Реферат: Концепция современного естествознания

1. Эволюциянаучного метода и естественнонаучной картины мира

 

Тема 2-01-01. Научныйметод познания

Методология

Свойства научного знания:

— объективность

— достоверность

— точность

— системность

Эмпирическое познание(происходит накопление эмпирического материала (научные факты, эмпирические обобщения),преобладает чувственное познание) и теоретическое познание(на этомуровне происходит выявление законов, преобладает рациональное познание. Формытеоретического знания: проблема, гипотеза, теория)

Методы научного познания:

— наблюдение (чувственноеотражение явлений)

— измерение (определениеколичественных значений свойств объектов с помощью приборов)

— индукция (получениеобщего вывода на основе частных посылок)

— дедукция (получениечастных выводов на основе общих положений)

— анализ (разделениеобъекта на части)

— синтез (соединениечастей объекта, познание его в единстве и взаимосвязи частей)

— абстрагирование (мысленноеотвлечение от несущественных свойств объекта)

— моделирование (изучениес помощью модели)

— эксперимент (активное,строго контролируемое воздействие исследователя на объект)

Гипотеза

Требования к научнымгипотезам:

— соответствие эмпирическимфактам

— проверяемость (принципыверификации (эмпирическая подтверждаемость) и фальсификации (эмпирическаяопровергаемость))

Научная теория (системазаконов, объясняющая явления в определенной области действительности)

Область применимоститеории

Принцип соответствия (новаянаучная теория содержит в себе в качестве частного случая старую теорию,справедливость которой установлена экспериментально)

Тема 2-01-02. Естественнонаучнаяи гуманитарная культуры

Естествознание каккомплекс наук о природе (естественных наук (физика, химия, биология,астрономия, география, геология, экология)

Дифференциация наук (разделениенаук на отдельные дисциплины)

Интеграция наук (объединениенаук)

Гуманитарные науки (наукиоб обществе и человеке)

Гуманитарно-художественнаякультура, её основные отличия от научно-технической:

— субъективность знания

— нестрогий образный язык

— интерес киндивидуальным свойствам изучаемых предметов

— сложность (илиневозможность) верификации и фальсификации

Математика как языкестествознания

Псевдонаука как имитациянаучной деятельности (астрология, уфология, парапсихология, биоэнергетика)

Отличительные признакипсевдонауки:

— фрагментарность

— некритический подход кисходным данным

— невосприимчивость ккритике

— отсутствие общихзаконов

— неверифицируемостьи/или нефальсифицируемость псевдонаучных данных

Тема 2-01-03. Развитие научных исследовательских программ икартин мира (история естествознания, тенденции развития)

 

Научная(исследовательская) программа (серия сменяющих друг друга теорий,объединенных основополагающими принципами)

Древняя Греция: появлениепрограммы рационального объяснения мира

Принцип причинности впервоначальной форме (каждое событие имеет естественную причину) и егопозднейшее уточнение (причина должна предшествовать следствию)

Атомистическаяисследовательская программа Левкиппа и Демокрита: всё состоит из дискретныхатомов; всё сводится к перемещению атомов в пустоте

Континуальнаяисследовательская программа Аристотеля: всё формируется из непрерывной бесконечноделимой материи, не оставляющей места пустоте

Взаимодополнительностьатомистической и континуальной исследовательских программ

Научная (илинатурфилософская) картина мира как образно-философское обобщение достиженийестественных наук

Фундаментальные вопросы,на которые отвечает научная (или натурфилософская) картина мира:

— о материи

— о движении

— о взаимодействии

— о пространстве ивремени

— о причинности,закономерности и случайности

— о космологии (общемустройстве и происхождении мира)

Натурфилософская картинамира Аристотеля (геоцентризм)

Научные картины мира:механическая (17 в.), электромагнитная (19 в.), неклассическая(1-я половина XX в.), современная эволюционная

 

Тема 2-01-04. Развитиепредставлений о материи

Фалес: проблема поискапервоначала (Фалес: первоначалом всего сущего является вода)

Абстракция материи (материя– объективная реальность)

Механическая картинамира: единственная форма материи – вещество, состоящее из дискретных корпускул

Материальная точка —основная абстракция классической механики (тело, обладающее массой,размерами которого в данной задаче можно пренебречь)

Атомно-молекулярноеучение

Учение о составе — первыйуровень научного химического знания

Учение о строении —второй уровень научного химического знания

Электромагнитная картинамира: две формы материи — вещество и непрерывное электромагнитное поле

Волна какраспространяющееся возмущение физического поля

Длина волны

Спектр электромагнитныхволн (по мере уменьшения длины волны: радиоволны, инфракрасное излучение,видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение)

Эффект Доплера:зависимость измеряемой длины волны от взаимного движения наблюдателя иисточника волн (если источник отдаляется от наблюдателя, то измеряемая длинаволны увеличивается)

Современная научнаякартина мира: три формы материи — вещество, физическое поле, физический вакуум

Тема 2-01-05. Развитиепредставлений о движении

 

Гераклит: идеябезостановочной изменчивости вещей

Учение Аристотеля одвижении как атрибуте материи и разнообразии форм движения

Механическая картинамира: единственная форма движения — механическое перемещение

Описание механическогодвижения материальной точки: координаты, скорость, траектория

Система отсчёта, еёосновные элементы: тело отсчета, система координат («линейка»), часы

Первый закон Ньютона(закон инерции): сохранение скорости тела в отсутствие воздействий на него

Второй закон Ньютона:воздействие на тело вызывает изменение его скорости (ускорение) F=ma

Электромагнитная картинамира: движение — не только перемещение зарядов, но и изменение поля(распространение волн)

Волновые процессы:интерференция и дифракция (огибание волнами препятствий)

Понятие состояния системыкак совокупности данных, позволяющих предсказать её дальнейшее поведение

Движение как изменениесостояния

Химическая формадвижения: химический процесс

Учение о закономерностяххимических процессов — третий уровень научного химического знания

Биологическая формадвижения: процессы жизнедеятельности, эволюция живой природы

Эволюционная химия —четвёртый уровень научного химического знания

Современная научнаякартина мира: эволюция как универсальная форма движения материи

