Контрольная работа по "Физике"

Задание 1:

Концепция уровней биологических структур и организация живых систем

  Биология  ХХ века углубила понимание существенных черт живого, раскрыла молекулярные основы жизни. В основе современной биологической  картины мира лежит представление  о том, что мир живого - это грандиозная  Система высокоорганизованных систем. Любая система (и в неорганической и в органической природе) состоит  из элементов (компонентов) и связей между ними (структуры), которые объединяют данную совокупность элементов в  единое целое. Биологическим системам свойственны свои специфические  элементы и особенные типы связей между ними. Уровней биологических структур четыре - Молекулярно-генетический уровень биологических структур, онтогенетический уровень живых систем, популяционно-видовой уровень организации живых систем и биосферный уровень.

   Молекулярно-генетический уровень биологических структур:

  Знание  закономерностей молекулярно-генетического  уровня организации живого - необходимая  предпосылка для ясного понимания  жизненных явлений, происходящих на всех остальных уровнях организации  жизни. В ХХ веке развитие хромосомной  теории наследственности, анализ мутационного процесса, изучение строения хромосом, фагов и вирусов, развитие молекулярной биологии, биохимии позволило раскрыть основные черты организации элементарных генетических структур и связанных  с ними явлений. 
Выяснено, что основные структуры на этом уровне несут в себе коды наследственной информации, передаваемой от поколения к поколению. Эти структуры представлены молекулами ДНК (дезоксирибинуклеиновой кислотой), дифференцированными по длине на элементы кода - триплеты азотистых оснований, образующих гены. Гены на этом уровне организации жизни представляют элементарные единицы. Основными элементарными явлениями, связанными с генами, можно считать способность их к конвариантной редупликации, к локальным структурным изменениям (мутациям) и способность передавать хранящуюся в них информацию внутриклеточным управляющим системам. 
Каждая молекула ДНК представляет собой две спаренные нити, закрученные в спирали. Каждая из этих нитей соединяется с другой водородными связями; причем, каждая из таких связей попарно соединяет либо аденин одной цепи с тимином другой, либо гуанин с цитозином. Конвариантная редупликация (самовоспроизведение с изменениями) происходит по матричному принципу путем разрыва водородных связей двойной спирали ДНК с участием фермента ДНК-полимеразы. Затем каждая из нитей на своей поверхности строит себе соответствующую нить, после чего новые нити комплементарно соединяются между собой. Пиримидиновые и пуриновые основания комплементарных нитей "сшиваются" между собой ДНК-полимеразой. Этот процесс осуществляется очень быстро. Так, на самосборку ДНК кишечной палочки, состоящей примерно из 40 тыс. пар нуклеотидов, требуется всего 100 секунд. В синтезе белков важная роль принадлежит также и РНК. Синтез белка происходит в особых областях клетки - рибосомах. Рибосомы иногда образно называют "фабриками белка". Существует по крайне мере три типа РНК1: 
1) высокомолекулярная РНК, локализующаяся в рибосомах;2) информационная - РНК, образующаяся в ядре клетки; 3) транспортная - РНК.В ядре генетический код переносится с молекул ДНК на молекулу информационной - РНК. Генетическая информация о последовательности и характере синтеза белка переносится из ядра молекулами информационной - РНК в цитоплазму к рибосомам и там участвует в синтезе белка. Перенос и присоединение отдельных аминокислот к месту синтеза осуществляется транспортной - РНК. Белок, содержащий тысячи аминокислот, в живой клетке синтезируется за 5-6 мин. Редупликация, основанная на матричном копировании, делает возможным сохранение не только генетической нормы, но и отклонений от нее, т. е. мутаций (основа процесса эволюции).Таким образом, как при конвариантной редупликации, так и при внутриклеточной передаче информации используют единый "матричный принцип": исходные молекулы ДНК и РНК т.е. являются матрицами, рядом с которыми строятся соответствующие специфические макромолекулы. Молекулы ДНК играют роль кода, в котором как бы "зашифрованы" все синтезы белковых молекул в клетках организма. Более того, оказалось, что все биологические организмы, известные нам на Земле, используют одинаковый генетический код. В настоящее время молекулярной биологией успешно дешифруется заложенный в структуре нуклеиновых кислот код, служащий матрицей при синтезе специфических белковых структур.

