- •Серия «Высшее образование»
- •Содержание
- •Раздел I 9
- •Раздел II 227
- •Раздел III. Контрольно-аттестационный 239
- •Предисловие
- •Раздел I Теоретико-концептуальный и естественноисторический
- •1. Принципы, методы и философские концепции науки и естественнонаучного познания
- •1.1. Определение науки и естествознания как отрасли науки
- •1.2. Наука и ненаука. Принципы или критерии научности
- •1.3. Структура, эмпирический и теоретический уровни и цель естественнонаучного познания
- •1.4. Методы научного познания
- •1.5. Философия науки и динамика научного познания в концепциях к. Поппера, т. Куна и и. Лакатоса
- •1.6. Основные этапы развития научной рациональности (науки) - классический, неклассический и постнеклассический
- •Вопросы для обсуждения
- •2. Генезис основных концептуальных понятий современного естествознания античными и средневековыми цивилизациями.
- •2.1. Роль и значение мифов в становлении науки и естествознания
- •2.2. Античные ближневосточные цивилизации
- •2.3. Античная Эллада (Древняя Греция)
- •2.4. Античный Рим
- •2.5. Античный Китай
- •2.6. Античная Индия
- •2.7. Арабское средневековье
- •2.8. Древняя Месоамерика — естествознание народа майя
- •2.9. Древние и средневековые Византия и Русь
- •2.10. Западноевропейское средневековье
- •2.11. Эпоха Возрождения
- •Вопросы для обсуждения
- •3. Концепции и принципы классического физического – механистического и термодинамического естествознания
- •3.1. Объекты физического познания и структура физических наук
- •3.2. Концепции предклассического механистического естествознания
- •3.3. Ньютоновы принципы классического механистического естествознания
- •3.4. Энергия, теплота, закон сохранения энергии и первое начало (принцип) термодинамики
- •3.5. Понятие качества энергии, энтропия, второе начало (принцип) термодинамики и принцип минимума производства энтропии
- •4. Концепции и принципы неклассического - полевого, квантового и квантово-полевого физического естествознания
- •4.1. Электромагнитное поле фарадея-Максвелла, электромагнитное взаимодействие и принципы специальной теории относительности - теории пространства-времени Эйнштейна и Минковского
- •4.2. Поле всемирного тяготения, гравитационное взаимодействие и постулаты общей теории относительности Эйнштейна - теории пространства, времени, материи, тяготения и движения
- •4.3. Концепции и принципы квантового естествознания
- •4.4. Квантово-полевой микромир сильного и слабого взаимодействий, принципы квантовой хромодинамики и систематики элементарных частиц
- •5. Фундаментальные принципы и обобщенные положения современного физического естествознания
- •5.1. Концепции пространство и время
- •5.2. Принципы относительности движения — классический, релятивистский и к средствам наблюдения
- •5.3. Концепции корпускулярности, континуальности и корпускулярно-волнового дуализма
- •5.4. Концепции симметрии, инвариантности и законы сохранения
- •5.5. Концепции физического вакуума
- •5.6. Основополагающие принципы и понятия физического естествознания
- •5.7. Физическое естествознание как целостная система знаний
- •6. Космологические и космогонические концепции естествознания о Вселенной
- •6.1. Вселенная как понятие и объект познания
- •6.2. Планеты, звезды, галактики и их структуры во Вселенной
- •6.3. Начало космологии, фридмановские космологические модели, разбегание галактик и расширение Вселенной
- •6.4. Космогоническая гипотеза Леметра, гипотеза Гамова «горячей сингулярности», «большой взрыв» и ранние эпохи образования Вселенной
- •6..5. Реликтовое излучение Гамова
- •6.6. Космологический Горизонт и крупномасштабная (ячеистая) структура Вселенной
- •7. Естествознание о Земле и планетах Солнечной системы
- •7.1. Планетная космогония
- •7.2. Геосферы и эволюция Земли
- •7.3. Геохронологическая и стратиграфическая шкалы
- •7.4. Географическая оболочка Земли
- •8. Концепции и принципы химического естествознания
- •8.1. Эволюция звезд, происхождение химических элементов и планетная химическая эволюция
