Проблемы, предмет и основные этапы развития химической науки.
Химия – это наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения. Научный этап развития химии начинается примерно с 60-х годов XVII века. Ему предшествовал донаучный, алхимический этап развития химических знаний.
Химики всегда ставили своей практической целью получать из природных веществ все необходимые для жизни металлы, керамику, известь, стекло, красители, лекарства и др. Это определило главную задачу химии –задачу получения веществ с необходимыми свойствами. Эта задача определяет двуединую основную проблему химии: 1) получение веществ с заданными свойствами как производственная и практическая задача; 2) выявление способов управления свойствами веществ как задача научно-исследовательская.
1. Предалхимический период: до III в. н.э.
2. Алхимический период: III – XVI вв.
Алхимический период – это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов.
3. Период становления (объединения): XVII – XVIII вв.
4. Период количественных законов (атомно-молекулярной теории): 1789 – 1860 гг.
5. Период классической химии: 1860 г. – конец XIX в.
22. Концептуальные уровни познания химических явлений.Решение этих проблем осуществлялось в 4 основных этапа, породивших 4 концептуальные системы химии за период с XVII века по настоящий момент. Первая концептуальная система – это концепция химических элементов вещества. Она началась с трудов Роберта Бойля (1627-1691) и завершилась созданием периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева. Вторая концептуальная система – концепция структурной химии. Было обнаружено, что строение веществ определяет их химические свойства. С конца XVIII века до середины XX века. Третья концептуальная система – концепция химических процессов. Она установила особенности протекания химических процессов, выявила методы управления химическими реакциями, и позволила создать основы крупномасштабных химических технологий. Четвертая концептуальная система – концепция эволюционной химии. Она развивается последние 25-30 лет и связана с глубоким изучением природы реагентов, роли катализаторов в химических реакциях и биологических процессах.
Биология.
С современной точки зрения, биология – это совокупность наук о живой природе, многообразии существовавших и существующих живых организмов, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает закономерности, возникающие в живых системах во всех их проявлениях (н-р, метабилизм или обмен веществ, наслед-ственность, изменчивость, раздражимость, приспособляемость и др.). Исторически в биологии можно выделить 3 этапа развития: 1) этап систематики (К. Линней); 2) эволюционный этап (Ч. Дарвин); 3) этап биологии микромира (Г. Мендель). Каждый из этапов порождал соответствующую биологическую парадигму (научно-исследовательскую программу).
24. Структурные уровни живого. Характерные черты живого. Часто определение живого сводят к перечислению характерных свойств (или отличий от неживой материи). Во-первых, живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой. Во-вторых, живые организмы, беря энергию извне, используют её для поддержания своей упорядоченности (понижения энтропии). В-третьих, живые организмы активно реагируют на внешние воздействия или раздражения (камень пнуть — он сместится на некоторое расстояние, если пнуть собаку -…). В-четвертых, живые организмы в процессе развития не только изменяются, но и усложняются. В-пятых, способность к размножению. В-шестых, способность передачи наследственной информации от родителей к потомкам. В-седьмых, адаптируемость к окружающей среде. (Если коротко — живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются, распространяются, а неживые — нет). Структурные уровни организации живой материи.
Живой мир имеет сложную структуру. На основе критерия масштабности можно выделить следующие уровни организации живого:
· Биосферный, включающий всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой. (на нём рассматривается, например, концентрация углекислого газа в атмосфере).
· Уровеньбиогеоценозов,состоящий изучастков Земли с определённым составом живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс, экосистему.( необходимо знать для рационального использования природы).
· Популяционно-видовойуровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. (его изучение важно для выявления факторов, влияющих на численность популяции).
· Организменный и органно-тканевыйуровни отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.
· Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.
· Молекулярныйуровень составляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии.
Разделение живой материи на уровни является, конечно, весьма условным. Решение конкретных биологических проблем, таких, как регуляция численности вида, опирается на данные о всех уровнях живого.
