Зачет по КСЕ. Зачет по ксе
 Скачать 151 Kb.
|
|
ЗАЧЕТ ПО КСЕ 1. Специальная теория относительности В основе специальной теории относительности лежат два принципа – принцип относительности Эйнштейна и принцип постоянства скорости света. Принцип относительности Эйнштейна. Во всех инерциальных системах отсчета все явления природы протекают одинаково. Принцип постоянства скорости света. Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света. Принцип постоянства скорости света Эйнштейн сформулировал на основе опыта Майкельсона. В 1881 г. американский физик Альберт Майкельсон произвел опыт, который с весьма высокой точностью измерил скорость света в различных направлениях относительно Земли. Опыт Майкельсона, неоднократно с тех пор повторявшийся в самых различных условиях, привел к совершенно неожиданному результату. Майкельсон обнаружил, что на движущейся Земле свет распространяется по всем направлениям с совершенно одинаковой скоростью. Из постулатов специальной теории относительности вытекает ряд следствий. 1. Скорость света в вакууме – предельная скорость в природе. Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. Это одна из важнейших физических постоянных, так называемых мировых констант. Следует заметить, что принцип постоянства скорости света противоречит классическому закону сложения скоростей. 2. Понятие одновременности имеет относительный смысл. Представим себе поезд, который движется прямолинейно и равномерно. Пусть в середине одного из вагонов на равном расстоянии от дверей находится лампочка, а автоматические двери устроены так, что они открываются в тот момент, когда на них падает свет. Пусть в некоторый момент времени зажглась лампочка. Что увидят люди в поезде, и что увидят люди на платформе? Люди, сидящие в середине вагона увидят следующее. Так как, согласно опыту Майкельсона, свет распространяется относительно поезда с одинаковой по всем направлениям скоростью, то он дойдет одновременно до задней и передней двери, и обе двери откроются одновременно. Что же увидят люди на платформе? Задняя дверь идет навстречу лучу света. Переднюю дверь луч света должен догонять. Поэтому людям на платформе покажется, что двери в вагоне откроются не одновременно. Пока мы имели дело со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, мы не могли обнаружить относительность понятия одновременности. И лишь изучая движения со скоростями, близкими к скорости света, мы вынуждены были пересмотреть понятие одновременности. 3. Физические процессы в движущейся системе отсчета замедляются относительно неподвижной системы. Разумеется, это становится заметно только при скоростях, соизмеримых со скоростью света. Отсюда следует так называемый «парадокс близнецов». Он заключается в том, что если один близнец остается на Земле, а другой улетает на ракете, движущейся со скоростью, близкой к скорости света, то, возвратившись на Землю, он обнаруживает, что его брат-близнец стал намного старше его. 4. Длина стержня сокращается в направлении движения. В теории относительности оказывается, что бессмысленно говорить о длине стержня, не указав системы отсчета, относительно которой эта длина измеряется. 5. Масса тела увеличивается с увеличением его скорости. Зависимость массы от скорости была обнаружена в конце XIX в. в опытах с быстрыми электронами. 6. Масса и энергия связаны соотношением: Е = mc2. Е – энергия тела, m – его масса , с – скорость света. Это соотношение подтверждено многочисленными экспериментами. 2. Эволюция звезд Рассмотрим холодное межзвездное облако пыли и газа с массой, примерно равной массе нашего Солнца, и размерами, достигающими размеров современной Солнечной системы. Равновесие внутри такого облака может быть внезапно нарушено, и все его частицы с ускорением свободного падения устремятся к центру. Произойдет коллапс – стремительное сжатие. Коллапсирующее облако всего за половину земного года уменьшится до размеров, которые лишь в 100 раз превышают нынешние размеры Солнца. Это уже не облако газо-пылевой материи, а рождающаяся звезда. Освобождение огромного количества внутренней энергии облака приводит к его разогреву. Во второй фазе своей эволюции формирующаяся звезда быстро вращается, из ее недр вырываются мощные струи вещества. Постепенно размеры такой