Реферат: Концепции современного естествознания
Содержание
1. Созданиеэволюционной теории Ч. Дарвина (1859)
2. Хромосомная теория наследственности Г. Н. Менделя (1863)
3. Законы:Аксиома борьбы за существование. Закон неуничтожаемости энергии
Списоклитературы
1.Создание эволюционной теории Ч. Дарвина (1859)
Теория Чарлза Дарвина,известная под названием теории естественного отбора, является одной из вершиннаучной мысли XIX в. Однако ее значение выходит далеко за пределы своего века иза рамки биологии: теория Дарвина стала естественно-исторической основойматериалистического мировоззрения. Теория Дарвина противоположна теорииЛамарка не только по своим последовательно материалистическим выводам, но и повсему своему строю. Она представляет собой замечательный образец научногоисследования, основываясь на огромном количестве достоверных научных фактов,анализ которых ведет Дарвина к стройной системе соразмерных выводов. Данные дляобоснования своей теории Дарвин собирал в течение многих лет. Первый очерктеории был написан уже в 1842 г., но (поразительный пример научной осторожностии добросовестности!) не был опубликован в течение многих лет, на протяжениикоторых Дарвин продолжал собирать и анализировать новые данные. Великий трудДарвина «Происхождение видов путем естественного отбора или сохранениеблагоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» вышел в свет лишь в 1859 г.
Изменчивостьорганизмов в одомашненном состоянии
Прежде всего Дарвинсобрал многочисленные доказательства изменяемости видов животных и растений. Ковремени Дарвина практикой селекционеров были созданы многочисленные породыразличных домашних животных и сорта сельскохозяйственных растений. Посколькуработа селекционеров, ведущая к изменению породных и сортовых качестворганизмов, была сознательной и целенаправленной и было очевидно, что покрайней мере многие из пород домашних животных созданы этой деятельностью вотносительно недавнее время, Дарвин обратился к изучению изменчивостиорганизмов в одомашненном состоянии.
Прежде всего важен былсам факт изменений животных и растений под влиянием одомашнивания и селекции,что, собственно говоря, уже является доказательством изменяемости видоворганизмов.
Искусственный отбор
Так как основной формойизменчивости, по Дарвину, является неопределенная, очевидно, что признаниянаследственной изменчивости организмов было еще недостаточно для объясненияпроцесса выведения новых пород животных или сортов сельскохозяйственныхрастений. Необходимо было указать еще силу, которая на основе незначительныхразличий особей формирует устойчивые и важные породные признаки. Ответ на этотвопрос Дарвин нашел в практике селекционеров, которые производят искусственныйотбор на племя только тех особей, которые обладают интересующими человекапризнаками. В результате такого отбора от поколения к поколению эти признакистановятся все более ярко выраженными. Отбор представляет собой творческуюсилу, преобразующую частные различия отдельных особей в признаки, характерныедля данной породы или сорта.
Изменчивостьорганизмов в природе
Дарвин собралмногочисленные данные, свидетельствующие о том, что изменчивость самыхразличных видов организмов в природе очень велика, а ее формы принципиальносходны с формами изменчивости домашних животных и растений.
Разнообразные иколеблющиеся различия между особями одного вида образуют как бы плавный переходк более устойчивым различиям между разновидностями этого вида; в свою очередь,последние столь же постепенно переходят в более четкие различия еще болеекрупных группировок — подвидов, а различия между подвидами — во вполнеопределенные межвидовые различия. Таким образом, индивидуальная изменчивостьплавно переходит в групповые различия. Из этого Дарвин сделал вывод, чтоиндивидуальные различия особей представляют собой основу для возникновенияразновидностей. Разновидности при накоплении различий между ними превращаются вподвиды, а те, в свою очередь, — в отдельные виды. Следовательно, ясновыраженная разновидность может рассматриваться как первый шаг к обособлениюнового вида (разновидность — «зачинающийся вид»).
Дарвин считал, что междувидом и разновидностью нет качественной разницы — это лишь разные этапыпостепенного накопления различий между группами особей разного масштаба.