25. Концепции происхождения жизни на земле.1. Креационизм — это такая точка зрения, согласно которой, жизнь на земле возникла в результате творческой активности Бога. Здесь признается, что Бог создал мир, живые существа, в том числе и человека, из ничего. Считается, что это произошло единожды и в дальнейшем в этот процесс Бог не вмешивается. 2. Спонтанное зарождение. С этой точки зрения, живое возникает из неживого по некому внутреннему закону природы, которая здесь зачастую понимается пантеистически. Принимается принципиальное единство живого и неживого. В веществах есть некое «активное», жизненное, витальное начало в скрытом, потенциальном виде. При благоприятных условиях это витальное начало может развиться и создать живой организм. 3. Концепция стационарного состояния. Согласно этой точке зрения, жизнь никогда не возникала. Она была всегда. 4. Панспермия — это такая точка зрения, согласно которой жизнь на земле возникла вследствие ее заноса на землю из какого-то другого места, из Космоса. 5. Наиболее представительной и популярной в научной среде сейчас является точка зрения, согласно которой живое возникает в результате естественных физико-химических процессов из неживого. На ней мы и остановимся более подробно. Одна из последних гипотез о происхождении жизни основана на идее Н. К. Кольцова о матричном синтезе протоклеток и их структурных элементов на кристаллах апатита. Предложена она биологом Э. Я. Костецким и геологом В. В. Чернобровкиным. Они обнаружили значительное сходство в периодичности элементарной ячейки апатита и двойной спирали ДНК. Они предположили возможность абиогенного синтеза нуклеиновых кислот, белков, нуклепротеидов и полисахаридов на матрице апатитакак основном источнике неорганического фосфата. Эта гипотеза учитывает тот факт, что все клеточные элементы и целые организмы являются жидкокристал-лическими гомеостатическими структурами. Эта гипотеза позволяет отказаться от рассмотрения возникновения очень сложных, упорядоченных живых систем в результате спонтанной и очень длительной эволюции. Участие минералов в процессе возникновения жизни делает его закономерным, а время этого процесса весьма кратким.
26. Классическая концепция биологической эволюции.Эволюция – всеобщее постепенное развитие. Концепции эволюции: 1. теория эволюции Ж.Б.Ламарка в 1809г. Основные положения: - простейшие организмы постоянно самозарождаются из неживой природы; -все организмы изменяются под воздействием окружающей среды и становятся более сложными; -у всех животных активные упражнения их органов приводят к их совершенствованию; -если орган не упражняется, то он деградирует. 2. Теория эволюции Дарвина (1809 – 1882). Основные положения: -изменчивость живых организмов. Индивидуальная изменчивость – основа эволюции; -борьба за существование и наследственность; -естественный отбор – выживает тот, кто наиболее приспособлен (наиболее сильные и наиболее мелкие); эта концепция господствовала до начала 20 века. 3.Мутационная теория эволюции. Возникла в результате открытия мутаций (на рубеже 19-20 в.в.) организма – наследственных изменений признаков и свойств организма, которые могут вызываться естественным или искусственным способом, которые происходят на уровне хромосом и генов. Коржинский (рус. уч.)в 1899 г. заговорил о мутационной теории. В 1901-1903 г.г. эту концепцию сформулировал голландский ученый Хуго де Фриз. Согласно этой теории резкие мутации являются решающим фактором эволюции. При этом естественному отбору уделялось недостаточное внимание. В начале 20 века существовали две противоположные концепции эволюции: теория Дарвина и мутационная теория. 4.Синтетическая теория эволюции (от «синтез»-единство). Возникает в 20-30 г.г. 20 века. Объединила в себе две предыдущие концепции, т.е. было показано, что эволюция может происходить только путем естественного отбора самих мутаций. Микроэволюция (селекция животных, растений) – совокупность изменений в генофондах популяций за небольшой период времени. Макроэволюция (происхождение человека) – совокупность изменений за длительный исторический период времени. Дополнительные характеристики данной теории: -исчезнувшие в процессе эволюции организмы, виды, группы организмов никогда не восстанавливаются в прежней форме; -чем проще организация организма, тем легче он приспосабливается к окружающей среде; -эволюция не всегда идет от простого к сложному, а может быть и наоборот (бактерии).
Неоклассическая теория.
