Федеральное агентство по образованию и науки Российской Федерации
реклама
Федеральное агентство по образованию и науки Российской Федерации Костромской государственный технологический университет Кафедра философии В.Н.Тарковский Концепции современного естествознания Учебно-методическое пособие Кострома 2006 2 УДК 5:1 Тарковский В.Н. Концепция современного естествознания: учебнометодическое пособие. В.Н.Тарковский.– Кострома: Изд-во КГТУ, 2006.– 21 с. Учебно-методическое пособие адресовано студентам дневной и заочной формы обучения. Цель изучения концепций современного естествознания – максимально сгладить диспропорции между естественнонаучным и гуманитарным образованием, сформировать гармонично развитую личность. Цель пособия – ознакомить студентов с основными положениями естественных наук: физики, химии, биологии и др. Пособие полностью соответствует требованиям государственного образовательного стандарта по данному курсу. Рецензент: доктор исторических наук О.В.Смурова. Рекомендовано университета к изданию редакционно-издательским © Костромской государственный технологический университет, 2006 советом 3 Оглавление I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. Место естествознания в культуре……………………………………4 Методы научного познания…………………………………………..4 Основные этапы развития естествознания (парадигмы)…………...6 Принципы современной физики……………………………………..8 Структурные уровни организации материи…………………………9 Геосферы Земли………………………………………………………13 Современные концепции биологии…………………………………16 Темы рефератов………………………………………………………20 Список рекомендуемой литературы………………………………...21 4 . Место естествознания в культуре Согласно одному из определений, культура – это принятая в данном обществе система ориентиров, позволяющая человеку определить свое место и роль в мире, оценить совершившееся и выбрать образ действия на будущее. Традиционно противопоставляют естественнонаучную и гуманитарную культуры. Противопоставление двух культур имеет корни в реально существующих различиях методов познания мира в научной и гуманитарнохудожественной практике. Основными различиями считаются: 1. Естественнонаучное знание объективно, гуманитарное - субъективно. 2. Гуманитарное знание исторично, естественнонаучное - необязательно. 3. Предмет гуманитарно-художественного познания индивидуален, предмет естественнонаучного познания типичен. 4. Гуманитарный метод в отличие от естественнонаучного создает не только знания, но и мнения, оценку познаваемого предмета. 5. Гуманитарий неизбежно участвует в исследуемом процессе, естествоиспытатель стремится быть сторонним наблюдателем. 6. Гуманитарная культура опирается на язык образов, естественнонаучная – на язык терминов и чисел. Научная и гуманитарная культуры противоположны, но противоположны диалектически. Они составляют единую общечеловеческую культуру и в равной мере движут ее развитием. Развитие же заключает в себе чередующиеся фазы дифференциации – обособления противоположностей и интеграции – гармоничного объединения. Сейчас мы находимся на пороге фазы интеграции. Интеграции способствует то, что: 1. Естествознание все больше интересуется уникальными объектами; 2. Естествознание все больше интересуется сложными объектами; 3. Современное естествознание стало эволюционным, историчным; 4. Образное мышление, интуиция признаются необходимыми элементами процесса научного познания; 5. В современном естествознании признается, что исследователь не может полностью избежать своего влияния на исследуемый объект и влияния своей личности на результат исследования. Современное естествознание вносит большой вклад в создание нового стиля – глобального, или планетарного, в котором в качестве основной проблемы рассматривается задача выживания на уникальной планете Земля. Этот стиль мышления требует понимания сложности и хрупкости нашего мира, уважения к естественным процессам в природе и обществе. II. Методы научного познания В структуре научного познания выделяются два уровня – эмпирический и теоретический. Каждый из них характеризуется не только собственными формами организации научного знания, но и присущими им методами познания. 5 Понятие “метод” означает совокупность правил и приемов их использования, которые позволяют гарантированно и систематически добиваться поставленной цели. Цель научного метода заключается в получении научного знания о природных объектах и явлениях. От других видов знания (обыденного, гуманитарно-художественного, религиозного и т.д.) научное отличается систематичностью, объективностью, достоверностью, точностью и практической ценностью. На эмпирическом уровне происходит сбор фактов и информации (установление фактов, их регистрация, накопление), а также их описание (изложение фактов и их первичная систематизация). К особенным эмпирическим методам относятся: 1. Наблюдение – целенаправленный процесс восприятия предметов действительности, которые не должны быть изменены; 2. Измерение – определение количественных значений (характеристик) изучаемых сторон или свойств объекта исследования с помощью специальных технических устройств; 3. Эксперимент – целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на интересующий его объект для изучения различных его сторон, связей и отношений. Теоретическая сторона связана с объяснением, предсказанием и обобщением фактов, а также созданием новых теорий, выдвижением гипотез, открытием новых законов. С их помощью вырабатывается научная картина мира, что важно для осуществления мировоззренческой функции науки. К особенным теоретическим методам относятся: 1. Формализация – использование специальной символики вместо реальных объектов; 2. Индукция – метод научного познания, представляющий собой формулирование логического умозаключения путем обобщения данных наблюдения и эксперимента, получения