   Онтогенетический  уровень живых  систем:

   Следующий, более сложный и комплексный  уровень организации жизни на Земле - онтогенетический. Онтогенетический уровень связан с жизнедеятельностью отдельных биологических особей, дискретных индивидуумов. Индивид, особь - неделимая и целостная единица  жизни на Земле. В многообразной  земной органической жизни особи  имеют различное морфологическое  содержание. Здесь - и одноклеточные, состоящие из ядра, цитоплазмы, множества  органелл и мембран, макромолекул и  т.д. Здесь и многоклеточная особь, образованная из миллионов и миллиардов клеток. Сложность многоклеточных особей неизмеримо выше сложности одноклеточных. Но и одноклеточная и многоклеточная особи обладают системной организацией и регуляцией и выступают как  единое целое. Причем, важно то, что характеристика особи не может быть исчерпана рассмотрением физико-химических свойств макромолекул, входящих в его состав. Разделить особь на части без потери "индивидуальности" невозможно. Это позволяет выделить онтогенетический уровень как особый уровень организации жизни. Таким образом, на онтогенетическом уровне единицей жизни служит особь - с момента ее возникновения до смерти. Развитие особи от образования зародышевой клетки до смерти составляет содержание процесса онтогенеза. Онтогенез состоит из роста, перемещения отдельных структур, дифференциации и усложнения интеграции организма. По существу, онтогенез - это процесс развертывания, реализации наследственной информации, закодированной в управляющих структурах зародышевой клетки. На онтогенетическом уровне происходит не только реализация наследственной информации, но и испытание, проверка согласованности и работы управляющих систем во времени и пространстве, приспособление к среде в пределах особи и др. Многие отрасли биологии изучают процессы и явления, происходящие в особи, согласованное функционирование ее органов и систем, механизм их работы, роль в жизнедеятельности организма, взаимоотношение органов, поведение организмов, приспособительные изменения и т.п. Причины развития организма в онтогенезе являются предметом обстоятельного и интенсивного изучения эмбриологами, биохимиками, генетиками. Но все еще не создана общая теория онтогенеза и не показаны основные причины и факторы, определяющие строгую упорядоченность процесса онтогенеза. Имеющиеся результаты позволяют понять только некоторые отдельные процессы, обеспечивающие индивидуальное развитие организма. Прежде всего, это касается изучения дифференциации, т.е. образования разнообразных, специализированных для выполнения определенных функций частей организма.

   Популяционно-видовой  уровень организации  живых систем:

   Особи в природе не абсолютно изолированы  друг от друга, а объединены более  высоким рангом биологической организации. Это - популяционно-видовой уровень. Он возникает там и тогда, где  и когда происходит объединение  особей в популяции, а популяций  в виды. Популяции - это совокупность особей одного вида, населяющих определенную территорию, более или менее изолированную  от соседних совокупностей того же вида. Такие объединения характеризуются  появлением новых свойств и особенностей в живой природе, отличных от свойств  молекулярно-генетического и онтогенетического  уровней. Популяции и виды, несмотря на то, что состоят из множества особей, целостны. Но их целостность базируется на иных основаниях, чем целостность на молекулярно-генетическом и онтогенетическом уровнях. Целостность популяций и видов обеспечивается взаимодействием особей в популяциях и воссоздается через обмен генетическим материалом в процессе полового размножения. Популяции и виды как надиндивидуальные образования способны к существованию в течение длительного времени и к самостоятельному эволюционному развитию. Жизнь отдельной особи при этом находится в зависимости от процессов, протекающих в популяциях. 
Популяции выступают как элементарные, далее неразложимые эволюционные единицы, представляющие собой генетически открытые системы (особи из разных популяций иногда скрещиваются и популяции обмениваются генетической информацией). На популяционно-видовом уровне особую роль приобретают процессы панмиксии (свободное скрещивание) и отношения между особями внутри популяции и вида. Виды, всегда выступающие как система популяций, являются наименьшими, в природных условиях генетически закрытыми системами (скрещивание особей разных видов в природе в подавляющем большинстве случаев не ведет к появлению плодовитого потомства). Все это приводит к тому, что популяции оказываются элементарными единицами, а виды - качественными этапами процесса эволюции. Популяция - основная элементарная структура на популяционно-видовом уровне, а элементарное явление на этом уровне - изменение генотипического состава популяции; элементарный материал на этом уровне - мутации. В синтетической теории эволюции выделены элементарные факторы, действующие на этом уровне: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция и естественный отбор. Каждый из этих факторов может оказать то или иное "давление", т. е. степень количественного воздействия на популяцию, и в зависимости от этого вызывать изменения в генотипическом составе популяции. Популяции и виды всегда существуют в определенной системно организованной природной среде, которая включает в себя и биотические и абиотические факторы. Такие внешние для популяций и видов природные системы образуют еще один уровень организации живого - биогеоценотический.

