Контрольные задания по предмету «Концепции современного естествознания» (КЕИ-00)

Дарвин, сторонник доктрины униформизма, понимал, что образование новых видов должно происходить постепенно — различия между двумя популяциями должны усиливаться все больше и больше, до тех пор, пока скрещивание между ними не окажется невозможным. Позднее ученые обратили внимание на то, что эта закономерность не всегда соблюдается. Вместо этого вид в течение длительного времени остается неизменным, затем внезапно меняется — этот процесс называется перемежающимся равновесием. Действительно, изучая ископаемых, мы видим оба варианта видообразования, что не кажется странным с высоты современных представлений о генетике. Теперь  понятна основа первого их двух перечисленных постулатов: на ДНК различных особей записаны различные версии одного и того же гена. Изменение ДНК может иметь совершенно разные последствия: от полного отсутствия эффекта (если изменение затрагивает участок ДНК, не используемый организмом) до громадного эффекта (если изменится ген, кодирующий ключевой белок). После того как ген изменится, что может сказаться постепенно или немедленно, действие естественного отбора будет направлено либо на то, чтобы распространить этот ген во всей популяции (если изменение полезное), либо на то, чтобы уничтожить его (если изменение вредное). Другими словами, скорость изменения зависит от генов, но когда такое изменение уже произошло, именно естественный отбор определяет направление изменений в популяции.

Как любая научная теория, теория эволюция должна была получить подтверждение  в жизни. Имеются три крупных  класса наблюдений, подтверждающих эту  теорию.

Ископаемые  свидетельства

После гибели растения или животного останки  обычно рассредоточиваются в окружающей среде. Но иногда некоторые из них  могут погрузиться в почву, например, в ил при наводнении, и оказаться  недоступными для разложения. Со временем, по мере того как ил будет превращаться в горную породу, химические процессы приведут к замещению кальция в скелете или других твердых частях тела минеральными веществами, содержащимися в окружающей породе. (В редких случаях условия оказываются такими, что могут сохраниться и более мягкие структуры, например, кожа или перья). В конце концов этот процесс завершится образованием идеального отпечатка оригинальной части тела в камне — окаменелости. Все обнаруженные окаменелости вместе называют ископаемыми свидетельствами.

Возраст ископаемых составляет приблизительно 3,5 миллиарда лет — столько лет отпечаткам, найденным в бывших отложениях тины на древних австралийских скалах. Они рассказывают  историю о постепенном усложнении и расширении многообразия, которое привело к огромному разнообразию жизненных форм, населяющих сегодня Землю. Большую часть прошлого жизнь была относительно простой, представленной одноклеточными организмами. Приблизительно 800 миллионов лет назад начали появляться многоклеточные жизненные формы. Поскольку их тело было мягким (вспомните медузу), от них почти не осталось отпечатков, и лишь несколько десятилетий назад ученые убедились в том, что они жили в ту эпоху, на основании оставленных в осадочных отложениях отпечатков. Приблизительно 550 миллионов лет назад появились твердые покровы и скелеты, и именно с этого момента появляются настоящие ископаемые. Рыбы — первые позвоночные животные, появились около 300 миллионов лет назад, динозавры начали вымирать приблизительно 65 миллионов лет назад, и 4 миллиона лет назад в Африке появились ископаемые люди.

Биохимические свидетельства

У всех живых организмов на нашей планете  одинаковый генетический код — мы все не более чем набор различной информации, записанной универсальным языком ДНК. Тогда можно ожидать, что если жизнь развивалась по описанному выше сценарию, то у современных живых организмов степень совпадения последовательностей ДНК должна быть различной, в зависимости от того, насколько давно жил их общий предок. Например, у человека и шимпанзе одинаковых последовательностей ДНК должно быть больше, чем у человека и рыбы, поскольку общий предок человека и шимпанзе жил 8 миллионов лет назад, а общий предок человека и рыбы — сотни миллионов лет назад. Действительно, анализируя ДНК живых организмов, мы находим подтверждения этого предположения: чем дальше друг от друга на эволюционном дереве находятся два организма, тем меньше сходства обнаруживается в их ДНК. И это вполне понятно, поскольку чем больше прошло времени, тем больше накопилось у них различий.

Использование анализа ДНК для того, чтобы  открыть наши глаза на наше эволюционное прошлое, иногда называют молекулярными часами. Это убедительнейшее доказательство теории эволюции. ДНК человека ближе к ДНК шимпанзе, чем к ДНК рыбы. Могло бы оказаться совсем наоборот, но не случилось. На языке философии науки, этот факт показывает, что теория эволюция опровергаема — можно представить себе исход, который указывал бы на ложность этой теории. Таким образом, эволюция не является так называемым креационистским учением, как бы основанным на библейской Книге бытия, поскольку нет таких наблюдений или экспериментов, которые могли бы осязаемо убедить креационистов в том, что их учение ложно.

