Химическая, физическая и биологическая картина мира

   Ньютон  выдвигает совершенно новый принцип  исследования природы, согласно которому вывести два или три общих  начала движения из явления и после  этого изложить, каким образом  свойства и действия всех телесных вещей вытекают из этих явных начал, - было бы очень важным шагом в  философии, хотя причины этих начал  и не были еще открыты.

   Эти начала движения и представляют собой основные законы механики, которые Ньютон точно  формулирует в своем главном  труде "Математические начала натуральной  философии", опубликованном в 1687г.

   Открытие  принципов механики действительно  означает подлинно революционный переворот, который связан с переходом от натурфилософских догадок и гипотез  о "скрытых" качествах и спекулятивных  измышлений к точному экспериментальному естествознанию, в котором все  предположения, гипотезы и теоретические  построения проверялись наблюдениями и опытом. Поскольку в механике отвлекаются от качественных изменений  тел, постольку для её анализа  можно было широко пользоваться математическими  абстракциями и созданным самим Ньютоном и одновременно Лейбницем (1646-1716) анализом бесконечно малых. Благодаря этому изучение механических процессов было сведено к точному математическому их описанию.

   На  основе механистической картины  мира в XVIII-начале XIX вв. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механистической картины мира, к тому, что она стала рассматриваться в качестве универсальной.

   В это  же время в физике начали накапливаться  эмпирические данные, противоречащие механистической картине мира. Так, наряду с рассмотрением системы  материальных точек, полностью соответствовавшей  корпускулярным представлениям о материи, пришлось ввести понятие сплошной среды, связанное по сути дела, уже не с  корпускулярными, а с континуальными представлениями о материи. Так, для объяснения световых явлений  вводилось понятие эфира - особой тонкой и абсолютно непрерывной  световой материи.

   Эти факты, не укладывающиеся в русло механистической  картины мира, свидетельствовали  о том, что противоречия между  установившейся системой взглядов и  данными опыта оказались непримиримыми. Физика нуждалась в существенном изменении представлений о материи, в смене физической картины мира. 

   2.2. Электромагнитная картина мира.

   В процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений  М. Фарадей пришел к мысли о  необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными. Он сделал вывод, что  электромагнитное поле сплошь непрерывно, заряды в нем являются точечными  силовыми центрами. Тем самым отпал  вопрос о построении механистической  модели эфира, несовпадении механистических  представлений об эфире с реальными опытными данными о свойствах света, электричества и магнетизма.

   Одним из первых идеи Фарадея оценил Максвелл (1831-1879). При этом он подчеркивал, что  Фарадей выдвинул новые философские  взгляды на материю, пространство, время  и силы, во многом изменявшие прежнюю  механистическую картину мира.

   Взгляды на материю менялись кардинально: совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи, в качестве такового принималось  единое абсолютно непрерывное бесконечное  поле с силовыми точечными центрами - электрическими зарядами и волновыми  движениями в нем.

   Движение  понималось не только как простое  механическое перемещение, первичным  по отношению к этой форме движения становилось распространение колебаний  в поле, которое описывалось не законами механики, а законами электродинамики.

   Хотя  законы электродинамики, как и законы классической механики, однозначно предопределяли события, и случайность все еще  пытались исключить из физической картины  мира, создание кинетической теории газов  ввело в теорию, а затем и  в электромагнитную картину мира понятие вероятности. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона.

   Новая электромагнитная картина мира объяснила  большой круг явлений, непонятных с  точки зрения прежней механистической  картины мира. Она глубже вскрыла  материальное единство мира, поскольку  электричество и магнетизм объяснялись  на основе одних и тех же законов.

   Однако  и на этом пути вскоре стали возникать  непреодолимые трудности. Так, согласно электромагнитной картине мира, заряд  стал считаться

   Уточечным центром, а факты свидетельствовали  о конечной протяженности частицы-заряда. Поэтому уже в электронной  теории Лоренца частица-заряд вопреки новой картине мира рассматривалась в виде твердого заряженного шарика, обладающего массой. Непонятыми оказались результаты опытов

   Майкельсона 1881-1887 гг., где он пытался обнаружить движение тела по инерции при помощи приборов, находящихся на этом теле. По теории Максвелла, такое движение можно было обнаружить, но опыт не подтверждал  этого.