звезды сокращаются до размеров Солнца, утечка вещества из недр замирает, температура недр достигает значения в 10 млн. градусов, и термоядерная реакция перехода водорода в гелий становится основным источником излучаемой звездной энергии. Молодая звезда полностью сформировалась: она достигла третьей, стабильной стадии своего существования, в которой может спокойно находиться несколько миллиардов лет. Температура поверхности и истинная яркость этой звезды теперь полностью соответствуют характеристикам звезд главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рессела. По мере сгорания водорода температура и давление в недрах звезды увеличиваются. В звезде начинают выделяться очень плотное ядро и разреженная оболочка. Остатки водорода выгорают на границе оболочки и ядра. При этом оболочка непрерывно раздувается и температура на поверхности звезды снижается. Эта звезда – красный гигант. Жизнь звезды – это поединок двух противоборствующих сил. Давление горячих газов постоянно стремится увеличить размеры звезды. Гравитационные силы взаимного притяжения всех составляющих звезду частиц вещества стремятся сжать ее как можно больше. Звезда остается в обычном «уравновешенном» состоянии, пока стремление горячих газов к расширению и гравитационное сжатие взаимно компенсируются. В результате выгорания водородного «топлива» действие гравитационных сил оказывается резко преобладающим. Тогда наступает стремительное сжатие звезды. Теория рассматривает три варианта «агонии» старых звезд. 1. Пусть масса звезды меньше 1,2 массы Солнца. Красный гигант в короткий срок растрачивает остатки водорода. Оболочка рассеивается в пространстве. Небольшое ядро наблюдается теперь как очень плотная и горячая звезда – белый карлик. Вещество белых карликов состоит из стиснутых атомных ядер и электронов. 2. Если исходная масса звезды превосходила массу Солнца более, чем в 1,2 раза, то звезда сжимается до состояния нейтронной звезды. Недра подобной звезды должны состоять из нейтронов. Нейтронная звезда покрыта твердой кристаллической корой толщиной порядка одного километра. Так велика сила тяготения на этой звезде, что самая крупная гора на ее поверхности не смогла бы подняться выше 2,5 см. Нейтронная звезда становится как бы одним цельным атомным ядром фантастических размеров. Плотность нейтронных звезд заключается в пределах от 1012 до 1015 г/см3. 3. Третий теоретически возможный вариант звездной «кончины» представляет собой гравитационное сжатие звезд с массой больше двух масс Солнца. Вокруг них в результате гравитационного сжатия возникает настолько сильное искривление пространства, что электромагнитное излучение вообще не в силах вырваться за пределы этого объекта. Звезды, претерпевающие такое сжатие, становятся невидимыми. Благодаря своему чудовищному гравитационному полю «черная дыра» захватывает и поглощает все проходящее мимо излучение. Черная дыра – это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Граница этой области называется горизонтом событий, а ее радиус (если она сферически симметрична) – гравитационным радиусом. 3. Гипотеза разбегания галактик Великим физикам прошлого И. Ньютону и А. Эйнштейну Вселенная представлялась статичной. Советский физик А. Фридман в 1924 г. выступил с теорией «разбегающихся» галактик. Фридман предсказал расширение Вселенной. Это было революционным переворотом в физическом представлении о нашем мире. Американский астроном Эдвин Хаббл исследовал туманность Андромеды. К 1923 году ему удалось рассмотреть, что ее окраины представляют собой скопления отдельных звезд. Хаббл рассчитал расстояние до туманности. У него оказалось – 900 000 световых лет (более точно рассчитанное на сегодняшний день расстояние составляет 2,3 миллиона световых лет). То есть туманность находится далеко за пределами Млечного Пути – Нашей Галактики. Пронаблюдав эту и другие туманности, Хаббл пришел к выводу о структуре Вселенной. Вселенная состоит из набора огромных звездных скоплений – галактик. Именно они и представляются нам в небе далекими туманными «облаками», поскольку отдельных звезд на столь огромном удалении мы рассмотреть попросту не можем. Э. Хаббл подметил важный аспект в полученных данных, который астрономы наблюдали и прежде, но интерпретировать затруднялись. А