- •8.2. Донаучный этап химии — ремесленная химия и алхимия античности и средневековья
- •8.3. Главная задача химии и основные этапы ее развития
- •8.4. Концепции химии об элементах и периодический закон Менделеева химических элементов
- •8.5. Концепции структуры химических соединений (структурной химии)
- •8.6. Концепции и законы химических процессов (реакций)
- •8.7. Концепции и принципы эволюционной химии и самоорганизации эволюционных химических систем
- •9. Концепции и принципы биологического естествознания
- •9.1. Объекты биологического познания и структура биологических наук
- •9.2. Гипотезы возникновения жизни и генетического кода
- •9.3. Концепции начала и эволюции жизни
- •9.4. Системная иерархия организации живых организмов и их сообществ
- •9.5. Экосистемы, экология и взаимоотношения живых существ
- •9.6. Основные концепции этологии
- •9.7. Энергетические и энтропийные процессы (энергетика) жизни
- •10. Концепции и гипотезы естествознания о человеке
- •10.1. Теическая гипотеза происхождения человека (творение Бога)
- •10.2. Эволюционные концепции происхождения человека
- •10.3. Мутационные гипотезы происхождения человека
- •10.4. Концепции этнологии
- •10.5. Теория пассионарности л. Н. Гумилева
- •10.6. Совместная эволюция человека и биосферы
- •11. Антропный принцип и мега-история Вселенной
- •11.1. О понятии мега-истории Вселенной
- •11.2. Предыстория антропного принципа
- •11.3. Этапы и процессы панкосмогенеза
- •11.4. О базовых параметрах Вселенной и Галактики (Млечного Пути)
- •11.5. Тонкая согласованность физических законов и мировых констант
- •11.6. Магия (мистика) больших чисел
- •11.7. Слабая формулировка антропного принципа
- •11.8. Сильная и сверхсильная формулировки антропного принципа
- •11.9. О кризисе планетарного цикла мега-истории Вселенной
- •12. Концепции постнеклассического естествознания и теорий самоорганизации
- •12.1. Возникновение и становление концепций постнеклассического естествознания
- •12.2. Динамика возникновения диссипативных структур
- •12.3. Устойчивость структур и механизм их эволюции
- •12.4. Механизмы потери устойчивости структур, катастрофы, бифуркации, математическая теория катастроф и прогнозы будущего
- •12.5. Природные диссипативные структуры (стихии)
- •12.6. Фракталы, сети и сетевые структуры природы и общества
- •12.7. Фундаментальные концепции постнеклассического естествознания
- •12.8. К проблеме постнеклассического межкультурного диалога естественных и гуманитарных наук
- •13. Математика и естественнонаучная реальность мира
- •13.1. Математизация как принцип целостности естествознания
- •13.2. Математика, математическая истина и теория познания
- •13.3. Непостижимая эффективность математики
- •Заключение
- •Раздел II Список тем рефератов Темы рефератов «Образы природы античного, раннего (средневековья и эпохи Возрождения) и классического (эпохи Нового времени) естествознания» (1 семестр)
- •Темы рефератов по разделу «Концепции естествознания Новейшего времени» (2 семестр)
- •Тематика рефератов «Биографические очерки и творчество великих ученых»
- •Раздел III. Контрольно-аттестационный
- •1.23. Проклассифицируйте, как определенные научно-познавательные понятия (факт, гипотеза, теория, закон), следующие утверждения:
- •8.30. Открыл в химии закон кратных отношений и заложил основы атомной теории:
- •Глава 8
- •Глава 9
- •Глава 12
- •Глава 13
- •Литература
- •1. Рекомендуемая литература
- •2. Обзор рекомендованной литературы
- •Содержание
- •Раздел I
- •Раздел II
- •Раздел III
8.6. Концепции и законы химических процессов (реакций)
Третья концептуальная система в химии возникла на стыке химии, физики и открывает пути к пониманию биологических систем. Химический процесс в этой концепции — это мост от объектов физики к объектам биологии, так как возникает возможность последовательно проследить путь от простых микрообъектов, таких как электрон, протон, атом, молекула и полимер, в конечном итоге к биополимеру, к клетке, в которой совершаются немыслимые химические реакции.
