окружающей среды в эволюции живого

9. Иерархическое строение биосферы и трофические уровни

10. Биосфера и ноосфера

Список использованной литературы

1. Что такое наука, ее основные черты и отличия от других отраслей культуры

Наука, имея многочисленные определения, выступает в трех основных ипостасях. Она понимается либо как форма деятельности, либо как система или совокупность дисциплинарных знаний или же как социальный институт. В первом случае наука предстает как особый способ деятельности, направленный на фактически выверенное и логически упорядоченное познание предметов и процессов окружающей действительности. Как деятельность, наука помещена в поле целеполагания, принятия решений, выбора, преследования своих интересов, признания ответственности.

Во втором истолковании, когда наука выступает как система знаний, отвечающих критериям объективности, адекватности, истинности, научное знание пытается обеспечить себе зону автономии и быть нейтральным по отношению к идеологическим и политическим приоритетам. То, ради чего армии ученых тратят свои жизни и кладут свои головы, есть истина, она превыше всего, она есть конституирующий науку элемент и основная ценность науки.

Третье, институциональное, понимание науки подчеркивает ее социальную природу и объективирует ее бытие в качестве формы общественного сознания. Впрочем, с институциональным оформлением связаны и другие формы общественного сознания: религия, политика, право, идеология, искусство и т.д.

Наука как социальный институт или форма общественного сознания, связанная с производством научно-теоретического знания, представляет собой определенную систему взаимосвязей между научными организациями, членами научного сообщества, систему норм и ценностей. Однако то, что она является институтом, в котором десятки и даже сотни тысяч людей нашли свою профессию, – результат недавнего развития.

В настоящее время наука предстает прежде всего как социокультурный феномен. Это значит, что она зависит от многообразных сил, токов и влияний, действующих в обществе, определяет свои приоритеты в социальном контексте, тяготеет к компромиссам и сама в значительной степени детерминирует общественную жизнь. Тем самым фиксируется двоякого рода зависимость: как социокультурный феномен наука возникла, отвечая на определенную потребность человечества в производстве и получении истинного, адекватного знания о мире, и существует, оказывая весьма заметное воздействие на развитие всех сфер общественной жизни. Она рассматривается в качестве социокультурного феномена потому что, границы сегодняшнего понимания науки, расширяются до границ «культуры». И с другой стороны, наука претендует на роль единственно устойчивого и "подлинного" фундамента последней в целом в ее первичном – деятельностном и технологическом – понимании.

Как социокультурный феномен, наука всегда опирается на сложившиеся в обществе культурные традиции, на принятые ценности и нормы. Познавательная деятельность вплетена в бытие культуры. Отсюда становится понятной собственно культурно-технологическая функция науки, связанная с обработкой и возделыванием человеческого материала – субъекта познавательной деятельности, включение его в познавательный процесс.

Наука, понимаемая как социокультурный феномен, не может развиваться вне освоения знаний, ставших общественным достоянием и хранящихся в социальной памяти. Культурная сущность науки влечет за собой ее этическую и ценностную наполненность. Открываются новые возможности этоса науки: проблема интеллектуальной и социальной ответственности, морального и нравственного выбора, личностные аспекты принятия решений, проблемы нравственного климата в научном сообществе и коллективе.

2. Классификация естественных наук. Основные проблемы, решаемые отдельными естественными науками

Следует отметить, что для естествознания характерно взаимодействие наук, взаимосвязь всех отраслей естествознания, когда один предмет изучается многими науками, а метод одной науки применяется к методам изучения других наук, при этом прослеживается противоречивость развития естествознания заключающаяся в том, что часто возникают две полностью противоположные концепции, касающиеся природы явления, которые взаимоисключают одна другую. Всё, казалось бы, идёт к расколу, но появляется принципиально новая концепция, более полно охватывающая предмет, которая совмещает, казалось бы, несовместимые концепции. Как пример можно привести историю взглядов на природу света, когда целый ряд явлений описывался волновой теорией, ряд других – корпускулярной. Конфликт разрешился с приходом теории о корпускулярно-волновом дуализме.

Классификация естественных наук определяется аспектами естествознания. Их можно выделить два:

предметный, соответствующий последовательной связи объектов природы;

методологический, соответствующий различным стадиям познания – от внешней стороны предмета – к его внутренней стороне.

