Контрольная работа_3 / 3- 8_Концепция современного естествознания

Вариант 8.

1. Чему соответствует состояние равновесия и каким образом оно может быть нарушено?

2. Что называется функцией диссипации? Поясните понятия: диссипативная система и диссипативная структура.

3. Что происходит с информацией в течение времени, если ее не “обновлять”? С чем это связано?

4. Количественные характеристики информации. Каким свойством обладает информация, отличающим ее от других физических величин?

5. Проведите сравнительный анализ теорий биохимической эволюции и креационизма.

6. Что такое жизнь согласно теории креационизма? Поясните антропный принцип.

7. Что происходит с солнечной энергией, падающей на Землю?

8. Какими моделями описывается сосуществование и конкуренция различных видов? Какую роль играет приспособление видов к экологическим нишам для их выживания?

9. Механизмы, обеспечивающие выживание живых организмов в условиях меняющейся окружающей среды. Что является условием выживания?

10. Поясните понятия технология и научно-техническая революция.

Ответы.

1.На основе термодинамики необратимых процессов проводятся исследования открытых систем:в них энтропия может возникать и переноситься.С молекулярно-кинетической точки зрения в изолированных системах положению равновесия отвечает состояние максимального хаоса.

На пути сложной системы к равновесию,которое характеризуется максимумом энтропии,могут возникнуть обстоятельства,не позволяющие его достичь.В качестве таковых выступают граничные условия,которые могут быть постоянными или менятся.Если они постоянны,например поддерживают определенную разность температур на границах,то переменные состояния стремятся асимптотически к независимым от времени величинам,достигая квазистационарного или стационарного состояния.

2.Внутреннее производство энтропии за еденицу времени в еденице объема в открытых системах названо Пригожиным функцией диссипации,а системы,в которых функция диссипации отлична от нуля,названы диссипативными.В диссипативных системах энергия упорядоченного движения переходит в энергию неупорядоченного движения,и,в конечном итоге,в тепло.

Пригожин назвал упорядоченные образования,возникающие в диссипативных системах в ходе неравновесных необратимых процессов,диссипативными структурами.

3.Система является носителем информации.Но волновые свойства частиц делают невозможным точное определение поведение такой системы в будущем и мы говорим об эргодической гипотезе и статистических закономерностях.Из-за квантовых эффектов знание начальных условий с течением времени определяет поведение системы все с меньшей вероятностью-информация деградирует,хотя энтропия может не меняться.

Информация записанная с помощью современных технических средств,деградирует с меньшей скоростью,но процесс этот неизбежен и необратим.

Информация деградирует и впоследствии закона возрастания энтропии,стремления замкнутых систем переходить в хаотическое,беспорядочное состояние.

4.Информация-это ограниченичение на число микросостояний системы,связанное с начальными условиями или внешними факторами.Таким образом,количество информации можно оценить как уменьшение энтропии ''носителя'' информации.уменьшение энтропии реализуется в некоторой упорядоченности структур.

В науке нет общепринятой количественной характеристики информации..Количество можно оценить как уменьшение энтропии носителя информации,но это не всегда удобно.Если упорядоченность структур,кодирующую информацию можно охарактеризовать последовательностью дискретных чисел,то еденицей информции является бит-двоичный разряд,который может принимать значение 0 или 1.Восемь последовательных битов составляют байт.Килобайт(Кбайт) содержит 1024 (2) байт.Мегабайт(Мбайт) содержит 1024(2) Кбайт.

Информация,в отличии от энтропии обладает качественным свойством - ценностью

5.Для непредубежденного человека палеонтологическая летопись ископаемых остатков свидетельствует не в пользу биохимической эволюции.

Сравнение теорий биохимической эволюции и теории креационизма.

Согласно теории эволюции	Согласно теории креационизма
Постепенное появление простейших форм жизни	Внезапное появление сложных форм жизни
Постепенное преобразование простых форм в более сложные	Размножение сложных форм жизни ''по роду их'',не исключающее вариаций
Множество промежуточных звеньев между видами	Отсутствие промежуточных звеньев между видами

6.Согласно теории креационизма жизнь-результат сверхъестественных,то аесть нарушающих законы физики,событий в прошлом.В пользу неслучайного характера процесса развития жизни говорит и антропный принцип,сформулированный в 70-е годы нашего столетия.Его сущность заключается в том,что даже незначительное отклонение значения любой из фундаметальных констант приводит к невозможности появления во Вселенной высокоупорядоченных структур.

