Уровни организации живой материи. Закон Гесса. Принцип дополнительности. Главная идея синергетики

    План: 

    1. Уровни организации живой материи…………………………………….3

    2. Закон Гесса………………………………………………………………...9

    3. Принцип дополнительности…………………………………………….12

    4. Главная идея синергетики ………………………………………………15

    5. Заполните таблицу «Концепции происхождения жизни на Земле»….17

    6. Решите задачу…………………………………………………………….19

    Список  литературы…………………………………………………………20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. Уровни организации  живой материи 

    1.Сущность  живого, его основные признаки.

    В развитии биологии выделяют три основных этапа. Первый – систематики (Карл Линней), второй – эволюционный (Чарльз Дарвин), третий – микробиологии (Грегор Мендель).

    Современная биология при описании живого идет по пути перечисления основных свойств  живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни. Первое. Живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах. Второе. Живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию. Третье. Живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешние раздражители – универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных. Четвертое. Живые организмы способны не только изменяться, но и усложняться. Они могут создавать новые органы, отличающиеся от породивших их структур. Пятое. Живое способно к самовоспроизведению. Шестое. Живые организмы способны передавать потомкам заложенную в них информацию, содержащуюся в генах – единицах наследственности. Эта информация в процессе передачи может видоизменяться и искажаться. Это предопределяет изменчивость живого. Седьмое. Живые организмы способны приспосабливаться к среде обитания и своему образу жизни.

    Из  совокупности этих признаков вытекает следующее обобщенное определение  сущности живого: Жизнь есть форма  существования сложных, открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.

    Структурный или системный анализ обнаруживает, что мир живого чрезвычайно многообразен и имеет сложную структуру.

    Условно на основе критерия масштабности можно выделить следующие уровни организации живого вещества:

    Биосферный. Включает всю совокупность живых  организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.

    Уровень биогеоцинозов. Отражает структуры, состоящие  из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс – экосистему.

    Популяционно-видовой  уровень. Образуется свободно скрещивающимися  между собой особями одного и  того же вида.

    Организменный и органно-тканевый уровни. Отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.

    Клеточный и субклеточный уровни. Отражают особенности  специализации клеток, а также  внутриклеточные структуры.

    Молекулярный уровень. Отражает особенности химизма живого вещества, а также механизмы и процессы передачи генной информации.

    2.Клетка  как элементарный структурный  компонент живой материи.

    Живая клетка является фундаментальной частицей структуры живого вещества. Она является простейшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том  числе способностью переносить генетическую информацию. Клеточная теория была создана немецкими учеными Теодором Шванном и Матиасом Шлейденом. Ее основное положение состоит в утверждении, что все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по своему строению. Исследования в области цитологии показали, что все клетки осуществляют обмен веществ, способны к саморегуляции и могут передавать наследственную информацию. Жизненный цикл любой клетки завершается или делением и продолжением жизни в обновленном виде, или гибелью. Вместе с тем выяснилось, что клетки весьма многообразны, они могут существовать как одноклеточные организмы или в составе многоклеточных. Срок жизни клеток может не превышать нескольких дней, а может совпадать со сроком жизни организма. Размеры клеток сильно колеблются: от 0,001 до 10 см. Клетки образуют ткани, несколько типов тканей – органы, группы органов, связанные с решением каких-либо общих задач называются системами организма. Клетки имеют сложную структуру. Она обособляется от внешней среды оболочкой, которая , будучи неплотной и рыхлой, обеспечивает взаимодействие клетки с внешним миром, обмен с ним веществом, энергией и информацией. Метаболизм клеток служит основой для другого их важнейшего свойства – сохранения стабильности, устойчивости условий внутренней среды клетки. Это свойство клеток, присущее всей живой системе, называют гомеостазом. Гомеостаз, то есть постоянство состава клетки, поддерживается метаболизмом, то есть обменом веществ. Обмен веществ – сложный, многоступенчатый процесс, включающий доставку в клетку исходных веществ, получение из них энергии и белков, выведение из клетки в окружающую среду выработанных полезных продуктов, энергии и отходов.

