|
|
Взаимосвязь между физическими, химическими и биологическими процессами в природеПЛАН ВВЕДЕНИЕ 3 Развитие физики, химии и биологии как составляющих естествознания 6 2.Взаимосвязь между физическими, химическими и биологическими процессами 17 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 21 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 22 ВВЕДЕНИЕ Развитие научной мысли идет в направлении от общего к частному и от частного к общему. Так, например, философия, лежащая в основе всех наук изучает "мир в целом", в то время как другие естественные науки - физика, химия, биология разбивают отдельные явления природы на составляющие - дискретные уровни развития научного знания. Взаимосвязи между явлениями - на первый взгляд весьма разнородными-находило естествознание. Ни одна научная дисциплина не ограничивается лишь собиранием наблюдаемых фактов. Задача науки состоит не только в описании, но в объяснении, а это не что иное, как нахождение зависимостей, которые позволяют одну совокупность явлений, часто весьма широкую, вывести на основе теории из другой, как правило, более узкой совокупности явлений. "Диалектическая логика, в противоположность старой, чисто формальной логике, - говорит Энгельс, - не довольствуется тем, чтобы перечислить и без всякой связи поставить рядом друг возле друга формы движения мышления... Она, наоборот, выводит эти формы одну из другой, устанавливает между ними отношение субординации, а не координации, она развивает более высокие формы из нижестоящих". Классификация наук, предложенная Ф. Энгельсом, отвечала именно этим требованиям. Установив положение, согласно которому каждой форме движения материи соответствует своя определенная "форма движения мышления", т. е. отрасль науки, Ф. Энгельс выяснил, что как между формами движения материи, так и между их отражением в голове человека-отраслями науки, существуют отношения субординации. Эти отношения он выразил в виде иерархии естественных наук: Биология Химия Физика Механика И чтобы подчеркнуть, что эта иерархическая связь между естественными науками обусловливает их единство, т. е. целостность всего естествознания как одной системы, Ф. Энгельс прибег к таким определениям отраслей естествознания, которые указывают на происхождение высших форм из низших,-"одну из другой". Физику он назвал "механикой молекул", химию-"физикой атомов", а биологию - "химией белка". При этом Ф. Энгельс отметил, что такого рода прием не имеет ничего общего с механистической попыткой сведения одной формы к другой, что это - лишь демонстрация диалектической связи между разными уровнями как материальной организации, так и ее познания, и вместе с тем это - демонстрация скачков от одного дискретного уровня научных знаний к другому и качественного отличия этих уровней между собой. Применение Ф. Энгельсом принципа субординации для классификации наук трудно переоценить. Именно такого рода иерархическая классификация, представляя собой "музей" истории науки, позволяет выяснить последовательность уровней научного познания и разместить весь труднообозримый и, казалось бы, хаотический фактический материал науки соответственно "высоте его организации". Только иерархическая классификация научных знаний дает возможность определить тенденции их развития как по экстенсивным путям, т. е. в пределах одного уровня, так и по интенсивным путям - при переходе с низших уровней на высшие. В этой связи можно сказать, что энгельсовский принцип субординации научных знаний ориентирует на такое понимание научных революций, которое неизмеримо более адекватно отражает реальный ход развития естествознания, чем некоторые более поздние попытки в этом направлении. Во-первых, он указывает на то, что научные революции представляют собой не изолированное явление, а серии взаимосвязанных скачков в истории науки или отдельной ее отрасли. Это положение было развернуто и блестяще показано Б. М. Кедровым на примере глобального развития естествознания, начиная с XV- XVI вв. и до настоящего времени. Во-вторых, этот принцип требует выяснения последовательности научных революций, которая соответствовала бы не только необратимой восходящей линии развития науки, но и "очередности"-своевременности-переходов знания с низшего уровня на следующий, высший. И, в-третьих, принцип субординации указывает на преемственность в развитии научных знаний, на переходы в измененном виде рациональных знаний с одного уровня на другой, и в этом смысле он совершенно не совместим с гипотезой об изолированных друг от друга научных слоях, получивших