Соответственно первому аспекту все естественные науки должны быть разделены на неорганические и органические, так как природа делится на живую и неживую. Взаимная связь естественных наук отражает общий ход развития природы от более простых, низших ступеней и форм до наивысших и наиболее сложных. Раздвоение природы на живую и неживую зарождается в пределах химии (поскольку химические соединения разделяются на неорганические и органические). Это раздвоение подготавливается на атомном уровне структурной организации материи, затем из молекул образуются различные агрегатные состояния вещества, составляющие различные сферы Земли, с другой стороны постепенное усложнение молекул приводит к образованию сложных углеродистых соединений, которые составляют основу живой природы. Поэтому в плане изучения различных сфер Земли все науки можно разделить на: физику, химию, геологию, биологию.

Эти науки составляют стержень классификации естественных наук. В основу вышеприведенного принципа раздвоения наук положен принцип развития предмета природы). Но принцип развития можно применить и к различным по масштабу объектам. Однако понятия астрономия, физика, химия, биология, геология в настоящее время обозначают целое семейство наук со свое сложной иерархией и структурой.

Ситуация усложняется тем, что сложная дифференциация и узкая специализация наук переплетается с противоположным процессом – интеграцией, так как вновь возникающие науки заполняют собою резкие различия между науками. Например, довольно сложно сказать: биофизика – это биология или физика. То же самое относится к физической химии, химии атмосферы, геофизики и множества других современных наук. Помимо этого можно говорить о неких «сверхнауках», скажем, синергетика или экология которые изучают предметы, которые являются в то же время предметами изучения почти всех основных естественных наук.

Если же классифицировать науки по принципу абстрагирования от различных форм движения то получим ряд: биология – химия – физика – математика – логика.

В основу классификации можно положить предмет изучения или принцип абстрагирования, масштаб или другие принципы. В целом структура естествознания довольно сложна. Помимо дифференциации основных наук о природе: физики, химии, астрономии, биологии, геологии, географии существует множество наук, которые являются как бы дочерними, но в то же время многие из них образованы тесным переплетением нескольких основных наук.

3. Свойства пространства и времени. Главные выводы специальной и общей теории относительности

Понятия пространства и времени составляют основу физики. Согласно классической физике, созданной Исааком Ньютоном, физические взаимодействия разворачиваются в бесконечном трёхмерном пространстве – так называемом абсолютном пространстве, время в котором может быть померено универсальными часами (абсолютное время).

В начале двадцатого века учёные обнаружили в ньютоновской физике некоторые противоречия. В частности, физики не могли объяснить, каким образом скорость света остаётся постоянной вне зависимости от того, движется ли наблюдатель. Альберт Эйнштейн разрешил этот парадокс в своей специальной теории относительности.

Считается, что геометрия окружающего нас пространства является трехмерной, евклидовой. Специальная теория относительности А.Эйнштейна выявила зависимость пространственно временных характеристик объектов от скорости их движения и объединила понятие пространство-время как четырехмерное. Общая теория относительности вскрыла зависимость метрических характеристик пространства-времени от распределения тяготеющих масс, наличие которых приводит к искривлению пространства и времени. Релятивизм времени и неоднородность его в поле гравитации привели к парадоксам времени и невыполнению законов сохранения в выводах Общей теории относительности. Принятая геометризация пространства, привела к потере реального физического смысла при описании свойств материи.

Общая теория относительности (ОТО) – физическая теория пространства-времени и тяготения, основана на экспериментальном принципе эквивалентности гравитационной и инерционной масс и предположении о линейности связи между массой и вызываемыми ею гравитационными эффектами.

В рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты вызываются не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а являются проявлениями деформаций самого пространства-времени, вызываемых локальным присутствием массы-энергии. Таким образом, в ОТО, как и в других метрических теориях, гравитация – не силовое взаимодействие.

Специальная теория относительности (СТО) – теория, заменившая механику Ньютона при описании движения тел со скоростями, близкими к скорости света. При малых скоростях различия между результатами СТО и ньютоновской механикой становятся незначительными.

СТО полностью выводится на физическом уровне строгости из двух постулатов (предположений):

Справедлив принцип относительности Эйнштейна – расширение принципа относительности Галилея.

Скорость света не зависит от скорости движения источника во всех инерциальных системах отсчёта.

Формулировка второго постулата может быть шире: «Скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчёта». Приписывание постулатов Эйнштейну правомерно в той степени, что до его работы эти уже сформулированные отдельно друг от друга (в частности, А. Пуанкаре) утверждения в совокупности явным образом никем не рассматривались.

Экспериментальная проверка постулатов СТО в известной степени затруднена проблемами философского плана: возможностью записи уравнений любой теории в инвариантной форме безотносительно к её физическому содержанию, и сложности интерпретации понятий «длина», «время» и «инерциальная система отсчёта» в условиях релятивистских эффектов.

