Виды сил и взаимодействий

Содержание контрольной работы

1. Виды сил и взаимодействий.                                               стр. 3
2. Размножение организмов.                                                   стр. 8
3. Природа нервного импульса. Строение нервной системы

как системы обработки  информации и управления.         стр. 14

4. Приложение.                                                                         стр. 17
5. Библиографический список.                                                стр. 19

Вопрос 1. Виды сил и взаимодействий.

В своей повседневной жизни  человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела: сила ветра  или потока воды; давление воздуха; мощный выброс взрывающихся веществ; вес  предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических  зарядов; сейсмические волны; вулканические  извержения; и т.д.

Сила – это мера интенсивности  воздействия чего-либо на что-либо. Одни силы действуют непосредственно  при контакте с телом, другие, например гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе  силы можно свести к четырём фундаментальным  воздействиям (табл.1). Именно эти взаимодействия, в конечном счёте, отвечают за все  изменения в мире, именно они являются источником всех материальных преобразований тел, процессов. Каждое из четырёх воздействий  имеет сходство с тремя остальными и в тоже время свои отличия. В  порядке возрастания интенсивности  взаимодействия это:

- гравитационное взаимодействие;

- слабое взаимодействие;

- электромагнитное взаимодействие;

- сильное, или ядерное  взаимодействие.

Рассмотрим первое взаимодействие – гравитационное. Все  весомые  тела взаимно испытывают тяготение, эта сила обуславливает движение планет вокруг солнца и спутников  вокруг планет. Теория гравитации - теория созданная Ньютоном, стояла у колыбели современной науки. Другая теория гравитации, разработанная Эйнштейном, является величайшим достижением теоретической физики 20 века. В течение столетий развития человечества люди наблюдали явление взаимного притяжения тел и измеряли его величину; они пытались поставить это явление себе на службу, превзойти его влияние, и наконец, уже в самое последнее время рассчитывать его с чрезвычайной точностью во время первых шагов вглубь Вселенной.  В своем классическом виде гравитационное взаимодействие особенно заметно для больших тяготеющих масс и определяет геометрию Мира (пространства-времени), в котором движется материя.  Его строгая квантовая теория не построена, а кванты гравитационного поля – так называемые гравитоны – пока экспериментально не обнаружены и являются гипотетическими частицами.  Развитие теории гравитации произошло в самом начале становления современной науки на примере взаимодействия небесных тел. Задачу облегчило то, что небесные тела движутся в вакууме мирового пространства без побочного влияния других сил. Блестящие астрономы - Галилей и Кеплер - подготовили своими трудами почву для дальнейших открытий в этой области. В дальнейшем великий Ньютон сумел придумать целостную теорию и придать ей математическую форму.

Второе – слабое - взаимодействие отвечает за большинство распадов и многие превращения элементарных частиц.  Квантами соответствующего поля являются промежуточные векторные бозоны. 

Электромагнитное взаимодействие связано, в первую очередь, с действием  друг на друга электрических зарядов  и переносится фотонами.  Этот тип взаимодействия ярко проявляется  в окружающем человека мире. В частности, прослежена глубокая связь слабого взаимодействия с электромагнитным, что привело к их объединению в электрослабое взаимодействие.

Наконец, сильное взаимодействие обеспечивает связь частиц в атомных ядрах  и переносится глюонами.  В  последние десятилетия физики поняли, что перечисленные типы взаимодействий не обязательно выступают независимо друг от друга. 

Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости процессов, которые они вызывают.  Обычно сравнивают между собой скорости процессов при энергиях  ~ 10⁹ эВ = 1 ГэВ, характерных для физики элементарных частиц (для контраста отметим, что энергия кванта зеленого света равна всего 2 эВ.).  При таких высоких энергиях процесс, обусловленный сильным взаимодействием, происходит за время ~ 10^-24 с, электромагнитный процесс – за время ~ 10^-21 с, а процесс, вызванный слабым взаимодействием, – за гораздо большее время ~ 10^-10 с. (табл.2). Отсюда видно, что в мире элементарных частиц «слабые процессы» протекают чрезвычайно медленно.

