Концепции современного естествознания
1. Естествознание и гуманитарные науки. Их различие
естествознание наследственный ген
Человек обладает знанием об окружающей вселенной о самом себе и собственных произведениях. Это делит всю имеющуюся у него информацию на два больших раздела естественнонаучное и гуманитарное знание.
Естествознание является исторически первой областью науки, т.е. процесс зарождения и становления науки представляет собой возникновение и развитие естественнонаучного знания, прежде всего физики и астрономии в их постоянном взаимодействии с математикой. В настоящее время естествознание сохраняет свою лидирующую роль среди научных сфер.
Термин «естествознание» происходит от соединения слов «естество», то есть природа, и «знание». Таким образом, дословное толкование термина - знание о природе.
Естествознание в современном понимании - наука, представляющая собой комплекс наук о природе, взятых в их взаимосвязи. При этом под природой понимается все сущее, весь мир в многообразии его форм.
Гуманитарные науки от латинского humanus - человеческий, homo - человек - дисциплины, изучающие человека в сфере его духовной, умственной, нравственной, культурной и общественной деятельности. По объекту, предмету и методологии изучения часто отождествляются или пересекаются с общественными науками, противопоставляясь при этом естественным и точным наукам на основании критериев предмета и метода. В гуманитарных науках, если и важна точность, например описания исторического события, то ещё более важна ясность понимания.
Различие между естественным и гуманитарным знанием состоит в том, что:
. Основано на разделении субъекта, (человека) и объекта исследования (природы), при этом преимущественно изучается объект. Центром второй сферы знания - гуманитарной является сам субъект познания. То есть, то что изучают естественные науки материально, предмет изучения гуманитарных дисциплин носит скорее идеальный характер, хотя изучается, разумеется, в своих материальных носителях. Важной особенностью гуманитарного знания в отличие от естественно научного, является нестабильность быстрая изменчивость объектов изучения.
. В природе в большинстве случаев господствуют определенные и необходимые причинно-следственные взаимосвязи и закономерности, поэтому основная задача естественных наук выявить эти связи и на их основе объяснить природные явления, истинна здесь непреложна и может быть доказана. Явления духа даны для нас непосредственно, мы переживаем их как свои, основной принцип здесь понимание, истинность данных - данных в значительной степени субъективна, она результат не доказывания, а интерпретации.
Метод естествознания «генерализирующий» (то есть его цель отыскать общее в разнообразных явлениях, подвести их под общее правило), закон тем важнее, чем он универсальнее, чем больше случаев под него подпадает. В гуманитарных науках тоже выводятся общие закономерности, иначе они небыли бы науками, но поскольку основным объектом исследования является человек, невозможно пренебречь его индивидуальностью, поэтому метод гуманитарного знания можно назвать «индивидуализирующим».
На естественные и гуманитарные науки в разной степени оказывает влияние система человеческих ценностей. Для естественных наук нехарактерны ценностно-окрашенные суждения, составляющие существенный элемент гуманитарного знания. Гуманитарное знание может испытывать влияние той или иной идеологии, и в гораздо большей степени связана с ней, чем естественно научное знание.
Противоречия между естественной и гуманитарной науками дополняются противоречиями внутри самой науки Наука не способна дать исчерпывающих ответов, она решает частные вопросы, создавая концепции наилучшим образом объясняющие явления действительности, но создание таких теорий не представляет собой простого накопления знаний это более сложный процесс, включающий в себя как эволюционное поступательное развитие, так и «научные революции», когда пересмотру подвергаются даже наиболее фундаментальные основы научного знания. И новые теории строятся уже на совершенно иной основе.
Кроме того, противоречия содержит сам способ познания, составляющий сущность науки: природа едина и целостна, а наука разделена на самостоятельные дисциплины. Объекты действительности - это целостные сложные образования, наука абстрагирует некоторые из них принимаемые за наиболее важные изолируя их от других аспектов того же явления. В настоящее время этот метод, как и метод сведения явления к простейшим элементам, во многих дисциплинах признается ограниченно применимым, но проблема состоит в том, что вся современная наука построена на их основе.
