- •Оглавление
- •Предисловие
- •Введение
- •1. Естествознание в мировой культуре
- •1.1. Естествознание как единая наука о природе
- •1.2. Естественнонаучная и гуманитарная культура, их взаимосвязь
- •2. Структура и методы естественнонаучного познания
- •2.1. Методы научного познания
- •2.1.1. Системный метод
- •2.2. Структура научного познания
- •2.3. Логика и динамика развития естествознания
- •2.4. Естественнонаучная картина мира
- •3. Важнейшие этапы развития естествознания
- •3.1. Натурфилософский период
- •3.2. Период схоластики
- •3.3. Механистический период (XVI–XVIII вв.)
- •3.4. Стихийно-диалектический период
- •3.5. Период современного развития естествознания
- •4. Структурные уровни организации материи
- •4.1. Типы материальных систем
- •Окружающий мир
- •4.2. Микромир: концепции современной физики
- •4.3. Фундаментальные взаимодействия в природе
- •4.4. Мегамир – современные концепции
- •4.5. Эволюция и строение галактик
- •4.6. Строение и эволюция звезд. Солнечная система. Земля
- •5. Законы сохранения и принципы симметрии
- •5.1. Законы сохранения
- •5.2. Принципы симметрии физических законов
- •6. Пространство и время в современной научной картине мира
- •6.1. Развитие взглядов на пространство и время
- •6.2. Специальная теория относительности
- •6.3. Общая теория относительности
- •6.4. Свойства пространства и времени
- •7. Современные концепции химии
- •7.1. Предмет познания химической науки
- •7.2. Система химии, логика ее построения
- •7.3. Проблемы и перспективы химии
- •7.3.1. Проблемы и решения на уровне учения о составе
- •7.3.2. Проблемы и решения на уровне структурной химии
- •7.3.3. Проблемы и решения на уровне учения о химических процессах
- •7.3.4. Эволюционная химия – высшая степень развития химических знаний
- •8. Особенности биологического уровня организации материи
- •8.1. Сущность живого, его основные признаки
- •8.2. Концепция возникновения живого
- •8.3. Химический состав и значение клетки
- •8.4. Структурные уровни живого
- •8.5. Эволюция живой природы
- •8.6. Генетика в биологическом знании и культуре общества
- •9. Человек как предмет естественнонаучного познания
- •9.1. Сходства и отличия человека и животных
- •Место человека в структуре живого
- •9.2. Эмоции и творчество
- •9.3. Здоровье и работоспособность
- •10. Концепции самоорганизации
- •10.1. Порядок и беспорядок в природе
- •10.2. Синергетика
- •10.3. Неравновесная термодинамика
- •10.4. Самоорганизация в природе
- •11. Экология и учение о биосфере
- •11.1. Эволюция представлений о биосфере
- •11.2. Состав биосферы
- •11.3. Структурные единицы биосферы
- •11.4. Закономерности развития экосистем
- •11.5. Концепции ноосферы и устойчивого развития
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Практические занятия
- •1. Естествознание в мировой культуре План занятия
- •Контрольные вопросы и задания
- •Темы докладов и рефератов
- •2. Научный метод и процесс познания План занятия
- •Контрольные вопросы и задания
- •Темы докладов и рефератов
- •Темы докладов и рефератов
- •Темы докладов и рефератов
- •5. Фундаментальные взаимодействия и законы План занятия
- •Контрольные вопросы и задания
- •Темы докладов и рефератов
- •6. Мегамир – современные концепции План занятия
- •Контрольные вопросы и задания
- •7. Пространство и время в современной научной картине мира План занятия
- •Контрольные вопросы и задания
- •Темы докладов и рефератов
- •8. Современные концепции химии План занятий
- •Контрольные вопросы и задания
- •9. Эволюционная химия – высшая ступень развития химических знаний План занятия
- •Контрольные вопросы и задания
- •Темы докладов и рефератов
- •Темы докладов и рефератов
- •11. Человек как предмет естествознания План занятия
- •Контрольные вопросы и задания
- •Темы докладов и рефератов
- •12. Самоорганизация в природе План занятия
- •Контрольные вопросы и задания
- •Темы докладов и рефератов
- •13. Учение о биосфере План занятия
- •Контрольные вопросы и задания
- •Темы докладов и рефератов
- •14. Современное естествознание и будущее науки План занятия
- •Контрольные вопросы и задания
- •Темы докладов и рефератов
- •Приложение 2
- •Алфавитно-именной указатель
- •Аль-Хорезми Мухаммед бен Муса (787–ок. 850 гг.) 19
- •Аристотель (384–322 до н.Э.) 18, 19, 87
- •Вант-Гофф Якоб Хенрик (1852–1911) 51
- •Ньютон Исаак (1643–1727) 14, 20, 21, 40, 41
- •Цицерон Марк Тулий (106– 43 до н.Э.) 9
- •Алфавитно-предметный указатель
- •ШтабноваВалентина Леонидовна концепции современного естествознания
- •644099, Г. Омск, ул. Красногвардейская, 9 к оглавлению
8.2. Концепция возникновения живого
Среди концепций возникновения живого следует выделить концепцию происхождения жизни на земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам (биохимическая эволюция).
