Основные концепции современной биологии

Та или иная естественнонаучная концепция представляет некую взаимосвязанную группу понятий, гипотез, теорий, объясняющих какое-нибудь фундаментальное явление или свойство природы. Основные биологические концепции объясняют феномен и свойства жизни. К настоящему времени еще не сложилась какая-либо определенная система биологических концепций. Разные авторы формулируют и комбинируют их по-разному, хотя суть от этого обычно не страдает. Мы предлагаем свой вариант из пяти концептуальных обобщений современной биологии.

1. Концепция системной многоуровневой организации жизни: все живые объекты являются системами разного уровня сложности. Биологические системы образуют непрерывную иерархию уровней структурно-функциональной организации.

2. Концепция материальной сущности жизни: жизнь материальна, ее физико-химическую основу составляет обмен веществ и энергии. В философском смысле это означает первичность материи и вторичность сознания (материализм).

3. Концепция биологической информации и самовоспроизведения жизни: живые организмы воспроизводятся на основе собственной (генетической) информации при взаимодействии с внешней (эпигенетической) информацией. Результатом этого взаимодействия является индивидуальное развитие организмов (онтогенез).

4. Концепция саморегуляции живых систем: живые системы поддерживают относительное постоянство своих внутренних связей и условий функционирования (гомеостаз) на основе сочетания прямых положительных и обратных отрицательных связей.

5. Концепция самоорганизации и биологической эволюции: живой мир возник в результате самоорганизации из неживых химических систем и претерпевает необратимое историческое развитие (филогенез) на основе наследственной изменчивости и естественного отбора популяций организмов, наиболее приспособленных к меняющимся условиям среды.

5 лекция: Концепция космологии

Существует несколько понятий космологии:

• это наука об эволюции Вселенной;

· современная космология это астрофизическая теория структуры и динамики изменения метагалактики, которая дает определенное понимание о свойствах всей Вселенной.

В научном контексте космология – это наука о масштабном изучении Вселенной. Её основу составляют базовые теории и формулы астрономии, физики и математики. Главным образом в рамках науки изучается состав Вселенной, ее структура, возраст и эволюция с момента зарождения. В более широком понимании космология – это соотношение астрономических наблюдений, полученных за различные эпохи, и теория относительности, которую подарил миру Альберт Эйнштейн. Именно благодаря этой физической находке в начале 20-го века космология стала отдельной наукой, точной, основанной на формулах и цифрах. До этого момента она считалась некой эфемерной частью философии, и потому не воспринималась миром всерьез.

Две школы – одна теория

Ныне космология как наука разделилась на две ветви, как и ученые, которые являются ее представителями. Эмпирики при проведении своих работ основываются исключительно на наблюдениях за небесными светилами и материей. Они не создают различных моделей иных реальностей в земных условиях, так как уверены в том, что каким бы ни был результат, он далек от реальности. Теоретики, наоборот, пользуются расчетами, результатами различных исследований. В основе их работы может лежать построение модели определенного участка космоса, черной дыры или иного объекта. Стоит учитывать, что космология – это наука, которая изучает Вселенную и в практическом плане, и в теоретическом. В обеих школах была принята общая концепция – Теория Большого взрыва. В соответствии с ней, все пространство и время зародилось некогда из очень горячей и плотной материи. В противовес ей существует вторая, менее знаменитая, но не лишенная смысла теория. Она говорит о том, что Вселенная – единица постоянная, которая не имеет начала и конца, момента зарождения или момента падения.

Данные, на которых основана наука

Существует шесть основных принципов построения Вселенной, которые используются в космологии.

1. Пространство изотропно. Это означает, что все объекты в космосе - как планеты и астероиды, так и галактики и черные дыры - двигаются хаотично, вне определенного порядка, и космология изучает именно данное движение. В некоторых местах они могут скапливаться и образовывать области искаженного пространства, высокого давления и температуры. В других, наоборот, рассеиваться, разрежая пространство до минимума.