Тем не менее, опора на достижения экспериментальной физики позволяет утверждать, что в пределах своей области применимости – при пренебрежении эффектами гравитационного взаимодействия тел, СТО является справедливой с очень высокой степенью точности (до 10−12 и выше).

Следствием постулатов СТО являются преобразования Лоренца, заменяющие собой преобразования Галилея для нерелятивистского, «классического» движения. Эти преобразования связывают между собой координаты и времена одних и тех же событий, наблюдаемых из различных инерциальных систем отсчёта.

Именно они описывают такие знаменитые эффекты, как замедление хода времени и сокращение длины быстродвижущихся тел, существование предельной скорости движения тела (коей является скорость света), относительность понятия одновременности (два события происходят одновременно по часам в одной системе отсчета, но в разные моменты времени по часам в другой системе отсчета).

При движении с околосветовыми скоростями видоизменяются также и законы динамики. Так, можно вывести, что второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме того, можно показать, что и выражение для импульса и кинетической энергии тела уже имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае.

С математической точки зрения, непривычные свойства СТО есть результат того, что время и пространство не являются независимыми понятиями, а образуют единый четырёхмерный континуум — пространство-время Минковского, которое является псевдоевклидовым пространством. Вращения базиса в этом четырёхмерном пространстве-времени, смешивающие временную и пространственные координаты 4-векторов, выглядят для нас как переход в движущуюся систему отсчета и похожи на вращения в обычном трёхмерном пространстве. При этом естественно изменяются проекции четырёхмерных интервалов между определёнными событиями на временную и пространственные оси системы отсчёта, что и порождает релятивистские эффекты изменения временных и пространственных интервалов.

4.Характеристика основных физических взаимодействий

В природе существуют четыре фундаментальные силы и все физические явления обусловлены всего четырьмя видами взаимодействий (в порядке убывания силы):

сильное взаимодействие соединяет кварки в адроны и удерживает нуклоны в составе атомного ядра (действует на расстояниях порядка 10-13 см);

электромагнитное взаимодействие действует между частицами, имеющими электрический заряд, и «ответственно» за явления электромагнетизма;

слабое взаимодействие обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействия нейтрино с веществом и др. (действует на расстоянии порядка 10-16 см);

благодаря гравитационному взаимодействию объекты, имеющие массу, притягиваются друг к другу.

Согласно новейшим теориям, взаимодействие происходит благодаря переносу частицы-носителя взаимодействия между взаимодействующими частицами. Например, электромагнитное взаимодействие между двумя электронами происходит в результате переноса фотона между ними. Природа гравитационного взаимодействия пока точно неизвестна, предположительно оно происходит в результате переноса гипотетических частиц гравитонов.

Многие физики-теоретики полагают, что в момент Большого взрыва действовало единое взаимодействие, которое разделилось на четыре в первые мгновения существования нашего мира. К настоящему времени разработана лишь теория электрослабого взаимодействия, объединившего слабое и электромагнитное взаимодействия.

Таким образом, фундаментальные взаимодействия – различные, не сводящиеся друг к другу типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий. Ведутся поиски других типов взаимодействий, как в явлениях микромира, так и на космических масштабах, однако пока существование какого-либо другого типа взаимодействия не обнаружено.

В физике причиной изменения движения тел является. Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество самых разнообразных сил: сила тяжести, сила натяжения нити, сила сжатия пружины, сила, возникающая при столкновении тел, сила трения, сила сопротивления воздуха, сила взрыва и т. д. Однако как только была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку атомы взаимодействуют в основном через электростатическое взаимодействие электронных оболочек, то, как оказалось, все эти силы – лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Единственное исключение – сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между двумя телами, обладающими массой. К началу XX века выяснилось, что все известные к тому моменту силы сводятся к двум фундаментальным взаимодействиям: электромагнитному и гравитационному.

В 1930-е годы выяснилось, что атомы содержат ядра, которые в свою очередь состоят из нуклонов (протонов и нейтронов). Ясно, что ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Было постулировано существование нового фундаментального взаимодействия: сильного взаимодействия. Однако в дальнейшем оказалось, что и оно способно объяснить не все явления в микромире, в частности, не было понятно, что заставляет распадаться свободный нейтрон. Так было постулировано существование слабого взаимодействия, и как оказалось, этого достаточно для описания всех до сих пор наблюдавшихся взаимодействий в микромире.