название "парадигм". Положение о преемственности знаний при переходе науки с низшего уровня на высший было детально рассмотрено крупнейшим датским ученым, лауреатом Нобелевской премии Н. Бором на материале физики. Н. Бор установил соответствие между квантовыми числами, характеризующими состояние атома, и частотами классического движения электронов по орбитам, показав при этом, что принцип соответствия является общей формой преемственности между старыми и новыми теориями, между концептуальными системами физики, представляющими разные уровни физического знания. Небезынтересно отметить, что в сущности принцип субординации вне зависимости от обстоятельств, связанных с его истоками в работах Ф. Энгельса, оказывается руководящим во многих работах, посвященных закономерностям развития научного знания. Достаточно сказать, что он отчетливо проглядывается в анализе развития теоретической химии у А. М. Бутлерова, впервые показавшего, как старые теории в измененном виде входят в состав более общих новых теорий. Наиболее отчетливо в качестве иерархического стержня он выступает в работах немецкого физика-теоретика В. Гейзенберга, который всю историю физики рассматривает как последовательность четырех концептуальных систем. 1. Развитие физики, химии и биологии как составляющих естествознания Живые объекты как основной предмет естествознания состоят из неживых молекул, подчиненных физическим, химическим законом. Рассмотрим некоторые этапы развития научной мысли в физике, химии и биологии. Например, физика прошлого века ознаменовалась созданием математически совершенных и строгих теорий: классической, или ньютоновой, механики и классической, или максвелловой, теории электромагнитного поля. Эти теории давали полное количественное объяснение явлений, на основе наблюдения которых они были разработаны, и обобщали сведения о них в нескольких дифференциальных уравнениях, с помощью которых соответствующие явления можно предсказать, исходя из относительно малого числа данных. Однако вскоре оказалось, что применение этих теорий гораздо шире: так, из теории электромагнитного поля удалось вывести и законы оптики, которая прежде считалась совершенно самостоятельной физической дисциплиной, никак не связанной с электромагнетизмом. На основе законов механики и представлений о молекулярном строении газов (молекулам приписывались свойства макроскопических тел) удалось получить газовые законы. Многие константы, характеризующие свойства газов, которые прежде получали только посредством измерений (например, коэффициенты теплового расширения, диффузии, вязкость, теплопроводность и т. д.), теперь стало возможным вычислить теоретически и показать, что они определяются на основе механических свойств молекул и их движения. Такие успехи механики привели некоторых исследователей к убеждению, что с помощью законов механики можно объяснить природу в целом, в том числе и процессы, протекающие при химических превращениях, и свойства живых организмов (возник так называемый механистический материализм). Впоследствии была убедительно доказана ошибочность подобных взглядов, но еще раньше механика и теория электромагнетизма обнаружили свое бессилие при попытках исследовать структуру атома и процессы испускания и поглощения излучения в газах и конденсированных веществах, т. е. в рамках самой физики. Стремление использовать какую-либо теорию для объяснения явлений, выходящих за пределы области первоначального применения теории, представляет собой еще один типичный признак развития научной дисциплины. Нередко применение теории удается расширить и без каких бы то ни было ее изменений, а иногда в результате небольших усовершенствований или дополнений, позволяющих объяснить вновь открытые явления. Только неспособность теории дать такое объяснение и последующая разработка более общей теории показывают границы ее применимости. Неудача, которую потерпела классическая физика при попытках объяснить строение атома и процессы излучения, имела глубокие причины. Оказалось, что атомы, электроны и другие частицы микромира ведут себя одновременно и как волны и, наоборот, электромагнитные волны - в том числе свет - проявляют свойства, присущие, согласно классическим представлениям, только частицам. Этот фундаментальный факт оставался неизвестен вплоть до 20-х годов нашего столетия, а классическая механика и теория электромагнетизма Максвелла его не учитывали. Классическая механика не пригодна для описания движения и взаимодействия микрочастиц, точно так же теория Максвелла не способна, объяснить