    В настоящее время к миру живого относят также вирусы, которые  не имеют клеточной структуры. Кроме  того, существуют также некоторые  организмы с клеточным строением, клетки которых не имеют типичной структуры. Это так называемые прокариоты, их клетки не имеют ядер. Прокариоты являются историческими предшественниками организмов с развитыми клетками. К ним относят бактерии и сине-зеленые водоросли. Нити нуклеиновых кислот у этих клеток расположены не в ядре, а в цитоплазме.

    Общепризнано, что структуры, управляющие жизнедеятельностью клетки, расположены в ядре в длинных  цепях молекул нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), исходной единицей которых  является ген (от греч. «рождающий»).

    3.Принципы  биологической эволюции.

    Интенсивное проникновение эволюционной парадигмы  в биологию началось в конце XVIII в. благодаря работам французского биолога Ламарка. Ламарк объяснил изменчивость видов взаимодействием двух факторов: влияния внешней среды (питание, климат, упражнение органов) и наследственности. Проблемы, поставленные Ламарком, были успешно разрешены Ч. Дарвином в его работе «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859), которая заложила основу учения о биологической эволюции. Это наука о причинах, движущих силах и закономерностях изменения и развития живых организмов. Эволюционное учение является теоретической основой современной биологии. С точки зрения теории эволюции все многообразие живой природы является результатом действия трех взаимосвязанных факторов: наследственности, изменчивости и естественного отбора. Эти выводы теории эволюции базируются на следующих наблюдениях. Во-первых, в любой популяции животных наблюдается изменчивость составляющих ее особей. Во-вторых, некоторые из этих изменений получены от родительских особей, другие являются результатом приспособления к окружающей среде и приобретены в течение жизни. В-третьих, рождается, как правило, гораздо большее число организмов, чем доживает до стадии размножения. Причем выживают те организмы, которые обладают сочетанием признаков, повышающих вероятность их выживания и размножения. Если эти признаки закреплены в генах, они передаются потомству. Наиболее ярко эволюционные процессы проявляются на уровне популяций (длительно существующих групп особей, устойчиво сохраняющихся на протяжении жизни многих поколений). Виды, как правило, состоят из нескольких популяций, хотя бывают и исключения. Появление элементарных эволюционных изменений в популяции, то есть ее новых устойчивых признаков, передающихся по наследству через несколько поколений зависит от следующих эволюционных факторов. Первое. Перестройка генов – мутационный процесс. Является основой разнообразия особей в популяциях, но он основан на случайности и не определяет направление эволюции. Второе. Популяционные волны – резкие колебания численности особей, они могут резко менять число встречающихся мутаций, создавая те или иные предпосылки для эволюционных изменений. Третье. Изоляция – возникновение препятствий, уменьшающих возможности обмена генетической информацией с другими группами особей данного вида. Она выступает как фактор, закрепляющий начальную стадию дифференциации генофонда обособившейся группы. Четвертое. Естественный отбор – выживание и оставление потомства. Этот фактор действует на всех стадиях развития особи, причем отбор закрепляет именно те особенности, которые полезны данному виду как целому. Эти признаки могут быть вредны для особи, но полезны для популяции. Таким образом, весь ход эволюции видов ведет к тому, что признаки, обеспечивающие выживание в данных условиях, встречаются в популяции все чаще от поколения к поколению, определяя направление развития вида. Эволюция есть направленный процесс исторического изменения живых организмов. Указанные факторы действуют не только на популяционном и видовом уровне как микроэволюци,. но также и на надвидовом уровне как макроэволюция, образуя новые виды и классы живого. Современная сложная структура живого является результатом продолжавшейся миллионы лет макро- и микроэволюции.