5. Эволюция Вселенной. Модель Большого взрыва и расширяющейся Вселенной

В соответствии с данными космологии, Вселенная возникла в результате взрывного процесса, получившего название Большой взрыв, произошедшего около 14 млрд. лет назад. Теория Большого взрыва хорошо согласуется с наблюдаемыми фактами (например, расширением Вселенной и преобладанием водорода) и позволила сделать верные предсказания, в частности, о существовании и параметрах реликтового излучения. В момент Большого взрыва Вселенная занимала микроскопические, квантовые размеры.

В соответствии с одной из гипотез, связанных с Инфляционной моделью, Большой взрыв порождён флуктуацией вакуума, находящимся в особом состоянии, называемом ложным вакуумом или инфлатонным скалярным полем. Причина флуктуации – квантовые колебания, которые испытывает любой объект на квантовом уровне; вероятность крупной флуктуации низка, но отлична от нуля. В результате флуктуации вакуум вышел из состояния равновесия и перешёл в новое состояние – обычного вакуума.

В результате фазового перехода вакуума из одного состояния в другое произошло резкое расширение пространства и образовалось вещество – массивные частицы и излучение. При этом закон сохранения энергии не нарушился в том случае, если энергия частиц и излучения в точности равна отрицательной энергии гравитационного поля. По другой гипотезе энергия выделилась в результате перехода вакуума в состояние с меньшим энергетическим уровнем. Появление массы из «ничего» также не противоречит физическим законам, например, рождение пары частица-античастица из вакуума можно наблюдать и сейчас в некоторых научных экспериментах.

Предполагается, что в момент инфляционного расширения Вселенная была пустой и холодной (существовал только вакуум), а затем заполнилась горячим веществом, продолжавшим расширяться.

Некоторые физики допускают возможность множественности подобных событий, а значит и множественность вселенных, обладающих разными свойствами. Тот факт, что наша Вселенная приспособлена для образования жизни может объясняться случайностью – в «менее приспособленных» вселенных просто некому это анализировать. Ряд учёных выдвинули концепцию «кипящей Мультивселенной», в которой непрерывно рождаются новые вселенные и у этого процесса нет начала и конца.

Необходимо отметить, что сам факт Большого взрыва с высокой долей вероятности можно считать доказанным, но объяснения его причин и подробные описания того, как это происходило, пока относятся к разряду гипотез. Расширение и остывание Вселенной в первые секунды существования нашего мира привело к следующему фазовому переходу – образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме.

Доминирующие гипотезы сводятся к тому, что первые 300-400 тыс. лет Вселенная была заполнена только ионизированным водородом и гелием. По мере расширения и остывания Вселенной они перешли в стабильное нейтральное состояние, образовав обычный газ. Предположительно через 500 млн. лет зажглись первые звёзды, а сгустки вещества, образовавшиеся на ранних стадиях благодаря квантовым флуктуациям, превратились в галактики.

В результате термоядерных реакций в звёздах были синтезированы более тяжёлые элементы (вплоть до углерода). Во время взрывов сверхновых звёзд образовались ещё более тяжёлые элементы. В молодых галактиках процесс образования и гибели звёзд шёл очень бурно. Чем массивнее звезда, тем быстрее она гибнет и рассеивает большую часть своего вещества в пространстве, обогащая его разнообразными химическими элементами. После взрывов вещество сгущалось снова, в результате чего зажигались звёзды следующих поколений, вокруг которых образовывались планетные системы. Поэтическая фраза «мы состоим из пепла давно угасших звёзд» полностью соответствует действительности.

6. Естественнонаучные модели происхождения жизни

Реконструкция появления органических молекул трудна, так как ископаемые и точные знания геохимических условий земли древнее 3,8 млрд. лет отсутствуют. Поэтому существуют различные гипотезы о ходе химической эволюции. В основном они опираются на эксперименты, основанные на предположениях о тогдашнем химическом составе атмосферы, гидросферы и литосферы, а также климатических условиях.

Основанные на гипотезах, эксперименты на данный момент недостаточны для создания теории возникновения жизни на земле. Однако уже наблюдались процессы создания комплексных молекул, которые необходимы для органических процессов, но образование сложных систем из них пока еще не было достигнуто. Эти наблюдения считаются уже большим успехом и достаточны для разработки гипотез.

Гипотезы химической эволюции должны объяснять различные аспекты:

Небиологическое начало биомолекул, то есть их развитие из не живущих и, соответственно, неорганических предшественников.

Появление способных к саморепликации и самоизменению химических информационных систем, то есть возникновение клетки.

Появление взаимной зависимости функции (ферментов) и информации (РНК, ДНК).

Условия среды Земли в период от 4,5 до 3,5 млрд. лет назад.