явления, связанные с обменом энергией между электромагнитным полем и атомами вещества. В первые десятилетия XX в. обнаружилась несостоятельность механики Ньютона и теории электромагнитного поля Максвелла и в других вопросах. Выяснение структуры атома (в частности, наличия атомного ядра), открытие явления радиоактивности и ядерных реакций показало существование чрезвычайно интенсивных сил (притяжения) очень малого радиуса действия, действующих внутри ядра, которые не могли быть отождествлены ни с электромагнитными, ни с гравитационными силами. Пришлось ввести новые типы взаимодействий, называемых сегодня сильными и слабыми ядерными взаимодействиями. Примерно в то же время на основании экспериментов было установлено, что скорость света не зависит от движения Земли, и была создана теория относительности, показавшая, в частности, что ньютонова механика применима только при скоростях, существенно меньших скорости света. Почти 50 лет назад завершился очень важный этап развития современной физики: был открыт нейтрон и была разработана релятивистская квантовая электродинамика - теория, объединившая в себе волновые свойства частиц и квантовый характер электромагнитного поля. Нейтрон оказался последней частицей, которая требовалась тогдашней - уже современной - физике, чтобы сформировать более или менее законченное представление о строении вещества: атомные ядра элементов состоят из протонов и нейтронов, связанных между собой ядерными силами. Вокруг атомных ядер движутся электроны, образуя пространственные волновые конфигурации; электроны связаны с ядром силами электромагнитного взаимодействия. При достаточно низких температурах и не слишком высоких давлениях благодаря взаимодействию между электронами возникают образования, состоящие из двух, нескольких или множества атомов: молекулы, кристаллы, жидкости и макромолекулы. Следует отметить, что применительно к земным (и близким к ним) условиям описанная картина строения вещества из нейтронов, протонов и электронов за прошедшие 50 лет стала точнее, но по существу не изменилась. Сотни других элементарных частиц, открытых с того времени, имеют очень короткое время жизни и могут находиться в свободном состоянии только в экстремальных условиях, например при сверхвысоких температурах и давлениях, существующих в недрах звезд, и, по-видимому, при еще более критических условиях, имевших место на начальной стадии расширения Вселенной. Разбить протон и нейтрон на более элементарные частицы пока не удалось, и не исключено, что никогда не удастся. Правда, эксперименты, проведенные на ускорителях, показали, что протон и нейтрон имеют сложную структуру. Согласно современным представлениям, они, как и другие массивные элементарные частицы, состоят из кварков, которые вероятно, вообще не могут существовать в свободном состоянии. Что же касается направления "вверх", т. е. от атома к более сложным образованиям, то здесь для объяснения наблюдаемых явлений физика уже около 50 лет с успехом пользуется электромагнитной и квантовой теориями. Согласие этой теории с экспериментальными данными в ряде случаев на много порядков выше, чем классической физики. Например, с помощью так называемых фундаментальных констант был рассчитан спектр атома водорода, полностью совпадающий с экспериментально наблюдаемым. Были теоретически определены свойства молекулы водорода и таким образом доказан квантовоэлектромагнитный характер химической связи этой молекулы. Постепенно на той же теоретической основе была разработана и общая теория химической связи. Столь же успешно, хотя и не без трудностей, квантовая теория сумела объяснить явления ферромагнетизма, электропроводности металлов и полупроводников, сверхпроводимости и сверхтекучести, а также спектры поглощения кристаллов. Позднее квантовую физику удалось применить на молекулярном уровне и для объяснения некоторых процессов, протекающих в живых организмах; так возникла целая обширная область биологии - молекулярная биология. Все это свидетельствует не только о высокой точности этой теории при количественном описании поведения электрона в электромагнитном поле, но и об успешном развитии методов такого описания для расчета систем с большим числом частиц. Современная же физика обнаружила, искусственным путем осуществила и объяснила явления, при которых "сущность вещей" изменяется еще глубже, чем в химических реакциях,- например, один химический элемент превращается в другой, или даже электромагнитное излучение превращается в частицы с ненулевой массой покоя и наоборот. Таким