Контрольная работа Создание классической механики и экспериментального естествознания
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Контрольная работа по предмету
«Концепции современного естествознания»
Вариант №9
Оглавление:
Вопрос №1 «Создание классической механики и экспериментального естествознания»:
–
XVII век – «Век Разума» - стр 2
–
XVI в. Научная революция начинается:
- Николай Коперник – стр 2
– XVII в. От Возрождения к Новому времени:
- Иоганн Кеплер – стр 3
- Галилео Галилей – стр4
- Рене Декарт – стр 5
– Ньютонианская революция
– стр 5 - 7
Вопрос №2 «Самоорганизация в открытых неравновесный системах»:
–
Синергетика – стр 8
– Главная идея синергетики – стр 8
– Основные свойства самоорганизующихся систем – стр 9
– Наиболее наглядные примеры самоорганизации:
- Лазер – стр 10
- Ячейки Бенара – стр 10
- Реакция Белоусова-Жаботинского – стр 11
- Система «Хищник-жертва» - стр 12
- Морфогенез – стр 12
Вопрос №3 «Исторические этапы развития жизни на Земле»:
– Происхождение жизни – стр 13
– Геологические эры Земли – стр 13:
- Докембрий – стр 14
- Катархей – стр 14
- Архей – стр 14
- Протерозой – стр 15
- Палеозой – стр 15
- Мезозой - стр 16
- Кайнозой - стр 17
- Четвертичный период и антропоген – стр 17
Список литературы, использованной при подготовке контрольной работы:
В.М. Найдыш «Концепции современного естествознания», изд-во «Гардарики», Москва-2002.
В.В. Свиридов «Концепции современного естествознания», 2-е издание, изд-во «Питер», 2005г.
Т.Я. Дубнищева «Концепции современного естествознания», изд-во «ЮКЭА», Москва-2001.
А.Ф. Лихин «Концепции современного естествознания», изд-во «Проспект», Москва-2006.
С.Х. Карпенков «Концепции современного естествознания», краткий курс, изд-во «Высшая школа», Москва-2003.
М.И. Потеев «Концепции современного естествознания», изд-во «Питер СПБ», 1999г.
А.А. Горелов «Концепции современного естествознания», 2-е издание, изд-во «ACADEMA», Москва -2006.
Т.Г. Грушевицкая, А.П. Садохин «Концепции современного естествознания», изд-во «Юнити», Москва-2003.
Вопрос №1: Создание классической механики и экспериментального естествознания.
XVII век – «Век Разума».
В феодальном обществе научные знания были подчинены религиозному сознанию, и им было не позволено выходить за рамки, установленные верой. Становление буржуазных социально-экономических отношений привело к постепенному ослаблению религиозного восприятия мира и укреплению рациональных представлений о мироздании. Новому классу – буржуазии нужна была новая наука, которая отвечала бы требованиям развития промышленности и исследовала бы свойства физических тел и проявления сил природы. Поэтому в это время складывается такой тип сознания, в котором на первый план выдвигается потребность в накоплении объективного знания о мире. Провозглашается господство «Века Разума» и изменяются (по сравнению с античностью и средневековьем) представления о целях, задачах, методах естественнонаучного познания. Формируется убеждение, что предметом естественнонаучного познания являются природные явления, полностью подчиняющиеся механическим закономерностям. Научная революция XVII века ознаменовала собой смену картин мира. Картина мира приобрела рациональный механико-математический характер, мышление стало рациональным. Задачей естествознания становится определение экспериментальным путем параметров природных явлений и установление между ними функциональных зависимостей, которые должны быть выражены строгим математическим языком. Новый образ мира и стиль мышления привел к оформлению «вещно-натуралистической» концепции с ориентацией на механистичность и количественные методы. Поэтому главной областью среди естественных наук становятся механика, физика и астрономия.
XVI в. Научная революция начинается
Николай Коперник
Честь начинателя первой научной революции принадлежит Николаю Копернику. До него в естествознании господствовала геоцентрическая система мироздания Клавдия Птолемея, согласно которой плоская Земля является центром мироздания, а солнце и другие небесные тела вращаются вокруг нее. “Старый космос" - это мир по Аристотелю и Птолемею. Космос имеет шаровидную форму, вечен и неподвижен; за его пределами нет ни времени, ни пространства. В центре его – Земля. Изменяющийся подлунный мир и совершенно неизменный надлунный. В подлунном мире существует 4 элемента: земля, вода, воздух, огонь, в надлунном – эфир. Все движения в космосе – круговые. Точка зрения Коперника в отношении предложенной им новой системы мира была совершенно иной. Основное естественнонаучное значение великого произведения Коперника "О вращениях небесных сфер" состоит в том, что его автор, отказавшись от геоцентрического принципа и приняв гелиоцентрический взгляд на строение Солнечной системы, открыл и познал истину действительного мира. Процесс приобретает четкие научные формы: вращение Земли происходит вокруг оси, центральное положение Солнца - внутри планетной системы. Земля - планета, вокруг которой вращается Луна. В своих двух величайших открытиях Николай Коперник убедительно доказывает, что Земля имеет шарообразную форму, приводя как доводы древних ученых, так и свои собственные. Земля не находится в центре мира и движется, обладая к тому же суточным вращением.
Все произведения Николая Коперника базируются на едином принципе. Это - принцип относительности механических движений, согласно которому всякое движение относительно. Понятие движения не имеет смысла, если не выбрана система отсчета (система координат), в которой оно рассматривается. Следует заметить, что во времена Коперника астрономия еще не владела методами, позволяющими непосредственно доказать вращение Земли вокруг Солнца (такой метод появился почти двести лет спустя). В его произведениях содержатся теоремы из планиметрии и тригонометрии (в том числе и сферической), необходимые для построения теории движения планет на основе гелиоцентрической системы. Они дали ту основу, на которой построена современная небесная механика. Коперник придерживался правильных взглядов на размеры Вселенной, хотя происхождение мира и его развитие он объяснял деятельностью божественных сил.
Католическая церковь оценила мощь того удара, который нанесло учение Коперника по вековым незыблемым религиозным догмам. В 1616 году собрание богословов - подготовителей судебных дел святой инквизиции приняло решение об осуждении нового учения и о запрещении творения Коперника, мотивируя это тем, что оно противоречит священному писанию.
XVII в. От Возрождения к Новому времени
Иоганн Кеплер
После работ Коперника дальнейшее развитие астрономии требовало значительного расширения и уточнения эмпирического материала, наблюдательных данных о небесных телах. Европейские астрономы продолжали пользоваться старыми античными результатами наблюдений. Но они устарели и часто были неточны. Проводимые же в ту пору европейскими астрономами наблюдения характеризовались большими погрешностями. Кардинальные изменения наметились только в последней четверти XVI в., когда в Дании построили невиданную еще астрономическую обсерваторию, названную Небесным замком (Ураниборгом). Инициатором и организатором строительства обсерватории и новых огромных инструментов для астрономических наблюдений был Тихо Браге, датский дворянин. Тихо Браге был блестящим астрономом-наблюдателем. Он, как и Коперник, ощущал недостатки птолемеевской геоцентрической системы и разработал систему, занимавшую промежуточное место между геоцентрической и гелиоцентрической. Но несравненно более великое открытие сделал его ученик и последователь Иоганн Кеплер. Он раскрыл главную тайну планетных орбит. Этот великий немецкий ученый совершил величайший научный подвиг – заложил фундамент новой теоретической астрономии и учения о гравитации. Он показал, что законы надо искать в природе, а не выдумывать их как искусственные схемы и подгонять под них явления природы.