У концепции появления жизни на Земле в историческом прошлом два варианта. Согласно одному, происхождение жизни – результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого. Согласно другой точке зрения, происхождение жизни – результат закономерной эволюции материи. Начало этой концепции заложил русский биохимик А. И. Опарин в 1924 г. В появлении жизни он увидел единый естественный процесс, слагавшийся из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей затем на качественно новый уровень – биохимической эволюции. С самого начала процесс был неразрывно связан с геологической эволюцией внешних оболочек Земли. Независимо от А. И. Опарина подобный подход в 1929 г. высказал английский физиолог Дж. Холдейн.
Согласно гипотезе Опарина, атмосфера первичной Земли сильно отличалась от современной атмосферы. Опарин полагал, что атмосфера Земли была скорее «восстановительной», что доказывается наличием в самых древних породах металлов в восстановленной форме (двухвалентное железо). Опыты показывают, что органические вещества в восстановительной среде создаются легче, чем в окислительной среде (богатой кислородом).
Опарин предположил, что органика возникла в океане из более простых соединений. Необходимую энергию давало солнце, ультрафиолетовая часть излучения которого не поглощалась озоновым слоем, поскольку он еще не образовался. Разнообразие простых соединений в океанах, большая водная площадь, обилие солнечной энергии, действовавшей длительное время, образовали «первичный бульон», состоящий из коагулянтов, гелей и коацерватов(микросфер диаметром от 10 до 50 мкм). У этих коллоидных образований на поверхности могут происходить процессы, напоминающие метаболизм живых организмов, как считали Опарин и Холдейн. Коацерваты способны делиться на части, увеличиваться в размерах, поглощать более простые молекулы. Именно во внутренних полостях капель, куда извне могли выборочно проникать молекулы, началась эволюция от химических реакций к биохимическим, а переход к простейшей клетке произошел в форме скачка, характерного для самоорганизации вещества.
К оглавлению
Гипотеза Опарина–Холдейна проверялась на установке Миллера в 1953 г., где искровой разряд пропускался через смесь метана, аммиака, водорода и воды, что имитировало условия первичной Земли. Были синтезированы простейшие нуклеиновые кислоты.
8.3. Химический состав и значение клетки
Первыми клетками были прокариоты, безъядерные клетки. Они исторически являются предшественниками клеток имеющих ядро, впервые появившихся около 3 млрд. лет тому назад –эукариотов. К прокариотам относятся бактерии, сине-зеленые водоросли.
Во второй половине XXвека были выяснены вещественный состав, структура клетки и процессы, происходящие в ней. Клетка это своего рода атом в биологии. Как разные химические соединения сложены из атомов, так и живые организмы состоят из огромных скоплений клеток. Клетка, подобно атомам, содержит в середине плотное образование, названное ядром, которое плавает в «полужидкой» цитоплазме. Все вместе заключено в клеточную мембрану.
Организмы состоят из воды, различных неорганических ионов и многих органических соединений. Как отмечалось ранее, химия живого насчитывает всего лишь около 20 элементов. Живые организмы образуют всевозможные малые органические молекулы, называемые мономерами соединяя друг с другом мономеры. Организм строит свои макромолекулы. Процесс этот обратим: полимеры могут быть разрушены до мономеров, из которых они состоят.