образом, физика проникла в структуру вещества значительно глубже, чем химия, а законы механики, которые некогда считались основополагающими для описания всех природных явлений, как оказалось, дают лишь приближенную и одностороннюю картину особого случая движения макротел, состоящих из чрезвычайно большого числа молекул. Элементарные частицы, свободные или связанные, составляют любое известное сегодня вещество. Поэтому физические теории их взаимодействия так или иначе проявляются как в простых, так и в сложных структурах, состоящих из этих частиц, и соответственно в разных формах движения материи, например механической химической и биологической. Несмотря на необычайную широту приложения современных физических теорий, сегодня уже можно оценить пределы их применимости: например, предполагается, что на расстояниях меньше 10 -33 м должно сказываться существование некой фундаментальной длины, или, иначе говоря, дискретность пространства (вакуума). Такое сближение частиц может наступить при гравитационном коллапсе звезды, когда гравитационное взаимодействие становится преобладающим по сравнению с электромагнитным и сильным взаимодействиями. Однако квантовой теории гравитации пока не существует. Напомним, наконец, что отыскание взаимосвязей между явлениями и разработка соответствующих физических теорий опираются на экспериментально установленные факты и ими же проверяются. Успешное описание весьма широкой совокупности явлений в рамках одной теории возможно благодаря объективному характеру этих явлений, не зависящему от воображения физика-теоретика. Кроме того, это описание всегда ограничено как в отношении точности, так и в отношении границ его применимости. Различие во взаимодействиях и свойствах элементарных частиц и состоящих из них макроскопических тел не позволяет нам дать полное и наглядное описание частиц. В действительности частица и создаваемое ею поле (характеризующее ее взаимодействие с другими частицами) представляют собой разные проявления единой физической реальности. С повышением точности измерений и чувствительности приборов уточняются и расширяются наши знания о свойствах частиц и полей, их структурах и движении и одновременно, как правило, ставятся новые задачи перед теорией. Такое непрекращающееся развитие физики и наших знаний необходимо иметь в виду, говоря о ее современном состоянии. Несмотря на всю широту и глубину современных физических представлений, наше знание о мире, несомненно, будет изменяться и впредь. Структуру и свойства неорганических и органических веществ изучает химия, которая стала по-существу наукой лишь в середине XVII в. В ранние периоды развития химии, например в алхимический период, предполагалось, что свойства вещества зависят от неких изначальных свойств-стихий или от "элементов-первоначал"-сухости и влажности, тепла и холода и т. п. А так как нельзя пренебречь также и этим - самым первым - способом объяснения качественного разнообразия тел природы, то можно сказать, что основная проблема химии - проблема генезиса свойств вещества. Первый способ решения проблемы генезиса свойств вещества появился в древней натурфилософии и просуществовал более двух тысяч лет-вплоть до работ Р. Бойля. За это время было предложено два принципиально разных объяснения бесконечного качественного разнообразия тел природы. Демокрит, Эпикур, Лукреций Кар выдвинули для этого атомистическое объяснение, высказав гениальные догадки о различии "атомов первоматерии" по их массе, объему и конфигурации. Аристотель же и Эмпедокл объяснили все видимое разнообразие тел природы с континуалистских, т. е. антиатомистических, позиций-посредством различных сочетаний четырех элементов-стихий, или элементов-свойств: тепла и холода, сухости и влажности. Но оба эти объяснения со всеми многочисленными их оттенками сводились к утверждению, что многообразие тел природы есть акциденциальное проявление субстанции, под которой одни философы подразумевали атомы, а другие - элементы - качества, но тем не менее и те и другие говорили о неких абсолютных началах. Это была лишь первая попытка объяснения природы тел. И, наконец, еще одна черта первого способа, присущая только ему одному, - его историческая обреченность. Особенности первого способа, вместе взятые, настолько выделяют его относительно последующих, что невольно возникает идея (часто высказываемая, но до сих пор не очень обоснованная) о границе между "научной химией", которая начинается с Бойля, и некоей ненаучной (или не вполне научной) химией, которая существовала до Бойля. Второй способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине XVII в. в работах английского ученого Р. Бойля. Преобразования в области производства, происшедшие в эпоху Возрождения, наряду с прогрессивными изменениями в экономической и политической жизни, вызвали коренные преобразования и в области естествознания. Одним из таких преобразований явилось низвержение первого бесполезного для практики способа решения проблемы генезиса свойств и появление нового способа с принципиально новым - экспериментальным - подходом к изучению природы. Исследования Р. Бойля привели к выводу о том, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких материальных элементов эти тела составлены. Вывод этот явился принципиально новым потому, что: а) он отверг господствовавшие представления об элементах-качествах, о том, что свойства тел определяются свойствами-стихиями; б) он утвердил новое представление об элементах как простых, далее неразложимых телах, из которых состоят все смешанные тела, т. е. химические соединения; в) на основе признания материальности элементов он впервые установил общность разрозненных ранее учений атомизма и элементаризма; этой общностью стала идея о том, что наименьшей частицей простого тела является состоящая из атомов корпускула. Способ решения извечной проблемы причинной обусловленности свойств, или качественного разнообразия тел, стал выражаться, таким образом, посредством схемы: состав свойства Этот способ положил начало экспериментальной химии, определив ее как науку о составе веществ или "науку о химических элементах и их соединениях" (Д. И. Менделеев), которая и стала первым уровнем научных химических знаний. И несмотря на то, что наука о составе являлась преимущественно аналитической, она вместе с тем заложила основы представлений о законах соединения элементов в "сложные тела", позволивших осуществлять уверенные действия по получению новых веществ. Возникшее таким образом учение о составе получило бессрочную путевку в жизнь. Его можно назвать первой концептуальной системой химии, т.е. первой относительно самостоятельной областью химических знаний (правил, законов и теорий), которая призвана решать любые, конечно, посильные для нее задачи. В результате открытия в начале XIX в. изомерии и полимерии появились идеи о том, что свойства и качественное разнообразие веществ обусловливает не только состав, но и еще какой-то фактор. Этим фактором, как было выяснено, является структура вещества в самом широком смысле этого слова. Появился, следовательно, и новый способ решения проблемы генезиса свойств не только в зависимости от состава, но и от структуры. Этот способ стимулировал возникновение целого ряда теорий высокой степени общности и абстракции, необыкновенной эвристичности и практической ценности; эти теории положили начало второй концептуальной системе - структурной химии. Поднявшись на новый, более высокий (по отношению к науке о составе) уровень знаний, химия превратилась из науки преимущественно аналитической в науку главным образом синтетическую. Период становления структурной химии историки называют "триумфальным маршем органического синтеза". На этом уровне развития химии возникла технология органических веществ. Новая - третьей концептуальная система химии - учение о химических процессах, которое неизмеримо более адекватно, всесторонне отражает объект химии. Последний уже представлен как процесс превращения вещества, а не как законченное вещество. Предметом химии стала уже не структура молекулы, а химическая организация кинетической системы, в которой структура молекул представлена лишь как частность. Важная роль внешних факторов - социальных и объектных - отнюдь не умаляет особой роли и тех внутренних стимулов развития химии, которые присущи ей, как и всякой другой относительно самостоятельно развивающейся системе научных знаний. Этими стимулами являются, например, противоречия между эмпирическим и теоретическим уровнями знаний, между теориями различной степени общности, между истиной и заблуждением, между разными научно-исследовательскими программами и т. д. Эти стимулы имеют очень важное значение для развития химии, обеспечивая ее движение вперед, но только по тем путям, которые обусловлены логикой ее объекта и социальными факторами. Итак, все живые объекты состоят из неживых молекул. Если эти молекулы выделять и изучать индивидуально, то оказывается, что они подчиняются всем физическим и химическим законам, определяющим поведение неживого вещества. Тем не менее живые организмы обладают необычными