Философы Древней Греции думали, что круг - это самая совершенная геометрическая форма. А если так, то и планеты должны совершать свои обращения только по правильным кругам (окружностям). Кеплер пришел к мысли о неправильности установившегося с древности мнения о круговой форме планетных орбит. Путем вычислений он доказал, что планеты движутся не по кругам, а по эллипсам - замкнутым кривым, форма которых несколько отличается от круга. Первый закон Кеплера - эллиптическое движение планет. Солнце находится не в центре эллипса, а в особой точке, называемой фокусом. Из этого следует, что расстояние планеты от Солнца не всегда одинаковое. Кеплер нашел, что скорость, с которой движется планета вокруг Солнца, также не всегда одинакова: подходя ближе к Солнцу, планета движется быстрее, а отходя дальше от него - медленнее. Эта особенность в движении планет (планеты не только движутся по эллиптическим орбитам, но и движутся по ним неравномерно) составляет второй закон Кеплера. Кеплер установил строгую зависимость между временем обращения планет и их расстоянием от Солнца. Оказалось, что квадраты периодов обращения любых двух планет относятся между собой как кубы их средних расстояний от Солнца. Это - третий закон Кеплера. Это окончательно убедило его в том, что движением планет управляет именно Солнце. Действие Солнца на планеты Кеплер сравнивал с действием магнита. Кеплер ввел пять параметров, определяющих гелиоцентрическую орбиту планеты (Кеплеровы элементы) и нашел уравнение для вычисления положения планеты на орбите в любой заданный момент времени (уравнение Кеплера). Таким образом, открытые им законы стали рабочим инструментом для наблюдателей.
Кеплер занимался не только исследованием обращения планет, он интересовался и другими вопросами астрономии. Его внимание особенно привлекали кометы. Подметив, что хвосты комет всегда обращены в сторону от Солнца, Кеплер высказал догадку, что хвосты образуются под действием солнечных лучей. В то время ничего еще не было известно о природе солнечного излучения и строении комет. Только во второй половине XIX в. и в XX в. было установлено, что образование хвостов комет действительно связано с излучением Солнца.
Далее Кеплер поставил вопрос о динамике движения планет. Кеплер увидел в гелиоцентрической картине движений планет действие единой физической силы и поставил вопрос о ее природе. Кеплер развил представление о механизме действия силы, движущей планеты, как о вихре, возникающем в эфирной среде от вращения магнитного Солнца. Кеплер полагал, что сила действовала на планету непосредственно вдоль орбиты. Недостаточное развитие основ механики привело его к ошибочному выводу, что эта сила обратно пропорциональна расстоянию (а не его квадрату) от Солнца. Для установления истинного сложного характера причин орбитального движения планеты требовались уточнение основных физических понятий и создание основ механики. Это было делом будущего.
Галилео Галилей
В формировании классической механики и утверждении нового мировоззрения велика заслуга Галилея. Он открывает дорогу математическому естествознанию. Он был уверен, что «законы природы написаны на языке математики». Смысл своего творчества он видел в физическом обосновании гелиоцентризма, учения Коперника. Галилею в большей степени, чем кому-либо другому, был присущ эмпирический подход к научному познанию. Он был первым, кто настаивал на необходимости проведения экспериментов. Он отказался от представления, что научный вопрос может быть решен при опоре на авторитет, будь то мнение церкви или утверждение Аристотеля. Он также не хотел опираться на сложные дедуктивные схемы, которые не были подкреплены опытным путем.
Первое из важнейших открытий Галилей совершил в области механики. Аристотель учил, что тяжелые предметы падают с большей скоростью, чем легкие. Однако Галилей решил проверить этот тезис и, проведя несколько экспериментов, вскоре обнаружил, что Аристотель был не прав. На самом деле тяжелые и легкие предметы падают с одинаковой скоростью, за исключением случаев, когда их движение замедляется из-за трения воздуха. Придя к такому заключению, Галилей пошел дальше. Он тщательно измерил расстояние, которое проходит падающий предмет в данный период времени, и установил, что путь падающего предмета пропорционален квадрату времени, за которое происходило падение. Конечная скорость тела, скользящего без трения по наклонной плоскости из состояния покоя, зависит лишь от высоты, с которой тело начало двигаться, но не зависит от угла наклона плоскости.
Другим важным достижением Галилея было открытие закона инерции. Первоначально люди полагали, что движущийся объект имел бы естественную тенденцию к замедлению движения, если бы к нему не были приложены силы, которые заставляли его двигаться дальше. Однако опыты Галилея показали, что это общее представление ошибочно. Если бы силы, задерживающие движение, такие, например, как трение, можно было бы исключить, падающий предмет стремился бы продолжать движение бесконечно. Этот важный принцип является одним из первостепенных принципов физики. Галилей делает открытие большой научной и практической значимости – открывает закон изотропности колебаний маятника, который сразу же нашел применение в медицине, астрономии, географии, прикладной механике. Он сформулировал принцип относительности движения (все системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга (т.е. инерциальные системы) равноправны между собой в отношении описания механических процессов); открыл закон независимости действия сил (принцип суперпозиции). Еще более важным представляется то, что Галилей сумел суммировать результаты целой серии экспериментов в математической формуле. Широкое использование математических формул и математических методов – важнейшая характерная черта современной науки.
Блестящие открытия Галилей совершил в астрономии. Галилей был первым ученым, начавшим наблюдения неба при помощи построенных им зрительных труб. После изобретения зрительной трубы он усовершенствовал ее и превратил в телескоп с 30-кратным приближением, с помощью которого совершил ряд выдающихся астрономических открытий. Галилей открыл четыре спутника Юпитера, обращающиеся вокруг этой планеты. Это открытие неопровержимо доказало, что не только Земля может быть центром обращения небесных светил. Наблюдая солнечные пятна, Галилей обнаружил, что они перемещаются по солнечной поверхности, и сделал вывод, что Солнце вращается вокруг своей оси. После этого легко было допустить, что вращение вокруг оси свойственно всем небесным телам, а не только Земле. Наблюдая звездное небо, Галилей убедился, что число звезд гораздо больше, чем может видеть невооруженный глаз. Огромная белая полоса на небе - Млечный Путь - при рассмотрении ее в зрительную трубу отчетливо разделялась на отдельные звезды. Так подтверждалась мысль о том, что звезд и солнц бесконечное множество, а значит, просторы Вселенной безграничны и неисчерпаемы.
За признание своих открытий Галилею пришлось вести борьбу с церковной ортодоксией. Церковь дважды вела процессы против Галилея. Галилей был вынужден перейти к методам нелегальной борьбы. Но он продолжал исследование законов движения тел под действием сил в земных условиях. Основные итоги этих исследований он изложил в книге «Диалог о двух системах мира». Книга Галилея вызвала восторг в научных кругах всех стран и бурю негодования среди церковников. Инквизиция пригрозила Галилею не только осудить его как еретика, но и уничтожить все его рукописи и книги. От него требовали признания ложности учения Коперника. Галилей вынужден был уступить. Но тем не менее после приговора и в годы, последовавшие за процессом, Галилей продолжал разработку рациональной динамики. Исследования Галилея заложили надежный фундамент динамики, а также методологии классического естествознания. Дальнейшие исследования лишь углубляли и укрепляли этот фундамент. С полным основанием Галилея называют «отцом современного естествознания».