    Комплекс  представлений о макро- и микроэволюции, сложившийся к середине ХХ в., стали  называть синтетической теорией  эволюции.

    Генетика  – это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими. Она является научной основой для разработки методов селекции, то есть создания новых пород животных, видов растений и т.д.

    Основными направлениями исследований ученых-генетиков в ХХ в. стали:

    Изучение  элементарных материальных структур, которые являются носителями генетической информации, единицами наследственности.

    Исследование  механизмов и закономерностей передачи генетической информации.

    Изучение  механизмов реализации генетической информации, ее претворение в конкретные признаки и свойства организма.

    Выяснение причин и механизмов изменения генетической информации на разных этапах развития организма.

    Крупнейшие  открытия современной генетики связаны  с установлением способности генов к перестройке – мутирование. Мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными. Одним из результатов мутаций может быть появление организма нового вида – мутанта. Причины мутаций (изменения генной информации) до конца не выяснены. Однако установлены основные факторы, вызывающие мутации, так называемые мутагены. Известно, например, что мутации могут вызываться некоторыми общими условиями, в которых находится организм: его питанием, температурным режимом и т.д. или действием экстремальных факторов, например, некоторых химических веществ или радиоактивных элементов. Одним из наиболее опасных видов мутагенов являются вирусы.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2. Закон Гесса 

    Пользуясь табличными значениями и , можно рассчитать энтальпии различных химических процессов и фазовых превращений. Основанием для таких расчетов является закон Гесса, сформулированный петербургским профессором Г. И. Гессом (1841 г.): «Тепловой эффект (энтальпия) процесса зависит только от начального и конечного состояния и не зависит от пути перехода его из одного состояния в другое».

    Анализ  закона Гесса позволяет сформулировать следующие следствия:

    Энтальпия реакции равна разности сумм энтальпий  образования конечных и начальных  участников реакций с учетом их стехиометрических  коэффициентов.

    Энтальпия реакции равна разности сумм энтальпий сгорания начальных и конечных реагентов с учетом их стехиометрических коэффициентов.

    Энтальпия реакции равна разности сумм энергий  связей Eсв исходных и конечных реагентов  с учетом их стехиометрических коэффициентов.

    В ходе химической реакции энергия  затрачивается на разрушение связей в исходных веществах (ΣEисх) и выделяется при образованиии продуктов реакции (–ΣEпрод). Отсюда

    Следовательно, экзотермический эффект реакции свидетельствует о том, что образуются соединения с более прочными связями, чем исходные. В случае эндотермической реакции, наоборот, прочнее исходные вещества.

    При определении энтальпии реакции  по энергиям связей уравнение реакции  пишут с помощью структурных формул для удобства определения числа и характера связей.

    Энтальпия реакции образования вещества равна  энтальпии реакции разложения его  до исходных веществ с обратным знаком.

    Энтальпия гидратации равна разности энтальпий  растворения безводной соли и кристаллогидрата

    Из  вышесказанного видно, что закон  Гесса позволяет обращаться с  термохимическими уравнениями как  с алгебраическими, т. е. складывать и вычитать их, если термодинамические функции относятся к одинаковым условиям.

    Например, диоксид углерода можно получить прямым синтезом из простых веществ (I) или в две стадии через промежуточный  продукт (II):

    Эти термохимические реакции можно  представить в виде энтальпийных диаграмм. Естественно, за начало следует  принять стандартные состояния  простых веществ, энтальпии которых равны нулю. Образование сложных веществ (CO и CO₂) сопровождается понижением энтальпии системы.

    3. Принцип дополнительности 

    Принцип дополнительности - методологический принцип, сформулированный Нильсом  Бором применительно к квантовой  физике, согласно которому, для того чтобы наиболее адекватно описать физический объект, относящийся к микромиру, его нужно описывать во взаимоисключающих, дополнительных системах описания, например одновременно и как волну, и как частицу (ср. многозначные логики).