Несовершенство  замысла

Хотя  несовершенство замысла как таковое  не является доводом в пользу эволюции, оно совершенно согласуется с  картиной жизни, предложенной Дарвином, и противоречит представлению о  том, что живые существа были созданы, уже имея особое предназначение в  жизни. Дело в том, что для того чтобы передать гены следующему поколению, организму нужно быть не совершенным, а всего лишь настолько хорошим, чтобы успешно противостоять  врагам. Следовательно, каждая ступень  на эволюционной лестнице должна быть пристроена к предыдущей, и характеристики, которые могли быть благоприятствующими на одной из стадии, будут «заморожены» и сохранятся даже после того, как появятся более подходящие варианты.

Инженеры  называют эту особенность QWERTY-эффектом (QWERTY — последовательность букв верхнем ряду почти всех современных клавиатур). Когда проектировали первые клавиатуры, основная цель заключалась в том, чтобы снизить скорость печати и не допустить зажимания клавиш механических пишущих машинок. Такая конструкция клавиатуры сохранилась до сих пор, несмотря на возможность использования производительных клавиатур.

Подобно этому особенности строения «закрепляются» на ранних стадиях эволюции и сохраняются  в прежнем виде, несмотря на то, что  любой современный студент-технарь  справился бы с этой задачей лучше. Вот несколько примеров.

Глаз  человека устроен так, что падающий свет превращается в нервные импульсы перед сетчаткой, хотя по такой схеме  в глаз попадает не весь падающий свет.

Зеленый цвет листьев растений означает, что  они отражают часть падающего  на них света. Любому инженеру известно, что приемник солнечной энергии  должен быть черного цвета.

В глубоких подземных пещерах обитают  змеи, у которых глазницы находятся под кожей. Это имеет смысл, если предки этих змей жили на поверхности и нуждались в глазах, но лишено смысла для животных, созданных для подземной жизни.

В туловище китов есть маленькие кости  задних конечностей. Сегодня эти  кости абсолютно бесполезны, но их происхождение понятно, если предки китов когда-то жили на суше.

Неизвестно, какую функцию выполняет аппендикс  у человека, хотя у некоторых травоядных животных аппендикс участвует в  переваривании травы.

Эти свидетельства дополняют друг друга  и настолько грандиозны, что не только давно убедили серьезных  ученых в справедливости эволюционной теории Дарвина, но и являются стержнем любых разъяснений, касающихся функционирования живых систем на нашей планете.

Задание 9.Что изучает наука синергетика? Какие существуют формы самоорганизации?

Ответ:

 К установлению общего взгляда на процессы самоорганизации разные ученые шли различными путями. Автор самого термина "синергетика" немецкий физик Герман Хакен исследовал механизмы кооперативных процессов, которые происходят в твердом лазере. Он выяснил, что частицы, составляющие активную среду резонатора, под воздействием внешнего светового поля начинают колебаться в одной фазе. В результате этого между ними устанавливается согласованное взаимодействие, которое в конечном итоге приводит к их кооперативномуповедению. 
         Самоорганизация, по определению Хакена, — спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже хаоса, спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного (синхронного) действия многих подсистем. Хакен считает, что название новой дисциплины синергетикой обусловлено тем, что в ней исследуются совместные действия многих элементов систем, и для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин. Таким образом, при самоорганизации из хаоса порождается порядок. 
         Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе, создание более сложных систем из более простых. С этой парадигмой в физику проник эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового. Синергетика ввела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики для микроскопического уровня. 
        В синергетике в противоположность кибернетике исследуются механизмы возникновения новых состояний, структур и форм в процессе самоорганизации, а не сохранения и поддержания старых форм. Поэтому она опирается на принцип положительной обратной связи, когда изменения, возникающие в системе, не подавляются и корректируются, а, наоборот, постепенно накапливаются и в конце концов приводят к разрушению старой и возникновению новой системы. 
Кибернетика отличается от синергетики тем, что она акцентирует внимание на анализе динамического равновесия в самоорганизующихся системах. Поэтому она опирается на принцип отрицательной обратной связи, согласно которому всякое отклонение системы корректируется управляющим устройством после получения информации об этом. 
         Синергетика подтвердила вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. С точки зрения синергетики энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь из кинетической в потенциальную. Вещество — это застывшая энергия. Энергия — понятие, характеризующее способность производить работу, но энергия сейчас может пониматься не только в смысле механической работы, но и как созидатель новых структур. 
          Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой. Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесс творчества природы.