Сама структура науки разделенной на множество самостоятельных дисциплин вытекает именно из этого, но в настоящее время многие исследователи признают, что процесс дифференциации науки зашел слишком далеко, преодолеть эту тенденцию должны комплексные дисциплины.
2. Основные типы воздействия в микромире. Сильное воздействие. Слабое воздействие. В чем их сущность и каковы их специфические особенности? Взаимопревращение элементарных частиц при слабом взаимодействии
Существует 4 не сводящихся друг к другу вида взаимодействий. Это гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. В физике причиной изменения движения тел является сила. Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество разнообразных сил: сила тяжести, сила сжатия пружины, сила, возникающая при столкновении тел, сила трения и другие. Однако, когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку атомы взаимодействуют через электростатическое поле электронных оболочек, то, как оказалось, все эти силы - лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Действительно, представим себе два сталкивающихся бильярдных шара. Всегда слышится звук удара, но что при этом происходит. Всего навсего взаимодействовали электронные оболочки атомов.
Заглянем внутрь атомного ядра. Ядро состоит из двух видом элементарных частиц - протонов и нейтронов. Протоны - положительно заряженные элементарные частица, довольно тяжелые (почти в 2000 раз тяжелее электрона). Нейтроны не имеют электрического заряда, еще чуть более тяжелые чем протоны. Зная точно массы и заряды протоны и нейтрона видно, что в присутствии только гравитационного и электрического взаимодействия ядра атомов существовать бы не могли. Чуть менее 100 лет назад именно такое положение вещей навело ученых на мысль о существовании еще одного типа взаимодействия - сильного.
Как оказалось, позднее и сильного взаимодействия недостаточно для описания всех процессов, происходящих в микромире. Необходимо было существование еще одного слабого взаимодействия. Для того, чтобы понять что это за взаимодействия проведем некоторую сравнительную их характеристику.
Начнем с гравитации. В гравитационном взаимодействии участвуют все тела обладающие массой. Гравитационные силы являются лишь силами притяжения, так как все тела обладают положительной массой (за исключением возможно темной энергии). Гравитационные силы убывают пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими телами.
Слабое и сильное взаимодействия существенно отличаются от электромагнитного. Сила в этих взаимодействиях очень быстро убывает с расстоянием. Так например, в достаточно большом атомном ядре (например, уран) сила притяжения нуклонов находящихся на диаметрально противоположных концах ядра уже очень мала. Именно поэтому ядро урана нестабильно и подвержено самопроизвольному распаду. На достаточно малых расстояниях сила сильного взаимодействия превосходит силу электромагнитного. Это делает стабильными такие атомные ядра как литий натрий и т.п.
Аналогично электромагнитному заряду существует слабый заряд и сильный заряд. Поскольку на макроскопических расстояниях (сравнимых с размерами самих атомов и больше) это силы не действуют, то такие заряды приписываются только элементарным частицам. Элементарные частицы обладающие сильным зарядом называются барионами, к ним относятся например нуклоны - протон и нейтрон. Соответственно все они участвуют с сильном взаимодействии. Электрон и ряд других частиц не обладают таким зарядом и не участвуют в сильном взаимодействии. В слабом взаимодействии участвуют все частицы. Сила слабого взаимодействия значительно меньше сильного.
Существует такое частицы, которые участвуют только с слабом и гравитационном взаимодействии - это нейтрино. Из-за такой их особенности их очень тяжело обнаружить в эксперименте.
Этими четырьмя взаимодействиями определяется то, как взаимодействуют все известные объекты от элементарных частиц до звезд и галактик. Так например сильное и слабое взаимодействия полностью определяют время жизни всех элементарных частиц, а гравитация - движение звезд и планет. Однако, к сожалению не все процессы во вселенной удалось объяснить, и потому продолжаются поиски новых типов взаимодействий. Посмотрим, что еще мы узнаем о нашем мире.