    Вот как интерпретирует культурологическую значимость П. д. для ХХ в. русский лингвист и семиотик В. В. Налимов:

    "Классическая  логика оказывается недостаточной  для описания внешнего мира. Пытаясь  осмыслить это философски, Бор  сформулировал свой знаменитый  принцип дополнительности, согласно которому для воспроизведения в знаковой системе целостного явления необходимы взаимоисключающие, дополнительные классы понятий.

    Это требование эквивалентно расширению логической структуры языка физики. Бор использует, казалось бы, очень простое средство: признается допустимым взаимоисключающее употребление двух языков, каждый из которых базируется на обычной логике. Они описывают исключающие друг друга физические явления, например непрерывность и атомизм световых явлений.

    Бор сам хорошо понимал методологическое значение сформулированного им принципа: "...целостность живых организмов и характеристика людей, обладающих сознанием, а также человеческих культур представляют черты целостности, отображение которых требует типично дополнительного способа описания".

    Принцип дополнительности - это, собственно, признание того, что четко построенные логические системы действуют как метафоры: они задают модели, которые ведут себя и как внешний мир, и не так. Одной логической конструкции оказывается недостаточно для описания всей сложности микромира. Требование нарушить общепринятую логику при описании картины мира со всей очевидностью впервые появилось в квантовой механике - и в этом ее особое философское значение".

    Позднее Ю. М. Лотман применил расширенное понимание  П. д. к описанию семиотики культуры. Вот что он пишет:

    "...механизм  культуры может быть описан  в следующем виде: недостаточность  информации, находящейся в распоряжении  мыслящей индивидуальности, делает  необходимым для нее обращение  к другой такой же единице.  Если бы мы могли представить себе существо, действующее в условии полной информации, то естественно было бы предположить, что оно не нуждается в себе подобном для принятия решений. Нормальной для человека ситуацией является деятельность в условиях недостаточной информации. Сколь ни распространяли бы мы круг наших сведений, потребность в информации будет развиваться, обгоняя темп нашего научного прогресса. Следовательно, по мере роста знания незнание будет не уменьшаться, а возрастать, а деятельность, делаясь более эффективной, - не облегчаться, а затрудняться. В этих условиях недостаток информации компенсируется ее стереоскопичностью - возможностью получить совершенно иную проекцию той же реальности - перевод ее на совершенно другой язык. Польза партнера по коммуникации заключается в том, что он другой.

    Принцип дополнительности обусловлен и чисто  физиологически - функциональной асимметрией  полушарий головного мозга  - это своего рода естественный механизм для осуществления принципа дополнительности

    В определенном смысле Бор сформулировал принцип дополнительности благодаря тому, что Куртом Геделем была доказана так называемая теорема о неполноте дедуктивных систем (1931). В соответствии с выводом Геделя - система либо непротиворечива, либо неполна.

    Вот что пишет по этому поводу В. В. Налимов:

    "Из  результатов Геделя следует, что  обычно используемые непротиворечивые  логические системы, на языке  которых выражается арифметика, неполны. Существуют истинные  утверждения, выразимые на языке  этих систем, которые в таких системах доказать нельзя. Из этих результатов следует также, что никакое строго фиксированное расширение аксиом этой системы не может сделать ее полной, - всегда найдутся новые истины, не выразимые ее средствами, но невыводимые из нее.

    Общий вывод из теоремы Геделя - вывод, имеющий громадное философское значение: мышление человека богаче его дедуктивных форм.

    Другим  физическим, но также имеющим философский  смысл положением, непосредственно касающимся принципа дополнительности, является сформулированное великим немецким физиком ХХ в. Вернером Гейзенбергом так называемое соотношение неопределенностей. Согласно этому положению невозможно равным образом точно описать два взаимозависимых объекта микромира, например координату и импульс частицы. Если мы имеем точность в одном измерении, то она будет потеряна в другом.