Течение многих химических реакций весьма сложно, а иногда попросту трудноуправляемо: одни из них почему-то невозможны, другие невозможно или сложно остановить (горение, взрыв), третьи ветвятся и т. п. Методы управления химическими реакциями подразделяются на термодинамические и кинетические, при которых главенствующую роль играют те или иные катализаторы.
Каждая химическая реакция обратима. Обратимость служит основанием равновесия между прямой и обратимой реакциями. В зависимости от природы реагентов и условий процесса, равновесие может смещаться в прямую либо в обратную сторону изменением температуры, давления и концентрации реагентов. Подобрать, однако, условия осуществления тех или иных, на первый взгляд простых, реакций, иногда не удавалось в течение ста и более лет. Такой реакцией оказалась реакция синтеза аммиака из молекулярных азота и водорода, впервые успешно осуществленная в 1913 г., после открытий Я. Вант-Гоф-фом и А. Ле Шателье принципа, получившего их имена. Согласно этому принципу любое изменение одного из условий равновесия вызывает смещение системы в таком направлении, которое уменьшает первоначальное изменение. Оказалось, что аммиак может синтезироваться в присутствии металлоорганического катализатора (первоначально специально обработанного железа) при высоком давлении и нормальной температуре.
Термодинамическое воздействие оказывает влияние на направленность реакции, а вот функции управления скоростью химической реакцией выполняет химическая ки-нетика, ускоряя или замедляя реакции с помощью катализаторов и ингибиторов, соответственно. Химический катализ был открыт в 1812 г. русским химиком Константином Кирхгофом (не путать с немецким физиком Густавом Кирхгофом, установившим законы для электрической цепи, первооткрывателем спектроскопии вместе с Р. Бун-зеном и т. д.). Среди катализаторов особая роль принадлежит ферментам, своеобразным живым катализаторам, сыгравшим ключевую роль в возникновении жизни.
8.7. Концепции и принципы эволюционной химии и самоорганизации эволюционных химических систем
Система и концепции эволюционной химии стали формироваться в 60-70-е годы XX века и в своей основе отвечают давней мечте химиков освоить и перенять опыт лаборатории живого организма, понять, как из неорганической (косной) материи возникает органическая, а затем и живое вещество — жизнь. Здесь опять можно упомянуть И. Берцелиуса, а дополнительно немца Ю. Либиха, француза М. Бертло.
Наш выдающийся химико-физик, Нобелевский лауреат по химии Николай Николаевич Семенов представлял химические процессы в тканях растений и животных как химическое производство живой природы, как производство неких «молекулярных машин» совершенно исключительной точности, быстроты и необычайного совершенства. Это подтверждается открытым недавно синтезом больших белковых молекул со строгим чередованием аминокислот. Клетки имеют в своем составе субмикроскпические «сборные заводики» — рибосомы, содержащие рибонуклеиновые кислоты (РНК), как сборные «машины». Каждый вид коротких молекул транспортных РНК захватывает один определенный вид аминокислот, несет их в рибосому и ставит каждую аминокислоту на свое место согласно информации, содержащейся в молекулах РНК. Тут же к аминокислотам подходят катализаторы-ферменты и осуществляют «сшивку» аминокислот в одну молекулу белка со строгим чередованием. Это настоящий природный завод, строящий молекулу по плану, выработанному организмами в процессе эволюции. Вот эти планы живых организмов и предполагается использовать в новой эволюционной химии.
А начиналось это направление в трудах великого французского биолога Луи Пастера при исследовании процесса брожения, осуществляемого деятельностью молочнокислых бактерий. Из своих наблюдений Пастер сделал вывод об особом уровне материальной организации ферментов, что в конечном итоге привело к созданию такой науки, как ферментология, к успехам эволюционного катализа и молекулярной биологии. Так было установлено, что состав и структура биополимеров имеют единый набор для всех живых организмов и что одни и те же физические и химические законы управляют как абиогенными процессами, так и процессами жизнедеятельности. Кроме того, была доказана уникальная специфичность живого, проявляющаяся не только на высших уровнях организации клетки, но и в поведении фрагментов живых организмов на молекулярном уровне, на котором также действуют закономерности других уровней.