Многообразие формдвижения, их качественные различия и несводимость друг к другу

Тема 2-01-06. Развитиепредставлений о взаимодействии

 

Представления Аристотеляо взаимодействии: одностороннее воздействие движущего на движимое;первоначальная форма концепции близкодействия (передача воздействия толькочерез посредников, при непосредственном контакте)

Механическая картинамира:

— возникновение концепциивзаимодействия (третий закон Ньютона) (F=-Fдействие равно противодействию)

— открытиефундаментального взаимодействия (закон всемирного тяготения)

— принятие концепциидальнодействия (мгновенной передачи взаимодействия через пустоту на любыерасстояния)

Электромагнитная картинамира:

— открытие второгофундаментального взаимодействия(электромагнитное)

— возврат к концепцииблизкодействия (взаимодействие передаётся только через материального посредника— физическое поле — с конечной скоростью)

— полевой механизмпередачи взаимодействий (заряд создаёт соответствующее поле, которое действуетна соответствующие заряды)

Современная научнаякартина мира:

— четыре фундаментальныхвзаимодействия (по мере увеличения интенсивности: гравитационное, слабое,электромагнитное, сильное), (гравитационное (самое слабое, в немучаствуют все частицы, распространяется сколь угодно далеко),электромагнитное (участвуют только заряженные частицы, распространяетсясколь угодно далеко), сильное (образование атомных ядер из протонов инейтронов, а также протонов и нейтронов из кварков, действует на короткомрасстоянии, участвуют только адроны) и слабое (распады ядер,взаимопревращение элементарных частиц, действует на коротком расстоянии,участвуют все частицы))

— квантово-полевоймеханизм передачи взаимодействий (заряд испускает виртуальныечастицы-переносчики соответствующего взаимодействия, поглощаемые другимианалогичными зарядами)

— частицы-переносчикифундаментальных взаимодействий (фотоны (электромагнитное), гравитоны (гравитационное),глюоны(сильное), промежуточные векторные бозоны (слабое))

— характеристикифундаментальных взаимодействий определяются свойствами частиц-переносчиков: масштабы,в которых эффективно фундаментальное взаимодействие, определяются массой егочастиц-переносчиков и способностью его зарядов взаимно компенсироваться

Фундаментальныевзаимодействия, преобладающие между объектами:

— микромира (сильное,слабое и электромагнитное)

— макромира (электромагнитное)

— мегамира (гравитационное)

Примеры объектов,стабильность которых обеспечивается конкретным видом взаимодействия:

— атом, молекула,вещество – электромагнитное

— планетные системы,галактики — гравитационное

— ядра атомов — сильное

Между звездами ипланетами – гравитационное, между атомами, молекулами, между атомным ядром иоболочкой – электромагнитное; химическое движение имеет электромагнитнуюприроду


2. Пространство,время, симметрия

 

Тема 2-02-01. Принципысимметрии, законы сохранения

 

Понятие симметрии в естествознании:инвариантность относительно тех или иных преобразований

Нарушенные (неполныесимметрии)

Эволюция как цепочканарушений симметрии

Простейшие симметрии:

— однородность(одинаковые свойства во всех точках)

— изотропность(одинаковые свойства во всех направлениях)

Симметрии пространства ивремени (геометрические симметрии):

— однородностьпространства

— однородность времени

— изотропностьпространства

Анизотропность времени (временинеобратимо)

Теорема Нётер как общееутверждение о взаимосвязи симметрий с законами сохранения

Закон сохранения энергиикак следствие однородности времени

Закон сохранения импульса(количества поступательного движения) как следствие однородности пространства

Закон сохранения моментаимпульса (количества вращательного движения) как следствие изотропностипространства

Связь второго законатермодинамики (закона несохранения энтропии) с анизотропностью времени (законвозрастания энтропии определяет направление («стрелу») времени. Времянеобратимо)

Тема 2-02-02. Эволюцияпредставлений о пространстве и времени

Понимание пространства ивремени как инвариантных самостоятельных сущностей (пустота у древнегреческихатомистов; Абсолютные пространство и время Ньютона)

Понимание пространства ивремени как системы отношений между материальными телами (пространство каккатегория места, время как мера движения у Аристотеля; изменение пространственныхи временных промежутков при смене системы отсчёта у Эйнштейна)

Классический законсложения скоростей как следствие ньютоновских представлений об Абсолютномпространстве и Абсолютном времени

Концепция мирового эфира

Нарушение классическогозакона сложения скоростей в опыте Майкельсона-Морли (эфирного ветра несуществует, скорость света постоянна)

Современная научнаякартина мира:

— отказ от идеиАбсолютных пространства и времени, мирового эфира и других выделенных системотсчета

— признание теснойвзаимосвязи между пространством, временем, материей и её движением

Тема 2-02-03.Специальная теория относительности

Принцип относительностиГалилея (законы механики инвариантны относительно смены системы отсчета)

Принцип относительности(первый постулат Эйнштейна): законы природы инвариантны относительно сменысистемы отсчёта

Инвариантность скоростисвета (второй постулат Эйнштейна)

Постулаты Эйнштейна какпроявление симметрий пространства и времени

Основные релятивистскиеэффекты (следствия из постулатов Эйнштейна):

— относительностьодновременности

— относительностьрасстояний (релятивистское сокращение длин)

относительностьпромежутков времени (релятивистское замедление времени)

— инвариантностьпространственно-временного интервала между событиями- инвариантностьпричинно-следственных связей

— единствопространства-времени

— эквивалентность массы иэнергии (E=mc2масса тоже относительна: чем быстреетело движется, тем больше его масса)

Соответствие СТО иклассической механики: их предсказания совпадают при малых скоростях движения(гораздо меньше скорости света)

Примечание:относительны – значит, различны в различных системах отсчета, инвариантны –значит, одинаковы во всех системах отсчета

Тема 2-02-04. Общаятеория относительности

Общая теорияотносительности (ОТО): распространение принципа относительности на неинерциальныесистемы отсчета

Принцип эквивалентности:ускоренное движение неотличимо никакими измерениями от покоя в гравитационномполе