Рене Декарт
Первым "концептуалистом" Нового времени принято считать Рене Декарта. Он автор первой новоевропейской теории происхождения мира, Вселенной. Хотя мир создан Богом, Бог не принимает участия в его дальнейшем развитии. Мир развивается по естественным законам. Бог является "конструктором" всего сущего и он мог воспользоваться для осуществления своих замыслов научным вариантом конструкции мира. Материя по Декарту делима до бесконечности (атомов и пустоты не существует) а движение он объяснял с помощью понятия вихрей. Онородная материя дробима на части, имеющие различные формы и размеры. В процессе дробления и взаимодействия формируются три группы элементов материи – легкие и разнообразной формы (огонь); отшлифованные частицы круглой формы (воздух); крупные, медленно движущиеся частицы (земля). Все эти частицы вначале двигались хаотически и были хаотически перемешаны. Однако, законы природы таковы, что они достаточны, чтобы заставить части материи расположиться в весьма стройном порядке. Благодаря этим законам материя принимает форму нашего «весьма совершенного мира». Декарт поставил математику основой и образцом метода, оставил только определения, которые укладываются в математические объяснения. Понимание мира Декартом снимает различие между естественным и искусственным. Растение такой же равноправный механизм, как и часы, сконструированные человеком. С той лишь разницей, что искусство Высшего Творца отличается от искусства творца конечного (человека). Декарт предложил свой метод, в основу которого легли следующие правила: начинать с простого и очевидного; путем дедукции получать более сложные высказывания; действовать таким образом, чтобы не упустить ни одного звена (непрерывность цепи умозаключений) для чего нужна интуиция, которая усматривает первые начала, и дедукция, которая дает следствия из них.
Декарт – основоположник научной космогонии. Частицы, находясь в непрерывном круговом движении, образуют материю «неба», раздробленные части выпираются к центру, образуя материю «огня». Этот огонь из тонких частиц, находящихся в бурном движении, формирует звезды и Солнце. Более массивные частицы вытесняются к периферии, смешиваются и образуют тела планет. Каждая планета вовлекается своим вихрем в круговое движение около центрального светила. Космогоническая теория Декарта объясняла суточное движение Земли вокруг своей оси и ее годовое движение вокруг Солнца. Но не могла объяснить других особенностей Солнечной системы.
Ньютонианская революция
Результаты естествознания XVII в. обобщил Исаак Ньютон. Именно он завершил постройку фундамента нового классического естествознания. Ньютон впервые сознательно отказался от поисков конечных причин явлений и законов и ограничился изучением точных количественных проявлений этих закономерностей в природе. Обобщив результаты своих предшественников в стройную теоретическую систему знания (ньютоновскую механику), Ньютон стал родоначальником классической теоретической физики. Он сформулировал ее цели, разработал ее методы и программу развития. В основе ньютоновского метода лежит экспериментальное установление точных количественных закономерных связей между явлениями и выведение из них общих законов природы методом индукции.
Вершиной научного творчества Ньютона стала его теория тяготения и провозглашение первого универсального закона природы – закона всемирного тяготения. Идею о том, каким образом можно вычислить силу тяготения, Ньютон проводит на основе вычисления центростремительного ускорения Луны в ее обращении вокруг Земли. Уменьшив это ускорение пропорционально квадрату расстояния Луны от Земли, он устанавливает, что оно равно ускорению силы тяжести у земной поверхности. Ньютон сделал вывод, что для всех планет имеет место притяжение к Солнцу, что все планеты тяготеют друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Далее Ньютон выдвинул тезис, в соответствии с которым сила тяжести пропорциональна лишь количеству материи (массе) и не зависит от формы материала и других свойств тела. Первый закон Ньютона: "Если бы на тело не действовало никаких сил вообще, то оно после того, как ему сообщили начальную скорость, продолжало бы двигаться в соответствующем направлении равномерно и прямолинейно". Следовательно, никаких свободных движений нет, а любое криволинейное движение возможно лишь под действием силы. Третий закон Ньютона: "Каждое действие вызывает противодействие, равное по величине и противоположно направленное, или, иными словами, взаимное действие двух тел друг на друга равно по величине и противоположно по направлению" .Наиболее полно все это выражается вторым законом Ньютона: «Ускорение, сообщаемое телу массой, прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе».
Теория Ньютона утверждала, что сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными частицами, независимо от их конкретных качеств и состава, и всегда пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Законы движения планет предстали как следствия закона всемирного тяготения. Причину и природу тяготения Ньютон не считал возможным обсуждать за неимением на этот счет достаточного количества фактов. Поэтому и физику, построенную на ее основе, и физическую картину мира, завершенную Ньютоном, можно назвать феноменологической. Закон всемирного тяготения стал физическим фундаментом небесной механики.
Нельзя не сказать о математических достижениях Ньютона, без которых не было бы и его гениальной теории тяготения. Для математического описания, сведения в единую систему движений и взаимодействий тел самого различного рода, качеств, масштабов Ньютон впервые объединил число, геометрическую фигуру и движение. Свой метод характеристик исследуемых движений Ньютон назвал «методом флюксий». В математике Ньютону принадлежат также важнейшие труды по алгебре, аналитической и проективной геометрии и др.
Оптика – важнейшая часть физики, более молодая, чем механика. Большую трудность для зарождающейся оптики представляло объяснение цветов. Поэтому по праву вторым великим достижением Ньютона было открытие того, что белый свет состоит из света различных цветов и, следовательно, цветной свет имеет более простую природу, чем белый. Ученый доказал, что при помощи призмы белый цвет можно разложить на составляющие его цвета. Он построил первый в мире отражательный зеркальный телескоп – рефлектор. Затем ученый сделал вручную еще один телескоп больших размеров и лучшего качества.
Ньютон вывел теоретически, что центры планет описывают эллипсы и что в фокусе их орбит находится центр Солнца. Сила, заставляющая тела падать на Землю, оказалась равной той, которая управляет движением Луны. Открытие Ньютона привело к созданию новой картины мира, согласно которой все планеты, находящиеся друг от друга на колоссальных расстояниях, оказываются связанными в одну систему. Дальнейшие исследования Ньютона позволили ему определить массу и плотность планет и Солнца. Он установил, что наиболее близкие к Солнцу планеты отличаются наибольшею плотностью. Ньютон доказал, что Земля представляет собой шар, расширенный у экватора и сплюснутый у полюсов, а также зависимость приливов и отливов от действия Луны и Солнца на воды морей и океанов.
Ньютон рассмотрел главную космологическую проблему: конечна или бесконечна Вселенная. Он пришел к выводу, что лишь в случае бесконечности Вселенной материя может существовать в виде множества космических объектов – центров гравитации. В конечной Вселенной материальные тела рано или поздно слились бы в единое тело в центре мира. Это было первое строгое физико-теоретическое обоснование бесконечности мира. Ньютон задумывался и над проблемой происхождения упорядоченной Вселенной. Однако здесь он столкнулся с задачей, для решения которой еще не располагал научными фактами. Он первым отчетливо осознал, что одних только механических свойств материи для этого недостаточно. Ньютон справедливо утверждал, что только из одних неупорядоченных механических движений частиц не могла возникнуть вся сложная организация мира. Для него тайной являлось начало орбитального движения планет. Оставалось прибегнуть лишь к некоей необъяснимой сверхсиле – Богу. Поэтому Ньютон вынужден был допустить божественный «первый толчок», благодаря которому планеты приобрели орбитальное движение, а не упали на Солнце. Понадобилось всего полвека для того, чтобы в естествознании сформировалась идея естественной эволюции материи, опровергающая божественный «первотолчок».