Специфика молекулярного уровня живых и неживых систем — в существенном различии принципов действия ферментов и катализаторов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров. Структура указанных полимеров определяется только генетическим кодом (сегодня точно известным науке), и, наконец, в таком поразительном факте, что многие химические реакции окислительно-восстановительного характера могут происходить в клетке без непосредственного контакта между реагирующими молекулами. Таким образом, в живых организмах могут происходить и происходят такие химические превращения, которые, казалось бы, невозможно было встретить в неживой природе. Но постепенно они стали доступны химикам, когда удалось освоить каталитический опыт природы, живой клетки.
Факт того, что ферментный катализ играл решающую, фундаментальную роль в процессе перехода от химических систем к системам биологическим, т. е. на предбиоло-гической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными. Исключительно важную роль сыграла реакция по самоорганизации химических систем, проведенная выдающимся советским биохимиком Борисом Павловичем Белоусовым, затем тщательно изученная А. М. Жаботинским, вошедшая в арсенал современной эволюционной химии под названием реакции Белоусова -Жаботинского. Эта реакция сопровождается образованием специфических пространственных и временных структур (например, периодическое чередование цвета жидкости) за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Вот в этих реакциях самоорганизации как раз решающая роль принадлежит именно каталитическим процессам.
Понятие «самоорганизации» (более подробно см. в гл. 12) означает упорядоченность существования материальных динамических, качественно изменяющихся систем. Роль каталитических процессов в них усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Отрадно, что определяющее значение в исследовании этого плана сыграли работы отечественных ученых И. В. Березина, А. А. Баландина и особенно А. П. Руденко, создавшего в 1964-1969 гг. единую теорию химической эволюции и биогенеза. Эта теория решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, уровне химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции. Сущность теории Руденко состоит в утверждении и обосновании принципа того, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие открытых каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакций происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью.
Александр Прокопьевич Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.
Следует также отметить, что эволюционный процесс предполагает особый дифференцированный отбор лишь тех химических элементов и соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим достаточно упомянуть, что более чем из ста химических элементов лишь шесть — углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера — общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%, получивших название органо- или биогенов, служат основой для построения живых систем.
Резюме
Менделеев называл химию «наукой о химических элементах и их соединениях»; другие определяют ее как «науку о веществах и их превращениях» либо как «науку, изучающую процессы качественного превращения веществ» и т. д., наиболее полное определение: «химия — наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения».
Главная задача химии — задача получения веществ с необходимыми свойствами. Эта задача и научная и производственная, что определяет основную, можно сказать, двуединую основную проблему химии: 1. Получение веществ с заданными свойствами как производственная, практическая задача; 2. Выявление способов управления свойствами веществ как задача научно-исследовательская.
Решение этих проблем породило четыре основных этапа (концептуальные системы) в развитии химии с XVII века по настоящее время.
Первая концептуальная система — учение об элементном составе веществ, вторая — о структуре химических соединений, третья — учение о химических процессах и последняя, четвертая концептуальная система, — эволюционная химия.
Последняя, четвертая система, представляет собой единую теорию химической эволюции и биогенеза. Эта теория решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, уровне химической организации, иерархии химических систем как следствие эволюции.
Вопросы для обсуждения
1. Сформулируйте основные положения учений Дальтона и Берцелиуса. Чем разрешилась проблема о химическом элементе?
2. Какие проблемы охватывает учение о химических процессах?
3. В чем сущность обратимости химических реакций и в чем состоит роль температуры и давления для течения реакции?
4. Какова сущность катализа, катализаторов и ингибитаров?
5. В чем состояли идеи Луи Пастера при исследовании процесса брожения?
6. Какова роль ферментов в живой клетке?
7. В чем заключается естественный отбор химических элементов для образования живых организмов? Чем определяется основополагающая роль углерода для жизни?
8. Как возникает самоорганизация эволюционных систем? Охарактеризуйте реакцию Белоусова-Жаботинского.