общего вывода на основании частных посылок; движение от частного к общему; 3. Дедукция – метод научного познания, представляющий собой получение частных выводов на основе общих знаний; вывод от общего к частному; 4. Аналогия – метод познания, при котором происходит перенос знания, полученного при рассмотрении какого-либо одного объекта на другой, менее изученный, но схожий с первым объектом по каким-либо существенным свойствам. Метод аналогии тесно связан с методом моделирования, который представляет собой изучение каких-либо объектов посредством их моделей с дальнейшим переносом полученных данных на оригинал; 5. Анализ – метод научного познания, в основу которого положены процедура мысленного или реального расчленения предмета на составляющие его части и их отдельное изучение; 6. Синтез – метод научного познания, в основу которого положена процедура соединения различных элементов предмета в единое 6 целое, систему, без чего невозможно действительно научное познание этого предмета. Система методов научного познания не является статичной и неизменной, в ней постоянно появляются новые методы, а уже известные могут в процессе развития науки переходить из одной категории в другую (системный подход, метод глобального эволюционизма и т.п.). III. Основные этапы развития естествознания (парадигмы) Первой естественнонаучной революцией в познании мира считается период развития духовной жизни Древней Греции VI – IV вв. до нашей эры. Результатом революции явилось возникновение научного знания как духовной способности. Оно противопоставляло себя мифологии. Если мифология отвечала на вопрос «Кто является причиной происходящего?», то наука задается вопросом «Что является причиной происходящего?». Таким образом, происходит «омертвление» реальности. Если мифология способна отвечать на любые вопросы и не может ничего предсказать в силу одушевленности причины явления, то наука мало что может объяснить, но то, что объясняет, обязательно предсказывает. В этом революционный переход от обыденного мировоззрения (миф) к научному (логос). На этом этапе формируются первые естественнонаучные понятия: «материя», «причина», «число», «пространство» и т.д. Первыми их анализировали Фалес, Пифагор, Эвклид, Аристотель, Архимед. Так как анализ носил абстрактный, отвлеченный (метафизический) характер, то на этом этапе естествознание развивается в рамках философии. Вторая естественнонаучная революция датируется XVI - XVIII вв. Классиками этого этапа развития естествознания являются: Н.Коперник, Г. Галилей, И.Коперник, Р.Декарт, И. Ньютон. С ними связывают становление так называемого классического естествознания. Принципиальные отличия этого этапа: - знание математизируется, прежде всего за счет развития самой математики; - возникает и развивается метод экспериментального исследования; - классическое естествознание разрушило античное представление о космосе как вполне завершенном и гармоничном мире. На смену ему пришла концепция бесконечной Вселенной, объединяемой лишь идентичностью законов; - идеалом классического естествознания и всей науки Нового времени стала механика; - сформировался четкий идеал научного знания: раз и навсегда установленная, абсолютно истинная картина природы, которую можно подправлять в деталях, но изменить уже нельзя. Сама познавательная деятельность подразумевает противопоставление субъекта и объекта познания (исследователь – явление). 7 Третья научная революция произошла в XIX – XX вв. благодаря открытиям физики и биологии. Наиболее значимыми теориями, составившими основу новой парадигмы (этапа), стали: - теория относительности (новая теория пространства, времени и тяготения); - квантовая механика (вероятностный характер законов микромира, а также корпускулярно-волновой дуализм в самом фундаменте материи). Результатом стало формирование новой научной картины мира. Наиболее принципиальными положениями можно считать: - любое наше представление, в том числе и вся научная картина мира, в целом относительны; - новая картина мира переосмыслила исходные понятия пространства, времени, причинности, непрерывности и, в значительной мере, ввела их в противоречие со здравым смыслом и интуитивными ожиданиями; - неклассическая естественнонаучная картина мира отвергла классическое противостояние субъекта и объекта познания (экстернализация). Третья научная революция осуществлялась одновременно с научнотехнической революцией, то есть скачок произошел не только в развитии науки, но и в развитии техники, что послужило толчком к более интенсивному познанию окружающей действительности. В это же время складывается так называемый сциентизм – концепция, заключающаяся в абсолютизации роли науки в системе культуры, в идейной жизни общества. Центральное место, согласно этой концепции, должны занимать естественнонаучные дисциплины. Оппонентов называют антисциентистами. Они настаивали на ограниченности возможностей науки в решении коренных человеческих проблем. Перспективные направления исследования современной физики можно свести к двум основным областям. 1. Фундаментальные теории: - создание единой теории Вселенной; - создание единой теории микромира; - создание физической теории Земли; - создание периодической таблицы элементарных физических частиц по аналогии с периодической системой химических элементов; - создание единой теории физических взаимодействий. 