На современном уровне познания микромира подтверждается атомистическая картина строения материи, предусматривали древние философы. Однако новая атомистика элементарных частиц качественно отличается от атомистических представлений прошлого.
Элементарные частицы не являются неизменными, простейшими элементами: они могут превращаться друг в друга в процессе взаимодействия, рождаться или поглощаться различными компонентами частиц, которые взаимодействуют. Открытием антипротона конце 1955 г. установлено, что не существует каких-либо групп элементарных частиц, которые не могли бы превратиться в другие элементарные частицы. Теперь взаемоперетворюванисть элементарных частиц можно считать экспериментально установленным фактом для простейших форм материи. В общей взаемоперетворюваности элементарных частиц выражена одна из самых основных свойств материи - ее способность превращаться из одной формы в другую, качественно отличную.
Все тяжелые мезоны превращаются или в те-мезоны, или я-мезоны и пары лептонов (ц-мезоны, электроны, нейтрино), или пары лептонов. В свою очередь, заряженные я-мезоны превращаются в ц-мезоны и нейтрино, а ц-мезоны далее превращаются в стабильные электроны и нейтрино; нейтральные я-мезоны превращаются в пары у-фотонов. Итак, все без исключения мезоны превращаются в стабильные легкие частицы - позитроны, электроны, нейтрино и у-фотоны.
Несколько иначе превращаются тяжелые частицы. Окончательно все тяжелые частицы (тяжелее протона) превращаются в стабильные протоны, позитроны, электроны, нейтрино и фотоны. Электрон, имея наименьшую массу в спектре масс элементарных частиц, занимает самый низкий уровень в нем, если этот спектр считать подобным энергетическим уровням некоторой квантово-механической системы. Этот уровень стабильный, поскольку переходы могут происходить только с более высоких уровней на самый низкий в спектре уровень. Распад с этого уровня в фотоны, электрический заряд которых равен нулю, запрещено законом сохранения электрического заряда. Это сразу приводит к стабильности электрона. Конечно, пара электрон - позитрон превращается в фотоны по закону сохранения электрического заряда и экспериментально наблюдается. Протон в паре с антипротонов также превращается в фотоны.
Итак, в результате процессов распада и процессов рождения все элементарные частицы могут превращаться в легкие частицы - нейтрино и фотоны. Теоретически также очевидно, что нейтрино и антинейтрино также могут превращаться в фотоны. При этом допускается, исходя из обобщений опытных данных, что все известные элементарные частицы имеют соответствующие античастицы и могут спонтанно превращаться в фотоны или частицы, которые распадаются на фотоны.
Закон взаимопревращения элементарных частиц можно сформулировать так: любые элементарные частицы можно полностью преобразить в фотоны или непосредственно, или в совокупности с соответствующими античастицами. Здесь наблюдается также взаимопревращения частиц и фотонов. При всех взаимопревращениях частиц выполняются все универсальные законы сохранения: энергии (массы), импульса, спина и зарядов (электрического, барионного и лептонного). К абсолютна законов сохранения относятся законы сохранения странности и четности. Они сохраняются для сильных и электромагнитных взаимодействий и нарушаются в случае слабых взаимодействий. Закон сохранения изотопического спина исполняется только для сильных взаимодействий и нарушается для электромагнитных и слабых.
Законы сохранения, имеющие место в процессах взаимопревращения простейших форм материи, качественно различаются между собой. Некоторые законы выражают количественное сохранение различных форм движения (сохранения импульса, энергии и момента количества движения). Вторая группа законов выражает сохранение основных качественных различий различных простейших форм материи (сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов). Наконец, важное значение при взаимопревращениях элементарных частиц имеет закон сохранения общей массы системы.
