12. Системные уровни организации материи основные сведения

1. Как уже отмечалось в предыдущем разделе, «бесконечное» разнооб­разие природы является следствием иерархичности системной организа­ции материи, которая прежде всего связана с масштабами соответствующих структурных уровней. Для обозначения материальной структуры, которая на данном иерархическом уровне организации материи считается элемен­тарной (неделимой), используется термин субстрат.

2. На самом глубоком уровне находятся элементарные частицы и фун­даментальные физические поля, посредством которых эти частицы взаимо­действуют. Изучением таких объектов занимается современная физика⁵. Таким образом, субстратом в физике являются частицы (не обязательно эле­ментарные), взаимодействующие посредством физических полей.

3. На следующем уровне структурной организации материи распола­гаются атомы, представляющие собой устойчивые образования из элемен­тарных частиц и полей. Описывать взаимодействие атомов, особенно слож­ных, с помощью законов физики — очень неблагодарный труд из-за резко возрастающей сложности математических расчетов. В то же время, перейдя на другой «язык» — язык химии, можно без труда описать практически все известные процессы с участием атомов. Таким образом, в химии атомы счи­таются элементарными (неделимыми) объектами химических процессов. Другими словами, субстратом химии являются атомы⁶.

4. Химия изучает процессы образования и превращения молекул. Мо­лекулы, как известно, отличаются огромным разнообразием: от простейших, типа Н₂, С0₂ или Н₂0, до сложнейших органических молекул, состоящих из сотен тысяч и миллионов атомов. Однако существует класс органических молекул — так называемые биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, по­лисахариды), поведение которых обнаруживает особые свойства, в первую очередь самоорганизацию и самовоспроизведение, которые лежат в основе биологических процессов в природе. Поэтому субстратом биологии являют­ся биополимеры.

⁵ В более широком смысле к физике относят все те явления и процессы в природе, описание которых опирается непосредственно на энергию взаимодействия между отдельными частями рассматриваемой системы и между системой и окружающей средой.

⁶ На настоящем этапе развития химии невозможно описывать или предсказывать свойства вещества, не рассматривая электронную структуру валентных электронов атома. Современная формулировка периодического закона опирается именно на эту структуру.

5. Если обратиться к наукам о Земле, в частности, к геологии, то ее субстратом являются различные минералы, свойства которых обладают ярко выраженным своеобразием по сравнению со свойствами атомов, из которых они состоят.

6. Возможно ли в будущем описать биологические процессы — на язы­ке химии, химические — на языке физики, а физику представить в виде простых математических соотношений? При положительном ответе на этот вопрос мы приходим к понятию редукционизма, под которым понимают воз­можность сведения сложных явлений к более простым, более элементарным.

7. Редукционизм являлся и является весьма мощным методологиче­ским принципом в науке, с его помощью были получены важные результаты, позволившие связать, казалось бы, совершенно различные явления. Напри­мер, электромагнитная картина мира установила единую природу электриче­ских, магнитных и оптических явлений. Особенно эффективен редукцио­низм, когда рассматриваются аддитивные величины, для которых свойства целого есть просто сумма свойств отдельных частей. Однако возможности редукционизма не беспредельны. Сложные системы начиная с определенно­го уровня организации своей структуры обнаруживают новые качества, ко­торые не могут быть даже описаны с помощью тех характеристик, которыми пользуются для описания отдельных частей системы. Например, свойства здания, построенного из кирпичей, нельзя свести к свойствам кирпичей, хотя бы потому, что из одних и тех же кирпичей можно построить совершен­но разные здания. Точно так же из одних и тех же букв алфавита можно составить совершенно разные слова, а значит, «свойства» слов не вытекают из «свойств» составляющих их букв.

8. Особенно актуальна проблема редукционизма в вопросе о сущности жизни. Поведение объектов живой природы настолько отличается от неживой (косной), что люди долго объясняли и продолжают объяснять феномен жизни присутствием нематериальных факторов. Например, еще Аристотель говорил, что «душа — это энтелехия жизни», т. е. жизнь начинается там, где есть нема­териальная душа. Такой подход к объяснению жизни называется витализмом⁷.

ПРИМЕРЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ

Задание 12.1 (выберите несколько вариантов ответа).