2. Экспериментально-теоретические проблемы: - управляемый ядерный синтез; - сверхпроводимость; - нелинейная физика (турбулентность, хаос, странные аттракторы); - кварки и глюоны; - экспериментальная проверка общей теории относительности; 8 - квазары и ядра галактик; - проблема темной материи (скрытой массы) и ее детектирование; - происхождение космических лучей со сверхвысокой энергией; - сверхтяжелые элементы. IV. Принципы современной физики Корпускулярно-волновой дуализм материи. При переходе к исследованию микромира обнаружилось, что физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем. И. Ньютон считал, что свет представляет собой поток корпускул, движущихся с огромной скоростью, – отсюда прямолинейность световых лучей. Однако были открыты явления интерференции и дифракции, которые корпускулярная концепция не могла объяснить. Х. Гюйгенс предположил, что свет представляет собой волну. В 70-х годах XIX в. Максвелл и Герц обосновали природу света как электромагнитную волну. Таким образом, материальный объект, называемый «свет», есть образование сложное, не укладывающееся полностью ни в одну из простых моделей: «корпускула» или «волна». Свет обладает и волновыми и корпускулярными свойствами, но проявляет либо те, либо другие в зависимости от ситуации. Квантово-механическое написание микромира основывается на соотношении неопределенности В. Гейзенберга и принципе дополнительности Н. Бора. Принцип неопределенности утверждает, что в квантовой механике точное и одновременное измерение скорости и положения частиц невозможно даже теоретически. Следствием этого является то, что измерение одной характеристики предмета (положения) принципиально непредсказуемым образом изменяет другие (скорость). Подобная неопределенность параметров доказана, например, и в отношении «энергия – время». В 1928 году был выдвинут принцип дополнительности. Н. Бор дал ему следующую формулировку: «понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего». Ни одна теория не может описать объект исчерпывающим образом, чтобы исключить возможность альтернативных подходов. Противоречия с точки зрения классической науки в рамках неклассической не исключают, а дополняют друг друга. Основополагающую роль в процессе любого познания (не только естественнонаучного) играет принцип симметрии. В общем виде классическое определение принципа предложил известный математик Г. Вейль, согласно которому симметричным называется такой предмет, который можно как-то изменять, получая в результате то же, с чего мы начали. При этом имеется в виду, что физические законы и способы их представления можно изменять так, что это не отражается на их свойствах. Выделяют симметрию трансляций (перенос фигуры, эксперимента), винтовую симметрию (трансляции в сочетании с поворотом) и др. 9 Наряду с принципом неопределенности фундаментальным принципом, лежащим в основании математического аппарата квантовой механики, является принцип суперпозиции. Принцип суперпозиции (наложения) – это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Преемственность развития физического знания (теорий) отражается в принципе соответствия. Принцип утверждает, что никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в своей области. Другими словами, каждая физическая теория лишь ступень познания и всегда является относительной истиной. Например, то, что классическая ньютоновская механика перестает быть применимой при скоростях движения, сравнимых со скоростью света, не делает ее ложной. Особое место занимают принцип относительности и постулаты А. Эйнштейна. Первым сформулировал принцип Г. Галилей: «Никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, невозможно установить, покоится система или движется прямолинейно и равномерно». Этот принцип распространялся на интуитивно воспринимаемые скорости и на инерциальные системы отсчета. В 80-х гг. XIX в. Майкельсон и Морли обнаружили, что при скоростях, сравнимых со скоростью света (300000 км/с), нарушается классический закон сложения скоростей. В 1905 г. А.Эйнштейн предложил специальную теорию для решения этой проблемы. Он исходил из двух постулатов: 1. Все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны. 2. В любой системе отсчета скорость света в вакууме неизменно равна 300000 км/с. Были получены следующие выводы: - при движении происходит сокращение движущегося предмета; - при движении происходит замедление времени; - при движении происходит увеличение массы. Таким образом, специальная теория относительности утверждает, что не существует ни абсолютного времени, ни абсолютного пространства. В 1916 г. А. Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО). ОТО дает анализ пространственно-временного континуума. Теория относительности больше не ограничивается инерциальными системами координат. В основе теории лежит принцип эквивалентности. ОТО заменяет закон тяготения Ньютона на полевой закон тяготения, т.е. гравитационное взаимодействие можно рассматривать как результат искривления пространства – времени вокруг материальных тел. V. Структурные уровни организации материи Важнейшими атрибутами (существенными свойствами) материи являются структурность и системность. Они выражают упорядоченность существования материи и конкретные формы, в которых она проявляется. В неживой природе выделяют следующие структурные уровни организации материи: 10 - вакуум (поля с минимальной энергией); - поля и элементарные частицы; - атомы; - молекулы; - макроскопические тела; - планеты и планетные системы; - звезды и звездные системы; - галактики; - Метагалактика; - Вселенная. Традиционно эти уровни сводят к трем основным уровням: - микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни от бесконечности до 10-24 секунды; - макромир – мир макрообъектов, соизмеримых с человеком и его опытом; - мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет. Рационалистическое мировоззрение предполагает, что любое событие имеет причину и эта причина материальна. Поэтому любая программа объяснения окружающего мира включает в себя представление о механизме взаимодействия материальных объектов. Исторически сложилось два подхода: 1. Концепция дальнодействия предполагает, что взаимодействие материальных тел не требует материального посредника и может передаваться мгновенно. Например, в рамках механической картины мира подобным образом объяснялись электрические и магнитные явления. 