Все живые организмы содержат четыре главных класса органических соединений: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Соединения каждого класса построены из своих особых мономеров, объединяющихся в полимеры.
В углеводахроль мономеров играют простые сахара, называемые моносахаридами; примерами моносахаридов могут служить глюкоза и фруктоза. В состав простых сахаров входят атомы углерода, водорода и кислорода в соотношении 1:2:1. Одна из важных функций моносахаридов заключается в обеспечении организма энергией. В клетках простые сахара расщепляются до двуокиси углерода и воды, что сопровождается высвобождением энергии, запасенной в молекулах сахара. Некоторые пятиуглеродные сахара играют также важную роль в качестве одного из компонентов нуклеиновых кислот.
К оглавлению
Простые сахара могут соединяться, образуя дисахариды (сахароза) и полисахариды. Обычный полисахарид животного организма – гликоген – представляет собой полимер глюкозы, которая в таком виде запасается главным образом в печени и мышцах. В растениях глюкоза хранится в виде крахмала. Кроме него растения синтезируют и другой полисахарид – целлюлозу. Целлюлоза образует волокна, которые сообщают телу растения жесткость.
В отличие от углеводов липидыразнообразны и по структуре, и по соотношению входящих в них элементов. Всем липидам присуще, однако, одно общее свойство: они неполярны, поэтому и растворяются в таких неполярных жидкостях, как хлороформ и эфир, но практически нерастворимы в воде. Именно нерастворимость в воде делает липиды важнейшими компонентами мембран, разделяющих в живых организмах отсеки, или компартменты, заполненные водным содержимым. Кроме того, липиды – это главная форма хранения энергии в животном организме, поскольку липиды, в отличие от углеводов, могут храниться в концентрированном виде.
Белки представлены в живых клетках гораздо полнее, чем любые другие органические соединения, что хорошо согласуется с разнообразием выполняемых ими функций. Белки– это ферменты, ускоряющие химические реакции, а также структурные белки, из которых состоят, например, волосы, ногти или шелк. В состав белка входят углерод, кислород, водород и азот; некоторые белки содержат еще и серу. Роль мономеров в белках играют аминокислоты. В белках встречаются 20 обычных видов аминокислот. Длинную цепь из аминокислот называют полипептидом. Полипептиды содержат от 100 до 300 аминокислот. Молекулы некоторых белков состоят из одной полипептидной цепи; в других белках их две или более, причем они специфическим образом упакованы. Цепь белка должна быть надлежащим образом скручена и свернута. Это свертывание обеспечивается различного рода взаимодействиями между аминокислотами.
Нуклеиновые кислоты– это самые крупные из молекул, образуемых живыми организмами. Есть два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (сокращенно ДНК), содержащая генетическую информацию, куда входит и информация о последовательности аминокислот в полипептидах (ДНК поэтому определяет структуру белков), и рибонуклеиновая кислота (РНК), участвующая в синтезе белков.
К оглавлению
Исследования показали, что клетки имеют некоторые общие свойства не только в строении, но и в функциях. Так, клетки осуществляют обмен веществ, способны к саморегуляции своего состояния, могут передавать наследственную информацию. Но клетки и весьма многообразны. Величина клеток – от 1 мкм до 1 м (у нервных клеток, имеющих отростки). Клетки могут быть дифференцированными (нервные, мышечные и т. д.). Большинство из них могут восстанавливаться, но некоторые, например нервные, – нет или почти нет. У клеток разный срок существования. Так, некоторые клетки пищевода отмирают у человека через несколько дней после появления, а срок жизни нервных клеток может совпадать с продолжительностью жизни человека.
Работу клетки можно сравнить с работой фабрики. Почти в каждой из клеток человека синтезируется свыше 10 000 разных белков. Нуклеиновые кислоты создают ферменты (белки), управляющие реакциями. Фермент похож на дирижера, который играет всегда со своим оркестром. В каждой клетке несколько тысяч «дирижеров–ферментов». Это станки и машины «фабрики». Но в отличие от обычной фабрики, клетка может и воспроизводить саму себя.