Крупнейшим достижением научной революции стало крушение средневековой картины мира и формирование новых черт мировоззрения, позволивших создать науку Нового времени. Родился новый образ мира, с новыми религиозными и антропологическими проблемами. Произошло формирование знания, которое объединяет теорию и практику, науку и технику. Именно опиравшаяся на строгие количественные законы физика определила новую физическую картину мира, которая на два века стала основным направляющим и контролирующим фактором в развитии естествознания. На ее основе формировались все более сложные и совершенные модели Вселенной. XVIII век - век просвещения, возрождающихся материалистических учений, набиравшего темп экспериментального естествознания. Основу метода, составляющего ядро естествознания, образует логический вывод утверждений из принятых гипотез и последующая их эмпирическая проверка. Научная революция порождает нового ученого – экспериментатора, сила которого в эксперименте, благодаря новым измерительным приборам становящегося все более и более точным.
Вопрос № 2 Самоорганизация в открытых неравновесных системах
Синергетика
Человек всегда стремился постичь природу сложного, пытаясь ответить на вопросы: как ориентироваться в сложном и нестабильном мире? Какова природа сложного и каковы законы его функционирования и развития? В какой степени предсказуемо поведение сложных систем? Современное естествознание ищет пути теоретического моделирования самых сложных систем, которые присущи природе, – систем, способных к самоорганизации, саморазвитию. Именно это изучает наука синергетика. Термин «синергетика» предложил в начале 70-х гг. XX в. немецкий физик Г. Хакен. Синергетика – это междисциплинарное направление научных исследований, предмет которого – общие закономерности самоорганизации в природных и социальных системах. Синергетика открывает для точного, количественного, математического исследования такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т.п. Синергетика рассматривает системы самой разнообразной природы – физические, химические, биологические, социальные, – процессы самоорганизации в которых, как выяснилось, описываются одними и теми же математическими моделями и, следовательно, подчиняются универсальным закономерностям.
Главная идея синергетики – это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее разрушения средой. Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. Историки давно заметили, что в развитии общества чередуются сравнительно спокойные периоды постепенных изменений со временами социальных потрясений и революций, когда за исторически ничтожный срок теряют устойчивость и распадаются традиционные социальные институты и возникают совершенно новые формы общественной организации. Упорядоченная структура возникает по пороговому механизму, внезапно, необратимо. Чаше всего возникновение новых упорядоченных структур происходит по бифуркационному сценарию. Бифуркация – математический термин, означающий «раздвоение», переломный момент. Точки бифуркации – спутники любой эволюционирующей системы. Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации (случайные отклонения от среднего значения физических величин, характеризующих систему из большого числа частиц), роль случайных факторов резко возрастает. В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация может послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях. Траектории, по которым возможно развитие системы после точки бифуркации, называются аттракторами. В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации. Самоорганизовавшуюся упорядоченную структуру можно рассматривать как результат запоминания системой тех случайных флуктуации, которые имели место в момент перехода через критическую точку. Таким образом, беспорядочные флуктуации, хаос являются тем материалом, из которого строится порядок. На него могут повлиять самые незначительные и не поддающиеся учету факторы. Можно оценить лишь вероятность, с которой система двинется по той или иной ветви бифуркационной диаграммы. С каждой новой точкой бифуркации неопределенность усиливается, и потому отдаленное будущее оказывается непредсказуемым. Однако, система, прошедшая несколько точек бифуркации, приобретает историю: по ее современному состоянию можно установить, в каких состояниях она находилась ранее. Можно сказать, что история возникает в точках бифуркаций. Пример: в учебниках истории периоды спокойного развития характеризуются достаточно бегло, но как только ход событий приближается к политическому кризису, революции, эпохе реформ, повествование замедляет свой темп, погружаясь в детали. То же справедливо для палеонтологии, где наибольший интерес вызывают находки переходных форм, которые могут рассматриваться как точки ветвления эволюционного древа, а также для геологии, космологии и вообще любой дисциплины, рассматривающей предмет своего изучения в развитии.
Расстояние между последовательными точками бифуркаций может изменяться по мере эволюции системы. Это дает основание различать «внешнее время», отсчитываемое постоянными по своей длительности циклами (например, периодами обращения Земли вокруг Солнца) и «внутреннее время» системы, определяемое количеством пройденных точек бифуркации. В природе известны примеры как замедления «внутреннего времени» (эволюция Вселенной от Большого взрыва до наших дней) по сравнению с «внешним», так и ускорения (биологическая эволюция, общественное развитие).
Самоорганизация приводит к балансированию на грани хаоса. Система, прошедшая в своем развитии несколько точек бифуркации, как правило, оказывается вблизи границы, отделяющей упорядоченное поведение от хаотического. Теория самоорганизованной критичности – любая эволюционно зрелая система неизбежно балансирует на грани потери устойчивости. Для выживания такой системе требуется тонкое и точное управление. Пример: если сверху сыпать на тарелку песок, то в конце концов склоны образующейся на ней горки приобретают критическую крутизну, когда достаточно уронить еще одну песчинку, чтобы вызвать катастрофическую лавину. Пример: благодаря первым наземным растениям содержание кислорода в воздухе к концу девонского периода достигло современного значения - 21%, но не продолжило расти. Почему? При повышении содержания кислорода до 25% начала бы гореть даже мокрая древесина, выгорели бы все леса, а значит, процент кислорода необратимо снизился до первоначального уровня.
Основные свойства самоорганизующихся систем: открытость (неравновесность), нелинейность, диссипативность.
Открытость
Открытые системы – это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии или информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному равновесному состоянию. Открытые системы – это системы необратимые; в них важным оказывается фактор времени. В открытых системах ключевую роль (наряду с закономерным и необходимым) могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается. Система должна быть неравновесной. Пример: кухня, в которой на плите стоит только что вскипевший чайник, – неравновесная система, поскольку между чайником и окружающим воздухом имеется градиент (мера неоднородности распределения той или иной величины, ее перепад) температуры. Благодаря ему возникает направленный поток тепловой энергии, и чайник остывает. Однако когда температура чайника сравняется с температурой окружающего воздуха, равновесие все еще не будет достигнуто. Дело в том, что концентрация воды в чайнике больше концентрации водяного пара в воздухе (химический градиент), что приводит к направленному потоку молекул воды из чайника. Через несколько дней вся вода из чайника испарится, и можно будет считать состояние равновесия достигнутым. Заметим, что неравновесная система может быть и замкнутой, не сообщающейся с внешним миром. Например, не исключено, что наша Вселенная – изолированная система. Но масштабы ее таковы, что время, необходимое для ее перехода в равновесное состояние (каким бы оно ни было), астрономически велико. Однако чаще всего длительное поддержание системы в неравновесном состоянии требует, чтобы она была незамкнутой, открытой, проточной.
Нелинейность
Все рассмотренные системы, в которых происходит самоорганизация, нелинейны. Линейная система отличается тем, что ее реакция на несколько одновременных воздействий равна сумме реакций на каждое воздействие по отдельности. Нелинейные системы способны качественно изменять свое поведение при количественном изменении воздействия. Другими словами, нелинейные системы – это системы сложные. Но речь идет не столько о сложности законов, управляющих поведением системы, сколько о сложности возникающего под их действием поведения. Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят пороговый характер. В состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению. Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые в свою очередь обусловливают изменения в самой этой системе. Пример: в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого. Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными.