Большей изменчивостьюхарактеризуются более широко распространенные виды, обитающие в болееразнообразных условиях. В природе так же, как и в одомашненном состоянии,основной формой изменчивости организмов является неопределенная, служащаяуниверсальным материалом для процесса видообразования.
Борьба засуществование и естественный отбор
Сопоставляя все собранныесведения об изменчивости организмов в диком и прирученном состоянии и о ролиискусственного отбора для выведения пород и сортов одомашненных животных ирастений, Дарвин подошел к открытию той творческой силы, которая движет инаправляет эволюционный процесс в природе, — естественного отбора.«Так как рождается гораздо более особей каждого вида, чем, сколько ихможет выжить, и так как, следовательно, постоянно возникает борьба засуществование, то из этого вытекает, что всякое существо, которое в сложных инередко меняющихся условиях его жизни, хотя незначительно, изменится внаправлении, для него выгодном, будет иметь более шансов выжить и, такимобразом, подвергнется естественному отбору. В силу строгого принципанаследственности отобранная разновидность будет стремиться размножаться в своейновой и измененной форме». Другими словами, естественный отбор, илипереживание наиболее приспособленных, представляет собой сохранение полезныхиндивидуальных различий или изменений и уничтожение вредных. Изменения,нейтральные по своей ценности (неполезные и невредные), не подвергаютсядействию отбора, а представляют непостоянный, колеблющийся элементизменчивости.
Результаты действияестественного отбора
Естественный отборявляется неизбежным результатом борьбы за существование и наследственной изменчивостиорганизмов. По Дарвину, естественный отбор представляет собой важнейшуютворческую силу, которая направляет эволюционный процесс и закономернообусловливает возникновение приспособлений организмов, прогрессивную эволюцию иувеличение разнообразия видов.
Возникновение приспособлений(адаптации) организмов к условиям их существования, придающее строениюживых существ черты «целесообразности», является непосредственнымрезультатом естественного отбора, поскольку самая сущность его — дифференцированное выживание и преимущественное оставление потомства именнотеми особями, которые в силу своих индивидуальных особенностей лучше другихприспособлены к окру-жаюшим условиям. Накопление отбором от поколения кпоколению тех признаков, которые дают преимущество в борьбе за существование, иприводит постепенно к формированию конкретных приспособлений.
Перечислим важнейшиеположения терии Дарвина:
1. Организмам как вприрученном, так и в диком состоянии свойственна наследственная изменчивость.Наиболее обычной и важной формой изменчивости является неопределенная. Стимуломдля возникновения изменчивости организмов служат изменения внешней среды, нохарактер изменчивости определяется спецификой самого организма, а ненаправлением изменений внешних условий.
2. В центре вниманияэволюционной теории должны находиться не отдельные организмы, а биологическиевиды и внутривидовые группировки (популяции).
3. Все видыорганизмов в природе вынуждены вести жестокую борьбу за свое существование.Борьба за существование для особей данного вида складывается из ихвзаимодействия с неблагоприятными биотическими и абиотическими факторамивнешней среды, а также из их конкуренции между собой. Последняя являетсяследствием тенденции всякого вида к безграничному размножению и огромного «перепроизводства»особей в каждом поколении. По Дарвину, важнейшей является именно внутривидоваяборьба.
4. Неизбежнымрезультатом наследственной изменчивости организмов и борьбы за существованиеявляется естественный отбор — преимущественное выживание и обеспечениепотомством лучше приспособленных особей. Хуже приспособленные организмы (ицелые виды) вымирают, не оставляя потомства.
5. Следствиямиборьбы за существование и естественного отбора являются: развитиеприспособлений видов к условиям их существования (обусловливающее«целесообразность» строения организмов), дивергенция (развитие отобщего предка нескольких дочерних видов, все большее расхождение их признаков вэволюции) и прогрессивная эволюция (усложнение и усовершенствованиеорганизации).
6. Частным случаеместественного отбора является половой отбор, который обеспечивает развитиепризнаков, связанных с функцией размножения.