Другая характеристика взаимодействия – длина свободного пробега кванта поля в веществе (то есть пролета  без соударений и тем самым  без возможного поглощения).  Сильно взаимодействующие частицы (адроны) можно задержать железной плитой толщиной в несколько десятков см, тогда как нейтрино, обладающее лишь слабым взаимодействием, проходило  бы, не испытав ни одного столкновения, сквозь железную плиту толщиной порядка  миллиарда км.  Еще более слабым является гравитационное взаимодействие, сила которого при энергии ~ 1 ГэВ в 10³³ раз меньше, чем у слабого взаимодействия.  Однако обычно роль гравитационного взаимодействия гораздо заметнее роли слабого взаимодействия.  Это связано с тем, что гравитационное взаимодействие, как и электромагнитное, имеет неограниченный радиус действия; поэтому, например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение всех атомов, из которых состоит Земля.  Слабое же взаимодействие обладает очень малым радиусом действия: около 2.10^-16 см, что на три порядка меньше радиуса сильного взаимодействия. Вследствие этого слабое взаимодействие между ядрами двух соседних атомов в твердом теле, находящихся на расстоянии 10^-8 см друг от друга, несравненно слабее не только электромагнитного, но и гравитационного взаимодействий между ними.

Однако, несмотря на малую  величину и короткодействие, слабое взаимодействие играет очень важную роль в природе.  Так, если бы удалось  «выключить» слабое взаимодействие, то погасло бы Солнце, поскольку  стал бы невозможен процесс превращения  протона в нейтрон, позитрон и  нейтрино, который служит основным источником энергии Солнца и большинства  звезд.  Процессы слабого взаимодействия с испусканием нейтрино вообще исключительно  важны в эволюции звезд, так как  обусловливают потери энергии очень  горячими звездами, во взрывах сверхновых звезд с образованием пульсаров  и т.д.  Наконец, слабое взаимодействие является причиной и механизмом одного из наиболее распространенного в  природе процесса бета-распада радиоактивных  атомных ядер, исследование которого и привело в свое время к  гипотезе о существовании нейтрино. [3, c. 171]

Сильное взаимодействие также  является короткодействующим: его радиус около 10^-13 см.  В обычном «стабильном» веществе при не слишком высокой температуре сильное взаимодействие не вызывает никаких процессов, и его роль сводится к созданию прочной связи между нуклонами в ядрах (энергия связи составляет в среднем около 8 МэВ на нуклон).  Однако при столкновениях ядер или нуклонов, обладающих достаточно высокой энергией, сильное взаимодействие приводит к многочисленным ядерным реакциям.  Особенно важную роль в природе играют реакции слияния (термоядерного синтеза), в результате которых 4 нуклона объединяются в ядро гелия.  Начиная с конца 50-х годов 20 века, не прекращаются попытки ученых осуществить управляемую термоядерную реакцию, что позволило бы полностью решить энергетическую проблему человечества как минимум на несколько веков.  Термоядерный синтез (как и слабое взаимодействие) играет исключительную роль в «жизни» Солнца и звезд и тем самым является основным естественным источником энергии, используемой на Земле.[4, c. 405]

Заключение.

Силовыми взаимодействиями называют действия тел или частиц друг на друга, приводящие к изменению состояния их движения. В фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой — малого радиуса (сильное и слабое). Мир физических процессов развертывается в границах этих двух полярностей и воплощает единство предельно малого и предельно большого — микромира и мегамира, элементарной частицы и всей Вселенной.

Вопрос 2. Размножение организмов.

Среди многообразных проявлений жизнедеятельности (питание, обустройство местообитания, защита от врагов) размножению принадлежит особая роль. Размножение, или репродукция, присущая всем живым существам, - это функция воспроизведения себе подобных. В отличие от всех других жизненно важных функций организма, размножение направлено на не на поддержание жизни отдельной особи, а на сохранение её генов в потомстве и продолжении рода – тем самым на сохранение генофонда популяции, вида, семейства и т.д. Размножение возникло в ходе исторического развития органического мира на

самом раннем этапе: вместе с развитием клетки. В ходе эволюции у разных групп организмов сформировались – во многих случаях независимо – разные пути и стратегии размножения, и тот факт, что эти группы выжили и существуют, доказывает эффективность разных способов осуществления данного процесса.