Взаимосвязь материи ипространства-времени: материальные тела изменяют геометриюпространства-времени, которая определяет характер движения материальных тел (вгравитационном поле пространственно-временной континуум искривляется, т.е.пространственные отрезки сокращаются, а время замедляется)

Соответствие ОТО иклассической механики: их предсказания совпадают в слабых гравитационных полях

Эмпирическиедоказательства ОТО:

— отклонение световыхлучей вблизи Солнца

— замедление времени вгравитационном поле

— смещение перигелиевпланетных орбит


3. Структурные уровнии системная организация материи

 

Тема 2-03-01. Микро-,макро-, мегамиры

Вселенная в разныхмасштабах: микро-, макро- и мегамир

Критерий подразделения:соизмеримость с человеком (макромир) и несоизмеримость с ним (микро- и мегамир)

Основные структурымикромира: элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы

Основные структурымегамира: планеты, звёзды, галактики

Единицы измерениярасстояний в мегамире: астрономическая единица (в Солнечной системе), световойгод, парсек (межзвёздные и межгалактические расстояния)

Звезда как небесное тело,в котором естественным образом происходили, происходят или с необходимостьюбудут происходить реакции термоядерного синтеза

Атрибуты планеты:

— не звезда

— обращается вокругзвезды (например, Солнца)

— достаточно массивно,чтобы под действием собственного тяготения стать шарообразным

— достаточно массивно,чтобы своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от другихнебесных тел

Галактики — системы измиллиардов звёзд, связанных взаимным тяготением и общим происхождением

Наша Галактика, еёосновные характеристики:

— гигантская (более 100млрд. звёзд)

— спиральная

— диаметр около 100 тыс.световых лет

Пространственные масштабыВселенной: расстояние до наиболее удалённых из наблюдаемых объектов более 10млрд. световых лет

Вселенная, Метагалактика,разница между этими понятиями

Тема 2-03-02. Системныеуровни организации материи

 

Целостность природы

Системность природы

Существование систем – какрезультат взаимодействий их компонентов

Аддитивные свойствасистем (аддитивность) (это свойства систем, равные сумме свойств элементов)

Интегративные свойствасистем (интегративность) (это свойства, которые не равны сумме свойствэлементов)

Совокупности, не являющиесясистемами, например, созвездия (участки звёздного неба, содержащие группы звёздс характерным рисунком) и др.

Иерархичность природныхструктур как отражение системности природы: структуры данного уровня входят какподсистемы в структуру более высокого уровня, обладающую интегративнымисвойствами

Взаимосвязь системныхуровней материи: физического, химического, биологического, социального (сложныеформы движения материи основываются на простых, но не сводятся к ним)

Редукционизм и витализмкак примеры несистемного подхода к взаимоотношениям системных уровнейорганизации материи (редукционизм – сложные формы движения полностьюсводятся к простым)

Витализм:биологическую форму движения материи нельзя объяснить через простые формыдвижения. Жизнедеятельность живых организмов виталисты объясняют наличием«жизненной силы»

Иерархические рядыприродных систем:

— физических(фундаментальные частицы — составные элементарные частицы — атомные ядра — атомы— молекулы — макроскопические тела)

— химических (атом —молекула — макромолекула – вещество)

— астрономических (звёздыс их планетными системами — галактики — скопления галактик — сверхскоплениягалактик)

Тема 2-03-03. Структурымикромира

Элементарные частицы

Фундаментальные частицы –по современным представлениям, не имеющие внутренней структуры и конечныхразмеров (например, кварки, лептоны)

Частицы и античастицы

Принцип Паули (частицыс полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии,например, в атоме не может быть электронов, у которых все квантовые числаодинаковы)

Классификацияэлементарных частиц:

— по массе: с нулевоймассой (фотон); лёгкие (лептоны); тяжёлые (адроны)

(к лептонам относятсяэлектрон и нейтрино, к адронам – протоны и нейтроны, протоны и нейтроны состоятих 3х кварков)

— по времени жизни:стабильные (протон, электрон, нейтрино), нестабильные (свободный нейтрон (живетне более 10 минут, затем распадается на протон, электрон и антинейтрино)) ирезонансы (нестабильные короткоживущие)

— по зарядам(электрическому, цветовому, гравитационному – масса)

 - по спину: бозоны –кванты полей (с целочисленным спином — фотон, мезоны) и фермионы — частицы вещества (с полуцелым спином — все лептоны, кварки, барионы), подчиняющиесяпринципу Паули

Бозонная природачастиц-переносчиков фундаментальных взаимодействий (частицы-переносчикиявляются бозонами, т.е. у них целочисленные спины)

Вещество как совокупностьустойчивых фермионных структур (кварки — нуклоны — атомные ядра — атомы с ихэлектронными оболочками)

 Размеры и масса ядра всравнении с атомом (масса ядра составляет большую часть массы атома, размерыядра малы по сравнению с размерами атома)

Виртуальные частицы (эточастицы, существующие очень короткое время, поэтому их нельзя зарегистрировать)

Физическое поле каксовокупность реальных и виртуальных частиц

Физический вакуум какнаинизшее энергетическое состояние физических полей, в котором отсутствуютреальные частицы

Тема 2-03-04. Процессыв микромире

 

Взаимопревращенияэлементарных частиц (распады, рождение новых частиц при столкновениях,аннигиляция)

Возможность любых реакцийэлементарных частиц, не нарушающих законов сохранения (энергии, заряда и т.д.)