2. Постоянное расширение границ. Главным образом космология изучает эволюцию Вселенной, и этот процесс, можно сказать, происходит прямо на наших глазах. Все космические объекты, а в особенности галактики удаляются друг от друга. При этом чем больше их параметры, тем быстрее увеличиваются расстояния.

3. Пространство, окружающее нашу планету, также изотропно. Это говорит о том, что Земля, как и ее орбита, – рядовая часть Вселенной, которая по структуре мало чем будет отличаться от, скажем, зон, приближенных к планете Кеплер-36Б.

4. В соответствии с теорией Большого взрыва, возраст Земли, всех астероидов, звезд, галактик и самой Вселенной примерно одинаковый. Возникновение материи исследователи опускают в века примерно на 20 миллиардов лет, в то время как самые старые звезды появились около 15 млрд лет назад. Куда большие цифры приводят нам археологи, которые откапывают скелеты гигантских рептилий. В соответствии с этими данными, получается, что Земля появилась ранее, чем вся материя в космосе. На самом деле ученые долго недооценивали параметры расстояния между галактиками. Более современные подсчеты позволяют полагать, что Вселенная бесконечна и в плане пространства, и в плане времени.

5. Тайны Вселенной, которая необъятна, кроются в самых малых ее частицах – атомах. Как мы уже говорили выше, любой участок пространства будет идентичен предыдущему по своему составу, который исследователи смогли высчитать. На 10 атомов водорода приходится 1 атом гелия.

6. Факт, который, наоборот, подтверждает правильность теории постоянного расширения Вселенной, заключается в том, что на большом расстоянии от Солнечной Системы (СС) куда больше квазаров, которые живут более активной жизнью.

Космологические модели мира

Краткая история Вселенной запечатлена в знаменитой теории Большого взрыва. Она родилась благодаря общей теории относительности Эйнштейна, которая легла в основу разработок астрономов, сформировавших модель расширяющейся материи. Данная версия подтвердилась после того, как ученый Хаббл сопоставил расстояния между галактиками и скорость, с которой они удаляются друг от друга. Третье подтверждение последовало от Георгия Гамова, который открыл реликтовое излучение. Это фоновое явление встречается во всех уголках Вселенной и является словно «эхом» эпохи взрыва.

Невероятные температуры Взрыва

Кода пытаются объяснить детям, как появился космос, говорят, что ранее он был не больше горошины, но при этом температура и давление в нем имело немыслимые показатели. В реальности краткая история Вселенной мало чем отличается от этой игрушечной модели. Возраст нашего окружающего мира приравнивают к 20 млрд. лет. В то время когда Вселенная была лишь точкой, давление в ней было 1090 кг/см³. В таких условиях зародилась гравитация. К слову, ученые считают, что данный термин не является чем-то отдельным или особенным. Гравитация – это искажение пространства, которое возникает за счет плотности материи. Это объясняет тот факт, что к твердым космическим телам прилегает атмосфера (хоть и минимальная), а газовые объекты и звезды не имеют такого поля. Так, на протяжении веков космос расширялся, формируя отдельные гравитационные поля.

Проблемы космологии

На основе концепции Большого Взрыва были построены и альтернативные модели реальности, которые, в принципе, ничем не хуже основной. Суть данного конфликта заключается в том, что сингулярность пространства в момент зарождения, изотропность в настоящем – это теория, которая может быть составлена на основе исследования СС. За пределами орбит известных нам планет совсем иные условия, которые могут быть не изотропными. Ученые вывели на основе этого три проблемы космологии, которые пока что решить невозможно, но они дают пищу к дальнейшим размышлениям и исследованиям.

Состояние сингулярности

Космологи́ческаясингуля́рность — состояние Вселенной в определённый момент времени в прошлом, когда плотность энергии (материи) и кривизна пространства-времени были очень велики. Это состояние, вместе с последующим этапом эволюции Вселенной, пока плотность энергии (материи) оставалась высокой, называют также Большим Взрывом.