2. Концепция близкодействия предполагает, что взаимодействие возможно только при непосредственном контакте взаимодействующих объектов, а любое действие на расстоянии должно происходить через материальных посредников. Хотя эта концепция берет свое начало от Аристотеля, всеобщее признание она получила после формирования электродинамики (Максвелл, Фарадей), прежде всего благодаря введению понятия «поля». Так как возмущение поля (волна) может одновременно рассматриваться как совокупность частиц (квантов поля), то взаимодействие, переносимое полем, можно представлять как процесс обмена квантами поля между взаимодействующими телами. Кванты, которыми обмениваются взаимодействующие тела, представляют собой виртуальные частицы, т.е. в отличие от реальных частиц, обнаружить их во время существования невозможно. 11 Известны четыре основных физических взаимодействия, определяющих структуру всего окружающего мира: - сильные взаимодействия происходят на уровне атомных ядер и представляют собой взаимное притяжение их составных частей, действующее на расстоянии 10-13 см; - электромагнитное взаимодействие в 100 – 1000 раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. При нем происходит испускание о поглощение фотонов; - слабые взаимодействия слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. За счет слабого взаимодействия светит солнце. При слабых взаимодействиях меняется заряд частиц; - гравитационные взаимодействия. Самое слабое из всех известных. Например, оно слабее силы взаимодействия электрических зарядов в 1040 раз. Однако эта сила определяет строение всей Вселенной: образование всех космических систем, существование планет, звезд, галактик, их циклы развития. В рамках микромира выделяют следующие классы элементарных частиц. В зависимости от массы покоя: - не имеющие массу покоя. Фотоны, движущиеся со скоростью света; - лептоны – легкие частицы. К ним относятся электрон и нейтрино; - мезоны – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона; - барионы – тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона. К ним относятся протоны, нейтроны, гипероны. В зависимости от заряда могут быть отрицательными, положительными либо нулевыми. Должны существовать также частицы с дробным электрическим зарядом – кварки. В зависимости от времени существования выделяют стабильные частицы – фотон, электрон, протон, нейтрино. Все остальные нестабильные, они существуют 10-10 – 10-24 с. Самые короткоживущие частицы называются резонансами. В зависимости от типа взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, они подразделяются: - на лептоны, участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях; - адроны, участвующие также и в сильном взаимодействии; - частицы – переносчики взаимодействий. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон, гравитационного – гравитон, слабого – три тяжелых бозона, сильного – глюоны. Не менее серьезным достижениям физика обязана исследованию материи на молекулярном уровне. В XIX в. формируется молекулярно-кинетическая теория, которая впервые показала несостоятельность механического детерминизма и плодотворность статистического, вероятностного подхода в отношении многочастичных систем. В XX в. выяснилось, что хаотическим 12 непредсказуемым поведением могут обладать и системы из микро-, макро- и мегамиров. Ситуация, когда поведение простой материальной системы невозможно предсказать из-за ее чувствительности к слабому изменению начальных условий, называется динамическим хаосом. Хаос отличают от беспорядка. Беспорядочным называют поведение, определяемое постоянно действующими факторами, которые мы не можем или не хотим учитывать. Например, броуновское движение частицы в жидкости – беспорядочно. Хаотическое же поведение возникает, когда все определяющие факторы известны, но воспользоваться этим знанием нельзя из-за чрезвычайной чувствительности расчетов к ошибкам. (Например, поведение земной атмосферы). Наиболее фундаментальные законы физики – это, как правило, законы сохранения той или иной физической величины (энергии, импульса, электрического заряда и т.д.). Сохранение, постоянство чего-либо означает эквивалентность прошлого и будущего, их полную симметричность. В классической физике только такие законы имели право на существование. Например, первое начало (закон) термодинамики – закон сохранения энергии утверждает, что изменение внутренней энергии тела равно получаемой энергии за вычетом работы, совершаемой телом. В середине XIX в. был открыт второй закон (начало) термодинамики, который утверждает о невозможности сохранения определенной физической величины. В другой формулировке: существует физическая величина – энтропия, которая в замкнутой системе с течением времени может только возрастать. Следствием этого закона можно считать утверждение о направленности времени. Л. Больцман предложил формулу для определения энтропии системы молекул: S = k lnW, где S – энтропия системы молекул, k – коэффициент пропорциональности (постоянная Больцмана), W – статистический вес данного макроскопического состояния системы. Статистический вес – это число способов, которым можно реализовать данное макроскопическое состояние системы. Получение веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами веществ относят к задачам, стоящим перед современной химией («основная двуединая проблема химии»). В истории самой химии выделяют четыре последовательно сменяющих друг друга этапа: - середина XX века – эволюционная химия; - XX век – учение о химических процессах; - XIX век – структурная химия; - XVII век – учение о составе вещества. В системе химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему естествознания. Концепция химического элемента появилась в химии благодаря стремлению человека обнаружить первый элемент природы. Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из 13 состава одного сложного тела в другое. Наиболее полные выводы из этой концепции были сделаны Д. И. Менделеевым, доказавшим, что свойства химического элемента зависят от его места в периодической системе. Сам Менделеев определял это место по атомной массе, но в XX в. было выяснено, что порядковый номер элемента зависит не от атомной массы, а от заряда атомного ядра и количества электронов. Сегодня выяснены особенности строения электронных орбиталей атомов всех элементов и особая роль внешнего электронного уровня атома, от количества электронов которых зависит реакционная способность элемента – химическая активность вещества. Она учитывает как разнообразие реакций, возможных для данного вещества, так и их скорость. Наиболее активными с химической точки зрения являются элементы, имеющие минимальную атомную массу и 6-7 электронов на внешнем электронном уровне (фтор, хлор, кислород). Также большой реакционной способностью отличаются металлы, обладающие большой атомной массой и имеющие 1-2 электрона на внешнем электронном уровне (барий, цезий). VI. Геосферы Земли Согласно современным космологическим представлениям, Земля образовалась примерно 4,5 млрд. лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого вещества, содержащего все известные элементы в природе. Ключевым вопросом геологического развития является вопрос о химической дифференциации земного вещества. На него пытаются ответить три теории. - Теория гомогенной аккумуляции О.Ю.Шмидта утверждает, что Земля возникла как квазиоднородная планета, химически относительно однородный шар. В то время планета представляла однородную смесь частиц железа, силикатов и сульфидов, распределенных по всему объему равномерно. В процессе аккумуляции также была захвачена часть газов – водород, углекислый газ, вода в газообразном состоянии. В период расплавления внешней сферы, которая возникла не только из-за падения метеоритов, но и из-за радиоактивного разогрева недр планеты, расплавленные массы вещества начали расслаиваться. При этом железо, обладающее вдвое большим удельным весом, чем силикаты, стекло в центр Земли, образуя ядро. Пластичные силикатные массы были выдавлены вверх, образовав мантию. - Теория гетерогенной аккумуляции утверждает, что Земля начала аккумулироваться в той последовательности, в которой происходила конденсация вещества из первичной туманности. Вначале преимущественно из металлических частиц сформировалось ядро. Остальные слои появлялись по мере остывания планеты и оседания на нее более поздних конденсатов – силикатных частиц. При этом начался быстрый радиоактивный разогрев Земли, способствующий резкому обособлению оболочек планеты. 14 - Теория частично гетерогенной аккумуляции утверждает, что резких перерывов в поступлении материалов, из которых образовался земной шар, не было. Разница в составе существовала лишь между центральными частями Земли и поверхностными частями мантии. Результатом дифференциации вещества Земли стало возникновение концентрических расположенных слоев – геосфер, различающихся химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. Центральную область планеты занимает ядро (самая глубокая геосфера). Средний радиус ядра составляет около 3500 км. Температура ядра достигает 4000С. Внешний слой ядра находится в жидком состоянии. Это объясняет наличие магнитного поля Земли и его вариаций (эффект динамо-машины). Мантия – наиболее мощная оболочка Земли, занимает 2/3 ее массы и большую часть объема. Выделяют два слоя – нижний и верхний. Данные о химическом составе мантии получены на основании анализов наиболее глубинных магматических горных пород, поступивших в верхние горизонты в результате мощных тектонических поднятий. Материал верхней мантии собран со дна различных участков океана. Температура мантии составляет около 2500C. В расплавленном состоянии находится астеносфера – нижняя часть верхней мантии. Это подстилающий верхнюю мантию и литосферу слой. Литосфера как бы «плавает» в нем. Литосфера – это земная кора с частью подстилающей ее мантии, которая образует слой толщиной порядка 100 км. В верхней части она слагается с гранитами, в нижней – базальтами. Средняя мощность континентальной коры – 35 км. На дне океана гранитный слой отсутствует и земная кора состоит только из базальтового слоя. Ее мощность – 5-10 км. Кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном слагается из восьми химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанном состоянии, главным образом в виде оксидов металлов. Поверхность Земли сложилась из литосферных плит, число и положение менялось от эпохи к эпохе. Плита – это вся масса коры и подстилающей мантии, которая движется по поверхности Земли. Сегодня выделяют 8-9 больших плит и более 10 малых. Плиты медленно перемещаются горизонтально (глобальная тектоника плит). В основе работы геотектонического механизма лежит продолжающийся процесс дифференциации вещества Земли. На границе между мантией и ядром за счет высокой температуры происходят химические процессы, похожие на те, что человек использует в металлургических печах: из соединений железа восстанавливается чистое железо. Тяжелое железо тонет, а более легкий «шлак», образующийся в тех же реакциях, всплывает вверх к земной коре. Таким образом, возникает конвекция, т.