Естественнаярадиоактивность — явление самопроизвольного распада атомных ядер, еговероятностный характер

Основные видырадиоактивного распада: альфа- и бета-распады, деление

Энергия связи ядра(дефект массы) (масса ядра всегда меньше суммы масс входящих в него частиц.Эта разница называется дефектом масс. Обусловлено тем, что при объединениинуклонов в ядро, выделяется энергия связи нуклонов друг с другом. Сильнее всегосвязаны нуклоны в ядрах с массовыми числами 50-60 (в середине периодическойтаблицы). Поэтому энергия выделяется как при делении тяжелых ядер, так и прислиянии (синтезе) легких ядер в одно ядро)

Выделение энергии прирадиоактивном распаде

Цепная реакция деленияядер (исходные ядра à дочерние ядра + нейтроны à деление других ядер, стимулированное образующимисянейтронами)

Реакции синтеза легкихатомных ядер (термоядерные реакции)

Выделение энергии вреакциях ядерного синтеза в сравнении с реакциями деления ядер

Термоядерные реакции,необходимые для них условия (чрезвычайно высокие температура и давление)

Естественные термоядерныереакторы – звёзды

 Энергия связи нуклонов вядре в сравнении с энергией связи электронов в атоме (энергия связи нуклоновв ядре намного больше энергии связи электронов в атоме)

Тема 2-03-05. Химическиесистемы

 

Атом (наименьшаяхимическая частица, состоит из ядра и электронной оболочки)

Изотопы (атомы одногои того же химического элемента, ядра которых содержат одинаковое числопротонов, но разное число нейтронов)

Невозможностьклассического описания поведения электронов в атоме (возможно тольковероятностное описание)

Дискретность электронныхсостояний в атоме (энергия электронов в атоме имеет дискретные значения)

Организация электронныхсостояний атома в электронные оболочки

Переходы электронов междуэлектронными состояниями как основные атомные процессы (возбуждение иионизация)

Химический элемент (разновидностьатома с определенным зарядом ядра)

Молекула (наименьшаячастица вещества, определяющая его свойства)

Вещества: простые исложные (соединения) (молекулы простых веществ состоят из атомов одного итого же химического элемента)

Понятие о качественном иколичественном составе вещества (качественный состав: из каких химическихэлементов состоит вещество)

Катализаторы (вещества,которые ускоряют химические реакции)

Биокатализаторы(ферменты)

Полимеры (вещества,молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев (группатомов), называемых мономерами)

Мономеры

Периодический закон Д. И.Менделеева (свойства химических элементов находятся в периодическойзависимости от заряда ядра)

 Периодическая системакак графическое отображение периодического закона: периоды (физический смыслномера периода), группы (физический смысл номера группы) (номер периодасовпадает с количеством электронных оболочек, номер группы совпадает сколичеством электронов на внешней оболочке)

Тема 2-03-06. Реакционнаяспособность веществ

 

Химический процесс

Тепловые эффектыпроцессов (экзо-, эндотермические) (экзотермические – это реакции,протекающие с выделением тепла)

Понятие о химическойкинетике (наука о закономерностях химических процессов)

Факторы, влияющие нареакционную способность веществ: влияние концентрации — закон действующих масс (скоростьреакции прямо пропорциональна концентрации реагирующих веществ)

Факторы, влияющие нареакционную способность веществ: влияние температуры -правило Вант-Гоффа (приувеличении температуры на 100 скорость реакции возрастает в 2-4раза)

Энергия активации(энергетический барьер реакции) (это избыточная энергия, которой должныобладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованиюнового вещества)

Факторы, влияющие нареакционную способность веществ: катализ

Понятие об автокатализе (явление,при котором в качестве катализаторов выступают продукты реакции)

Состояние равновесия (состояниесистемы, при котором скорости прямой и обратной реакции равны) и условияего смещения: принцип Ле Шателье (если на систему, находящуюся в равновесии,оказать внешнее воздействие, то в результате протекающих в ней процессов равновесиесместится в том направлении, которое ослабляет это воздействие)

Тема 2-03-07.Особенности биологического уровня организации материи

Системность живого (живаяприрода представляет собой иерархически организованную систему)

Иерархическая организацияживого: клетка – единица живого

Иерархическая организацияприродных биологических систем:

биополимеры – органеллы –клетки – ткани – органы – организмы – популяции – виды

Иерархическая организацияприродных экологических систем:

 особь – популяция –биоценоз – биогеоценоз – экосистемы более высокого ранга (саванна, тайга,океан) – биосфера)

Химический состав живого:элементы-органогены, микроэлементы, макроэлементы, их основная роль в живом

Химический состав живого:атом углерода – главный элемент живого, его уникальные особенности:

 - способность атомовсвязываться друг с другом с образованием разнообразных структур, являющихсянесущей основой органических молекул (многообразие органических молекул)

 - способностьсвязываться с другими атомами близких радиусов (кислородом, азотом, серой) собразованием менее прочных связей (возникновение функциональных групп), которыеобусловливают химическую активность органических соединений

 - способность кобразованию двойных, тройных связей – другая причина химической активности

 - функциональные группы(если их не менее двух в молекуле) и кратные связи обусловливают способность кобразованию высокомолекулярных соединений

 - возможностьсуществования в виде асимметричного (хирального) центра – одна из причинхиральности молекул живого

Химический состав живого:вода, ее роль для живых организмов:

 - высокая полярность молекулводы и как следствие – ее химическая активность и высокая растворяющаяспособность

 - высокие теплоемкость, теплотаиспарения и теплота плавления – основа поддержания температурного гомеостазаживых организмов и регулирования климата планеты

 - аномальная плотность втвердом состоянии – причина существования жизни в замерзающих водоемах

 - высокое поверхностноенатяжение – жизнь на поверхности гидросферы, передвижение растворов по сосудамрастений

Химический состав живого:особенности органических биополимеров как высокомолекулярных соединений –высокая молекулярная масса, способность образовывать пространственные и надмолекулярныеструктуры, разнообразие строения и свойств

Симметрия и асимметрияживого

Хиральность молекулживого (способность отклонять поляризованные лучи света)

Открытость живых систем (ониобмениваются с окружающей средой веществом и энергией)

Открытость живых систем

Обмен веществ и энергии

Самовоспроизведение

Гомеостаз какотносительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды живойсистемы

Каталитический характерхимии живого

Специфические свойства ферментативногокатализа: чрезвычайно высокие избирательность и скорость ферментативныхреакций, главные причины чего – комплементарность фермента и реагента,высокомолекулярный характер фермента

 

Тема 2-03-08. Принципывоспроизводства живых систем

Полипептиды какпредшественники белков

Белки каквысокомолекулярные соединения с особым комплексом свойств

Аминокислоты – мономерыбелков

Уровни организациибелковой молекулы (первичная (последовательность аминокислот в белковоймолекуле), вторичная (образование спирали), третичная (спиральсворачивается в шарик – глобулу), четвертичная (объединение несколькихглобул))