свойствами, отсутствующими в скоплениях неживого вещества. Пожалуй, наиболее примечательное свойство живых организмов - это их сложность и высокий уровень организации. Они обладают усложненной внутренней структурой и содержат многочисленные химические соединения разнообразного строения. При этом живые организмы представлены поразительным многообразием различных видов. Напротив, окружающая их неживая среда - почва, вода, горные породы - обычно представляет собой неупорядоченные смеси относительно простых химических соединений, характеризующиеся весьма слабо выраженной структурной организацией. Далее, каждая составная часть живого организма имеет специальное назначение и выполняет строго определенную функцию. И это справедливо не только для внутриклеточных структур, таких, как ядро или клеточная мембрана, но также для индивидуальных химических компонентов клетки - липидов, белков и нуклеиновых кислот. В случае живых организмов вполне правомерен вопрос о функции данной молекулы. В то же время такой вопрос применительно к молекулам, образующим скопления неживого вещества, был бы неуместен и попросту бессмыслен. Важной особенностью живого является также способность извлекать из окружающей среды и преобразовывать энергию, которая расходуется на построение и поддержание характерной для живого сложной структурной организации, причем в качестве сырья используются простые исходные материалы. Живые организмы могут также выполнять другие виды полезной работы, например совершать механическую работу при передвижении. Неживая материя не обладает подобной способностью использовать внешнюю энергию для поддержания собственной структурной организации. Напротив, когда неживая система поглощает внешнюю энергию, например свет или тепло, она, как правило, переходит в состояние, характеризующееся меньшей степенью упорядоченности. Однако самое поразительное свойство организмов - это их способность к точному самовоспроизведению - свойство, которое можно считать поистине квинтэссенцией состояния, которое мы называем жизнью. Известные нам скопления неживого вещества, насколько можно судить, не обнаруживают способности к самовоспроизведению, т. е. к производству на протяжении многих "поколений" форм, идентичных по массе, размеру и внутренней структуре. Итак, естественно возникает вопрос: если живые организмы состоят из молекул, изначально неживых, то как получается, что живое столь резко отличается от неживого, также состоящего из изначально неживых молекул? Изучение мира живых существ началось одновременно с образованием человеческого общества. Биология как наука о закономерностях жизни прошла определенный путь, на отдельных этапах которого возникали новые способы познания биологических явлений и механизмов. Практические запросы людей еще на заре возникновения человеческого общества стимулировали классифицирование живых форм. Гораздо позже возникла идея е д и н с т в а органического мира. Значение ее для медицины заключается в том, что она указывает на универсальность биологических закономерностей, распространение их на весь органический мир, включая человека. Биология исследует общие и частные закономерности, присущие жизни во всех ее проявлениях и свойствах: обмен веществ и энергии, размножение, наследственность и изменчивость, рост и развитие, раздражимость, дискретность, саморегуляцию, движение и др. Развитие этой науки шло по пути последовательного упрощения предмета исследования. Этот путь познания - от сложного к простому - часто называют "редукционистским". Редукционизм, доведенный до своего логического завершения, сводит познание к изучению элементарнейших форм существования материи. Это относится и к живой, и к неживой природе. При таком подходе законы природы пытаются познать, изучая вместо единого целого отдельные его части. Другой подход основан на "виталистических" принципах. В этом случае "жизнь" рассматривают как совершенно особенное и уникальное явление, которое нельзя объяснить только действием законов физики и химии. Основная задача биологии как науки состоит в том, чтобы истолковать все явления живой природы, исходя из научных законов, не забывая при этом, что целому организму присущи свойства, в корне отличающиеся от свойств частей, его составляющих. В известном смысле история современной биологии представляет собой цепь фундаментальных открытий и обобщений, обосновывающих эту идею. Важным аргументом в пользу единства всего живого послужила клеточная теория Т. Шванна и М. Шлейдена (1839). Открытие клеток, доказательство их гомологии, уяснение