е. нагретая жидкость расширяется, становится легкой и стремится всплыть вверх. На смену опускаются более холодные и плотные слои. Восходящие и нисходящие потоки мантии пространственно разделены. Поэтому у верхней ее границы, под земной корой, возникают 15 горизонтальные потоки, направленные от точек выхода восходящих движений к зонам опускания вещества. На этих горизонтальных потоках скользят плиты, на которых расположены материки Земли. Таким образом, всю мантию можно представить себе как систему конвективных ячеек, в каждой из которых вдоль одной стенки вещество поднимается из недр и течет вдоль поверхности к другой стенке. На поверхности литосферы в результате совокупной деятельности ряда факторов возникает почва. В.В. Докучаев назвал почвой наружные горизонты горных пород, естественно измененных совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов, включая их остатки. Изучение функции литосферы имеет большое значение в практической деятельности человека. Основными экологическими функциями являются: - ресурсная функция заключается в ее потенциальной способности обеспечения потребностей экосистем абиотическими ресурсами, в том числе и потребности человека в тех или иных полезных ископаемых. Прежде всего, это энергоресурсы; - геодинамическая функция проявляется в ходе различных геологических процессов, влияющих на различные экосистемы, в том числе и человеческое общество (природные геологические, техногенные); - геохимическая функция заключается в ее активном участии в процессах круговорота веществ в природе. В зависимости от способа перемещения веществ в природе выделяют механическую, физикохимическую и техногенную миграцию. Гидросфера – водная оболочка Земли включает в себя Мировой океан, пресные воды рек и озер, ледниковые и подземные воды. Атмосфера – воздушная оболочка Земли, окружающая ее и вращающаяся вместе с ней. Она состоит из воздуха – смеси газов, состоящей из 78% азота, 21% кислорода, а также инертных газов, водорода, углекислого газа, паров воды, на которые приходится около 1% объема воды. Масса атмосферы составляет 5,151018 кг. Вес этого воздуха, давящего на нас, называют атмосферным давлением. Среднее атмосферное давление на поверхности Земли равно 1 атм., или 760 мм рт. ст. Неоднородность атмосферы вызывает перемещение воздушных масс, что приводит к появлению ветров. Основная масса воздуха перемещается от экватора к полюсам. В атмосфере Земли выделяют: - тропосферу – нижний слой атмосферы, определяющий погоду на нашей планете. Его толщина – 10-18 км. С высотой давление падает, и температура опускается до -55C. В тропосфере содержится основное количество водяных паров, образуются облака, и формируются все виды осадков; - стратосферу – простирается до 50 км в высоту; - ионосферу – часть атмосферы начинается с высоты 50 км и состоит из ионов – электрически заряженных частиц воздуха. Ионизация воздуха происходит под действием солнца; 16 - мезосферу - начиная с 80 км, происходит поглощение озоном, водяным паром и углекислым газом ультрафиолетовой радиации Солнца; - термосферу – на высоте 90-400 км происходят основные процессы поглощения и преобразование солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучений; - экзосферу – от 450-800 до 2000-3000 км. В ней содержатся атомарный кислород, гелий, водород. Результатом саморегулирующихся процессов в атмосфере Земли является климат нашей планеты, т.е. состояние погоды какого-то региона за длительный промежуток времени. Магнитосфера – самая внешняя и протяженная оболочка Земли. Она представляет собой область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения. Магнитное поле Земли не является неизменным, т.е. его полярность уже менялась несколько раз. Все геосферы Земли тесно взаимодействуют друг с другом путем непрерывного обмена веществом и энергией и в совокупности представляют географическую оболочку планеты. Ее целостность обеспечивается за счет энергии Солнца и внутренней энергии Земли. Помимо вертикального строения географической оболочки Земли, рассмотренного выше, выделяют ее горизонтальную структуру – физико-географические (природные) пояса планеты. Они отличаются друг от друга тепловым режимом, особенностями циркуляции воздушных масс и морских течений, а также составом флоры и фауны. Выделяют: экваториальный, субэкваториальные, тропические, субтропические, умеренные, субарктический и арктический пояса. VII. Современные концепции биологии В настоящее время в комплекс биологических наук входит множество частных биологических дисциплин, которые структурируются по нескольким основаниям: - по объектам исследования в биологии выделяют вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию и др.; - по свойствам и проявлениям живого выделяют: морфологию – науку о строении живых организмов; физиологию – науку о функционировании живых организмов; молекулярную биологию – науку о микроструктуре живых тканей в клетке; генетику – науку о наследственности и изменчивости; экологию – науку об образе жизни растений, животных и человека в их взаимосвязи с окружающей средой и др.; - по уровню организации исследуемых живых объектов выделяются: анатомия – наука о макроскопическом строении организмов; гистология – наука о строении тканей организма; цитология – наука о строении живой клетки и т.д. 17 В отличие от физики и химии биология еще не имеет собственной научной картины мира, но позволяет определиться с основными структурными уровнями жизни. Как правило, выделяют: атомарный, молекулярный, клеточный, тканевой, органный, онтогенетический (организменный), популяционный, видовой, биоценотический, биогеоценотический, биосферный уровни. По аналогии со структурой неживой природы можно выделить четыре основных уровня исследования жизни. 1. Молекулярно-генетический уровень – уровень белков, нуклеиновых кислот и связанных с ними процессов, на котором элементарными структурными единицами являются гены. На этом уровне исследуются механизмы передачи генной информации, наследственности, изменчивости, а также процессы эволюции и вопросы происхождения и сущности жизни. 