   Биосферный  уровень:

   Популяции разных видов взаимодействуют между  собой. В ходе взаимодействия они  объединяются в сложные системы - биоценозы. Биоценоз - совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих участок среды с более или менее однородными условиями существования и характеризующихся определенными взаимосвязями между собой и средой проживания3. Компоненты, образующие биоценоз, взаимозависимы. Изменения, касающиеся только одного вида, могут сказаться на всем биоценозе и даже вызвать его распад. Биоценозы входят в качестве составных частей в еще более сложные системы (сообщества) - биогеоценозы. Биогеоценоз (экосистема, экологическая система) - взаимообусловленный комплекс живых и абиотических компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергией. Биогеоценоз - одна из наиболее сложных природных систем. Биогеоценозы - продукт совместного исторического развития видов, различающихся по систематическому положению; виды при этом приспосабливаются друг к другу. Биогеоценозы - среда для эволюции входящих в них популяций. Биогеоценоз - это целостная система. Выпадание одного или нескольких компонентов биогеоценоза может привести к разрушению целостности биогеоценоза в круговороте веществ, что часто ведет к необратимому нарушению равновесия и гибели биогеоценоза как системы. Структура биогеоценоза меняется в ходе эволюции видов: виды в биогеоценозе действуют друг на друга не только по принципу прямой, но и обратной связи (в том числе посредством изменения ими абиотических условий). В целом жизнь биогеоценоза регулируется в основном силами, действующими внутри самой системы, т.е. можно говорить о саморегуляции биогеоценоза. Биогеоценоз представляет собой незамкнутую систему, имеющую энергетические "входы" и "выходы", связывающие соседние биогеоценозы. Обмен веществ между соседними биогеоценозами может осуществляться в газообразной, жидкой и твердой фазах, а также в форме миграции животных. Биогеоценоз - уравновешенная, взаимосвязанная и стойкая во времени система, которая является результатом длительной и глубокой адаптации составных компонентов4. Это - весьма динамическая и в то же время устойчивая сообщность. Устойчивость биогеоценоза пропорциональная многообразию его компонентов. Чем многообразнее биогеоценоз, тем он, как правило, устойчивее во времени и пространстве. Так, например, биогеоценозы, представленные тропическими лесами, гораздо устойчивее биогеоценозов в зоне умеренного или арктического поясов, так как тропические биогеоценозы состоят из гораздо большего множества видов растений и животных, чем умеренные и тем более арктические биогеоцнозы. 
Высокоорганизованные организмы для своего существования нуждаются в более простых организмах; каждая экосистема неизменно содержит как простые, так и сложные компоненты. Биогеоценоз только из бактерий или деревьев никогда не сможет существовать, как нельзя представить экосистему, населенную лишь позвоночными или млекопитающими.  
Таким образом, низшие организмы в экосистеме - это не какой-то случайный пережиток прошлых эпох, а необходимая составная часть биогеоценоза, целостной системы органического мира, основа его существования и развития, без которой невозможен обмен веществом и энергией между компонентами биогеоценоза. Первичной основой для сложения биогеоценозов служат растения и микроорганизмы, продуценты органического вещества (автотрофы). В ходе эволюции до заселения растениями и микроорганизмами определенного пространства биосферы не может быть и речи о заселении его животными. Растения и микроорганизмы представляют жизненную среду для животных - гетеротрофов. Поэтому и границы биогеоценозов чаще всего совпадают с границами растительных сообществ (фитоценозов). Впоследствии и животные играют важную роль в жизни и эволюции растений, участвуя в круговороте веществ, опылении, распространении плодов и т. д. Вся совокупность связанных между собой круговоротом веществ и энергии биогеоценозов на поверхности нашей планеты образуют мощную систему биосферы Земли. Верхняя граница жизни в атмосфере достигает примерно 30 км, наибольшее количество организмов встречается на высоте до 100 м. В глубь же Земли (литосфера) основная масса существ сосредоточена в самом верхнем слое - до 10 м, хотя отдельные виды микроорганизмов встречаются в нефтеносных слоях на глубине до 3 км. В океане и морях (гидросфера) зона, богатая живыми организмами, занимает слой воды до 100 - 200 м, но некоторые организмы встречаются и на максимальной глубине - до 11 км. О масштабах деятельности живых организмов свидетельствует присутствие мощных биогенных пород, тысячеметровых толщ известняка, огромных залежей каменного угля и т. п. Рассматривая биосферу Земли как единую экологическую систему, можно убедиться, что живое вещество Земли существенно не уменьшается и не увеличивается в массе, а только переходит из одного состояния в другое. Раздел биологии, изучающий экологические системы (биоценозы, биогеоценозы, биосферу) называется биогеоценология. Основателем ее был наш выдающийся отечественный ученый В.Н. Сукачев.  
 