Всё разнообразие способов размножения можно разделить  на два основных типа: бесполое (его  вариант – вегетативное) и половое  размножение (табл.3).        Бесполое размножение, или агамогенез – форма размножения, при которой организм воспроизводит себя самостоятельно, без всякого участия другой особи. Этот способ размножения, связанный с относительной простотой организации одноклеточных организмов, позволяет размножаться очень быстро. Так, в благополучных условиях количество бактерий может удваиваться каждые 30-60 минут. Размножающийся бесполым путём организм способен бесконечно воспроизводить себя, пока не произойдёт спонтанное изменение генетического материала, т.е. мутация. Если эта мутация благоприятна, она сохранится в потомстве мутировавшей клетки. Это потомство будет представлять собой новый клеточный клон. Бесполое размножение, воспроизводящее идентичные исходному организму особи, не способствует появлению организмов с новыми вариантами признаков, а тем самым ограничивает возможность приспособления видов к новым для них условиям среды. В зависимости от формы бесполого размножения потомок развивается либо из одной клетки (спорообразование, шизогония, деление), либо из группы клеток родителя. В последнем случае размножение называют вегетативным. Оно распространено среди растений. У животных бесполое размножение наблюдается у особей с относительно низким уровнем структурно-физиологической организации, к которым принадлежат многие паразиты человека. У паразитов бесполое размножение не только служит увеличению численности особей, но способствует расселению, помогает пережить неблагоприятные условия.

Хотя в процессе развития жизни бесполое размножение возникло первым, половое размножение существует на Земле уже более 3 млрд. лет. Оно обнаруживается в жизненных циклах всех основных групп организмов. Распространенность полового размножения объясняется тем, что оно обеспечивает значительное генетическое   разнообразие и, следовательно,   фенотипическую

изменчивость потомства. Этим достигаются большие эволюционные и экологические (расселение в разные среды) возможности.

Принципиальное отличие полового размножения от бесполого состоит  в том, что в нём участвуют  обычно два родительских организма, признаки которых перекомбинируются  у потомства. Половое размножение  свойственно всем эукариотам, но преобладает  оно у животных и высших растений. Переход к этому типу размножения  имел огромное значение для эволюции жизни на Земле. Половое размножение создаёт бесконечное разнообразие особей, в том числе и таких, которые успешно адаптируются к изменчивым внешним условиям, “завоёвывают мир”, распространяясь в новые места обитания, и оставляют потомство, передавая ему наследственный материал. Потомки двух успешных родительских особей могут оказаться обладателями ещё более удачной комбинации наследственных признаков, и соответственно, они разовьют успех родителей. Особи с неудачной комбинацией признаков будут элиминированы естественным отбором. В основе полового   размножения лежит   половой процесс, суть   которого

сводится к объединению в  наследственном материале для развития потомка генетической информации от двух разных источников — родителей. Представление о половом процессе дает явление конъюгации, например, инфузорий. Он заключается во временном соединении двух особей с целью обмена (рекомбинации) наследственным материалом. В результате появляются особи, генетически отличные от родительских организмов. В дальнейшем они осуществляют бесполое размножение. Поскольку количество инфузорий после конъюгации остается неизменным, говорить о размножении в прямом смысле нет оснований. У простейших половой процесс может осуществляться в виде копуляции, которая

заключается в слиянии двух особей в одну, объединении и рекомбинации наследственного материала. Далее  такая особь размножается делением. На определенном этапе эволюции у многоклеточных организмов половой процесс как способ обмена генетической информацией между особями в пределах вида оказался связанным с размножением. Для участия в половом размножении в родительских организмах вырабатываются гаметы — клетки, специализированные к обеспечению генеративной функции. Слияние материнской и отцовской гамет приводит к

возникновению зиготы — клетки, представляющей собой дочернюю особь на первой, наиболее ранней стадии индивидуального развития. У некоторых организмов зигота образуется в результате объединения гамет, неотличимых по строению. В таких случаях говорят об изогамии. У большинства видов по структурным и функциональным признакам половые клетки делятся на материнские (яйцеклетки) и отцовские (сперматозоиды). Как правило, яйцеклетки и сперматозоиды вырабатываются разными организмами — женскими (самки) и мужскими (самцы). В подразделении гамет на яйцеклетки и сперматозоиды, а особей на самок и самцов заключается явление полового диморфизма.

Наличие его в природе отражает различия в задачах, решаемых в процессе полового размножения мужской или женской гаметой, самцом или самкой. Образование гамет обоих видов в одном организме, имеющем и мужскую, и женскую половые железы, называют гермафродитизмом. Половое размножение впервые появилось у простейших, но переход к нему не был связан с утратой способности к репродукции бесполым путём: ряд животных сохранили её, обычно чередуя бесполое размножение с половым. Такое наблюдается у некоторых простейших, кишечнополостных и оболочников.

Разные группы животных выработали разные способы оплодотворения: мейоз, осеменение (наружное и внутреннее), оплодотворение, спаривание. В зависимости  от того, как это происходит, различают  три способа размножения:

- яйцерождение;

- живорождение;

- яйцеживорождение.