Функции белков:ферментативная, регуляторная, транспортная, защитная, двигательная (сократительныебелки)

Липиды и их функции: энергетическая,структурная (липидные мембраны)

Углеводы и их функции:энергетическая, структурная

Нуклеотиды – мономерынуклеиновых кислот (состоят из азотистого основания, дезоксирибозы илирибозы, и остатка фосфорной кислоты)

Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды)- ДНК, РНК (в молекулах РНК вместо тимина урацил, вместо дезоксирибозы — рибоза)

Азотистые основания:аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил

Комплементарность,комплементарные пары азотистых оснований (способность азотистых основанийизбирательно соединяться друг с другом: А-Т (аденин соединяется с тимином),Г-Ц(гуанин – с цитозином))

Комплементарность цепейДНК – основа важнейших функций: хранения и передачи наследственной информации

Функции нуклеиновыхкислот и процессы редупликации (удвоение цепи ДНК), транскрипции (переписываниеинформации с ДНК на информационную РНК), трансляции (синтез белка наоснове генетического кода информационной РНК)

Генетический код

Кодон (триплет) (элементарнаяединица наследственности, кодирующая одну аминокислоту, состоит из 3хнуклеотидов. Вырожденность кода: одной аминокислоте может соответствоватьнесколько триплетов))

Свойства генетическогокода: триплетность, вырожденность, однозначность, универсальность,непрерывность (отсутствие пробелов и знаков препинания между триплетами(кодонами))


4. Порядок ибеспорядок в природе

Тема 2-04-01. Динамическиеи статистические закономерности в природе

 

Детерминизм (жёсткий) какидея полной предопределённости всех будущих событий

Критика концепциидетерминизма Эпикуром, его учение о неустранимой случайности в движении атомов

Механи(сти)ческийдетерминизм как:

— утверждение оединственно возможной траектории движения материальной точки при заданномначальном состоянии;

— лапласова концепцияполной выводимости всего будущего (и прошлого) Вселенной из её современногосостояния с помощью законов механики

Детерминистское описаниемира: динамическая теория, которая однозначно связывает между собойзначения физических величин, характеризующих состояние системы

Примеры динамических теорий:

— механика,

— электродинамика,

— термодинамика,

— теория относительности,

— эволюционная теорияЛамарка,

— теория химическогостроения

Невозможность абсолютноточного задания начального состояния системы вследствие неизбежной погрешностиизмерений

Невозможность достаточноточного задания начального состояния систем с динамическим хаосом, длякоторых любая допущенная в измерениях или расчётах погрешность очень быстронарастает с течением времени

Примеры систем сдинамическим хаосом: погода и климат, турбулентность, фондовые рынки

Отличие хаоса(непредсказуемость возникает вследствие слишком сильной чувствительностиповедения системы к начальным условиям) от беспорядка (поведение системыопределяется постоянно действующими на неё неконтролируемыми факторами).

Описание систем с хаосоми беспорядком: статистическая теория, которая однозначно связывает междусобой вероятности тех или иных значений физических величин

Основные понятиястатистической теории:

— случайность(непредсказуемость)

— вероятность (числоваямера случайности)

— среднее значениевеличины

— флуктуация (случайноеотклонение системы от среднего (наиболее вероятного) состояния)

Примеры статистических теорий:

— молекулярно-кинетическая теория (исторически первая статистическая теория),

— квантовая механика,другие квантовые теории

— эволюционная теорияДарвина,

— молекулярная генетика

Соответствие динамическихи статистических теорий: их предсказания совпадают, когда можно пренебречьфлуктуациями; в остальных случаях статистические теории дают более глубокое,детальное и точное описание реальности

Тема 2-04-02. Концепцииквантовой механики

 

Корпускулярные свойствасвета: фотоэффект (выбивание электронов из вещества под воздействием света)

Волновые свойства частиц.Дифракция электронов

Корпускулярно-волновойдуализм как всеобщее свойство материи (каждый материальный объект имеет каккорпускулярные, так и волновые свойства)

Мысленный эксперимент«микроскоп Гейзенберга» (чтобы наблюдать микрочастицу, нужно на неенаправить пучок света, при этом меняется ее импульс)

Соотношениенеопределенностей координата-импульс (скорость) (чем точнее измеряетсякоордината, тем менее точно измеряется импульс)

Соотношениенеопределенностей энергия-время (чем меньше промежуток времени, в течениекоторого протекает процесс, тем больше неопределенность в значении энергиичастицы ΔEtt)

Принцип дополнительностикак утверждение о том, что:

— невозможныневозмущающие измерения (измерение одной величины делает невозможным илинеточным измерение другой, дополнительной к ней величины)

— полное пониманиеприроды микрообъекта требует учёта как его корпускулярных, так и волновыхсвойств, хотя они не могут проявляться в одном и том же эксперименте

— (в широком смысле) дляполного понимания любого предмета или процесса необходимы несовместимые, новзаимодополняющие точки зрения на него

Описание состояния вквантовой механике: волновая функция (характеризует вероятность нахожденияэлектрона в данной области)

Статистический характерквантового описания природы (законы микромира являются статистическими, т.е.вероятностными)

Соответствие квантовой и классическоймеханики: их предсказания совпадают для макроскопических объектов, для которыхнесущественны соотношения неопределённостей и корпускулярно-волновой дуализм

Тема 2-04-03. Принципвозрастания энтропии

Формы энергии: тепловая,химическая, механическая, электрическая

Первый законтермодинамики — закон сохранения энергии при ее превращениях

Первый законтермодинамики как утверждение о невозможности вечного двигателя первого рода

Изолированные и открытыесистемы (открытые системы обмениваются с окружающей средой веществом иэнергией)

Термодинамическоеравновесие как состояние, к которому самопроизвольно стремится любая изолированнаясистема

Признаки равновесногосостояния:

— однородность

— отсутствие потоковвещества, энергии, заряда и т.п.