Одна из самых известных гипотез эволюции была опубликована в двадцатые годы 20. столетия русским исследователем А.И. Опариным и британским исследователем Дж. Холдейном. Теория утверждала, что условия на земле того времени благоприятствовали химическим реакциям. Из неорганических соединений в атмосфере и море должны были синтезироваться органические соединения. Необходимая энергия поставлялась очень интенсивным ультрафиолетовым облучением, которое могло беспрепятственно проникать в атмосферу в связи с малым содержанием в ней O2 и O3. В 1953 эта теория была обоснована химиками Стэнли Миллер и Гарольдом К. Юри очень хорошими результатами эксперимента с первичным бульоном. Опытом они доказывают, что в похожей на предположительные пребиотические условия среды, посредством притока энергии (молнии), из неорганических соединений (вода, метан, аммиак и водород) могут возникнуть аминокислоты и более простые карбоксиловые и жирные кислоты – одни из важнейших строительных элементов более комплексных биомолекул. В более поздних, в большинстве случаев более сложно построенных опытах с первичным бульоном смогли получить как все важнейшие строительные элементы живых существ: аминокислоты, жиры, пурины (основа нуклеотидов) и сахар, – так и сложные органические соединения порфины и изопрены.

Хотя этим показана возможность естественного образования органических молекул, сегодня рассматриваются эти результаты для настоящего происхождения жизни на земле довольно критично. В эксперименте с первичным бульоном исходили из того, что атмосфера на тот период времени имела щелочной характер, что соответствовало научным представлениям того времени. Сегодня же исходят из слабощелочного или даже нейтрального характера атмосферы, хотя вопрос еще не окончательно решен и обсуждаются также локальные химические отклонения атмосферных условий, например в окрестностях вулканов. Позднейшими экспериментами была доказана возможность появления органических молекул и в этих условиях, даже таких, которые не получились при первых опытах, но в значительно меньших количествах. Этим часто аргументируется, что происхождение органических молекул другим путем, играло как минимум дополнительную роль. Приводятся происхождение органики в космосе и занесение ее на землю метеоритами или происхождение в окрестностях гидротермальных источников срединно-океанических хребтов.

Дальнейшим аргументом против происхождения органических молекул из первичного бульона приводят то, что во время опыта получается рацемат, то есть смесь из аминокислот L и D-форм. Соответственно должен был существовать естественный процесс, в котором отдавалось предпочтение определенному вращению хиральных молекул. Космобиологи утверждают, что легче доказать происхождение органических соединений в космосе, так как фотохимические процессы с циркулярно-поляризированым излучением, например от пульсаров, в состоянии уничтожить молекулы только определенного вращения. И действительно у найденных в метеоритах хиральных органических молекул преобладали на 9 % левовращающиеся. Однако в 2001 году стало известно, что самореплицирующиеся пептидные системы тоже в состоянии эффективно усиливать молекулы определенного вращения в рацематной смеси, что, по мнению этого ученого, поддерживает земное происхождение вращения биологических молекул.

Известно, что с повышением концентрации многие органические соединения, молекулы которых содержат как гидрофильные, так и гидрофобные участки, способны в водных растворах к мицеллообразованию, т.е. выделению микрокапелек органической фазы. Мицеллообразование наблюдается также при высаливании, т.е. при увеличении концентрации солей в коллоидных растворах биополимеров-полиэлектролитов, при этом выделяются микрокапли диаметром 1–500 мкм, содержащие биополимеры в высокой концентрации. Александр Иванович Опарин показал, что ограниченные среды с простым обменом веществ могут возникнуть исключительно самоорганизацией, при условии присутствия катализаторов со специфическими свойствами. Так как использованные субстанции входят в состав живущих сегодня организмов, Опаринские коацерваты нужно видеть не как предшественники клеток, а как модель-аналог для возникновения предшественников клеток.

7. Функции ДНК и ее химическая характеристика

Живые организмы состоят из органических веществ. Характеристики организмов кодируются набором генов, в которых записана вся наследственная информация. Количество генов может варьировать от нескольких сотен у простейших вирусов до десятков тысяч у высших организмов (около 30 тыс. у человека).

Носителем генетической информации является ДНК – органическая структура в виде двойной спирали. Информация записана с помощью последовательности нуклеотидов. В генетическом коде используется всего лишь 4 «буквы»-нуклеотида; код един для всех живых организмов.

Генетическая информация реализуется при экспрессии генов в процессах транскрипции и трансляции. Передача генетической информации следующему поколению происходит в результате репликации (самокопирования ДНК). Помимо генов в ДНК имеются некодирующие участки, функции которых пока ещё не ясны.