именно: наблюдаемая длина спектральных световых волн, излучаемых атомами удаленных галактик, несколько больше длины спектральных волн, излучаемых теми же атомами в условиях земных лабораторий. То есть в спектре излучения соседних галактик квант света, излучаемый атомом при скачке электрона с орбиты на орбиту, смещен по частоте в направлении красной части спектра по сравнению с аналогичным квантом, испущенным таким же атомом на Земле. Хаббл взял на себя смелость интерпретировать это наблюдение как проявление эффекта Доплера. Все наблюдаемые соседние галактики удаляются от Земли, поскольку практически у всех галактических объектов за пределами Млечного Пути наблюдается именно красное спектральное смещение, пропорциональное скорости их удаления. Самое главное, Хабблу удалось сопоставить результаты своих измерений расстояний до соседних галактик с измерениями скоростей их удаления (по красному смещению). Закон Хаббла. Чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется. Математически закон формулируется очень просто: v = H ∙ r , где v – скорость удаления галактики от нас, r – расстояние до нее, H – постоянная Хаббла. И, хотя изначально Хаббл пришел к этому закону по результатом наблюдения всего нескольких ближайших к нам галактик, ни одна из множества открытых с тех пор новых, все более удаленных от Млечного Пути галактик видимой Вселенной, из-под действия этого закона не выпадает. Итак, главное следствие закона Хаббла: Вселенная расширяется. Расширяется сама ткань мирового пространства. Все наблюдатели (и мы с вами не исключение) считают себя находящимися в центре Вселенной. 4. Теория Большого Взрыва Из экспериментального факта разбегания галактик был оценен возраст Вселенной. Он оказался равным – около 15 миллиардов лет! Так началась эпоха современной космологии. Естественно возникает вопрос: а что было в начале? Всего около 20 лет понадобилось ученым, чтобы вновь полностью перевернуть представления о Вселенной. Ответ предложил выдающийся физик Г. Гамов (1904 – 1968) в 40-ые годы. История нашего мира началась с Большого взрыва. Именно так думает большинство астрофизиков и cегодня. Большой взрыв – это стремительное падение изначально огромной плотности, температуры и давления вещества, сконцентрированного в очень малом объеме Вселенной. Все вещество мироздания было сжато в плотный комок протоматерии, заключенный в совсем небольшом в сопоставлении с нынешними масштабами Вселенной объеме. Представление о Вселенной, родившейся из сверхплотного сгустка сверхгорячего вещества и с тех пор расширяющейся и остывающей, получило название теории Большого взрыва. Более удачной космологической модели происхождения и эволюции Вселенной на сегодня не имеется. Согласно теории Большого взрыва, ранняя Вселенная состояла из фотонов, электронов и других частиц. Фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами. По мере расширения Вселенной, она остывала, и на определенном этапе электроны стали соединяться с ядрами водорода и гелия и образовывать атомы. Это случилось при температуре около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 400 000 лет. С этого момента фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Но нам остались «свидетели» той эпохи – это реликтовые фотоны. Считается, что реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно ее заполняет. В результате дальнейшего остывания излучения его температура снизилась и сейчас составляет около 3 К. Существование реликтового излучения было предсказано теоретически в рамках теории Большого взрыва. Оно рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва. 5. Теория самопроизвольного зарождения жизни Исторически одной из первых возникла теория самопроизвольного зарождения. Она была распространена в древнем Китае, Вавилоне и Египте, и затем, в эпоху эллинизма, нашла отражение в трудах Эмпедокла (ок. 490 – 430 до н.э.) и Аристотеля (384 – 322 до н.