Во Вселенной, вероятно, возможны разные формы жизни, но в дальнейшем, говоря о жизни, я буду подразумевать только водно-углеродную форму, к которой принадлежим мы сами. Это делается не из "патриотизма", а по той причине, что при обсуждении  антропного принципа имеется в виду именно эта форма жизни.Применительно к этой форме жизни существенной характеристикой Вселенной можно считать то, что жизнь существует в ней лишь локально, в ограниченных (и притом очень небольших) областях. Это отличает Вселенную от таких однородных систем, как например, земная биосфера, где жизнь существует повсюду, и условия в каждой точке являются необходимыми и достаточными для жизни, а любое свойство биосферы является допустимым, совместимым с жизнью. Однако, применительно ко всей планете Земля, отмеченная однородность нарушается. Если выйти за пределы биосферы, условия становятся непригодными для жизни (например, условия в атмосфере выше озонового слоя).

Рассмотрим это свойство неоднородных систем на примере Солнечной системы. Здесь локальные условия, по отношению к фактору жизни, весьма различны. На Земле, в пределах биосферы, выполняется комплекс необходимых и достаточных условий. Но в других местах Солнечной системы, на других планетах, в межпланетной среде - условия непригодны для жизни. Между тем, Земля входит в состав Солнечной системы. Значит условия Солнечной системы в целом (включая условия в областях, где жизнь развиваться не может) должны допускать существование в ней жизни - хотя бы на одной планете Земля. Более того, раз в Солнечной системе есть жизнь, значит а ней реализовался комплекс необходимых и достаточных условий. Существует множество условий в Солнечной системе, которые не препятствуют существованию жизни на Земле, но неизвестно, являются ли они существенными для жизни. Необходимо ли для жизни на Земле наличие других планет (где нет жизни)? Необходимо ли для этого кольцо астероидов и другие "глобальные" характеристики Солнечной системы, являются ли они нейтрально-допустимыми или необходимыми для жизни?

Перейдем теперь ко Вселенной в целом. Многие области Вселенной непригодны для жизни. Но поскольку жизнь во Вселенной существует, то условия в ней должны быть допустимыми, они должны допускать существование жизни, хотя бы в некоторых локальных областях Вселенной. Это тривиально. Но какие из допустимых условий во Вселенной можно считать необходимыми для жизни? Очевидно, к ним можно отнести существование звезд и планет (хотя это утверждение требует, на самом деле, серьезного обоснования). Менее очевидно, насколько необходимы для жизни галактики. Должны ли звезды, чтобы обеспечить возникновение около них жизни, объединяться в гигантские системы? И, если да, то могут ли эти системы иметь произвольные параметры, или они должны соответствовать параметрам типичных галактик? Еще менее очевидно, насколько необходимы для жизни скопления галактик и, наконец, вся расширяющаяся Метагалактика. Насколько, вообще, "глобальные" свойства Вселенной необходимы для жизни? Иными словами, в какой мере существенные черты Вселенной совпадают с жизненно-важными параметрами.

Ответ, который дает на этот вопрос  антропный принцип оказался весьма неожиданным. Он позволил связать наиболее характерные существенные черты Вселенной, а позднее и фундаментальные свойства материи с существованием во Вселенной жизни (и человека).

7.Ультрафиолетовая часть солнечного спектра,которая в энергетическом отношении составляет около 30 % всей солнечной энергии,доходящей до Земли,практически полностью задерживается атмосферой.Половина поступающей энергии превращается в тепло и затем излучается в космическое пространство,20 % расходуется на испарение воды и образование облаков и только 0,02 % используется биосферой.Зеленые растения улавливают эту энергию,поглощая молекулы хлорофила,затем в процессе фотосинтеза преобразуют её и запасают в форме сахаров.От этого процесса зависит все существование биосферы.

8.Сосуществование имеет место,когда различные виды не питаются одной и той же пищей,не поедают друг друга,размножаются в разных местах.Тогда уравнение для численности записываются так: dn/dt = 1-1 n,dm/dt =2m -2m.