Именно такое состояние, которое, как предполагают многие, было присуще материи в начале начал, может быть лишь научной фантастикой. Невероятная плотность, искаженное пространство и время, немыслимые температуры – все это высчитали в земных условиях на бумаге, но даже в миниатюре такие опыты не удались. Потому главная проблема космологии – это отказ от сингулярности мира в момент зарождения. Скорее всего, точкой отсчета было иное состояние материи.

1. Отсутствие изотропности

Изотропи́я, изотро́пность (из др.-греч. «равный, одинаковый, подобный» + «направление») — одинаковость физических свойств во всех направлениях.

Теоретики уверены в том, что все пространство в космосе однородное, но практика показывает, что это не так. Изучения глубин Вселенной доказывают, что в одном месте наблюдается невероятное скопление галактик, в другом пространство пустует. Конечно же, плотность материи в том и другом участке космоса не может быть одинаковой. Потому можно заявить, что Вселенная анизотропна, и ее химический состав не везде одинаков.

2. Закрытый или открытый космос?

Ныне для исследователей тайны Вселенной кроются в ее малых частях, которые и должны решить дальнейший исход событий. Высчитывается средняя плотность материи, и если в результате она будет превосходить критическую отметку, то космос сожмется, и вместо взрыва нас ожидает хлопок. Если же плотность ниже пограничной отметки, то Вселенная будет бесконечно расширяться, и измерить ее пространство, объем и время будет просто нереально.

Еще одна модель зарождения и развития Вселенной

Научная космология – область знаний, в рамках которой буквально каждый день совершаются новые открытия, порождаются теории, каждая из которых правдоподобна и реалистична. Помимо известной концепции Взрыва существует так называемая теория асимметрии или взаимодействия материи и антиматерии. Считается, что реликтовое излучение в космосе рождалось всегда и продолжает появляться благодаря взаимодействию вещества и антивещества. Эти же две субстанции находятся далеко не на равных положениях в космосе. Из материи состоит все, о чем мы знаем. Антиматерия для людей существует только в расчетах. Принято полагать, что в первые десять секунд существования мира произошел сбой симметрии, в ходе которого античастицы остались в меньшинстве, по сравнению с частицами, и причины тому неизвестны.

Эволюция материи Вселенной.

Согласно современным космологическим моделям, процесс эволюции материи на уровне микромира и мегамира происходил поэтапно. Эти этапы в космологии принято называть эрами. Для каждой из эр характерна своя организация материи и вид взаимодействия. В пространстве и времени на ранней стадии образования была некая суперсила, затем по мере развития она стала разделяться.

Эры:

1. Великого объединения. Охватывает промежуток времени приблизительно от 10^-43 до 10^-35 секунды и включает в себя превращение материи от возбужденного вакуума через его разрушение до образования сверхплотной материи. Именно на этом этапе действует суперсила.
2. Адронная эра. Охватывает промежуток от 10^-35 до 10^-6 секунды. Начало эры адронов знаменуется большим взрывом. Адронами называют частицы, которые обладают вещественной массой и им принадлежит роль сильного взаимодействия. После этого взрыва, единая суперсила распадается на гравитационное, слабое и т.д. Результатом такого разделения стало образование кварков и лептонов, а на их основе адронов. Из адронов образуются протоны и нейтроны, т.е. те элементы, которые являются основными слагаемыми вещества вселенной.
3. Лептонная эра. Промежуток от 10^-6 до 1 секунды.
4. Фотонная эра. От 1 секунды до 1 млн лет. Считается, что начало новой эры ознаменовалось разделением электрослабых взаимодействий на слабые и электромагнитные. Температура Вселенной начала снижаться в эту эру в промежутке от 10¹⁰ Кельвина до 10³ Кельвина. Снижалась энергия нуклонов, а нейтроны стали захватываться протонами. Что привело к образованию ядер гелия, на долю которых приходилось до 25% всего вещества, а затем при объединении свободных протонов и электронов образовался атомарный водород, на долю которого приходилось до 75% всего вещества. Именно в эту эру во Вселенной образовался газ, состоящий из атомов водорода, гелия, и считалось, что в это время стало возможным образования очень небольшого количества бериллия и лития. По мере дальнейшего расширения Вселенной и ее охлаждения (газа) начали образовываться газовые облака, из которых постепенно стали образовываться протогалактики. В результате уплотнения этих протогалактик происходило притягивание к ним остального вещества. Вследствие этого сила тяготения возрастала. Под действием сил самогравитации происходило дальнейшее сжатие этих образований. Считается, что по мере эволюции этих образований, примерно через 1 млрд лет, начался процесс звездообразования.
5. Эра образования галактик и звезд. Откуда произошло образование более тяжелых элементов? Считается, что оно происходило в недрах звезд. Т.е. многие элементы являются продуктом взрывов этих звезд, которые сопровождаются грандиозными вспышками и являются результатами ядерных реакций. Здесь употребляют термин взрыв сверхновой звезды. В результате такого взрыва по галактике разбрасывается большое количество тяжелых элементов. При образовании нового поколения звезд, строительным материалом для них являются продукты взорвавшихся звезд. Таким образом, можно считать, что наша планета образовалась из звездного пепла.
6. Современная эпоха.

Солнечная Система

Сначала вспомним, что Солнечная система расположена в Галактике с поэтическим названием - Млечный путь.

В Галактике выделяют три основных структурных элемента:
1. Гигантский диск (похожий на две сложенные краями тарелки) из звезд, газа и пыли диаметром около ста тысяч световых лет и толщиной несколько тысяч световых лет;
2. Сферическая подсистема Галактики, содержащая около ста миллиардов звезд. Диаметр сферической подсистемы примерно равен диаметру диска. Звезды сферической подсистемы движутся по всевозможным направлениям, но плоскости сильно вытянутых орбит проходят через центр Галактики. Различие между скоростями даже пространственно близких звезд очень велико - составляет сотни километров в секунду.
3. Сферическое гало (корона), линейный размер которого примерно в 10 раз больше диаметра диска. Гало состоит, главным образом, из темного вещества, которое нельзя увидеть, а можно только обнаружить по сильному тяготению.

Центральная, наиболее плотная часть диска в пределах нескольких тысяч световых лет от центра Галактики называется балдж (bulge – вздутие). В балдже почти все молекулярное вещество межзвездной среды; там находится наибольшее количество пульсаров, остатков сверхновых и источников инфракрасного излучения. В центре Галактики предполагается существование массивной черной дыры.

В диске находятся спиральные ветви (рукава). Молодые звезды и очаги звездообразования расположены, в основном, вдоль рукавов. В звездном диске между спиральными рукавами расположено Солнце.

Наше Солнце - одна из звезд на периферии Галактики вблизи от ее экваториальной плоскости. Расстояние от Солнца до ядра Галактики составляет около 30 тыс. световых лет.

Солнце и ближайшие звезды

В радиусе около 5 парсек от Солнца насчитывается около 100 звезд, и они все исследованы: оказалось, что большинство из них - слабые красные карлики с массой в 3-10 раз меньше массы Солнца. Звезд, похожих на Солнце, т.е. желтых карликов, около 6 %. Слабый красный карлик Проксима, компонент тройной системы a-Центавра, считается ближайшей от Солнца звездой. Расстояние до Проксимы - 1,31 парсек, т.е. свет от нее идет 4,2 года.

Расстояние от Солнца до ядра Галактики составляет около 30 тыс. световых лет.
Солнце - желтый карлик, звезда 2 или 3 поколения; вокруг Солнца вращаются планеты.
Напомним основные факты о нашей Солнечной системе

1. Время образования – 4,5-5 млрд. лет назад.