   К концу  XIX в. накапливалось все больше необъяснимых несоответствий теории и опыта. Одни были обусловлены недостроенностью электромагнитной картины мира, другие вообще не согласовывались с континуальными представлениями о материи: трудности в объяснении фотоэффекта, линейчатый спектр атомов, теория теплового излучения.

   Принимая  законы электродинамики в качестве основных законов физической реальности, А. Эйнштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности  пространства и времени и тем  самым устранил противоречие между  пониманием материи как определенного  вида поля и ньютоновскими представлениями  о пространстве и времени. Введение в электромагнитную картину мира релятивистских представлений о  пространстве и времени открыло  новые возможности для ее развития.

   С конца  XIX в. обнаруживалось все больше непримиримых противоречий между электромагнитной теорией и фактами. В 1897г. было открыто явление радиоактивности и установлено, что оно связано с превращением одних химических элементов в другие и сопровождается испусканием альфа- и бета-лучей. На этой основе появились эмпирические модели атома, противоречащие электромагнитной картине мира.

3. Биологическая картина мира.

   Существует  пять принципов, объединяющих все биологические  дисциплины в единую науку о живой  материи.

• Клеточная теория. Клеточная теория — учение обо всём, что касается клеток. Все живые организмы состоят, как минимум, из одной клетки, основной функциональной единицы каждого организма. Базовые механизмы и химия всех клеток во всех земных организмах сходны; клетки происходят только от ранее существовавших клеток, которые размножаются путём клеточного деления. Клеточная теория описывает строение клеток, их деление, взаимодействие с внешней средой, состав внутренней среды и клеточной оболочки, механизм действия отдельных частей клетки и их взаимодействия между собой.
• Эволюция. Через естественный отбор и генетический дрейф наследственные признаки популяции изменяются из поколения в поколение.
• Теория гена. Признаки живых организмов передаются из поколения в поколение вместе с генами, которые закодированы в ДНК. Информация о строении живых существ или генотип используется клетками для создания фенотипа, наблюдаемых физических или биохимических характеристик организма. Хотя фенотип, проявляющийся за счёт экспрессии генов, может подготовить организм к жизни в окружающей его среде, информация о среде не передаётся назад в гены. Гены могут изменяться в ответ на воздействия среды только посредством эволюционного процесса.
• Гомеостаз. Физиологические процессы, позволяющие организму поддерживать постоянство своей внутренней среды независимо от изменений во внешней среде.
• Энергия. Атрибут любого живого организма, существенный для его состояния.

   Клеточная теория

   Клетка  — базовая единица жизни. Согласно клеточной теории, всё живое вещество состоит из одной или более  клеток, либо из продуктов секреции этих клеток. Например, раковины, кости, кожа, слюна, желудочный сок, ДНК, вирусы. Все клетки происходят из других клеток путём клеточного деления, и все клетки многоклеточного организма происходят из одной оплодотворённой яйцеклетки. Даже протекание патологических процессов, таких как бактериальная или вирусная инфекция, зависит от клеток, являющихся их фундаментальной частью.

   Эволюция

   Центральная организующая концепция в биологии состоит в том, что жизнь со временем изменяется и развивается  посредством эволюции, и что все известные формы жизни на Земле имеют общее происхождение. Это обусловило сходство основных единиц и процессов жизнедеятельности, упоминавшихся выше. Понятие эволюции было введено в научный лексикон Жаном-Батистом Ламарком в 1809 году. Чарльз Дарвин через пятьдесят лет установил, что её движущей силой является естественный отбор, так же как искусственный отбор сознательно применяется человеком для создания новых пород животных и сортов растений. Позже в синтетической теории эволюции дополнительным механизмом эволюционных изменений был постулирован генетический дрейф.