Подавляющее большинство видов  животных откладывают яйца, из которых  выводится молодь. К ним относятся  почти все морские беспозвоночные, насекомые, многие рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, птицы и однопроходные млекопитающие. У живородящих оплодотворённое яйцо развивается в теле самки, получая от неё питание до самого рождения детёныша на свет. К ним относятся все млекопитающие за исключением утконоса и ехидны. Яйцеживорождение – промежуточная форма воспроизведения потомства: яйцо развивается в теле самки, но питание обеспечивается желтком яйца, а не организмом матери. Это свойственно некоторым акулам и другим рыбам, ряду земноводных, многим ящерицам и змеям.

С этими способами размножения связаны разные его стратегии. Первая стратегия в целом свойственна высокоорганизованным животным – млекопитающим и птицам. У приматов она проявляется в большей мере: они длительно вынашивают плод и производят на свет обычно по одному, ещё очень беспомощному, детёнышу, которого долго вскармливают и растят. Крысы,  мыши или кролики могут плодиться несколько раз в год, рождая каждый раз до десятка детёнышей, которые быстро приобретают самостоятельность. В результате такого интенсивного размножения повышается вероятность гибели потомков из-за недостатка пищи или, в связи с быстрым ростом популяций, из-за распространения болезней и размножения хищников. Многим животным свойственна забота о сохранности яиц: одни откладывают их в ил, землю и разные укромные места, другие, в частности некоторые ракообразные, морская игла и морской конёк, носят яйца на себе. Количество яиц при этом много меньше, чем при вымётывании их в воду. Насекомые часто откладывают яйца таким образом, что заранее обеспечивают молодь питанием: орехотворка откладывает их в ткань растения, которым будет питаться личинка; бычий овод – на кожу животного-хозяина, под которую личинка проникнет, и будет паразитировать. Своеобразная стратегия у муравьёв и пчёл. Они строят гнёзда, оберегают яйца и обеспечивают питанием личинок, но оставляют функцию размножения только одной (у пчёл) или нескольким (у муравьёв) самкам в сообществе. Размножающаяся самка, называемая маткой, откладывает многочисленные яйца. Яйца некоторых организмов способны развиваться без оплодотворения, т.е. без участия сперматозоида. Такой процесс однополого размножения называют партогенезом, или девственным размножением. Примеры естественного партогенеза у млекопитающих неизвестны; они изредка встречаются у низших позвоночных и весьма обычны у беспозвоночных, особенно у насекомых. Существует два типа партогенеза: облигатный, т.е. обязательный и факультативный. Первый свойственен видам, у которых самцов либо нет, либо они редки и не способны функционировать. Это тли, палочники, сверчки, бабочки. При факультативном партогенезе яйца могут развиваться как партогенетически, так и в результате оплодотворения.

Заключение.

       Хотелось бы  подчеркнуть тот факт, что размножение в направлении от бесполых форм к половым, от изогамии к анизогамии, от участия всех клеток к разделению на соматические и половые, от наружного оплодотворения к внутреннему с внутриутробным развитием и заботой о потомстве, - все эти виды в большей мере схожи тем, что обеспечивают заботу о своём потомстве, такую необходиую, при размножении.

Вопрос 3. Природа нервного импульса. Строение нервной системы, как системы  обработки информации и управления.

Нервная система человека прошла длительный эволюционный путь развития. В ходе этого процесса сформировались центральные  и периферические отделы нервной  системы, которые воспринимают, перерабатывают и реагируют на изменение внешней  и внутренней среды. Нервная система, её  сети, сплетения, узлы и проводящие пути при всей своей функциональной разноплановости всего лишь средство, инструмент для получения и передачи внутренних и внешних нервных сигналов. Основная проблема заключается в том, каким образом вся эта сложная система координирует свои связи, формирует целенаправленные движения и, в конечном счете, обеспечивает приспособительные способности и удовлетворение потребностей организма.

Главная функция нервной системы  состоит в переработке и передаче информации от рецепторов органов чувств через центральную нервную систему к органам-исполнителям – эффекторам. Она состоит из нейронов, синапсов и нервов. Синапсы – это соединения между нейронами, а нервы – это пучки отростков многих нейронов, своего рода многожильные кабели, которые осуществляют координацию функций организма и опосредуют его реакцию на различные воздействия. Каждый нейрон имеет тело и отростки – аксоны и дендриты. Аксон – это длинный отросток, который проводит сигналы от тела нервной клетки, а дендрит – по направлению к нейрону, т.е. аксоны передают выходные сигналы, а дендриты – входные. У каждого нейрона имеется один аксон и много дендритов. Для анализа событий во внешнем мире или внутри нашего тела, для передачи информации от клетки к клетке, нейроны используют электрические и химические сигналы.