Диссипативностъ
Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность (рассеивание энергии системы в процессе работы), которую можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи. Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий, в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития. При возникновении упорядоченной структуры энтропия (понятие, введённое в термодинамике для определения меры необратимого рассеивания энергии, беспорядка системы) занимаемой ею области пространства понижается, а энтропия прилегающих областей возрастает. При возникновении новой упорядоченной структуры скорость производства энтропии в занимаемой ею области пространства скачкообразно возрастает. Связь самоорганизованных структур с ускорением производства энтропии, т. е. рассеяния, диссипации энергии, легла в основу термина, которым их обозначают в синергетике: диссипативные структуры. Если в результате самоорганизации возникает несколько конкурирующих диссипативных структур, то в конечном счете выживает та из них, которая производит энтропию с наибольшей скоростью. Пример: медикам известно смертельно опасное явление фибрилляции, когда сердце вместо ритмичных правильных сокращений начинает беспорядочно трепыхаться. Фибрилляция связана с тем, что помимо естественной медленной спиральной волны возбуждения в сердечной мышце возникает паразитная быстрая, которая подчиняет естественную своему ритму.
Понятие диссипативности тесно связано с понятием параметров порядка. Самоорганизующиеся системы обычно характеризуются огромным числом степеней свободы. Однако далеко не все степени свободы системы одинаково важны для ее функционирования. С течением времени в системе выделяется небольшое количество ведущих, определяющих степеней свободы, к которым «подстраиваются» остальные. Такие основные степени свободы системы получили название параметров порядка. Параметры порядка отражают содержание оснований неравновесной системы. Поэтому задача определения параметров порядка – одна из важнейших при конкретном моделировании самоорганизующихся систем.
Наиболее наглядные примеры самоорганизации:
Лазер
Первоначально сферой приложения синергетики была квантовая электроника и радиофизика. Примером самоорганизации может служить система, изучаемая в разделах квантовой электроники,- лазер. Этот прибор создает высокоорганизованное оптическое излучение. Традиционные источники света создают оптические излучения за счет процессов, подчиняющихся статистическим законам. Уровень организации подобной среды крайне низок, упорядоченность мала. Для активизации лазерной среды, которая должна находиться в сильно неравновесном состоянии, направленно вводят в нее организованный поток энергии (накачка). Этим достигается характерная высокая упорядоченность атомных, ионных или молекулярных избирательно возбуждаемых состояний. В среде лавинообразно нарастает вынужденное излучение квантов света, движущихся в одном направлении. Лазерная генерация возникает скачком после того, как плотность вводимой в среду энергии накачки превысит пороговое значение, зависящее от свойств активной среды, характера накачки и параметров оптического резонатора, в который помещают активную среду для усиления эффекта. Излучение выходит в виде узконаправленного луча.
Ячейки Бенара
Французский физик Бенар изучал теплоперенос в жидкости. Бенар наливал спермацетовое масло в сосуд, подогреваемый снизу. Характер переноса тепла между верхним и нижним слоями жидкости зависит от интенсивности нагрева, который определяет разность температур между ними. При слабом нагреве сама жидкость неподвижна, переносится лишь тепловая энергия за счет теплопроводности. По мере повышения интенсивности нагрева все большую роль начинает играть конвекция (явление переноса теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками самого вещества): нагретая жидкость расширяется, становится более легкой и стремится всплыть вверх. Когда разность температур достигает некоторого критического значения, весь объем жидкости разделяется на одинаковые ячейки, в каждой из которых происходит незатухающее конвекционное движение частиц жидкости по замкнутым траекториям. В условиях опыта Бенара конвекционные ячейки имели форму почти правильных шестиугольников, очень похожую на пчелиные соты. В центре каждой ячейки нагретая жидкость поднималась снизу вверх, а вдоль границ ячеек – опускалась сверху вниз. При достижении критической разности температур ячейки Бенара начинают колебаться с определенной частотой. При этом периодически меняется и температура жидкости в них. Однако периодические колебания системы ячеек Бенара – еще не конец истории. С дальнейшим ростом температуры частота колебаний ячеек растет. При достижении нового порога возникают колебания на новой частоте. Поведение системы остается предсказуемым, однако более сложным, чем для одночастотного колебания. Продолжение роста разности температур приводит к появлению новых частот, пока, наконец их не становится бесконечно много. Но сумма бесконечного числа колебаний с разными частотами дает полностью хаотичное, турбулентное, движение. Описанный сценарий универсален и свойствен столь различным жидкостям, как ртуть и жидкий гелий. Конвективные ячейки обнаружены в фотосфере Солнца (солнечная грануляция) и в мантии Земли
Реакция Белоусова-Жаботинского
Б. П. Белоусов, изучая простую реакцию между броматом калия и лимонной кислотой в присутствии катализатора, обнаружил, что она идет не монотонно, как обычные реакции. Окраска реакционной смеси изменялась от исходной бесцветной до конечной желтой и обратно. Белоусов наблюдал несколько десятков периодов колебаний. Это была первая открытая реакция, которая в однородной смеси сама по себе идет в колебательном режиме.
А. М. Жаботинский показал, что колебательный режим реакции допускается обычными уравнениями химической кинетики, если хотя бы одна из промежуточных стадий реакции является автокаталитической, т. е. если какой-то из ее продуктов ее же ускоряет. Значение открытия Белоусова-Жаботинского заключается в том, что оно продемонстрировало самоорганизацию в простейшей химической системе. Периодичность – один из видов упорядоченности. Спонтанные химические колебания – это упорядоченная структура, неоднородность, только развернутая не в пространстве, а во времени. Позднее было обнаружено, что в системе Белоусова-Жаботинского возможна не только временная, но и пространственная самоорганизация. Отказавшись от традиционного перемешивания раствора, его просто налили тонким слоем в чашку Петри. Оказалось, что реакция не идет синхронно по всей чашке. Изменение окраски сначала происходит в какой-то одной точке – так называемом ведущем центре, от которого затем распространяется во все стороны. Форма линии раздела между областями, окрашенными по-разному, представляет собой фрагмент спирали. Формируется спиральная волна, вращающаяся вокруг ведущего центра со скоростью порядка одного оборота за несколько минут. Тем временем в объеме раствора могут возникнуть еще несколько ведущих центров, вокруг каждого из которых формируется своя спиральная волна. Периоды разных ведущих центров несколько отличаются друг от друга. Благодаря этому наблюдается еще одно замечательное явление – синхронизация. Дело в том, что при столкновении двух спиральных волн они не проходят друг сквозь друга, как обычные волны на поверхности жидкости, а взаимно аннигилируют (уничтожаются), причем аннигиляция в большей степени затрагивает более медленную из них. В результате фронт более быстрой спиральной волны постепенно продвигается в сторону ведущего центра, порождающего медленную волну, уничтожает его и устанавливает единую частоту колебаний во всем объеме. Спиральные волны – распространенная форма самоорганизации в системах различной природы. Они наблюдаются, например, при образовании колоний коллективных микроорганизмов. Сложный характер сокращений сердечной мышцы обусловлен тем, что по ней безостановочно бежит спиральная волна возбуждения.
Система «хищник - жертва»
Это пример колебательного режима по численности хищника и жертвы во времени. Подъем числа зайцев сопровождается выраженным увеличением числа лисиц. Это естественно, так как рост числа зайцев приводит к увеличению количества пищи для лисиц, что увеличивает скорость их размножения. Однако активное поедание зайцев лисами приводит в дальнейшем к падению численности жертвы. В свою очередь, это приводит к последующему снижению численности хищника. С другой стороны, снижение численности хищника приводит к повышению численности жертвы и последующему росту числа хищника. Такова природа колебаний численности хищника и жертвы, которые наблюдаются в экосистеме. Эта модель объясняет широко распространенные в различных экосистемах «волны жизни», т. е. периодические колебания численности различных видов животных.