Например, барионный заряд замкнутой системы частиц не может измениться, а общее количество тяжелых частиц в этой совокупности не может уменьшиться. Могут только образоваться пары частиц и античастиц, но это не меняет барионного заряда и, следовательно, не приводит к уменьшению количества тяжелых частиц. Сохранения барионного заряда обеспечивает стабильность вещества, т.е. невозможность превращения нуклонов, входящих в состав ядра, в легкие частицы и фотоны. Итак, закон сохранения барионного заряда выражает сохранение глубокой качественного отличия группы тяжелых частиц от всех остальных. Если, например, барионный заряд в системе равно нулю, то частицы с отличным от нуля барионным зарядом, то есть тяжелые частицы, могут возникать только парами полярно противоположных частиц с положительным и отрицательным барионного заряда. Сохранения электрического заряда выражает сохранение особого свойства у частиц создавать электрическое поле. Это свойство могут иметь частицы всех групп, кроме нулевой (фотона). Итак, законы сохранения зарядов элементарных частиц выражают сохранение основных качественных различий элементарных частиц. Эти качественные различия могут возникать только во взаимных противоположностях, то есть в положительных и отрицательных зарядах, частицы и античастицы т. п., причем противоположности абсолютно тождественны по всем свойствам, кроме знака зарядов в этом случае. Исключением может быть только странность, которая в некоторых маловероятных процессах может исчезать или возникать не в паре с зарядом противоположного знака. Однако странность не является универсальной характеристикой, как электрический или барионный заряды.
Наличие общего момента количества движения, в том числе и у электромагнитного поля, всегда свидетельствует (иногда в скрытом виде) о вращательное движение. Закон сохранения общего момента количества движения системы выражает сохранения вращательного формы движения материи. Этот закон можно рассматривать как следствие инвариантности законов природы относительно пространственных поворотов.
3. Генетика наследственности. Закономерности передачи наследственной информации (законы Г.И. Менделя). Хромосомная теория наследственности Т.Х. Моргана. Хромосомы. Роль ДНК в передаче наследственной информации. Основная функция генов
Генетика (от греческого порождающий, происходящий от кого-то). - наука о закономерностях наследственности и изменчивости. В зависимости от объекта исследования классифицируют генетику растений, животных, микроорганизмов, человека и другие; в зависимости от используемых методов других дисциплин - молекулярную генетику, экологическую генетику и другие. Идеи и методы генетики играют важную роль в медицине, сельском хозяйстве, микробиологической промышленности, а также в генетической инженерии.
Законы Менделя:
·Закон единообразия гибридов первого поколения
·Закон расщепления признаков
·Закон независимого наследования признаков
Закон единообразия гибридов первого поколения - при скрещивании двух гомозиготных организмов, относящихся к разным чистым линиям и отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных проявлений признака, всё первое поколение гибридов (F1) окажется единообразным и будет нести проявление признака одного из родителей. Этот закон также известен как «закон доминирования признаков». Его формулировка основывается на понятии чистой линии относительно исследуемого признака - на современном языке это означает гомозиготность особей по этому признаку.
Итак, гибриды первого поколения всегда единообразны по данному признаку и приобретают признак одного из родителей. Этот признак - более сильный, доминантный, всегда подавлял другой, рецессивный.
Скрещиванием организмов двух чистых линий, различающихся по проявлениям одного изучаемого признака, за которые отвечают аллели одного гена, называется моногибридное скрещивание.
Явление, при котором скрещивание гетерозиготных особей приводит к образованию потомства, часть которого несёт доминантный признак, а часть - рецессивный, называется расщеплением. Следовательно, расщепление - это распределение доминантных и рецессивных признаков среди потомства в определённом числовом соотношении. Рецессивный признак у гибридов первого поколения не исчезает, а только подавляется и проявляется во втором гибридном поколении.
Закон чистоты гамет: в каждую гамету попадает только один аллель из пары аллелей данного гена родительской особи.
Гипотеза чистоты гамет. Мендель предположил, что при образовании гибридов наследственные факторы не смешиваются, а сохраняются в неизменном виде.