того, что все организмы состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности, дало толчок плодотворному изучению фундаментальных закономерностей строения, функционирования и развития живых существ. Идея единства органического мира, вытекающая из того факта, что клетка является своего рода общим знаменателем живого, получила подкрепление в исследованиях биохимических (метаболических) о с н о в физиологии к леток. Наиболее демонстративны достижения молекулярной биологии. Она приобрела положение самостоятельного направления биологической науки в пятидесятые годы нашего столетия. Хронологически это было связано с описанием Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953) макромолекулярной структуры ДНК. Молекулярная биология концентрирует внимание на связи процессов жизнедеятельности с биологическими макромолекулами и прежде всего на закономерностях хранения, использования и передачи в клетках наследственной информации. Молекулярно-биологические исследования открыли физико-химические механизмы, которые обусловливают такие свойства живого, как специфичность и структурированность биологических объектов, воспроизводимость клеток и организмов в ряду поколений, а также показали универсальность этих механизмов, их приложимость к существам разных типов организации. Взаимосвязь между физическими, химическими и биологическими процессами Взаимосвязи физических, химических и биологических процессов на молекулярном, структурном уровнях изучают биохимия и биофизика. Поскольку живые организмы состоят из специфически взаимодействующих молекул, вполне разумной представляется точка зрения, согласно которой биология есть не что иное как "суперхимия", которая включает в себя все традиционные области химии, но в то же время является и чем то большим. Ведь молекулы, входящие в состав живых организмов, не только подчиняются всем известным физическим и химическим законам, управляющим поведением неорганической материи, но, кроме того, взаимодействуют друг с другом в соответствии с особой системой принципов, которую мы можем обобщенно назвать молекулярной логикой живого. Эти принципы не обязательно включают какие либо новые или до сих пор неизвестные физические законы или силы. Их следует рассматривать как единую систему "основных правил", определяющих природу, функции и взаимодействия специфических типов молекул, которые мы находим в живых организмах, и наделяющих их способностью к самоорганизации и самовоспроизведению. Еще не все принципы того, что мы называем молекулярной логикой живого, выяснены и некоторые из них только смутно угадываются. Сложность биомолекул и упорядочность структуры живых организмов по сравнению с неупорядоченностью неживой природы о многом говорят физику. Согласно второму закону термодинамики, для самопроизвольных физических и химических процессов характерно стремление к увеличению беспорядка или хаотичности, т.е. к увеличению энтропии. Самопроизвольно процессы никогда не протекают таким образом, чтобы они приводили к уменьшению общей степени неупорядочности или энтропии. Но как же тогда живые организмы могут создать и поддерживать свойственную им сложную упорядоченность в среде, отличающейся сравнительной неупорядоченностью, степень которой к тому же со временем возрастает? Живые организмы не избежали подчинения законам термодинамики и, значит, не составляют в этом смысле исключения. Высокий уровень их молекулярной организации должен каким-то образом окупаться, ведь спонтанно он не может возникнуть из беспорядка. Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Следовательно, живые организмы не могут ни создавать энергию из ничего, ни уничтожать ее, они могут только преобразовывать одну форму энергии в другую. Они потребляют из окружающей среды энергию в той форме, в которой они могут использовать ее в конкретных условиях температуры и давления, и затем возвращают в среду эквивалентное количество энергии в другой форме, менее пригодной для них. Полезная форма энергии, утилизируемая клеткой, называется свободной энергией и ее можно определить просто как энергий, способную производить работу при постоянных температуре и давлении. Энергия, возвращаемая клеткой в окружающую среду, обычно выделяется в форме тепла и других бесполезных для нее форм энергии; это приводит к уменьшению степени упорядочности среды, т.