7. Породы домашнихживотных и сорта сельскохозяйственных растений созданы посредствомискусственного отбора, аналогичного естественному отбору, но ведущегосячеловеком в своих интересах.
2.Хромосомная теория наследственности Г. Н. Менделя (1863)
Дарвин понимал, что для создания теории эволюции необходимо знание законов наследственности. Ко времени издания «Происхождения видов» Дарвина науке ничего не было известно о наследовании признаков. Согласно взглядам Дарвина на наследственность считалось, что некое вещество, образуемое каждым из родителей, необратимо смешивается в потомстве, что и определяет развитие определенных признаков у последующих поколений. Исходя из этого считалось, что внук имеет смешанную наследственность. Состоящую на одну четверть из вещества (или " крови"), полученного от деда и бабки. И только Грегор Мендель заложил основы современной теории наследственности, или как её называют сейчас, генетики.
Принципы менделевской теории наследственности.
Менделевская наследственность объединяет пять основных принципов, два из которых он сформулировал в виде законов.
- Наследственность дискретна, и за исключением половых хромосом, вклад каждого из родителей в свое потомство равноценен. Материал, определяющий наследственные свойства, передается потомству сперматозоидом и яйцеклеткой и не смешивается. Наследственный материал представляет собой набор дискретных частиц, называемый генами. Гены – это гигантские молекулы, определяющие своим строением и взаимодействием с другими аналогичными молекулами природу наследственных признаков.
- Наследственные признаки не «загрязняют» друг друга. Гены, полученные потомством от родителей, составляют пары, причем таких пар в организме может быть тысячи. Гены передаются в том же виде, в котором они существовали у предков.
- При скрещивании двух чистопородных организмов, различающихся по паре контрастирующих признаков, первое поколение, как правило, обладает признаками одного из родителей. Таким образом, исходные (дедовские) формы вновь выявляются во втором поколении, или, как сейчас говорят, выщепляются. Это первый закон Менделя, подтверждающий вышеизложенное второе положение, называемый законом расщепленя.
- Если скрестить организмы, различающиеся по двум или большему числу пар контрастирующих признаков, то во втором поколении эти признаки распределяются совершенно независимо друг от друга. Это правило получило название закон независимого распределения.
- Пятым принципом теории наследственности Менделя доказывалась исключительная стабильность генов. Гены редко претерпевают изменения (мутируют) с образованием разнообразных форм (мутантов). Эти изменения могут вызывать появление новых наследственных признаков. Из 50 000 тысяч половых клеток только одна из них будет нести мутационное изменение по какому-либо гену. Значительная часть половых клеток будет нести, по крайней мере, одну новую мутацию.
Доминантность наследственных признаков.
Прежде чем говорить о доминантности, следует раскрыть следующие понятия: аллели, гомозиготы, гетерозиготы.
Гены, контролирующие наследственные свойства, заключены в хромосомах. Хромосомы парные, поэтому каждый ген в клетке представлен дважды, по одному в каждой хромосоме и в том же месте хромосомы. Гены, расположенные в одном и том же месте хромосомы называются аллеморфами (аллелями). Они могут быть одинаковыми, а могут различаться. Организм, имеющий пару одинаковых аллельных генов, называется гомозиготным. Организм, несущий два различных аллеморфа, называется гетерозиготным.
Мендель работал с двумя чистыми линиями гороха: одна из которых с зелеными семенами gg, а другая с желтыми GG. (gg – рецессивный признак зеленых семян, GG – доминантный признак желтых семян). По внешнему виду образуется два вида типа семян в отношении 3 желтых к 1 зеленому. Фенотипом называется совокупность признаков, которыми обладает организм, а генетический состав, определяющий эти признаки, называется генотипом. В менделевском скрещивании имеется только два разных фенотипа во втором поколении в отношении 3 желтых к 1 зеленому, но три генотипа в отношении 1GG: 2Gg:1gg.