2. В Солнечной системе осталось 8 планет. Такое решение принято 24 августа 2006 года в Праге на 26-й Ассамблее Международного астрономического союза. Плутон больше не планета, или сложное решение: астрономам ассоциации была предоставлена возможность проголосовать за различные варианты определения планеты. Один из таких вариантов увеличил бы число планет до 12: Плутон и дальше считался бы планетой, но дополнительно в число планеты были бы занесены Эрида и даже Церера, которая ранее рассматривалась как самый большой астероид. Различные предложения поддерживали идею 9-ти планет, а один из вариантов определения планеты приводил к вычеркиванию Плутона из списка планетного клуба. В конце концов астрономы проголосовали за достаточно спорное по тогдашним меркам решение и отнесли Плутон (и другие подобные объекты) к новому классу объектов — к «карликовым планетам».

3. Основная масса системы сосредоточена в Солнце (~99.9%), но 99% момента количества движения ("запаса вращения" системы) связано с движением планет.

1. Все планеты условно делятся на 2 группы:
1. Меркурий, Венера, Земля, Марс - планеты небольшого размера с плотностью p=3-5.5 г/см³ и имеющие сходный состав (силикаты, металлы);
2. Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун - планеты - гиганты с небольшой плотностью p=1-2 г/см³, состоящие из газов (водород, гелий);
2. Необходимо также выделить пояс астероидов, занимающий место между Марсом и Юпитером.

6. Орбиты всех планет – эллиптические (но почти круговые), и все они (за исключением орбиты Плутона) лежат примерно в плоскости эклиптики (в плоскости Солнечного экватора).

7. Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении (совпадающем с направлением вращения Солнца), как и почти все спутники вокруг своих планет.

8. Большинство планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, что и Солнце (за исключением Венеры, которая очень медленно вращается в обратном направлении, и Урана, который вращается как бы лежа на боку).

9. Вокруг шести планет «крутятся» естественные спутники (спутники есть и у трех карликовых планет).

10. Расстояния планет от Солнца подчиняются эмпирическим формулам и, например, составляют некоторую прогрессию, определяемую правилом Тициуса-Боде.

11. За орбитой Нептуна располагаются пять крупных индивидуальных объектов— Церера, Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида, которые называют карликовыми планетами. Они имеют, за счет собственной гравитации, форму, близкую к шару, и состоят, главным образом, из замёрзших воды, аммиака и метана. Кроме того, существуют тысячи малых тел, таких как кометы, метеороиды и космическая пыль, которые перемещаются по Солнечной системе.

После передела Солнечная система стала выглядеть удивительно гармонично: планеты земной группы — пояс астероидов — планеты-гиганты — пояс Койпера. Среди планет воцарился порядок.

Планета Земля

Радиус Земли - 6378 км, масса - 5.98*10²⁴ кг.Сильное магнитное поле

Гипотезы происхождения Луны:

1. Луна - на первоначальной стадии (не успев стать планетой) была захвачена Землей.
2. Сначала Луна образовалась как планета, и лишь затем была захвачена Землей.

3. Происхождение Луны в результате катастрофы - ПротоЗемля столкнулась с ПротоМарсом, в результате чего от Земли отделился кусок вещества (на месте впадины Тихого океана).

Рельеф земной поверхности - глобальная асимметрия двух полушарий - северного и южного. Южное полушарие - впадина (океан).

Внутренние силы - землетрясения и извержения вулканов, но они также действуют постоянно и незаметно и за миллионы лет изменяют облик Земли.
Главные черты рельефа Земли - континенты и океаны. Континенты возвышаются над ложем океанов в среднем почти на 6 км; с учетом максимальной глубины океанов (11 км) и высоты гор (9 км) оказывается, что размах земного рельефа составляет 20 км. Континенты сложены в основном гранитами и гнейсами (горными породами), а ложе океанов состоит из базальтов. Кора континентов намного толще (в среднем 35-40 км), чем кора океанов (5-7 км).