э.). Согласно концепции самопроизвольного зарождения жизни, в различных веществах могут находиться специфические «активные зерна», которые при попадании в благоприятную среду дают начало живому организму. По мнению Аристотеля, активное начало присутствует в оплодотворенном яйце, но также в солнечном свете, болотной тине, и организмы могут возникать не только путем естественного размножения, но и самозарождаться из почвы, влаги и света под действием природных сил. В 1688 г. итальянский биолог Франческо Реди (1626 – 1698) провел серию экспериментов. В два одинаковых сосуда он поместил куски свежего мяса, один сосуд он закрыл, а другой оставил открытым. Портящееся мясо в открытой колбе было доступно для мух, и вскоре на нем появились их личинки, а в закрытой колбе мясо оставалось чистым. Эксперимент привел Реди к важному выводу. Живые организмы возникают только биогенным путем, т.е. в результате своего размножения, при этом зарождаться самопроизвольно, без участия других организмов, они не могут. Однако, после того как нидерландский натуралист Антоний ван Левенгук (1632 – 1723) впервые наблюдал в сконструированный им самим микроскоп недоступные простому глазу микроорганизмы, интерес к идее самозарождения вновь повысился. Этому способствовали первые опыты с микробами, которые всегда обнаруживались там, где находились питательные вещества. Ученые, проводившие эти опыты, пришли к выводу, что микроорганизмы переносятся вместе с частицами пыли и при попадании на продукты интенсивно размножаются, если же продукты подвергнуть кипячению, то микробы гибнут и при хранении в закрытом сосуде они больше не появляются. Однако сторонники теории самозарождения объясняли это тем, что в результате нагревания исчезает «жизненная сила», а хранение в закрытой посуде препятствует доступу воздуха, без которого самозарождение организмов невозможно. Окончательное опровержение этой теории дал французский биолог Луи Пастер (1822 – 1895). Чтобы доказать, что кипячение не убивает «жизненную силу», он приготовил крепкий мясной бульон и оставил его в открытой колбе. Через некоторое время, несмотря на предварительное кипячение, в бульоне было обнаружено множество бактерий. Вторую часть эксперимента осуществить оказалось гораздо сложнее. Чтобы доказать, что воздух не может инициировать зарождение микробов, необходимо было обеспечить его доступ к стерилизованному бульону, но при этом исключить возможность попадания туда микроорганизмов. Наполнив колбу бульоном и прокипятив, Пастер нагрел горлышко колбы и вытянул его в виде тонкой трубки с двумя изгибами. В результате, микробы вместе с частицами пыли попасть в бульон не могли, оседая на изгибах трубки, а воздух проходил в сосуд совершенно свободно. Результаты эксперимента оказались блестящими: ни через неделю, ни через месяц, ни через год в колбе не появилось ни одного микроба. 6. Теория биохимической эволюции Основоположником теории биохимической эволюции является русский академик А. И. Опарин (1894 – 1980). В основу данной теории положено существенное различие между современными природными условиями Земли и условиями нашей планеты в древние времена. Согласно теории биохимической эволюции, в далеком прошлом нашей планеты происходили абиогенный синтез органических соединений и их дальнейшая эволюция. Современные методы оценки возраста Земли позволяют считать, что она возникла около 4,5 – 5 млрд. лет назад. В 1923 г. А. И. Опарин выдвинул предположение, что первичная атмосфера Земли не содержала свободного кислорода (для сравнения: в современной атмосфере его содержится 21 %). В такой атмосфере могли содержаться аммиак, двуокись углерода, метан и водяной пар. Бескислородный характер первичной атмосферы приводит к двум важнейшим следствиям. Во-первых, в отсутствие кислорода не образуется озоновый слой, который в современной атмосфере располагается на высоте около 20 км и поглощает 99 % ультрафиолетового излучения Солнца. Оно оказывает губительное воздействие на живые ткани, поэтому первые организмы должны были «скрываться» от него под слоем воды или горных пород. Во-вторых, образовавшиеся органические молекулы не подвергались окислению и могли участвовать в дальнейших реакциях (в условиях окислительной атмосферы объекты органического происхождения, не защищенные клеточными мембранами, разлагаются под действием кислорода, что происходит, например, после гибели живого организма и разрушении клеточной стенки). Первые эксперименты, моделирующие первичную атмосферу Земли были поставлены в 1953 г. американским ученым Стэнли Миллером (род. в 1930 г.). Его установка представляла собой колбу, внутри которой