1. Ортогенез – (от греч. os – прямой и генез) – концепция в эволюционном учении, утверждающая, что развитие живой природы, обусловлено внутренними причинами, направляющими ход эволюции по определѐнному пути, строго определяя его направление. По этой концепции, направленность эволюции определяется тем, что сама изменчивость изначально имеет определѐнную направлен-ность. Направленность эволюции не зависит от естественного отбора. Все изменения живых форм происходят по немногим, строго предопределѐнным природой организма направлениям и передаются по наследству. Концепцией, принципиально сходной с ортогенезом, или происходящей из него является номогенез.
2. Номогенез — это эволюция на основе закономерностей. Если дарвинизм и ламаркизм полагают всякое сходство либо свидетельством общего происхождения, либо итогом независимого приспособления, то номогенез утверждает другое: всякое сходство – результат общности законов формообразования, если не доказано иное.
Эта эволюционная концепция была изложена в книге Льва Семѐновича Берга «Номогенез, или эволюция на основе закономерностей» (Петроград, 1922), одним из основныхположений которой было признание закономерного характера изменчивости организмов, лежащей в основе эволюционного процесса. Но основу номогенеза заложил американский палеонтолог Эдвард Коуп (E.D. Cope, 1840-1897) теорией гомологических рядов.
3. Коэволюционизм – точка зрения, согласно которой движущей силой эволюции является не борьба за существование и естественный отбор, а взаимопомощь и кооперация особей в процессе жизнедеятельности.
Наиболее известной является коэволюционная концепция А. П. Кропоткина. Она изложена в книге «Взаимопомощь как фактор эволюции». Он писал: «Виды животных, у которых индивидуальная борьба доведена до самых узких пределов, а практика взаимной помощи достигла наивысшего развития, оказываются неизменно наиболее многочисленными, наиболее процветающими и наиболее приспособленными к дальнейшему прогрессу.
28, 29. Развитие представлений о самоорганизации систем.3 направления: 1) диссипативная самоорганизация (синергетический подход). Возникает в 1970-е гг. как проект особой дисциплины – синергетики. С точки зрения синергетики, самоорганизация – это процесс упорядочения (пространственного, временного, пространственно-временного) в открытой системе, за счет согласованного взаимодействия множества элементов ее составляющих. Для того, чтобы можно был говорить о самоорганизации в системе, она должна быть: открытой (могла обмениваться энергией, веществом с окружающей средой), сложной (содержать неограниченно большое число подсистем), обладать стационарным устойчивым режимом, в котором все элементы взаимодействуют хаотически, неравновесной. При увеличении степени обмена информацией со средой в системе может наблюдаться спонтанный переход на новый уровень упорядоченности, основанный на когерентном поведении большого числа элементов, заметный лишь на макроскопическом уровне.
Стандартными примерами диссипативной самоорганиза-ции являются: 1) лазер, 2) ячейки Рэлея-Бенара, 3) реакция Белоусова-Жаботинского.
Большой вклад в становление синергетики внес бельгийский ученый российского происхождения Илья Пригожин.
2) консервативная самоорганизация (супрамолекулярная химия и теория фазовых переходов) наблюдается в равновесных условиях при самоорганизации высокомолекулярных соединений (при образовании ДНК), при образовании кристаллов без внешнего воздействия, при равновесных фазовых переходах. Это направление самоорганизации разработал нобелевский лауреат, основатель супрамолекулярной химии Жан-Мари Лен.
3) континуальная самоорганизация (концепция эволюционного катализа) разработана первоначально на материале химических и биологических систем А. П. Руденко. В отличие от когерентной самоорганизации в диссипативных системах с большим числом элементов, континуальная самоорганизация разработана для индивидуальных 124
микросистем. Самоорганизация здесь понимается как саморазвитие системы, которое происходит за счет внутренней полезной работы против равновесия. Примером подобной самоорганизации индивидуальных систем может быть биологическая эволюция с естественным отбором.