Второй законтермодинамики как принцип возрастания энтропии в изолированных системах

Энтропия как измеряемаяфизическая величина (приведенная теплота)

Изменение энтропии телпри теплообмене между ними

Второй законтермодинамики как принцип направленности теплообмена (от горячего к холодному)

Качество (ценность)энергии (качество энергии – это ее способность совершать работу; самаянизкокачественная энергия – это тепловая энергия при наименьшей температуре)

Высококачественные формыэнергии: механическая, электрическая

Низкокачественная формаэнергии: теплота

Понижение качестватепловой энергии с понижением температуры

Энтропия как меранекачественности энергии

Второй законтермодинамики как принцип неизбежного понижения качества энергии

Второй законтермодинамики как утверждение о невозможности вечного двигателя второго рода

Энтропия как мерамолекулярного беспорядка

Второй законтермодинамики как принцип нарастания беспорядка и разрушения структур

Закономерность эволюциина фоне всеобщего роста энтропии

Энтропия открытойсистемы: производство энтропии в системе, входящий и выходящий потоки энтропии

Термодинамика жизни:добывание упорядоченности из окружающей среды (живые организмы потребляютхимическую энергию пищи (энергию упорядоченного движения) и рассеивают ее в видетепловой энергии (энергии беспорядочного движения частиц))

Тема 2-04-04.Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма

Синергетика — теориясамоорганизации

Междисциплинарныйхарактер синергетики

Самоорганизация вприродных и социальных системах как самопроизвольное возникновениеупорядоченных неравновесных структур в силу объективных законов природы иобщества

Примеры самоорганизации впростейших системах: лазерное излучение, ячейки Бенара, реакцияБелоусова-Жаботинского, спиральные волны

Необходимые условиясамоорганизации: неравновесность и нелинейность системы

Признак неравновесностисистемы: протекание потоков вещества, энергии, заряда и т.д.

Диссипация (рассеяние)энергии в неравновесной системе (энергия упорядоченного движениярассеивается в виде энергии теплового движения)

Диссипативная структура —неравновесная упорядоченная структура, возникшая в результате самоорганизации (онасуществует только при непрерывном притоке и оттоке энергии)

Пороговый характер(внезапность) явлений самоорганизации (при плавном изменении внешних условийсвойства системы меняются скачкообразно)

Точка бифуркации какмомент кризиса, потери устойчивости (критическое состояние системы, прикотором она случайно выбирает один из возможных путей дальнейшего развития)

Рост флуктуаций по мереприближения к точке бифуркации (теоретическое положение и примеры)

Стабилизация флуктуацийза точкой бифуркации (порядок из хаоса)

Синхронизация частейсистемы в процессе самоорганизации

Понижение энтропиисистемы при самоорганизации

Повышение энтропииокружающей среды при самоорганизации

Универсальныйэволюционизм как научная программа современности, его принципы:

— всё существует вразвитии;

— развитие какчередование медленных количественных и быстрых качественных изменений(бифуркаций);

— законы природы какпринципы отбора допустимых состояний из всех мыслимых;

— фундаментальная инеустранимая роль случайности и неопределенности;

— непредсказуемость путивыхода из точки бифуркации (прошлое влияет на будущее, но не определяет его);

— устойчивость инадежность природных систем как результат их постоянного обновления


5. Панорамасовременного естествознания

Тема 2-05-01.Космология (мегамир)

Космология – наука о Вселеннойв целом, ее строении, происхождении и эволюции

Космологическиепредставления Аристотеля: шарообразная неоднородная Вселенная

Геоцентрическая системамира Птолемея (Земля – в центре Вселенной)

Гелиоцентрическая системамира Коперника (Солнце – в центре)

Ньютоновская космология:безграничная, бесконечная, однородная и неизменная Вселенная

Общая теорияотносительности как теоретическая основа современной научной космологии

Вселенная Эйнштейна:однородна, изотропна и равномерно заполнена материей, преимущественно в формевещества

Космологическая модель Фридмана:Вселенная нестационарна (может только либо расширяться, либо сжиматься)

Наблюдаемая однородностьВселенной в очень больших масштабах

Наблюдательноеподтверждение нестационарности Вселенной: красное смещение в спектрах галактик,возникающее благодаря эффекту Доплера при их удалении от наблюдателя (разбеганиегалактик)

Закон Хаббла: скоростьразбегания галактик пропорциональна расстоянию до них V=H*r

Постоянная Хаббла (75км/с*МПк)

Возраст Вселенной —понятие (время, прошедшее с момента начала расширения) и современные оценки(12–15 млрд. лет)

Понятие о космологическойсингулярности (нулевой объем с бесконечной плотностью)

Три фридмановских моделиэволюции Вселенной, критерий выбора между ними: средняя плотность материи воВселенной (а) если средняя плотность вещества во Вселенной меньше некоторойкритической величины, то расширение Вселенной будет продолжаться всегда сускорением; б) если средняя плотность вещества во Вселенной равна критическойвеличине, то расширение Вселенной происходит с постепенным уменьшениемскорости; в) если средняя плотность вещества во Вселенной больше критическойвеличины, тогда гравитационное поле, порожденное материей, искривляетВселенную, замыкая ее на себя; расширение Вселенной остановится и она снованачнет сжиматься, затем снова произойдет взрыв и т.д. (концепция пульсирующейВселенной или замкнутая модель))

Современная оценкасредней плотности материи во Вселенной–с высокой точностью равна критическомузначению

Вклад основных видовматерии в её среднюю плотность во Вселенной:

— обычное вещество (восновном, звёзды в галактиках) — менее 5%

— «тёмное вещество»(взаимодействует с обычным веществом только гравитационно, распределено впространстве неоднородно)

— «тёмная энергия»(строго однородна, создаёт всемирное отталкивание) — более 70%

Тема 2-05-02.Геологическая эволюция

 

Земля как планета, ееотличия от других планет земной группы (у Земли сильное магнитное поле,хорошо развитая гидросфера. В атмосфере Земли мало углекислого газа, многосвободного кислорода и паров воды. Хорошо развита биосфера)

Химический состав Земли (железо34,6%, кислород 29,5%, кремний – 15,2%, марганец – 12,7%)

Магнитное поле Земли, егоструктура и роль для жизни на планете (образуется во внешнем ядре благодаряциркуляции электрических токов, защищает Землю от космических излучений)