создавались электрические разряды. В колбе находилась вода и различные газы, предположительно входящие в состав первичной атмосферы (водород, метан, аммиак и др.). Свободный кислород в системе отсутствовал. При нагревании в установке происходила постоянная циркуляция водяного пара и газов. После нескольких дней эксперимента в колбе образовывались простейшие органические соединения: аминокислоты (строительный материал для белков), азотистые основания (компоненты нуклеиновых кислот) и некоторые другие вещества. Их концентрация возрастала по мере убывания исходных компонентов. Вслед за опытами Миллера последовали аналогичные эксперименты. Разнообразие экспериментов позволяет предположить, что неорганический синтез органических соединений мог быть достаточно распространенным явлением в прошлом нашей планеты. Академик А. И. Опарин считал, что такие реакции происходили в морях и океанах и сопровождались увеличением концентрации образующихся органических веществ, при этом водная среда становилась «первичным бульоном», способным к дальнейшей эволюции. Однако образование органических молекул и их полимеризация являются только началом в длинной цепочке эволюции, которая привела к появлению первых живых клеток, поскольку отдельно взятый белок еще не обладает специфическими свойствами, присущими организму в целом. Поэтому на смену химической эволюции должна была прийти биологическая. Согласно гипотезе А. И. Опарина, предками настоящих клеток были протоклеточные структуры, способные к простейшему обмену с окружающей средой. Они называются коацерватами (от латинского coacervus – сгусток). Взаимодействие нескольких органических молекул приводит к сближению их полярных концов и образованию «коацерватной капли». Возникающие коацерваты обладали значительно бóльшими возможностями, чем отдельные молекулы, поскольку могли поглощать из окружающей среды другие вещества. Появились примитивные мембраны, которые не только выполняли защитные функции, но и способствовали дальнейшему обособлению коацерватов от окружающей среды. Шла дифференциация свойств молекул внутри коацерватов: белки оказались способными регулировать ход химических реакций, приводящих к появлению новых органических веществ, а нуклеотидные цепи постепенно приобрели возможность удваиваться по принципу дополнения. Дальнейшая эволюция этих важнейших свойств привела к появлению наследственного генетического кода, несущего информацию о строении белковых молекул. Таким образом, развитие коацерватов привело к появлению первых примитивных клеток, не имеющих ядра. Это произошло более 4 млрд. лет назад. Постепенно запасы органических веществ, необходимых для питания, истощались, и у некоторых клеток возникла способность использовать солнечную энергию для синтеза органических веществ из неорганических соединений углерода. Так появились организмы, способные к фотосинтезу. Фотосинтез – процесс преобразования солнечной энергии в энергию химических связей органических веществ. Сначала фотосинтез шел без образования молекулярного кислорода. В ходе дальнейшей эволюции организмы стали выделять кислород. Это произошло около 4 млрд. лет назад. Обогащение атмосферы свободным кислородом привело со временем к образованию озона, поглощающего коротковолновое ультрафиолетовое излучение, опасное для живых организмов. Кроме того, возникло дыхание – способ обмена веществ, при котором расщепление органических веществ происходит с участием кислорода. В дальнейшем происходило усложнение клеточного строения и около 2 млрд. лет назад появились первые клетки, имеющие ядро и внутриклеточные структуры. Следующим эволюционным шагом в развитии организмов стало появление многоклеточных форм жизни примерно 1,3 млрд. лет назад. Подтверждением некоторых положений биохимической теории происхождения и развития жизни могут служить ископаемые остатки организмов, обнаруживаемые в древнейших горных породах. 