Например,растения,извлекающие фосфор из почвы(при этом одни закрывают листьями другие,лишая их солнечного света),или птицы,которые строят гнезда в одних и тех же местах и т.п.Математически это соответствует установлению генерации в лазаре или автокаталитической реакции между двумя группами молекул,и решение показывает,что выживет только один вид,который наиболее приспособлен.Это выживание может быть достигнуто улучшением индивидуальных констант и адаптацией. Конкуренция –это когда численность каждого из видов в присутствии другого растет с меньшей скоростью.

Уравнения конкуренции (b12,>0, b21<0) предсказывают выживание одного из двух видов, в случае если собственная скорость роста другого вида меньше некоторой критической величины. Оба вида могут сосуществовать, если произведение коэффициентов межпопуляционного взаимодействия меньше произведения коэффициентов внутри популяционного взаимодействия: b12b21<c1c2..

Для изучения конкуренции видов ставились эксперименты на самых различных организмах. Обычно выбирают два близкородственных вида и выращивают их вместе и по отдельности в строго контролируемых условиях. Через определенные промежутки времени проводят полный или выборочный учет численности популяции. Регистрируют данные по нескольким повторным экспериментам и анализируют. Исследования проводили на простейших (в частности, инфузориях), многих видах жуков рода Tribolium, дрозофиллах, пресноводных ракообразных (дафниях). Много экспериментов проводилось на микробных популяциях. В природе также проводили эксперименты, в том числе на планариях (Рейнольдс) двух видах муравьев (Понтин). Результаты свидетельствуют о существовании конкуренции, ведущей к уменьшению численности обоих видов.

Модель  конкуренции имеет недостатки, в частности, из нее следует, что  сосуществование двух  видов возможно лишь в случае, если их численность ограничивается разными факторами, но модель не дает указаний, насколько велики должны быть различия для обеспечения длительного  сосуществования. Внесение стохастических элементов (например, введение функции использования ресурса) позволяет ответить на эти вопросы.

9.Живой организм представляет собой открытую физико-химическую систему,существующую в окружающей среде в стационарном состоянии.У всех живых организмов-от морфологически самых простых до наиболее сложных-имеются разнообразные анатомические и физиологические приспособления,служащие одной цели-сохранению постоянства внутренней среды,т.е. поддерживанию в достаточно узких пределах температуры тела,содержания в нём воды,градиентов концентрации ионов,кровяного давления и т.д.Способность живых систем сохранять стационарное состояние в условиях непрерывно меняющейся внешней среды обуславливает их выживание.

На уровне клеток и на уровне тканей действуют разнообразные системы саморегуляции,обозначаемые термином гомеостаз.Способы регуляции,существующие в живой природе,имеют много общих черт с регулирующими устройствами в современной технике.и в этом и в другом случае стабильность достигается благодаря определённой форме управления.Общими закономерностями регулирования в живой природе занимается кибернетика.

10.Технология-способ материальной деятельности человека,направленный на преобразование природы с целью обеспечения себя материальными благами и создания комфортных условий существования-есть результат применения моделей естествознания на практике.

Научно-техническая революция-процесс совершенствования существующих технологий и создание новых в следующих направлениях:

1.Уменьшения энергоемкости и ресурсоемкости на еденицу продукции.

2.Уменьшение трудоемкости или количества ''человекочасов'' на еденицу продукции.Это достигается двумя путями:совершенствованием физико-химической основы технологии и внедрением средств автоматизации производства(микроэлектроники).Как следствие-уменьшение себестоимости продукции.

3.Увелечение производительности или количества продукции за еденицу времени.

4.Повышение экологической безопасности,снижение вредного воздействия на окружающую среду и улучшение условий труда.

5.Появление новых возможностей,выпуск продукции с новыми свойствами.

Как правило,эти изменения сопровождаются увелечением сложности или информативности технологии,что предъявляет повышенные требования к создателям новой технологии и к тем,кто на ней работает.

Процесс внедрения новых технологий в промышленность иногда связан с экономическим риском,в основе которого невозможность однозначно предсказать поведение новой технологии как открытой физико-химической системы.Но этот риск вполне оправдан,так как применение передовых технологий –главный фактор экономического роста,социальной стабильности любого общества в современных условиях.

По мере развития промышленных технологий снижается доля населения,занятого в производственном секторе,и увеличивается занятость в сфере услуг,науки,образования,здравохранения и культуры.Повышается значимость фундаментального образования.