 

   Таким образом, молекулярно-генетический, онтогенетический, популяционно-видовой  и биоценотический  уровни - четыре основных уровня организации  жизни на Земле. 

Задание 2:

Концепция атомизма и элементарные частицы

  В истории физики наиболее плодотворной и важной для понимания явлений  природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеет  прерывистое, дискретное строение, т. е. состоит из мельчайших частиц —  атомов. До конца XIX в. в соответствии с концепцией атомизма считалось, что  материя состоит из отдельных  неделимых частиц — атомов. С  точки зрения современного атомизма, электроны — "атомы" электричества, фотоны — "атомы" света и т. д.

  Концепция атомизма, впервые предложенная древнегреческим  философом Левкиппом в V в. до н. э., развитая его учеником Демокритом и  затем древнегреческим философом-материалистом  Эпикуром (341—270 до н. э.) и запечатленная  в замечательной поэме "О природе  вещей" римского поэта и философа Лукреция Кара (I в. до н. э.), вплоть до нашего столетия оставалось умозрительной  гипотезой, хотя и подтверждаемой косвенно некоторыми экспериментальными доказательствами (например, броуновским движением, законом  Авогадро и др.).

  Эта концепция, как уже отмечалось раньше, несомненно, обладает огромными возможностями  для объяснения свойств и особенностей сложных тел с помощью свойств  более простых элементов и  частиц. Однако такое объяснение достигается, как известно, посредством редукции, т.е. сведения сложного к простому, составного к элементарному. Поэтому трудно согласиться с идеей, что все  многообразие сложного и качественно  разнообразного мира может быть сведено  к немногим свойствам небольшого числа простых, элементарных частиц.

  Многие  ведущие физики и химики даже в  конце XIX в. не верили в реальность существования  атомов. К тому же многие экспериментальные  результаты химии и рассчитанные в соответствии с кинетической теорией  газов данные утверждали другое понятие  для мельчайших частиц — молекулы.

  Реальное  существование молекул было окончательно подтверждено в 1906 г. опытами французского физика Жана Перрена (1870—1942) по изучению закономерностей броуновского Движения. В современном представлении  молекула — наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими  свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими  связями. Число атомов в молекуле составляет от двух (Н2, О2, НF, КСI) до сотен  и тысяч (некоторые витамины, гормоны  и белки). Атомы инертных газов  часто называют одноатомными молекулами. Если молекула состоит из тысяч и  более повторяющихся единиц (одинаковых или близких по строению групп  атомов), ее называют макромолекулой.