Процесс прохождения нервного импульса по нейронам и синапсам обусловлен наличием электрических зарядов  на наружных клеточных мембранах, что  является общей особенностью живых  клеток. Нервный импульс представляет собой волну деполяризации, которая распространяется по аксону от тела клетки к нервному окончанию. В каждой клетке невозбуждённой мембраны аксона до того, как до неё дойдёт волна деполяризации, имеется потенциал ~70мВ. Такой заряд обусловлен присутствием во внутри- и внеклеточной жидкости различных заряженных ионов. Когда из наружной среды попадают ионы натрия, происходит быстрый (около 1мкс) скачок мембранного потенциала от -70 до +20-40мВ. Таким образом, поступление в клетку ионов натрия приводит к деполяризации мембраны и возникновению потенциала действия, который и распространяется по аксону в виде волны. Наиболее быстрые потенциалы действия распространяются по волокнам большего диаметра со скоростью около 120 метров в секунду (430км/час), что и определяет возможность быстрой передачи информации на большие, по сравнению с размером тела, клетки расстояния.

Структура, через которую одна клетка передаёт информацию другой, известна как синапс. Через синаптические  взаимодействия нейроны интегрируют  информацию о сигналах во многих фоторецепторах, производя на выходе новый собственный  сигнал для нервной сети. Особенностью синаптической передачи является возможность  торможения или возбуждения в  зависимости от набора рецепторов в  постсинаптической клетке. Передача информации, в основном, происходит через химическую передачу, но некоторые клетки в сетчатке нервной системы связаны специализированными соединениями, в которых происходит электрическая передача информации. Такое соединение позволяет потенциалам действия прямо распространяться от клетки к клетке без химического передатчика. Электрические синапсы обнаружены  между эпителиальными клетками, мышечными волокнами кишечника и сердца.

Заключение.

В самом общем виде технология передачи сенсорной информации в ЦНС может  быть представлена следующим образом. Под влиянием адекватного сенсорного стимула (раздражителя - свет, звук, теплота  или давление), специализированные рецепторные нейроны генерируют потенциалы действия, которые активизируют афферентные нервные волокна, ответственные за данный вид информации. Адекватным стимулом считается такой раздражитель, который вызывает оптимальный ответ. По афферентным нервным волокнам сенсорная информация поступает в первичный воспринимающий центр мозга, где осуществляется обработка информации от нескольких специализированных рецепторных нейронов. Затем сенсорная информация поступает во вторичный и высший воспринимающий мозговой центр, где она обрабатывается и интегрируется. Интегрирующие мозговые центры связаны между собой и формируют субъективные ощущения. Первоначально возбуждение от нескольких первичных сенсорных полей по волокнам поступает в спинной или головной мозг и там, за счет синаптических контактов, дивергирует со вторичными воспринимающими и интегрирующими сенсорными нейронами. Вторичные сенсорные центры конвергируют возбуждение от нескольких первичных сенсорных полей. Аксоны вторичных сенсорных нейронов в виде специфических и неспецифических сенсорных трактов обеспечивают проведение возбуждения к нервным узлам (ядрам) центров более высокого уровня.

Приложение.

Таблица 1.

Таблица 2.   Характеристика силовых взаимодействий.

Таблица 3.  Общая характеристика бесполого и полового размножения.

Таблица 4.  Бесполое размножение.

Библиографический список.

1. Канке В.А. Концепции современного естествознания. М: Логос, 2001

2. Биология. В 2 кн. Кн. 1: Учеб. для медиц. спец. Вузов / В.Н. Ярыгин, 5-е изд., испр. и доп. — М.: Высш. шк., 2003.— 432с.: ил.

3. Концепции современного естествознания под ред.Самыгина С.И.  Ростов-на-Дону: Феникс, 1999.

4.Лавриненко В.Н. Концепции современного естествознания.      Уч.для вузов.- М: ЮНИТИ, 1997-271с.

5. Большая советская энциклопедия. Размножение.

6. Макаров В.А. Курс: физиология центральной нервной системы. Уч.пособие для студентов вузов. 1999.