   Эволюционная  история видов, описывающая их изменения  и генеалогические отношения  между собой, называется филогенез. Информация о филогенезе накапливается  из разных источников, в частности, путём сравнения последовательностей  ДНК или ископаемых останков и  следов древних организмов. До XIX века считалось, что в определённых условиях жизнь может самозарождаться. Этой концепции противостояли последователи принципа, сформулированного Уильямом Гарвеем «всё из яйца» («Omne vivum ex ovo», лат.), основополагающего в современной биологии. В частности, это означает, что существует непрерывная линия жизни, соединяющая момент первоначального её возникновения с настоящим временем. Любая группа организмов имеет общее происхождение, если у неё имеется общий предок. Все живые существа на Земле, как ныне живущие, так и вымершие, происходят от общего предка или общей совокупности генов. Общий предок всех живых существ появился на Земле около 3,5 млрд. лет назад. Главным доказательством теории общего предка считается универсальность генетического кода.

   Теория  гена

   Форма и функции биологических объектов воспроизводятся из поколения в  поколение генами, которые являются элементарными единицами наследственности. Физиологическая адаптация к окружающей среде не может быть закодирована в генах и быть унаследованной в потомстве . Примечательно, что все существующие формы земной жизни, в том числе, бактерии, растения, животные и грибы, имеют одни и те же основные механизмы, предназначенные для копирования ДНК и синтеза белка. Например, бактерии, в которые вводят ДНК человека, способны синтезировать человеческие белки.

   Совокупность  генов организма или клетки называется генотипом. Гены хранятся в одной  или нескольких хромосомах. Хромосома  — длинная цепочка ДНК, на которой  может быть множество генов. Если ген активен, то последовательность его ДНК копируется в последовательности РНК посредством транскрипции. Затем  рибосома может использовать РНК, чтобы  синтезировать последовательность белка, соответствующую коду РНК, в  процессе, именуемом трансляция. Белки  могут выполнять каталитическую (ферментативную) функцию, транспортную, рецепторную, защитную, структурную, двигательную функции.

   Гомеостаз

   Гомеостаз — способность открытых систем регулировать свою внутреннюю среду так, чтобы  поддерживать её постоянство посредством  множества корректирующих воздействий, направляемых регуляторными механизмами. Все живые существа, как многоклеточные, так и одноклеточные, способны поддерживать гомеостаз. На клеточном уровне, например, поддерживается постоянная кислотность  внутренней среды (pH). На уровне организма у теплокровных животных поддерживается постоянная температура тела. В ассоциации с термином экосистема под гомеостазом понимают, в частности, поддержание растениями постоянной концентрации атмосферной двуокиси углерода на Земле.

   Энергия

   Выживание любого организма зависит от постоянного  притока энергии. Энергия черпается  из веществ, которые служат пищей, и  посредством специальных химических реакций используется для построения и поддержания структуры и  функций клеток. В этом процессе молекулы пищи используются как для  извлечения энергии, так и для  синтеза биологических молекул  собственного организма.

   Первичным источником энергии для 99 % земных существ  является световая энергия, главным  образом солнечная (для 1 % —хемосинтез). Световая энергия посредством фотосинтеза  превращается растениями в химическую (органические молекулы) в присутствии  воды и некоторых минералов. Часть  полученной энергии затрачивается  на наращивание биомассы и поддержание  жизни, другая часть теряется в виде тепла и отходов жизнедеятельности. Общие механизмы превращения  химической энергии в полезную для  поддержания жизни называются дыхание  и метаболизм.

Заключение.

   Один  из старинных девизов гласит: “знание  есть сила” Наука делает человека могущественным перед силами природы. Великие научные открытия (и тесно  связанные с ними технические  изобретения) всегда оказывали колоссальное (и подчас совершенно неожиданное) воздействие  на судьбы человеческой истории. Такими открытиями были, например, открытия в  ХVII в. законов механики, позволившие  создать всю машинную технологию цивилизации; открытие в ХIХ в. электромагнитного  поля и создание электротехники, радиотехники, а затем и радиоэлектроники; создание в ХХ в, теории атомного ядра, а вслед  за ним - открытие средств высвобождения  ядерной энергии; раскрытие в  середине ХХ в. молекулярной биологией  природы наследственности (структуры  ДНК) и открывшиеся вслед возможности  генной инженерии по управлению наследственностью; и др. Большая часть современной  материальной цивилизации была бы невозможна без участия в ее создании научных  теорий, научно-конструкторских разработок, предсказанных наукой технологий и  др.