Газообразное сообщество электрически нейтральных атомов отличается от простой смеси эквивалентного числа ядер и электронов (плазмы)...

Варианты ответа:

1. Системной упорядоченностью строения.

2. Очень высокой степенью прозрачности для электромагнитного излу­чения.

3. Появлением сил гравитации.

4. Исчезновением электромагнитных сил.

От лат. vitalis — жизненный.

Обоснование ответа. Газообразное состояние электрически нейтраль­ных атомов прежде всего отличается системной упорядоченностью строе­ния, в отличие от хаотического состояния компонентов плазмы. Существо­вание таких атомов обусловлено электромагнитным взаимодействием. Кро­ме того, газы обладают высокой прозрачностью для электромагнитного излучения, за исключением некоторых длин волн, на которых возможно возбуждение таких атомов.

Правильными являются варианты ответа: 1) системной упорядоченно­стью строения; 2) очень высокой степенью прозрачности для электромаг­нитного излучения.

Задание 12.2 {выберите один вариант ответа).

Свойство, показывающее, что значение величины, соответствующей це­лому, равно сумме величин, соответствующих его частям, называется ...

Варианты ответа:

1. Аддитивностью.

2. Аннигиляцией.

3. Интеграцией.

4. Анизотропией.

Обоснование ответа. Формулировка задания практически полностью соответствует определению свойства аддитивности какой-либо величины. Все остальные варианты ответа относятся к другим понятиям: аннигиляция — исчезновение пары частица-античастица, интеграция — объединение час­тей в одно целое, анизотропия — различие свойств в разных направлениях.

Правильным является вариант ответа: 1) аддитивностью.

Задание 12.3 (выберите варианты согласно тексту задания).

Установите соответствие взаимосвязи естественных наук с одной из при­чин, которая порождает эту взаимосвязь:

1. Взаимосвязь химии с биологией.

2. Взаимосвязь химии с физикой.

3. Взаимосвязь физики с биологией.

Варианты ответа:

A. Физические методы исследования позволили проникнуть в глубь ма­терии, познать процессы на молекулярном уровне.

Б. В основе жизни лежат химические реакции, строго координирован­ные во времени и протекающие закономерно.

B. Молекулы живых организмов состоят из атомов химических элемен­ тов, свойства которых полностью определяют свойства живых систем.

Г. Химические реакции сопровождаются физическими процессами: теп­ловыми, световыми эффектами, изменением оптических, электрических свойств веществ.

Обоснование ответа. Взаимосвязь химии с биологией обусловлена тем, что в основе жизни лежат химические реакции, которые строго координированы, согласованы в пространстве и во времени (в отличие от обычных хими­ческих реакций, протекание которых подчиняется статистическим, вероят­ностным законам). Взаимосвязь химии с физикой проистекает из того, что, во-первых, сами реакции обусловлены физическими взаимодействиями ато­мов и молекул, во-вторых, эти реакции сопровождаются различными физи­ческими процессами (тепловыми, световыми, оптическими, электрически­ми и т. д.). Взаимосвязь физики и биологии, помимо того, что в основе био­химических реакций лежат физические механизмы, обусловлена тем, что физические методы позволяют проникнуть в глубь материи, познать процес­сы на молекулярном уровне. Вариант ответа В некорректен, так как предпо­лагает редукцию биологии к химии, а это неверно.

Правильным является соответствие: 1 — Б; 2 — Г; 3 — А.

Задание 12.4 (выберите один вариант ответа).

«Внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического рав­новесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия» — это формулировка принципа ...

Варианты ответа:

1. ЛеШателье.

2. Дополнительности.

3. Комплементарности.

4. Наименьшего.

Обоснование ответа. Разберем варианты ответа. Принцип наименьшего действия в механике утверждает, что реализуется такая траектория движе­ния материальной точки, для которой действие (произведение энергии на время) минимально. В некоторых задачах этот принцип позволяет упростить нахождение траектории по сравнению с непосредственным решением урав­нения Ньютона та = F.

Принцип комплементарности относится к молекулярной биологии. В со­ответствии с этим принципом последовательность нуклеотидов в одной из двух спиралей ДНК в точности определяет последовательность нуклеотидов во второй спирали, так как аденин может быть связан только с тимином, а цитозин — с гуанином.