Внутреннее строение Земли(ядро внутреннее (твердое железо и никель) и внешнее жидкое железо иникель), мантия, земная кора), методы

исследования (сейсморазведка)

Формирование прото-Землииз планетезималей (крупные объекты), её гравитационное сжатие, разогреви начало дифференциации (на ядро, мантию и кору)

Эволюция земной коры:тектоника литосферных плит, её движущие силы

Возраст Земли (4,5млрд лет), методы его оценки (радиометрия земных горных пород и метеоритов)

Возникновение океанов иатмосферы (В результате выделения газов и водяных паров из недр Земли впроцессе вулканической деятельности)

Атмосфера Земли, ееструктура (тропосфера (нижний слой, до 10-18 км), стратосфера (до 50км), ионосфера (до 80 км, состоит из ионов – электрических заряженныхчастиц)) и химический состав (78% азота, 21 % кислорода, 1% другие газы)

Циркуляция атмосферы иклимат Земли

Гидросфера (воднаяоболочка Земли, 97% — соленая вода, 2% — ледники, 1% — пресная вода)

Тема 2-05-03. Происхождениежизни (эволюция и развитие живых систем)

Первичная атмосфера Земли(не содержала свободного кислорода, она состояла из углекислого газа,метана, аммиака и водяных паров и др. газов)

Абиогенный синтез (синтезорганических веществ из неорганических)

Предбиологический отбор (естественныйотбор: отбор коацерватов, наиболее устойчивых к условиям среды)

Коацерваты (сгусткиорганических веществ, отграниченные от окружающей среды мембраной)

Гетеротрофы (животные,грибы, питаются органическим веществом)

Автотрофы (растения,синтезируют органическое вещество из неорганического)

Анаэробы (организмы,живущие в отсутствии свободного кислорода)

Аэробы (организмы,которые могут существовать только при наличии свободного кислорода)

Прокариоты (клетки,лишенные ядра – бактерии, сине-зеленые водоросли)

Эукариоты (клетки сядром – все остальные организмы)

Голобиоз (точказрения, согласно которой у живых организмов вначале появилась способность кобмену вещества)

Генобиоз (точказрения, согласно которой у живых организмов вначале появилась способность ксамовоспроизведению)

Исторические концепциипроисхождения жизни: креационизм (божественное сотворение), гипотезапанспермии (жизнь занесена из космоса), биохимическая эволюция,постоянное самозарождение, стационарное состояние (жизнь существовалавсегда)

Тема 2-05-04. Эволюцияживых систем

 

Эволюция, ее атрибуты:самопроизвольность, необратимость, направленность

Дарвинизм (эволюционноеучение Дарвина; основные факторы эволюции – наследственность, изменчивость,естественный отбор)

Генофонд (совокупностьразличных генов в популяциях или видах)

Борьба за существование

Синтетическая теорияэволюции, её основные положения:

– элементарнаяэволюционная структура – популяция (популяция – это совокупность особейодного вида, населяющих определенную территорию и свободно скрещивающихся междусобой)

– элементарныйнаследственный материал – генофонд популяции

– элементарное явлениеэволюции – изменение генофонда популяции

– элементарныеэволюционные факторы: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция,естественный отбор; их эволюционное значение

 – единственныйнаправляющий фактор эволюции — естественный отбор

Микроэволюция (эволюцияна уровне популяций, приводит к образованию новых видов)

Макроэволюция (эволюцияна надвидовом уровне, приводит к образованию отрядов, классов, типов и т.д.)

Формы отбора: движущий(направленный) (способствует сдвигу среднего значения признака при измененииусловий среды, в результате появляются новые формы жизни), стабилизирующий (способствуетсохранению признаков вида в постоянных условиях среды), дизруптивный (действуетв разнообразных условиях среды, встречающихся на одной территории, иподдерживает несколько различных форм жизни, в результате популяция разрываетсяна несколько различных групп)

Тема 2-05-05. Историяжизни на Земле и методы исследования эволюции (эволюция и развитие живыхсистем)

Понятия о геологическихэрах и периодах (эры: 1) архей 3,5 млрд лет назад, начало жизни на Земле; 2)протерозой 2,6 млрд лет назад, появление беспозвоночных животных; 3) палеозой570 млн лет назад, появляются рыбы; 4) мезозой 230 млн лет назад, появляютсярептилии; 5) кайнозой 66 млн лет назад, появляются млекопитающие)

Связь границ между эрамис геологическими и палеонтологическими изменениями

Некоторые важнейшиеароморфозы: фотосинтез, эукариоты, многоклеточные, скелет

Основные таксономические группырастений и животных и последовательность их эволюции:

— рыбы

— земноводные (амфибии)

— пресмыкающиеся(рептилии)

— птицы

— млекопитающие

— голосеменные

— покрытосеменные

— цветковые

Прокариоты (клетки безядра – бактерии и сине-зеленые водоросли)

Филогенез (историческоеразвитие видов, родов, отрядов, классов, типов)

Онтогенез (индивидуальноеразвитие организма от момента зарождения до смерти)

Адаптация (приспособлениеорганизмов к условиям окружающей среды)

Ароморфоз (приспособление,резко повышающее уровень организации живых организмов, например, появлениепостоянной температуры тела)

Понятие о флоре, фауне (флора– растительный мир, фауна – животный мир)

Методы исследованияэволюции: палеонтология (ископаемые переходные формы,

палеонтологические ряды, последовательностьископаемых форм)

Методы исследованияэволюции: биогеография (сопоставление видового состава с историей территорий, островныеформы, реликты)

Методы исследованияэволюции: морфологические методы (установление связи между сходством строения иродством сравниваемых форм, рудиментарные органы, атавизмы)

Методы исследованияэволюции: эмбриологические методы (зародышевое сходство, принцип рекапитуляции)

Методы исследованияэволюции: генетические, экологические, методы биохимии и молекулярной биологии

Тема 2-05-06. Генетикаи эволюция

Генетика (наука онаследственности и изменчивости)

Ген (участок молекулыДНК, определяющий развитие одного признака, или синтез одного белка)

Аллель (гены,располагающиеся в гомологических хромосомах и отвечающие за развитие одногопризнака)