При скрещивании из двух чистых линий, различающих признаков, можно определить доминантность одного из признаков по расщеплению во втором поколении. Если один из признаков доминирует, то мы получим два фенотипа в отношении 3: 1, где особей с доминантным признаком большинство. Но при отстутствии доминантности будет расщепление в отношении 1: 2: 1, где большинство гетерозигот. В приведенной схеме 1 даны результаты возвратного скрещивания, где соотношение гетерозигот к гомозиготам равно 1: 1.
3.Законы: Аксиома борьбы за существование. Закон неуничтожаемости энергии
Аксиома борьбы засуществование
Как Дарвин, так и Уоллесв теории естественного отбора ставили главный акцент на индивидуальноеприспособление особи, позволяющее ей выйти победителем в борьбе засуществование. Ясно, что в этом случае нельзя обойти роли простого случая. Независимоот хорошего приспособления, особь может погибнуть в результате простогостечения обстоятельств. В сумме, однако, большинство особей выживает благодарятому, что они соответствующим образом приспособились к условиям жизни. Другимисловами, не все особи имеют одинаковые шансы остаться в живых, то естьотмечается дифференцированное выживание особей (differential survival) взависимости от их фенотипических и генотипических свойств.
Дарвин правильно считал,что выжившая особь имеет возможность оставить потомство и передать ему теполезные признаки, которые обеспечили данной особи победу в конкуренции сдругими особями того же самого и других видов. Вскоре Спенсер ввел понятиевыживания наиболее приспособленных, и этот термин завоевал себе право гражданства,а Дарвин пользовался им позже как синонимом естественного отбора.
Современная теорияестественного отбора ввела, однако, и в этом пункте существенные поправки впервоначальную теорию дарвинизма. Прежде чем приступить к разбору следующихвопросов современной теории естественного отбора, следует остановитьсянесколько ближе на вопросе о том, какую особь, с точки зрения эволюции, можноназвать соответственно приспособленной.
Вопрос приспособленияхорошо представлен в публикациях Т. Добржанского, на которых основываем нашанализ этого понятия. В какой бы то ни было популяции, живущей в постоянныхусловиях, общий запас ее генов, то есть генофонд, подвергается лишьнезначительным изменениям. В результате наследственной изменчивости,заключающейся главным образом в рекомбинации генов, возникают разные генотипы.Не все они, однако, могут в равной мере передать следующим поколениям своинаборы генов. Одни из них вообще не размножаются, другие же производят меньшепотомства, чем третье. Таким образом, между ними имеет место различнаяспособность к размножению, которую англосаксы называют «differentialfertility», то есть дифференцированная плодовитость.
Этим путем некоторыенаборы генов постоянно элиминируются из популяции, а другие особи вопределенной степени передают свои гены потомству. Ясно, что если в такойпопуляции путем мутации возникнут гены, которые расстроят способность кразмножению обладающих ими особей, эти особи или вообще не будут размножаться,или количество потомства их будет очень ограниченным. В результате эти вредныегены будут отброшены из популяции. Отсюда важным показателем приспособленияособи, или его эволюционной приспособленности, явится способность производитьбольшое количество потомства, которое достигает половой зрелости и в свою очередьпроизведет следующее поколение. В оценке приспособления имеет значение нетолько индивидуальные свойства особи, как физическая сила или агрессивность, нои половая активность. Если раньше основное внимание обращали на дифференцированноевыживание, то в настоящее время, прежде всего, принимаем во вниманиедифференцированную плодовитость.
Закон неуничтожаемостиэнергии
Важнейшим достижениеместествознания является установление закона сохранения энергии. Значение этогозакона выходит далеко за рамки частного физического закона. Вместо с закономсохранения масс этот закон образует краеугольный камень научногоматериалистического мировоззрения, выражая факт неуничтожаемости материи идвижения. Собственно, философские предпосылки для такого утверждения уже имелисьналицо. Они были и у античных философов, особенно атомистов, и у Декарта, иособенно конкретно и отчетливо просматривались у Ломоносова.