2. Онтогенетический уровень – на этом уровне изучается жизнедеятельность отдельных биологических индивидов (прокариотов и эукариотов). Под онтогенезом понимают саморегулирующуюся иерархическую систему, определяющую согласованную реализацию наследственных признаков и функций, осуществляемых в пределах автономной живой особи. 3. Популяционно-биоценотический уровень – это надорганизменный уровень жизни, подразумевающий, что особи в природе не изолированы друг от друга, а объединены в различные биосистемы. Важнейшими такими системами являются: - популяция – совокупность особей одного вида, населяющих определенную территорию, свободно скрещивающихся между собой и частично или полностью изолированных от других особей своего вида. Сам вид существует только через популяции, представляющие генетически закрытые системы; - биоценоз – сообщество организмов разных видов, населяющих определенную территорию. Биоценозы состоят из нескольких популяций. 4. Биосферный уровень – это надорганизменный уровень биогеоценозов живого вещества и биосферы земли. Биогеоценоз (экосистема) – взаимообусловленный комплекс живых и абиотических (неживых) компонентов, связанных между собой веществом и энергией. Живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов планеты, включая человека) и преобразованная им окружающая среда называется биосферой. Современную научную картину мира во многом определяет глобальный эволюционизм, исторически сформировавшийся в биологии. Современная трактовка эволюции в биологии отождествляется с синтетической теорией эволюции (естественный отбор и генетика). В работах Р. Фишера, Дж. Б. С. Холдейна, Н. П. Дубинина и др., с использованием генетических законов и математических методов была поставлена задача объяснения микроэволюции, т.е. элементарных процессов, приводящих к возникновению нового вида, и были получены первые результаты ее решения. Обобщения этих результатов и увязка их с достигнутыми успехами в 18 понимании макроэволюции (эволюции, приводящей к изменению родов, отрядов), выполненные Дж. Хаксли, Ф. Добжанским, Н. В. ТимофеевымРесовским и др., позволили, обогатив дарвиновское учение новыми идеями, создать синтетическую теорию эволюции (СТЭ). Основные положения классической СТЭ перечислены ниже. 1. Каждый биологический вид имеет сложную, иерархическую структуру. Основная структурная единица вида – популяция. 2. Замкнутость и целостность вида поддерживаются его репродуктивной изоляцией: особи одного вида могут скрещиваться и давать потомство, особи разных видов - как правило, нет. При скрещивании происходит комбинирование генов родительских особей, благодаря чему внутри вида поддерживается общий поток генов. 3. Генофонд вида постоянно пополняется новыми генами, возникающими в результате мутации. 4. Помимо мутаций, генофонд популяции может изменяться благодаря колебаниям численности особей, приводящих к генетическому дрейфу. 5. Изменение генофонда вида благодаря мутациям и колебаниям численности - чисто случайный, ненаправленный процесс. Единственный направляющий фактор эволюции – естественный отбор. 6. Существуют различные формы отбора. Движущий отбор возникает вследствие изменения внешних условий и поощряет отклонения от нормы в определенном направлении. Разрывающий (дизруптивный) отбор возникает, когда особи с отклонениями от нормы как в одну, так и в другую сторону оказываются лучше приспособленными, чем особи со средними характеристиками. Стабилизирующий отбор отсевает отклонения от найденной в ходе эволюции оптимальной формы. 7. Наименьшая структурная единица живого, которая может эволюционировать, - популяция (а не особь). В качестве элементарного эволюционного процесса рассматривается не изменение анатомии и физиологии живого организма, а изменение генного состава популяции. 8. Эволюция носит дивергентный характер, т.е. в отличие от большинства организмов каждый вид происходит от единственного предкового вида. Сам же он может стать предком нескольких разных видов. 9. Макроэволюция, т. е. возникновение родов, отрядов и классов идет лишь путем микроэволюции – путем возникновения новых видов. 10.Эволюция непредсказуема и не имеет какой-либо конечной цели (нетелеологична). 19 Современная биосфера является результатом длительной эволюции всего органического мира и неживой природы нашей планеты. Для В. И. Вернадского было очевидным, что биосфера под влиянием разумной человеческой деятельности переходит в качественно новое состояние. Это новое состояние биосферы, преобразованной человеческой мыслью и трудом, он назвал ноосферой. Ее характеристикой является поддержание глобального равновесия системы на основе оптимального сочетания социально-исторических и естественно-природных законов. Из стихийного формирования ноосферы человечество должно осознать задачи и сознательно выработать стратегию и тактику ее дальнейшего развития. Вернадский сформулировал необходимые предпосылки для создания ноосферы: 1. Человечество стало единым целым; 2. Преобразование средств связи и обмена информацией; 3. Реальное равенство людей как необходимое условие ноосферы; 4. Поднятие общего уровня жизни и влияние народных масс на ход государственных и общественных дел; 5. Развитие энергетики, открытие и использование новых видов энергии для подъема уровня жизни; 6. Исключение войн из жизни общества. Таким образом, ноосферу следует рассматривать как высшую стадию развития биосферы, связанную с возникновением и развитием в ней человеческого общества, которое, познавая законы природы, становится крупнейшей планетарной силой, превосходящей по своим масштабам все известные геологические процессы. Доказанный феномен космической и биологической эволюции, на первый взгляд, случайный, вынуждает многих ученых спрашивать себя о последних основаниях эволюционного ортогенеза, об условиях его возможности, о причинах и цели биогенеза и, прежде всего, о целях и способах существования антропогенеза. Было замечено, что если бы начальные условия были несколько иными и, в первую очередь, если бы физические константы не подверглись тщательному «отбору» или имели слегка иные параметры, то жизнь не смогла бы возникнуть, или погибла бы, или, во всяком случае, не привела бы в своем развитии к появлению человека. Вся эта совокупность проблем обозначается одним родовым названием: антропный принцип, - термином, введенным в 1974 г. Б.