          Развитие понимается в синергетике как процесс становления качественно нового, того, что еще не существовало в природе и предсказать которое невозможно. Механизм, который ею предлагается, — это спонтанная флуктуация, событие в точке бифуркации, экспоненциальный процесс до определенного момента. Основным понятием предстает понятие неустойчивости. Так из хаоса (неустойчивости) рождается космос.

Необходимо  подчеркнуть, что синергетика является научным направлением, изучающим  открытые системы в состояниях, далеких  от равновесия.

Под самоорганизацией мы понимаем необратимый процесс, приводящий в результате кооперативного действия подсистем к образованию более  сложных структур всей системы. Самоорганизация  — элементарный процесс эволюции, состоящий из неограниченной последовательности процессов самоорганизации. Термин «самоорганизация» используется для обозначения дис-сипативной самоорганизации, т. е. образования диссипативных структур. Наряду с диссипативной самоорганизацией существуют и другие формы самоорганизации, такие как консервативная самоорганизация (образование структур кристаллов, биополимеров и т. д.) и дисперсионная самоорганизация (образование солитонных структур). 
Решающее значение для создания теории самоорганизации имели развитие и разработка методологии следующих дисциплин:

1. термодинамики необратимых процессов в открытых системах;
2. нелинейной механики, электрофизики и физики лазеров;
3. химической кинетики сильно неравновесных процессов;
4. нелинейной динамики популяций и экологии;
5. нелинейной теории регулирования, кибернетики и системного анализа.

Из приведенного выше перечня отчетливо виден  междисциплинарный характер теории самоорганизации. 
        Для объяснения процессов самоорганизации рассматриваются открытые системы, которые способны обмениваться с окружающей средой веществом, энергией или информацией. Открытая система не может быть равновесной, потому ее функционирование требует непрерывного поступления энергии и вещества из внешней среды, вследствие чего неравновесие в системе усиливается. В конечном итоге прежняя взаимосвязь между элементами системы, т. е. ее прежняя структура, разрушается. Между элементами системы возникают новые согласованные связи. Благодаря этому оказалось возможным развить новую нелинейную и неравновесную термодинамику необратимых процессов, которая стала основой современной концепции самоорганизации. 

Задание 10.Изложить этапы развития человека.

Ответ:

Антропогенез  – наука, которая изучает основные этапы эволюции человека. Всем людям на земле интересно свое происхождение, но однозначного ответа про предков человека не даст ни один ученый.

Рассмотрим основные этапы эволюции человека с научной точки зрения.

По  разным сведениям ближайшими предками человека считаются антропоморфные обезьяны, которые проживали на земле  примерно 25 миллионов лет назад. Имеется огромное множество данных, которые подтверждают эту теорию.

Но  стоит сказать, что все они  косвенные и нет ни одного прямого  доказательства. Одним из основных доводов ученых является то, что  человек может вращать рукой  во всех направлениях благодаря подвижным  суставам кисти и плечевого пояса.

Такие физические данные могли появится только у древесных обезьян. Также, только у древесных млекопитающих на руках и стопах развиваются кожные узоры.

Можно смело утверждать, что предками человека были обезьяноподобные существа с высокоразвитой структурой мозга, которая позволяла  совершенствоваться и обучаться.

Примерно 25 миллионов лет назад произошло  значительное изменение в человеческом роду. Дриопитеки разделились на две  абсолютно независимые ветви, которые  и стали основополагающими для  такого понятия как основные этапы эволюции человека. Одна ветвь (понгиды) осталась жить на деревьях, а вторая (гоминиды) спустилась на землю.

После разделения научные работники выделяют пять основных этапов эволюции человека.

Первый  из них – стадия протантропа, которая проходила примерно 9 миллионов лет назад. В это время выделяется особая группа прямоходячих – австралопитеки. Они стали основной переходной формой от обезьян к человеку.

В это  же время австралопитеки начинают активно  осваивать первые орудия труда, которыми становятся обычные палки, кости  убитых животных и камни. Все больше и больше предков человека объединяются в стада.

Вторая  стадия – человек умелый. Это  первая стадия формирования типа современного человека. Проходила она примерно 2-2,5 миллиона лет назад. Постепенно увеличивается объем мозга и  подвижность всего тела.

Развиваются лицевые мышцы и формируется современное лица, с меньшим количеством обезьяноподобных гримас. Вместе с ростом мозговой деятельности развивается и культура выращивания зерновых. Для этого изготавливаются орудия труда.

Дальше  идет эра питекантропа. Основным показателем  этой эры считается разделение людей  на большие стада и заселение  континентов. Были освоены Африка, Китай  и Европа. Именно в этот период (1-1,3 миллиона лет тому) был освоен огонь. Объем мозга увеличивается до 1200 см³, что приводит к формированию речи.