В 1807 году членПарижской Академии наук французский физик и химик Жозеф Луи Гей-Люссак, изучаясвойства газов, поставил опыт. До этого уже было известно, что сжатый газ,расширяясь, охлаждается. Ученый предположил, что это может происходить потому,что теплоемкость газа зависит от его объема. Он решил проверить это. Гей-Люссакзаставил газ расширяться из сосуда в пустоту, т.е. другой сосуд, из которогобыл предварительно откачан воздух.
К удивлению всех ученых,наблюдавших за опытом, никакого понижения температуры не произошло, температуравсего газа не изменилась. Полученный результат не оправдал предположенияученого, и он не понял смысла опыта. Гей-Люссак сделал крупное открытие и несмог его заметить.
Очень важную роль вразвитии учения о превратимости сил природы сыграли исследования русскогоученого Эмиля Христиановича Ленца, примыкающие в этом отношении к исследованиямФарадея. Его замечательные работы по электричеству имеют явную энергетическуюнаправленность и существенным образом содействовали укреплению закона. Поэтомус полным правом Ленц занимает одно из первых мест в плеяде творцов иукрепителей закона сохранения энергии.
Первым точносформулировал этот великий закон естествознания немецкий врач Роберт Майер.
Роберт Юлий Майер(1814-1878) родился в Гейльбронне в семье аптекаря. По окончании средней школыМайер поступил в Тюбингенский университет на медицинский факультет. Здесь он неслушал математических и физических курсов, но зато основательно изучил химию уГмелина. Закончить университет в Тюбингене без перерыва ему не удалось. Заучастие в запрещенной сходке он был арестован. В тюрьме Майер объявил голодовкуи на шестой день после ареста был освобожден под домашний арест. Из ТюбингенаМайер уехал в Мюнхен, затем в Вену. Наконец, в январе 1838 года ему разрешиливернуться на родину. Здесь он сдал экзамены и защитил диссертацию.
Вскоре Майер принялрешение поступить на голландский корабль, отправляющийся в Индонезию, вкачестве судового врача. Это путешествие сыграло важную роль в его открытии.Работая в тропиках, он заметил, что цвет венозной крови у жителей жаркогоклимата более яркий и алый, чем темный цвет крови у жителей холодной Европы.Майер правильно объяснил яркость крови у жителей тропиков: вследствие высокойтемпературы организму приходится вырабатывать меньше теплоты. Ведь в жаркомклимате люди никогда не мерзнут. Поэтому в жарких странах артериальная кровьменьше окисляется и остается почти такой же алой, когда переходит в вены.
Если количество теплотыизменяется, то работа и теплота обязаны своим происхождением одному и тому жеисточнику — окисленной в организме пище. Ведь работа и теплота могут превращатьсяодна в другую. Эта идея сразу дала возможность Майеру сделать ясным изагадочный опыт Гей-Люссака.
Если теплота и работавзаимно превращаются, то при расширении газов в пустоту, когда он не производитникакой работы, так как нет никакой силы давления, противодействующейувеличению его объема, газ и не должен охлаждаться. Если же при расширении газаему приходится производить работу против внешнего давления, то его температурадолжна понижаться. Но если теплота и работа могут превращаться друг в друга,если эти физические величины сходные, то возникает вопрос о соотношении междуними.
Майер понял, что этаразность в теплоте обусловлена тем, что газ, расширяясь, совершает работу.Работу одного моля расширяющегося газа при нагревании на один градус определитьнетрудно. Любой газ при малой плотности можно считать идеальным — его уравнениесостояния было известно. Если нагреть газ на один градус, то при постоянномдавлении его объем возрастет на некую величину.
Таким образом, Майернашел, что для любого газа разность теплоемкости газа при постоянном давлении итеплоемкости газа при постоянном объеме есть величина, называемая газоваяпостоянная. Она зависит от молярной массы и температуры. Теперь это уравнениеносит его имя.
Одновременно с Майером инезависимо от него закон сохранения и превращения энергии разрабатывалсяДжоулем и Гельмгольцем.
Механический подходГельмгольца, который он сам был вынужден признать узким, дал возможностьустановить абсолютную меру для «живой силы» и рассматриватьвсевозможные формы энергии либо в виде кинетической («живых сил»),либо потенциальной («сил напряжения»).