В широком смысле слова под самоорганизацией понимается упорядочение системы за счет внутренних факторов, без внешнего воздействия. Догадки о возможности упорядочения в системе за счет ее внутренней динамики высказывались, начиная с Нового времени. Рене Декарт в пятой части «Рассуждений о методе» пишет о такой возможности. В труде «Всеобщая естественная история и теория неба» Иммануил Кант утверждает небулярную гипотезу, согласно которой планеты солнечной системы образовались из туманности естественным путем благодаря силам притяжения и отталкивания, внутренне присущим материи. В 1947 г. понятие самоорганизация появляется в научной публикации. В научный оборот понятие самоорганизация (self-organizing) вводит Уильям Эшби. В 1960-е гг. термин использовался в теории систем. В 1970-80-е гг. стал использоваться в физике сложных систем.
30. Антропогенез. Человек – сложная целостная система,которая является компонентом более сложных систем – биологической и социальной.
До 19 века господствовала теистическая антропологическая концепция,согласно которой мир и человек появился в результате божественного творения.
Интенсивное научное осмысление проблемы антропогенеза началось в 19 веке с утверждением эволюционной теории. Э.Дарвин развивал представления об эволюции животных под влиянием внешней среды (эпическая поэма «Зоономия»). Ламарк создал концепцию,согласно которой виды животных и растений постоянно изменяются,усложняясь в своей организации в результате влияния внешней среды и некоего внутреннего стремления всех организмов к усовершенствованию. Ч.Дарвин вскрыл основные факторы и причины эволюции органического мира,установил движущие силы эволюции органического мира: изменчивость,наследственность и естественный отбор.Изменчивость – основа образования новых признаков в строении и функциях организмов. Наследственность закрепляет их.Под воздействием естественного отбора в процессе борьбы за существование устраняются «слабые» организмы.
Энгельс в трудовой теории антропогенеза считал, что труд в процессе становления развивает в человеке способность преобразовывать природу по своим меркам, а также способствует его собственному формированию. Орудия труда являются основным способом передачи социального опыта, т.е. лежат в основе социальной формы наследования.
На рубеже 20 века появилась мутационная теория эволюции Хуго де Фриза, согласно которой новые виды возникают скачкообразно, в результате крупных единичных мутаций в генном наследственном аппарате (геноме).Это явление не связано с естественным отбором.
В конце 20-х гг. произошел синтез классического дарвинизма с новейшими достижениями генетики – синтетическая теория эволюции. Она изучает элементарные эволюционные процессы не в индивидуальном организме, а в популяциях животных и растений.
Споры вокруг эволюционной теории не утихают и сегодня. Подвергается критике и синтетическая теория эволюции. Это связано с распространением концепций, утверждающих скачкообразный характер развития жизни, в т.ч. антропогенеза. Придают решающее значение в эволюции случайным явлениям. Это течение очень близко неокатастрофизму.Его представители полагают, что основное значение в смене форм жизни имеют массовые вымирания, обусловленные глобальными катастрофами. Теория антропогенеза Шардена согласуется с теорией самоорганизации систем. Основа – принцип самоорганизации как движущей силы развития любых открытых равновесных систем, обменивающихся со средой веществом, энергией, информацией, которые переходят от одного качественного состояния к другому в результате скачкообразного процесса. Состояние системы после скачка носит случайный характер. По мнению Шардена, появление homo sapiens – скачок в антропогенезе. Его заслуга в том, что он один из открывателей, нашедший критическое,недостающее звено между обезьяночеловеком и неандертальцем, в рамках эволюционной концепции обосновал единство биологической и социальной природы человека. Ближайший к homo sapiens ряд в общей цепи антропогенеза: австралопитек – питекантроп – синантроп - homo sapiens.
Вся цепочка предшественников человека с точки зрения современного естествознания: -рамапитек – на территории Индии до Африки 14 млн. лет назад; -сивапитек – в Азии 10 млн. лет назад; -зинджантроп – в Африке 2 млн. лет назад; -австралопитек – 4-2млн. лет назад; -питекантроп – 1,9-0,65 млн.лет назад; -синантроп – 400 тыс. лет назад; -неандерталец (ранняя форма homo sapiens) – 30-40 тыс. лет назад.
Антропогенез не следует представлять в виде линейного процесса. В каждый период времени существует множество параллельных эволюционных линий, происходящих от общего предка. Основная проблема в восстановлении эволюции человека в том, что у нас нет близких родственников среди живущих ныне предков.