Рецессивные и доминантныегены (доминантные гены подавляют проявление рецессивных генов) Гомозиготы(клетки, содержащие одинаковые гены данной аллельной пары (АА или аа))гетерозиготы (клетки, содержащие различные гены данной аллельной пары (Аа))

Хромосомы

Геном (совокупностьгенов, содержащихся в данной растительной или животной клетке)

Генотип (совокупностьвсех генов конкретного организма)

Фенотип (совокупностьвсех признаков и свойств организма)

Свойства генетическогоматериала: дискретность, непрерывность, линейность, относительная стабильность

Изменчивость: наследуемая(генотипическая, мутационная)

Изменчивость:ненаследуемая (фенотипическая, модификационная)

Виды мутаций: генные (измененияструктуры ДНК в пределах одного гена), хромосомные (изменения структурыхромосом), геномные (изменения числа хромосом)

Свойства мутаций: случайность,внезапность, ненаправленнность, неоднократность и наследуемость


6. Биосфера и человек

 

Тема 2-06-01Экосистемы (многообразие живых организмов — основа организации и устойчивостибиосферы)

 

Понятия об экосистеме ибиогеоценозе (комплекс живых и неживых компонентов, в котором происходиткруговорот веществ)
Элементы экосистем (биотоп (место обитания), биоценоз (сообществоорганизмов))

Биотическая структураэкосистем: продуценты (растения, синтезируют органическое вещество изнеорганического), консументы (животные), редуценты (микроорганизмыи грибы, разлагают органическое вещество)

Виды природных экосистем(озеро, лес, пустыня, тундра, .., океан, биосфера)

Пищевые (трофические)цепи, пирамиды

Энергетические потоки вэкосистемах, правило 10% (в цепях питания при переходе с одного трофическогоуровня на другой усваивается только 10% энергии, остальное рассеивается в видетепла)

Экологические факторы:биотические (влияние одних видов на другие) и абиотические (температура,свет, влажность, химические вещества) факторы, антропогенные факторы Формыбиотических отношений (хищник-жертва, паразитизм, нейтрализм)

Толерантность, пределытолерантности (не только недостаток, но и избыток какого-либо фактора –тепла, света, влажности и т.д. – может ограничивать существование организма.Диапазон значений параметров окружающей среды, при котором организм можетсуществовать, составляет пределы толерантности)

Среда обитания иэкологическая ниша (совокупность условий, необходимых для существованияпопуляций)

Тема 2-06-02. Биосфера

Понятие о биосфере (совокупностьживых организмов на Земле вместе со средой обитания)

Вещество: живое, косное (неживоевещество), биокосное (формируется в результате взамиодействия живого инеживого вещества, например, почва, озерная вода), биогенное (образуетсяв результате жизнедеятельности живых организмов – нефть, уголь, известняки,газы атмосферы)

Системные свойства биосферы: постоянство массы живого вещества входе геологических периодов

Системные свойства биосферы: постоянство числа видов напротяжении геологических периодов

Геохимические функцииживого вещества:

— газовая (поглощениеи выделение углекислого газа и кислорода)

— концентрационная (способностьживых организмов накапливать определенные химические элементы – залежи мела,известняки, нефть, уголь)

— деструктивная (разрушениеи переработка органических останков, в результате чего происходит круговоротвеществ в природе)

— средообразующая (преобразованиеокружающей среды под воздействием живого вещества)

— энергетическая (обеспечиваютсяпотоки энергии, растения преобразуют солнечную энергию в биохимическую энергиюживого вещества)

Биогенная миграция атомовхимических элементов (круговорот веществ при участии живых организмов)

Биогеохимические принципымиграции: стремление к максимуму проявления

Биогеохимические принципымиграции: эволюция видов, увеличивающих биогенную миграцию (крупные животныесменяются мелкими, появляются все более сложные формы жизни)

Тема 2-06-03. Человекв биосфере

Антропогенез (происхождениечеловека)

Палеонтология (наукаоб ископаемых животных и растениях)

Приматы (отрядмлекопитающих, включающий обезьян и человека)

Основные этапы эволюциирода Homo и его предшественников (стадиальнаяконцепция): протоантропы (австралопитеки), архантропы, палеоантропы, неоантропы

Виды:

 – Человек умелый (Homo habilis),

 – Человек прямоходящий (Homo erectus)

 – Человек разумный (Homo sapiens)

Характерные особенностичеловека: трудовая деятельность, использование огня, развитие речи, способностьк абстрактному мышлению, наличие фонда социальной и культурной информации

Возрастание роли социальныхэволюционных факторов (передача накопленных знаний, технологий, традиций) и ослаблениебиологических (движущего и дизруптивного отборов, изоляции, популяционных волн)

Неолитическая революция (9тыс. до н.э. скотоводство, земледелие, оседлый образ жизни, доместикация –одомашивание животных, рост народонаселения, освоение металлургии

Экологические последствиянеолитической революции (опустынивание из-за сжигания лесов, сокращениечисленности животных)

Коэволюция (совместнаяэволюция различных видов, их приспособление друг к другу. Коэволюция приводит кувеличению разнообразия и сложности в природе)


Тема 2-06-04Глобальный экологический кризис (экологические функции литосферы, экология издоровье)

 

Загрязнение окружающейсреды:

— ингредиентное (совокупностьвеществ, качественно или количественно чуждых биоценозу)

— физическое (илипараметрическое) (изменение качественных параметров окружающей среды –шумовое, световое, тепловое, электромагнитное, радиационное)

— деструктивное (изменениеландшафта и экосистем в процессе природопользования)
Индикаторы глобального экологического кризиса:

— усиление парниковогоэффекта (из-за увеличения содержания газов, поглощающих инфракрасноеизлучение)

— проблема озонового слоя

— деградация лесных, земельных,водных ресурсов

— снижениебиоразнообразия

Понятие ноосферы какэтапа развития биосферы при разумном регулировании отношений человека и природы

Устойчивое развитие каккомпромисс между стремлением человечества удовлетворять свои потребности и необходимостьюсохранения биосферы для будущих поколений

еще рефераты
Еще работы по биологии