Количество превращеннойформы движения можно измерить величиной той механической работы, например, поподнятию груза, которую можно было бы получить, если целиком все исчезнувшеедвижение затратить на это поднятие. Экспериментальное обоснование принципа изаключается, прежде всего, в доказательстве количественной определенности этойработы. Этой задаче и были посвящены классические опыты Джоуля.
Джемс Прескот Джоуль(1818-1889) — манчестерский пивовар — начал с изобретения электромагнитныхаппаратов. Эти приборы и явления, с ними связанные, стали конкретным яркимпроявлением превратимости физических сил. В первую очередь Джоуль исследовалзаконы выделения тепла электрическим током. Так как опыты с гальваническимиисточниками (1841) не давали возможности установить, является ли теплота,развиваемая током в проводнике, только перенесенной теплотой химических реакцийв батарее, то Джоуль решил поставить эксперимент с индукционным током.
Он поместил в замкнутыйсосуд с водой катушку с железным сердечником, концы обмотки катушкиприсоединялись к чувствительному гальванометру. Катушка приводилась во вращениемежду полюсами сильного электромагнита, по обмотке которого пропускался ток отбатареи. Число оборотов катушки достигало 600 в минуту, при этом попеременночетверть часа обмотка электромагнита была замкнута, четверть разомкнута. Тепло,которое выделялось вследствие трения, во втором случае вычиталось из тепла,выделяемого в первом случае. Джоуль установил, что количество тепла, выделяемоеиндукционными токами, пропорционально квадрату силы тока. Так как в данномслучае токи возникали вследствие механического движения, то Джоуль пришел квыводу, что тепло можно создавать с помощью механических сил.
В работах 1847-1850 годовДжоуль разрабатывает свой главный метод, вошедший в учебники физики. Он даетнаиболее совершенное определение механического эквивалента тепла. Металлическийкалориметр устанавливался на деревянной скамейке. Внутри калориметра проходитось, несущая лопасти или крылья. Крылья эти расположены в вертикальныхплоскостях, образующих угол 45 градусов друг с другом (восемь рядов). К боковымстенкам в радиальном направлении прикреплены четыре ряда пластинок, не препятствующиевращению лопастей, но препятствующие движению всей массы воды. В целях тепловойизоляции металлическая ось разделена на две части деревянным цилиндром. Навнешнем конце оси имеется деревянный цилиндр, на который наматываются двеверевки в одинаковом направлении, покидающие поверхность цилиндра впротивоположных точках. Концы веревок прикреплены к неподвижным блокам, осикоторых лежат на легких колесиках. На оси намотаны веревки, несущие грузы.Высота падения грузов отсчитывается по рейкам.
Расчеты Майера и опытыДжоуля завершили двухсотлетний спор о природе теплоты. Доказанный на опытепринцип эквивалентности между теплотой и работой можно сформулировать следующимобразом: во всех случаях, когда из теплоты появляется работа, тратится количествотепла, равное полученной работе, и наоборот, при затрате работы получается тоже количество тепла. Этот вывод был назван Первым законом термодинамики.
Согласно этому закону,работу можно превратить в тепло и наоборот — теплоту в работу. Причем обе этивеличины равны друг другу. Вывод этот справедлив для термодинамического цикла,в котором система должна быть приведена к исходным условиям. Таким образом, длялюбого кругового процесса совершенная системой работа равна полученной системойтеплоте.
Открытие Первого законатермодинамики доказало невозможность изобретения вечного двигателя. Законсохранения энергии поначалу так и называли — «вечный двигатель невозможен».
Списоклитературы
1. Горелов А.А.Концепции современного естествознания. – М.: ЮНИТИ, 2004.
2. Данилова В.С.Основные концепции современного естествознания. – М.: Логос, 2003.
3. Концепциисовременного естествознания./ Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. – М.:Дело, 2002.
4. Найдыш В.М.Концепции современного естествознания. – М.: ОМЕГА-Л, 2004.
5. Рузавин Г.И.Концепции современного естествознания. – М.: БЕК, 2003.