Картером. Он заметил, что естественная структура космических объектов функционирует на основании определенных физических констант. Их значимость настолько велика, что случайная вариация в них, даже небольшая, повлекла бы за собой огромные изменения в структуре космического целого. В результате стало бы невозможным развитие форм жизни, а значит, и человека, независимо от способностей таких форм приспосабливаться к условиям среды. Это значит, что биологическая структура зависит от универсальной космологической ситуации; другими словами, что жизнь возникла и существует благодаря постоянной и сложнейшей комбинации природных констант. Только такая комбинация 20 обеспечивает Вселенной. саму возможность наличия биологической структуры во YIII. Темы рефератов 1. Что такое наука? Ее основные черты и отличия от других отраслей культуры. 2. Что такое естествознание и его отличия от других циклов наук? 3. Классификация естественных наук. 4. Структура естественнонаучного познания. 5. Общенаучные и конкретно-научные методы исследования. 6. Научные революции в XX веке. 7. Теория познания и современное естествознание. 8. Основные методологические концепции развития современного естествознания. 9. Современная научная картина мира. 10.Этические проблемы естествознания. 11.Перспективы естественнонаучного познания. 12.Концепции сциентизма и антисциентизма. 13.Место и роль науки в общественной жизни современного человека. 14.Связь современного естественнонаучного познания с техникой. 15.Экологическое значение естествознания. 16.Роль математики в современном естествознании. 17.Модель Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной. 18.Происхождение и развитие галактик и звезд. 19.Происхождение Солнечной системы. 20.Проблемы происхождения и развития Земли. 21.Основные положения глобальной тектоники. 22.Главные выводы специальной и общей теории относительности. 23.Современные проблемы квантовой механики. 24.Значение синергетики для современного естественнонаучного познания. 25.Общенаучное значение понятия энтропии. 26.Современные представления о пространстве и времени. 27.Характеристика основных физических взаимодействий. 28.Основные проблемы современной химии. 29.Проблема сущности живого и его отличия от неживой материи. 30.Естественнонаучные модели происхождения жизни. 31.Основные проблемы генетики и роль воспроизводства в развитии живого. 32.Основные проблемы синтетической теории эволюции. 33.Основные проблемы экологии и роль среды для жизни. 34.Закономерности развития экологических систем. 35.Учение о биосфере В.И.Вернадского. 36.Организация и самоорганизация в живой природе. 21 37.Основные проблемы социобиологии. 38.Концепция ноосферы и ее научный статус. Рекомендуемая литература 1.Анфилов Г.Б. Бегство от удивлений / Г.Б Анфилов.- М., 1974. Барашенков В.С. Вселенная в электроне / В.С. Барашенков.- М., 1988. Бриллюэн Л. Наука и теория информации / Л. Бриллюэн.- М., 1960. Веденов А.А. Моделирование элементов мышления / А.А. Веденов.- М., 1988. 5. Вернадский В.И. Начало и вечность жизни / В.И. Вернадский.- М., 1989. 6. Войткевич Г.В. Рождение Земли / Г.В. Войткевич. - Ростов н/Д, 1996. 7. Воронков Н.А. Экология общая, социальная, прикладная / Н.А Воронков.М., 1999. 8. Гарднер М. Теория относительности для миллионов / М. Гарднер. - М., 1967. 9. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие, практикум, хрестоматия / А.А. Горелов. - М., 1999. 10.Горелов А.А. Экология / А.А. Горелов. - М., 1998. 11.Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: Учебник / Т.Г. Грушевицкая, А.П. Садохин. - М., 2005. 12.Девис П. Суперсила. Поиски единой теории природы / П. Девис.- М., 1989. 13.Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник/ Т.Я.Дубнищева.- Новосибирск, 1997. 14.Ичас М. О природе живого: механизм и смысл / М.Ичас.- М., 1994. 15.Лоренц К. Агрессия (так называемое «зло»)/ К.Лоренц.- М., 1994. 16.Миклин А.М. Эволюционная теория: век XX / А.М.Миклин.- СПб., 1999. 17.Моисеев Н.Н. Расставание с простотой / Н.Н.Моисеев.- М., 1998. 18.Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная / И.Д.Новиков,- М., 1988. 19.Новиков И.Д. Эволюция Вселенной /И.Д.Новиков.- М., 1990. 20.Пригожин И., Стингерс И. Время, хаос, квант. К решению парадокса времени / И.Пригожин, И.Стигерс. - М., 2000. 21.Пригожин И., Стингерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой / И.Пригожин, И.Стигерс. - М., 2000. 22.Ребане К.К. Энергия, энтропия, среда обитания / К.К.Ребане.- М., 1984. 23.Реймерс Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы)/ Н.Ф.Ремерс.- М., 1994. 24.Роуз С. Устройство памяти. От молекул к сознанию / С.Роуз.- М., 1995. 25.Рузавин Г.И. Методология научного исследования / Г.И.Рузавин.- М., 1999. 26.Свиридов В.В. Концепции современного естествознания/ В.В.Свиридов.Воронеж, 2002. 27.Седов Е.А. Одна формула и весь мир. Книга об энтропии / Е.А.Седов.- М., 1982. 28.Современное естествознание в системе науки и практики М., 1990. 1. 2. 3. 4. 22 29.Федер Е. Фракталы /Е.Федер,- М., 1991. 30.Хазен А.М. О возможном и невозможном в науке /А.М.Хазен.- М., 1988. 31.Хакен Г. Синергетика /Г.Хакен.- М., 1980. 32.Югай Г.А. Общие теории жизни/ Г.А.Югай.- М., 1985. 33.Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение/А.В.Яблоков, А.Г.Юсуфов.- М., 1998.