е. к повышению ее энтропии. Итак, мы можем сформулировать чрезвычайно важную аксиому молекулярной логики живого: живые организмы создают и поддерживают присущую им упорядоченность за счет внешней среды, степень упорядоченности которой в результате этого уменьшается. Изучением взаимоотношений живых организмов друг с другом и окружающей средой занимается экология. Таким образом, предметом экологии является взаимосвязь физических, химических и биологических процессов на организменном, видовом, биогеоценотическом и биосферном уровнях. Термин "экология" был впервые введен немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1869 г.; он образован из двух греческих слов: oikos, что значит дом или жилище, и logos-изучение или наука. Таким образом, буквально "экология" означает нечто вроде науки о земном "хозяйстве". Экология как наука основывается на холистическом подходе, при котором воссоздание общей картины важнее проработки частных деталей. И хотя различные частности нередко приходится анализировать порознь, в рамках такого подхода осуществляется синтез всей доступной информации для получения всеобъемлющей картины живых систем и их физического окружения. Своими корнями экология уходит в "естественную историю"; как самостоятельная биологическая дисциплина она выделилась только с начала XX в. наряду с физиологией, генетикой и др. С середины пятидесятых годов ее значение и сферы приложения стали значительно расширяться, и современную экологию можно охарактеризовать как междисциплинарную область, развивающуюся на стыке физики, химии, биологии и общественных наук. Экология рассматривает организмы, популяции и сообщества как живой (биотический) компонент системы, называемой экосистемой; последняя включает также неживой (абиотический) компонент-физическую среду с ее веществом и энергией. Различные экосистемы вместе образуют биосферу, включающую все живые организмы и всю физическую среду, с которой они взаимодействуют. Таким образом, океан, поверхность суши и нижние слои атмосферы-все это входит в экосферу. В экологических исследованиях по традиции выделяют два направления- аутэкологию и синэкологию. Аутэкология концентрирует свое внимание на взаимоотношениях между организмом или популяцией и окружающей средой, тогда как синэкологм занимается сообществами и средой. Например, изучение отдельного экземпляра дуба или вида дуб черешчатый (Quercus robur) или рода дуб {Quercus] будет аутэкологическим исследованием, а изучение сообщества дубового леса-синэкологическим. Существенный вклад в понимание закономерностей, действующих на разных уровнях организации, вносят и небиологические науки, особенно химия, физика, почвоведение и гидрология, а также различные социальные дисциплины. Возрастающий авторитет экологии особенно в проблемах, связанных с воздействием человека на природу, виден из многочисленных примеров. Так, в США перед реализацией любого проекта по закону необходимо представить официальный доклад об ожидаемом воздействии на окружающую среду. В Великобритании многие местные планирующие органы нанимают эколога или консультируются с объединением натуралистов своего графства. Кроме того, возрастает участие экологов в правительственных комитетах, связанных с окружающей средой, таких, как постоянная Королевская комиссия по загрязнению среды (RCEP). ЗАКЛЮЧЕНИЕ В развитии естествознания происходит не смена, а последовательное появление концептуальных систем. При этом каждая вновь появляющаяся система представляет собой высший этап по отношению к ранее появившейся нижележащей системе. Она включает в себя в преобразованном виде все научные знания предыдущей системы. Таким образом, на современном этапе происходит интеграция научных знаний с целью получения более значимых результатов и всебъемлющих концепций. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Биология / Под ред. В. Н.Ярыгина.- М.: Медицина,1984. 2. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология в 3-х т./ Под ред. Р. Сопера.- М.: Мир, 1990. 3. Ленинджер А. Биохимия / Под ред. А.А.Баева.-М.:Мир,1976. 4. Крейчи В. Мир глазами современной физики / Под ред. Ю. Г. Рудого.-М.:Мир,1984. 5. Кузнецов В.И. Общая химия: тенденции развития / М.:Высшая школа,1989. 2 Работа на этой странице представлена для Вашего ознакомления в текстовом (сокращенном) виде. Для того, чтобы получить полностью оформленную работу в формате Word, со всеми сносками, таблицами, рисунками, графиками, приложениями и т.д., достаточно просто её СКАЧАТЬ.  |
|
Банк готовых работ
Форма заказа
Скачать работу
экономические  Copyright © refbank.ru 2005-2024
Все права на представленные на сайте материалы принадлежат refbank.ru. Перепечатка, копирование материалов без разрешения администрации сайта запрещено. |
|