Однако расчеты показывают, что в системе «хищник - жертва» возможен и другой режим, при котором наблюдается очень быстрое уменьшение численности и полное вымирание жертвы и следующее за ним вымирание хищника.
Морфогенез
Биологическая структура, как раз является той самой открытой нелинейной системой, которая препятствует своему разрушению за счет способности к самоорганизации. Но расплатой за устойчивость и прочие преимущества живой материи, является зависимость от поступления энергии извне, как необходимого условия существования неравновесной биосистемы. Фактически, жизнь есть не что иное, как система по понижению собственной энтропии за счет повышения энтропии окружающей среды. Морфогенез – формообразование при высоких затратах энергии в диссипативных структурах с самоорганизацией за счет рассеяния энергии в тепло; рост организма или его частей, сопряженный с закладкой и развитием пространственной структуры, направляемый и взаимоопределяемый различными факторами. Отдельные клетки бывают недифференцированными, специализация развивается в соответствующем окружении других клеток и под их воздействием. В морфогенезе есть критические фазы, сопряженные с существенной перестройкой генома (точки бифуркации), когда можно вмешаться в развитие и либо нарушить его, либо переключить на другой канал, при этом возникают наследуемые и воспроизводимые в опыте изменения. Иногда активный морфогенез захватывает отдельный орган или структуру, неожиданного и отличающегося типа самоорганизации от всего организма – рога плотнорогих, плодовые тела грибов, цветы растений, брачный наряд рыб и т.д.
Как выясняется, переход от Хаоса к Порядку вполне поддается математическому моделированию. И более того, в природе существует не так уж много универсальных моделей такого перехода. Качественные переходы в самых различных сферах действительности (в природе и обществе – его истории, экономике, демографических процессах, духовной культуре и др.) подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию. Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем: от морфогенеза в биологии и некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики и автоколебательных процессов в химии до эволюции звезд и космологических процессов, от электронных приборов до формирования общественного мнения и демографических процессов. Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы – это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации – от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).
Вопрос № 3: Исторические этапы развития жизни на Земле
Происхождение жизни - одна из трех важнейших мировоззренческих проблем наряду с проблемой происхождения нашей Вселенной и проблемой происхождения человека. В античности сложились два противоположных подхода к решению этой проблемы. Первый, религиозно-идеалистический, исходил из того, что жизнь является следствием божественного творческого акта. В основе второго, материалистического подхода лежало представление о том, что под влиянием естественных факторов живое может возникнуть из неживого, органическое из неорганического. Появление жизни на Земле пытались объяснить и занесением ее из других космических миров. Гипотеза космозоев (космических зачатков), в соответствии с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую. Гипотеза панспермии: во Вселенной вечно существуют зародыши жизни, которые движутся в космическом пространстве под давлением световых лучей; попадая в сферу притяжения планеты, они оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого. Сейчас уже определенно выяснено, что «азбука» живого сравнительно проста: в любом существе, живущем на Земле, присутствует 20 аминокислот, пять оснований, два углевода и один фосфат. Существование небольшого числа одних и тех же молекул во всех живых организмах убеждает нас, что все живое должно иметь единое происхождение.
С позиций современной науки жизнь возникла из неживого вещества в результате эволюции материи, является результатом естественных процессов, происходивших во Вселенной. Жизнь - это свойство материи, которое ранее не существовало и появилось в особый момент истории нашей планеты Земля. Возникновение жизни явилось результатом процессов, протекавших сначала миллиарды лет во Вселенной, а затем многие миллионы лет на Земле. От неорганических соединений к органическим, от органических к биологическим - таковы последовательные стадии, по которым осуществлялся процесс зарождения жизни.
Возраст Земли исчисляется примерно 5 млрд лет. Жизнь существует на Земле более 3,5 млрд лет. Геологическая история Земли подразделяется на крупные промежутки - эры; эры - на периоды, периоды - на века. Это разделение относительное, потому что резких разграничений между этими подразделениями не было. Но все же именно на рубеже соседних эр, периодов преимущественно происходили существенные геологические преобразования: горообразовательные процессы, перераспределение суши и моря, смена климата и проч. Кроме того, каждое подразделение характеризовалось качественным своеобразием флоры и фауны.
Геологические эры Земли:
Катархей
(от образования Земли 5 млрд лет назад до зарождения жизни);
Архей, древнейшая эра (3,5 млрд - 2,6 млрд лет);
Протерозой (2,6 млрд - 570 млн лет);
Палеозой (570 млн - 230 млн лет) со следующими периодами:
кембрий (570 млн - 500 млн лет);
ордовик (500 млн - 440 млн лет);
силур (440 млн - 410 млн лет);
девон (410 млн - 350 млн лет);
карбон (350 млн - 285 млн лет);
пермь (285 млн - 230 млн лет);
Мезозой (230 млн - 67 млн лет) со следующими периодами:
триас (230 млн - 195 млн лет);
юра (195 млн- 137 млн лет);
мел (137 млн - 67 млн лет);
Кайнозой (67 млн - до нашего времени) со следующими периодами и веками:
палеоген (67 млн - 27 млн лет):
палеоцен (67-54 млн лет)
эоцен (54-38 млн лет)
олигоцен (38-27 млн лет)
Неоген (27 млн - 3 млн лет):
миоцен (27-8 млн лет)
плиоцен (8-3 млн лет)
Четвертичный (3 млн - наше время):
плейстоцен (3 млн - 20 тыс. лет)
голоцен (20 тыс. лет- наше время)
Докембрий - собирательное название геологического времени от возникновения нашей планеты до начала кембрийского периода (570 млн лет назад). Докембрийская жизнь не отличалась богатством форм и быстротой эволюционных преобразований. Однако он занимает 88% всей истории Земли, в это время происходили события фундаментального значения.
Катархей. Происхождение жизни связано с протеканием определенных химических реакций на поверхности первичной планеты. На начальных этапах своей истории Земля представляла собой раскаленную планету. Вследствие вращения при постепенном снижении температуры атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных слоях концентрировались атомы легких элементов (водорода, углерода, кислорода, азота), из которых и состоят тела живых организмов. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: вода, метан, углекислый газ, аммиак, цианистый водород, а также молекулярный водород, кислород, азот. Дальнейшее снижение температуры обусловило переход ряда газообразных соединений в жидкое и твердое состояние, а также образование земной коры. Когда температура поверхности Земли опустилась ниже 100° С произошло сгущение водяных паров. Длительные ливни с частыми грозами привели к образованию больших водоемов. В результате активной вулканической деятельности из внутренних слоев Земли на поверхность выносилось много карбидов - соединений металлов с углеродом. При взаимодействии их с водой выделялись углеводородные соединения. Горячая дождевая вода как хороший растворитель имела в своем составе растворенные углеводороды, а также газы, соли и другие соединения, которые могли вступать в химические реакции. Второй этап биогенеза характеризовался возникновением более сложных органических соединений, в частности белковых веществ в водах первичного океана. Благодаря высокой температуре, грозовым разрядам, усиленному ультрафиолетовому излучению относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись и образовывались углеводы, жиры, аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты. Таким образом, воды первичного океана постепенно насыщались разнообразными органическими веществами, образуя «первичный бульон». Этот «органический бульон» стал колыбелью зародившейся жизни.