Известно, что в каждой клетке организма в большинстве случаев имеется совершенно одинаковый диплоидный набор хромосом. Две гомологичные хромосомы обычно содержат каждая по одному аллелю данного гена. Генетически «чистые» гаметы образуются следующим образом:
Основные этапы мейоза
На схеме показан мейоз клетки с диплоидным набором 2n=4 (две пары гомологичных хромосом). Отцовские и материнские хромосомы обозначены разным цветом.
В процессе образования гамет у гибрида гомологичные хромосомы, во время I мейотического деления попадают в разные клетки. При слиянии мужских и женских гамет получается зигота с диплоидным набором хромосом. При этом половину хромосом зигота получает от отцовского организма, половину - от материнского. По данной паре хромосом (и данной паре аллелей) образуются два сорта гамет. При оплодотворении гаметы, несущие одинаковые или разные аллели, случайно встречаются друг с другом.
Закон независимого наследования - при скрещивании двух особей, отличающихся друг от друга по двум (и более) парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях, как и при моногибридном скрещивании.
Хромосомная теория наследственности - теория, согласно которой передача наследственной информации в ряду поколений связана с передачей хромосом, в которых в определённой и линейной последовательности расположены гены.
Основные положения хромосомной теории: Анализ явлений сцепленного наследования, кроссинговера, сравнение генетической и цитологической карт позволяют сформулировать основные положения хромосомной теории наследственности:
Гены локализованы в хромосомах. При этом различные хромосомы содержат неодинаковое число генов. Кроме того, набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален.
Аллельные гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах.
Гены расположены в хромосоме в линейной последовательности.
Гены одной хромосомы образуют группу сцепления, то есть наследуются преимущественно сцепленно (совместно), благодаря чему происходит сцепленное наследование некоторых признаков. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом данного вида (у гомогаметного пола) или больше на 1 (у гетерогаметного пола).
Сцепление нарушается в результате кроссинговера, частота которого прямо пропорциональна расстоянию между генами в хромосоме (поэтому сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами).
Каждый биологический вид характеризуется определенным набором хромосом - кариотипом.
Хромосомы - нуклеопротеидные структуры в ядре эукариотической клетки, в которых сосредоточена большая часть наследственной информации и которые предназначены для её хранения, реализации и передачи. Хромосомы чётко различимы в световом микроскопе только в период митотического или мейотического деления клетки. Набор всех хромосом клетки, называемый кариотипом, является видоспецифичным признаком, для которого характерен относительно низкий уровень индивидуальной изменчивости.
Хромосома образуется из единственной и чрезвычайно длинной молекулы ДНК, которая содержит линейную группу множества генов. Необходимыми функциональными элементами хромосомы эукариот являютсяцентромера, теломеры и точки начала инициации репликации. Точки начала репликации и теломеры, находящиеся на концах хромосом, позволяют молекуле ДНК эффективно реплицироваться, тогда как в центромерах сестринские молекулы ДНК прикрепляются к митотическому веретену деления, что обеспечивает их точное расхождение по дочерним клеткам в митозе.
Ген - структурная и функциональная единица наследственности живых организмов. Ген представляет собой участок ДНК, задающий последовательность определённогополипептида либо функциональной РНК. Гены (точнее, аллели генов) определяют наследственные признаки организмов, передающиеся от родителей потомству при размножении. Среди некоторых организмов, в основном одноклеточных, встречается горизонтальный перенос генов, не связанный с размножением.
Список литературы
1. Найдыш В. Концепции современного естествознания. 2005. С. - 348-350.
. Еремеева А.И. Астрономическая картина мира и ее творцы. 1984. С. - 205.
. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. 2006. С. - 98 - 107.
. Резчиков Е.А. Экология: Учебное пособие. 2-е изд. 2000. С. - 96.
. Хокинг С. От большого взрыва до черных дыр. 1999. С. - 15.
. Кузнецов В.И., Идлис Г.М. Естествознание. 2006. С. 384.
. Кедров Б.М. Предмет и взаимосвязь естественных наук. 1996. С. - 436.