    Философский аналог этого принципа был сформулирован  в последнем трактате Людвига  Витгенштейна (см. аналитическая философия, достоверность) "О достоверности". Для того чтобы сомневаться в  чем-бы то ни было, нечто должно оставаться несомненным. Мы назвали этот принцип Витгенштейна "принципом дверных петель".

    Таким образом, принцип дополнительности имеет фундаментальное значение в методологии культуры ХХ в., обосновывая релятивизм познания, что в культурной практике закономерно привело к появлению феномена постмодернизма, который идею стереоскопичности, дополнительности художественных языков возвел в главный эстетический принцип.  
 
 

    4. Главная идея синергетики  

    Синергетика — это наука о самоорганизации. Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе, создания более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход, и наука приходит  к пониманию творения как создания нового. Синергетика ввела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики для микроскопического уровня. Синергетика подтвердила вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. Она пытается ответить на вопрос, как образовались все те макросистемы, у которых мы живём.

    Общий смысл комплекса синергетических  идей заключается в следующем:

    1. Процессы разрушения и созидания,  деградации и эволюции во Вселенной  имеют объективный характер.

    2. Процессы созидания (нарастания сложностиупорядо чинности) имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются.

    Главная идея синергетики – это идея о  принципиальной возможности спонтанного  возникновения порядка и организации  из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции её разрушения средой. Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и её среды. Синергетика убедительно доказывает, то даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации.

         Система самоорганизуется не  гладко и просто, не неизбежно. Самоорганизация переживает и переломные моменты – точки бифуркации.

         В переломный момент самоорганизации  принципиально неизвестно, в каком  направлении будет происходить  дальнейшее развитие: станет ли  состояние системы хаотическим  или она перейдёт на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации.

         Переход от Хаоса к Порядку  вполне поддаётся математическому  моделированию. И более того, в  природе существует не так  уж много универсальных моделей  такого перехода. Качественные переходы в самых различных сферах деятельности подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию.

    В различных открытых системах: физической, химической, биологической, экологической  и другой природы, находящихся вдали  от термодинамического равновесия, за счёт притока вещества и энергии из внешней среды создаётся неравновесность. Именно благодаря этому процессу и происходит взаимодействие элементов и подсистем, приводящее к их согласованному поведению, что в результате приводит к образованию новых устойчивых структур, то есть к самоорганизации.

        Такое организованное поведение  обуславливается внешними воздействиями  или результатом развития собственной  неустойчивости в системе. 
 
 
 
 
 
 
 
 

    5. Заполните таблицу  «Концепции происхождения  жизни на Земле» 

    6. Решите задачу.  

    Определите  уровень организации студенческой группы по успеваемости, если половина полученных оценок хорошие, а половина – отличные. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Список  литературы: 
 

Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. - М.: Высшая школа, 2000. – 455 с.

 Блаватская  Е.П. Тайная доктрина (в 2-х томах). - СПб: Эксмо-Пресс, 2002. - 824 с.

Бор Н. Атомная физика и человеческое познание - М.: Наука, 2000. – 312 с.

Витгенштейн Л. О достоверности / Пер. А. Ф. Грязнова // Вопр. философии. - 2004. - № 4. С. 15-19

Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для вузов. - М.: Наука, 2004. – 302 с.

Данилова  В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции  современного естествознания: Учебн. пособие  для вузов. – М.: Просвещение, 2000. – 295 с.

 Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознани. - М.: Наука, 2005. – 269 с.

Мулдашев  Э.Р. От кого мы произошли? - СПб: ИДНева, 2003. - 640 с.

Поннамперума  С.Н. Происхождение жизни. -  М.: Мир, 2007. – 245 с.

Руднев В. О недостоверности // Логос. - 1997. - Вып. 9. – С. 9-12

Учебное пособие к лабораторному практикуму по химии. -  М.: изд-во МАИ, 2004. -  356 с.

Фролов В.В. Химия. -  М.:  Высшая школа, 2006. – 402 с.