В палеонтологии четко различаются эпохи постепенного изменения организмов и точки бифуркации, известные как ароморфозы. Ароморфоз - это приспособление общего характера, поднимающее уровень биологической организации на принципиально новую ступень. Крупнейшие ароморфозы являются своего рода верстовыми столбами в истории жизни на Земле.
Архей. Первый ароморфоз, следы которого доступны для наблюдения, - образование клеточной мембраны, отделившей «внутренности» организма от окружающей среды. Образование мембранной структуры считается самым трудным этапом химической эволюции жизни Биологические мембраны - это агрегаты белков и липидов, способные отграничить вещества от среды и придать упаковке молекул прочность. С момента возникновения химических различий между внутренней и внешней средой можно определенно употреблять сам термин «организм». Древнейшие достоверные окаменелости имеют возраст около 3,5 млрд лет. Они представляют собой остатки микроорганизмов с клеточной оболочкой. Таким образом, уже через один миллиард лет после формирования планеты Земля на ней существовали первые клеточные организмы. Примитивные одноклеточные - прокариоты - были хозяевами Земли более 2 млрд лет. Первый период развития органического мира на Земле характеризуется тем, что первичные живые организмы были анаэробными (жили без кислорода), питались и воспроизводились за счет «органического бульона», иначе говоря, они питались готовыми органическими веществами, синтезированными в ходе химической эволюции, т.е. были гетеротрофами. Но это не могло длиться долго, ведь резерв органического вещества быстро убывал. Первый великий качественный переход в эволюции живой материи был связан с «энергетическим кризисом»: «органический бульон» был исчерпан, и следовало выработать способы формирования крупных молекул биохимическим путем, внутри клеток, с помощью ферментов. В этой ситуации преимущество было у тех клеток, которые могли получать большую часть необходимой им энергии непосредственно из солнечного излучения.
Довольно неопределенной остается датировка следующего крупнейшего ароморфоза - появления фотосинтеза. С его помощью стало возможным получать ресурсы (углекислый газ) для синтеза органических веществ прямо из воздуха, отдавая взамен молекулярный кислород. Такие организмы называются автотрофными. Это значит, что их питание осуществляется внутренним путем благодаря световой энергии. Все дальнейшее развитие земной жизни было определено этим великим изобретением природы. Поначалу накопление кислорода в атмосфере шло медленно из-за низкой скорости обмена веществ у примитивных микроорганизмов. Потребовалось около полутора миллиардов лет, чтобы содержание кислорода в воздухе достигло 1% от современного значения. Но этот рубеж - точка Пастера - был наконец достигнут, что привело к целому ряду важнейших последствий. Во-первых, начиная с точки Пастера, дыхание становится эффективным способом обеспечения организма энергией. Многократно ускоряется обмен веществ, а с ним и темпы эволюции. Во-вторых, из кислорода О2 в верхних слоях атмосферы образуется озон О3, защищающий от ультрафиолетового излучения Солнца. Это дало организмам возможность подняться в приповерхностный слой океана, наиболее богатый питательными веществами и солнечной энергией, а затем и выйти на сушу. В-третьих, накопление свободного кислорода увеличило давление отбора на первые организмы. Дело в том, что для них химически активный кислород атмосферы был токсичен! Можно сказать, что около двух миллиардов лет назад разразился первый в истории Земли глобальный экологический кризис - загрязнение окружающей среды ядовитыми отходами жизнедеятельности в виде свободного кислорода. Борьба за существование в таких жестких условиях оказалась еще одним фактором, подстегнувшим эволюцию.
Протерозой. Следующим крупным эволюционным шагом, совершенным примерно 1,3 млрд лет назад, было возникновение эукариот - организмов, клетка которых имеет ядро. У эукариотов ДНК уже собрана в хромосомы. В ядре сосредоточена наследственная информация и аппарат для ее передачи. Такая клетка воспроизводится без каких-либо существенных изменений. Особенностью эукариот является «разделение труда» между ядром и органеллами клетки. Митохондрии обеспечивают клетку энергией, хлоропласты с помощью фотосинтеза производят сахара, на рибосомах синтезируются белки. Существует предположение, что органеллы происходят от бактерий, когда-то проникших в клетку в качестве паразитов. Паразитизм постепенно превратился в симбиоз, который перерос в единый эукариотический организм. Дальнейшая эволюция эукариотов была связана с разделением на растительные и животные клетки. Растительные клетки покрыты жесткой целлюлозной оболочкой, которая их защищает. Но одновременно такая оболочка не дает им возможности свободно перемещаться и получать пищу в процессе передвижения. Вместо этого растительные клетки совершенствуются в направлении использования фотосинтеза для накопления питательных веществ. Животные клетки имеют эластичные оболочки и потому не теряют способности к передвижению; это дает им возможность самим искать пищу - растительные клетки или другие животные клетки. Животные клетки эволюционировали в направлении совершенствования способов передвижения и способов поглощать и выделять крупные частицы через оболочку. Следующим важным этапом развития жизни и усложнения ее форм было возникновение примерно 900 млн лет назад полового размножения. Половое размножение состоит в механизме слияния ДНК двух индивидов и последующего перераспределения генетического материала, при котором потомство похоже на родителей, но не идентично им. Достоинство полового размножения в том, что оно значительно повышает видовое разнообразие и резко ускоряет эволюцию, позволяя быстрее и эффективнее приспосабливаться к изменениям окружающей среды. Следующий после возникновения эукариот крупный ароморфоз - многоклеточность. Первые попытки прорыва на этот уровень организации предприняли еще сине-зеленые водоросли. Однако в полной мере использовали преимущества многоклеточности (крупные размеры тела, специализация разных групп клеток на выполнении разных функций) лишь эукариоты. Произошло это от 1 млрд до 700 млн лет назад в конце докембрийского отрезка истории Земли.
Палеозой:
Кембрий
. Около 600 млн лет назад в истории жизни на Земле произошло крупнейшее событие, которое назвали «большим взрывом эволюции животных». В течение кембрийского периода природа создает все известные планы строения тела, почти все из ныне живущих и вымерших типов животных. В течение последующих 100 млн лет эволюция шла в основном по пути усовершенствования и специализации форм, возникших в кембрии. Основные ароморфозы, возникшие в это время, трудно даже перечислить. Пожалуй, наиболее характерным из них был жесткий скелет (поначалу в виде внешнего панциря, в который были закованы широко распространенные в кембрийских морях трилобиты, составлявшие около 60% кембрийской фауны). Возникновение защитных приспособлений свидетельствует о появлении хищников и ужесточении борьбы за существование, что придало эволюции дополнительное ускорение. В растительном мире распространились многоклеточные водоросли, которые перешли к прикрепленному образу жизни, т. е. укрепились на твердом дне.
К концу ордовикского периода относится выход на сушу псилофитов - близких родственников зеленых водорослей, без листьев и настоящих корней. Чтобы уцелеть вне воды, им пришлось развить расчленение тела на специализированные органы: жесткий несущий стебель, сосудистую систему, покровную ткань. Вместе с бактериями они начали формировать почву.
Следующий, силурийский период знаменуется появлением первых позвоночных - панцирных рыб - и выходом на сушу животных. Первые животные, приспособившиеся к воздушному дыханию, относились к типу членистоногих и напоминали современных скорпионов.