Принцип дополнительности был сформулирован Н. Бором: получение информации об одних физических величинах, описывающих исследуемый объект, неизбежно связано с потерей информации о других величинах, до­полнительных к первым (например, координата и проекция импульса).

Таким образом, все рассмотренные варианты ответа не имеют ничего об­щего с вопросом задания, который на самом деле выражает принцип Ле Ша-телье.

Правильным является вариант ответа: 1) Ле Шателье.

Задание 12.5 (выберите один вариант ответа).

Физическая эволюция, по Больцману, для изолированной системы в рам­ках равновесной термодинамики приводит к ...

Варианты ответа:

1. Уменьшению энтропии.

2. Увеличению симметрии системы.

3. Увеличению энтропии.

4. Возникновению упорядоченных структур.

Обоснование ответа. Для изолированных замкнутых систем справедли­вы законы классической термодинамики, в частности второе начало, кото­рое утверждает, что энтропия таких систем либо возрастает, либо остается постоянной.

Правильным является вариант ответа: 3) увеличению энтропии.

Задание 12.6 {выберите несколько вариантов ответа).

Универсальный принцип естествознания, который утверждает, что по­лучение информации об одних величинах, описывающих исследуемый объ­ект, неизбежно связано с потерей информации о других величинах, называ­ется принципом ...

Варианты ответа:

1. Неопределенности.

2. Причинности.

3. Оптимальности.

4. Дополнительности.

Обоснование ответа. В вариантах ответа приведены два термина — до­полнительности и неопределенности. Первый связан с именем Н. Бора, вто­рой — с именем В. Гейзенберга. Второй является частным случаем первого для конкретного применения в квантовой механике. Именно эти принципы и следует выбрать в качестве правильного ответа, так как принцип причин­ности скорее относится к философии и обозначает необходимую связь взаи­мообусловленных явлений. Принцип оптимальности иногда встречается в технических науках.

Правильными являются варианты ответа: 1) неопределенности; 4) допол­нительности.

Задание 12.7 {выберите несколько вариантов ответа).

Для реакции окисления двух молей молекулярного водорода одним мо­лем молекулярного кислорода с образованием двух молей воды справедливы следующие утверждения:

Варианты ответа:

1. Свойства воды целиком определяются свойствами исходных веществ-кислорода и водорода.

2. Масса получившейся воды равна сумме масс исходных компонентов-водорода и кислорода.

3. Число атомов в молекуле воды равно числу атомов кислорода и водорода.

4. Число молекул воды равно сумме числа реагирующих молекул водоро­да и кислорода.

Обоснование ответа. Прежде всего запишем реакцию окисления водоро­да кислородом 2Н₂ + 0₂ = 2Н₂0. В реакции участвуют две молекулы водорода и одна молекула кислорода, а получаются две молекулы воды. Следовательно, вариант 4 неверен. Свойства исходных веществ — водорода и кислорода в га­зообразном состоянии — совершенно не похожи на свойства получающегося продукта — воды. Значит вариант 1 тоже не подходит. Оставшиеся два вари­анта — 2-й и 3-й — соответствуют поставленному вопросу.

Правильными являются варианты ответа: 2) масса получившейся воды равна сумме масс исходных компонентов — водорода и кислорода; 3) число атомов в молекуле воды равно числу атомов кислорода и водорода.

Задание 12.8 (выберите варианты согласно указанной последовательности). Укажите правильную последовательность в структурной иерархии мик­ромира (от большего к меньшему).

2. Атом углерода. 1. Молекула сахара.

4. Протон. 3. Ядро атома углерода.

Обоснование ответа. Исходя из определения атома и молекулы, можно дать следующую характеристику указанных в задании веществ:

• протон — ядро атома водорода;

• ядро атома углерода состоит из шести протонов и шести нейтронов;

• атом углерода — электронейтральная система, состоящая из ядра атома углерода и шести электронов;

• молекула сахара — это молекула углевода, состоящая из атомов углеро­да, кислорода и водорода. Например, для простых Сахаров: С₆Н₁₂0₆. Правильной является последовательность: 1) молекула сахара; 2) атом

углерода; 3) ядро атома углерода; 4) протон.