Девонский период - период рыб и первых лесов. В девоне возникает чрезвычайно прогрессивная группа животных - насекомые. В девонских лесах преобладали примитивные споровые растения, предки нынешних папоротников, высота которых достигала 12м. Благодаря им содержание кислорода в воздухе к концу девона достигло современного значения - 21%. Первые представители позвоночных - рыбы достигают в девоне расцвета. Все позднейшие позвоночные, в том числе и человек, пользуются такими великими «изобретениями» рыб, как череп, позвоночник, парные конечности (развившиеся из рыбьих плавников), челюсти и соответствующая мускулатура. Однако дальнейшая эволюция оказалась связанной с малочисленной, менее приспособленной и ныне почти вымершей группой кистеперых рыб. Их короткие и мясистые плавники были не очень эффективны при плавании, зато позволяли хорошо ползать по дну, что особенно помогало выжить в пересыхающих водоемах. В результате уже в конце девонского периода появились первые представители нового класса земноводных. От рыб они отличаются удлиненными и подвижными конечностями с шарнирными суставами, дыханием через нос с помощью легких, увеличенным размером головного мозга.
Каменноугольный период, или карбон. Первые наземные растения размножались, разбрасывая споры, а земноводные - откладывая икру. Оплодотворение и спор и икры происходит только в воде. В результате жизнь оказывалась привязанной к узкой прибрежной полосе. В начале и середине карбона эта проблема ощущалась не слишком остро ввиду высокой влажности и широкого распространения болот. Однако постепенно климат становился прохладнее и суше, и независимость от водоемов приобретала все большую ценность в борьбе за жизнь.
Пермский период
. Растения решили проблему с помощью семян, снабженных защитной оболочкой и оплодотворяемых до отделения от родительского организма. Так возникли голосеменные (в частности, хвойные). Животные пошли схожим путем. Во-первых, появилось внутреннее оплодотворение внутри женского организма; во-вторых, возникло амниотическое яйцо - миниатюрный индивидуальный водоем для эмбриона, защищенный прочной скорлупой. Эти два ароморфоза стали главными признаками нового класса позвоночных - пресмыкающихся. Уровень общей организации, достигнутый пресмыкающимися, оказался настолько высок, что рептилии оставались полновластными хозяевами Земли на протяжении четырех геологических периодов.
Мезозой:
Триасовый, юрский и меловой периоды.
Пресмыкающиеся дали огромное число самых разнообразных и удивительных форм. В юрских и меловых морях плавали ихтиозавры и плезиозавры. В воздух поднялись рамфоринхи, птеродактили и птеранодоны. К земноводному образу жизни приспособились крокодилы и черепахи. Ничто, казалось, не требовало каких-то принципиально новых черт строения организма, за исключеньем пустяка: пресмыкающиеся холоднокровны. Интенсивность их жизненных процессов сильно зависит от температуры среды, а холод ввергает в оцепенение. Пока на Земле было достаточно тепло, холоднокровность была действительно пустяком. Постепенно теплокровность становилась все более важным преимуществом. В юрском периоде, приобретя оперение, от пресмыкающихся отделились птицы. Все современные птицы теплокровные, причем эту особенность они приобрели независимо от млекопитающих. У растений самое выдающееся достижение датируется началом мелового периода, когда возникают цветковые, или покрытосеменные, обеспечивающие семя запасом питательных веществ и защищающие его околоплодником. Особенно важную роль в эволюции биосферы сыграла группа злаковых покрытосеменных растений. Их отличительные черты - приспособленность к существованию в сухом климате и высокие питательные свойства - помогли формированию степных млекопитающих и сыграли большую роль в биологической, а затем и социальной эволюции человека.
Млекопитающие были последним возникшим в ходе эволюции классом животных (новых типов животных не появлялось практически с кембрийского периода). От примитивных рептилий из группы цельночерепных развивается ветвь, приведшая к возникновению в триасе млекопитающих. В юрском и меловом периодах млекопитающие стали более разнообразными. В конце мезозоя возникают плацентарные млекопитающие. В условиях похолодания сокращаются пространства, занятые богатой растительностью. Это влечет за собой вымирание сначала растительноядных динозавров, а затем и охотившихся на них хищных динозавров. В условиях похолодания исключительные преимущества получают теплокровные животные. На рубеже мелового и третичного (67-1,5 млн лет назад) периодов подавляющее большинство видов пресмыкающихся вымирает. На опустевшую главную арену битвы за жизнь врываются млекопитающие.
Кайнозой:
Время расцвета насекомых, птиц и млекопитающих - это кайнозой. Помимо особенностей, связанных с регулированием температуры тела (теплокровность, шерстный покров), млекопитающие отличаются приспособлениями, способствующими нервно-психической деятельности: развитый мозг, длительный период воспитания и обучения детенышей. Приобретенное млекопитающими живорождение обеспечивает более высокую выживаемость потомства.
В палеоцене появляются первые хищные млекопитающие. В это же время некоторые виды млекопитающих «уходят» в море (китообразные, ластоногие). От древних хищных происходят копытные. От некоторых видов насекомоядных обособляется отряд приматов. В неогене на обширных открытых пространствах саванн Африки появляются многочисленные виды обезьян. В кайнозое формируются те важнейшие тенденции, которые привели к возникновению человека. Это касается возникновения стайного, стадного образа жизни, который выступил ступенькой к возникновению социального общения. Причем, если у насекомых (муравьи, пчелы, термиты) биосоциальность вела к потере индивидуальности; то у млекопитающих, напротив, к подчеркиванию индивидуальных черт особи. Некоторые виды приматов переходят к прямохождению. Развитие некоторых групп приматов пошло по особому пути, и этот путь привел к возникновению первых человекообразных обезьян.
Четвертичный период.
С ним совпадает по времени быстрая эволюция приматов и появление на сцене человека. Культура и жизнедеятельность человека сыграли в этот период столь важную роль, что вся четвертичная система обозначается также как антропоген - т. е. "век человека:
Для деления антропогена на части часто применяются понятия, заимствованные из археологии. Так, европейский плейстоцен принято называть палеолитом (древним каменным веком), а голоцен порой разделяется на мезолит (средний каменный век) и неолит (новый каменный век).
От предыдущих геологических эпох антропоген отличается сильным похолоданием климата, наложившим свой отпечаток как на рельеф местности, так и на биологические формы. Процесс похолодания, начавшийся еще в конце третичного периода, продолжался в антропогене с повышенной интенсивностью. На возвышенных местах образовывались снежники и ледники, не успевавшие растаять летом. Под собственной тяжестью они сползали с гор в долины, и со временем обширные зоны северного и южного полушария оказались подо льдом. Хотя четвертичный период в целом и был более холодным, чем предшествующие геологические эпохи, тем не менее, и в нем периоды оледенения чередовались с межледниковыми периодами, когда льды отступали и на земле временно воцарялся умеренный климат. За последний миллион лет было не менее шести ледниковых и межледниковых периодов. Похолодание привело к образованию четко обособленных климатических зон, или поясов (арктического, умеренного и тропического), проходящих через все континенты. Животный и растительный мир постепенно приобретал современный облик.
В этот период произошло становление важнейшей и наиболее высокоорганизованной группы приматов - семейства людей, к которому принадлежит человек и его ближайшие предки. Для развития этого семейства понадобилось приблизительно 14 млн. лет. В настоящее время принято выделять четыре рода Homo: рамапитеков, австралопитеков, парантропов и человека. Последним звеном в этой эволюционной цепи был современный вид человека - Homo sapiens. Пока что остаются неясным место и обстоятельства его неожиданного появления на мировой сцене. Люди вполне современного облика появились на Земле лишь в начале голоцена, уже по окончании ледниковых периодов, примерно 10 000 лет назад. Появление Homo sapiens завершает развитие гоминид.