7. Теория панспермии Существование пробелов в концепции биохимической эволюции дает основания многим исследователям в поисках истоков жизни обратиться к теории панспермии, которая отвергает возникновение жизни на Земле и выдвигает идею о ее внеземном происхождении. Согласно теории панспермии, зародыши жизни (например, бактерии или споры микроорганизмов) переносятся в космическом пространстве частицами пыли или небесными телами (кометами и метеоритами). При попадании таких зародышей на подходящую по условиям планету они дают начало биологической эволюции. Следует отметить, что, постулируя внеземное происхождение жизни, теория панспермии не объясняет ее возникновения в целом. Однако современные исследования в области астрофизики позволили несколько расширить идеи этой теории и некоторым образом соотнести их с теорией биохимической эволюции. Толчком к этому послужило обнаружение в метеоритах и кометах органических веществ и организованных элементов невыясненной природы. Еще в 1834 г. шведский химик Якоб Берцелиус (1779 – 1848) при исследовании метеорита Алаис выделил в нем органические молекулы. Это заинтересовало множество других исследователей, и на сегодняшний день перечень обнаруженных в небесных телах органических соединений содержит аминокислоты, азотистые основания, карбоновые кислоты и другие сложные вещества. Это поставило вопрос о происхождении данных соединений: являются ли они продуктом жизнедеятельности организмов или же имеют абиогенную природу. Современные методы исследований позволяют ответить на этот вопрос. Известно, что молекулы аминокислот имеют один несимметрично расположенный атом углерода, следствием чего является существование двух оптических изомеров, правого и левого, поворачивающих луч проходящего через них света. Аминокислоты, образованные биогенным путем, являются левыми изомерами (поворачивают луч света влево), а аминокислоты неорганического происхождения содержат правые и левые изомеры в одинаковых количествах, поэтому оптической активности не проявляют. Это свойство «несимметричности» живого называется хиральностью (греч. сheir – рука) и заключается в несовместимости молекул с их зеркальным отражением, подобно правой и левой руке. Оно присуще не только аминокислотам, но и, например, нуклеиновым кислотам, которые являются правыми изомерами. Поэтому хиральность – еще одна граница между живым и неживым. Изучение аминокислот, найденных в метеоритах, не выявило в них оптической активности, т.е. правых и левых изомеров в них оказалось поровну, поэтому было признано их абиогенное происхождение. Голландский ученый М. Гринберг в лаборатории смоделировал кометные условия: метан, окись углерода и вода при температуре –269˚С подвергались ультрафиолетовому облучению. В результате возникали сложные органические соединения. Таким образом, простое органическое вещество характерно не только для нашей планеты, его можно считать достаточно распространенным и в условиях космического пространства. Гипотеза панспермии предполагает первоначальное зарождение органических веществ не на Земле, а в космическом пространстве. Кроме того, она позволяет надеяться, что существование жизни во Вселенной не ограничивается только нашей планетой. 8. Теория эволюции Первой эволюционной теорией была теория французского ученого Жана-Батиста Ламарка (1744 – 1829). Он пришел к выводу о постепенном развитии сложных организмов из более простых. Первоначальное происхождение примитивных форм жизни Ламарк объяснял действием Божественных сил, однако, для объяснения дальнейшего развития естественным путем он выдвинул два механизма эволюции: упражнение и неупражнение частей организма, обусловленное влиянием внешних факторов среды, и передача потомству приобретенных признаков по наследству. Ламарк обосновал медленное изменение видов с течением времени. При изменении окружающей среды, по его мнению, у животных может возникнуть необходимость в наиболее интенсивном использовании тех или иных органов, или же наоборот, отказ от их использования. Более частое и продолжительное употребление какого бы то ни было органа укрепляет мало-помалу этот орган, развивает его. Постоянное неупотребление органа ослабляет его, приводит в упадок, и, наконец, заставляет его исчезнуть. Например, длинные ноги и шея жирафа – это результат необходимости доставать листья с деревьев, перепонки у водоплавающих птиц появились из-за постоянного раздвигания пальцев и растягивания кожи между ними в поисках пищи, плоское тело у камбалы – от лежания на боку на мелководье. Именно под такими процессами Ламарк понимал упражнение или неупражнение органов, приводившее к их изменениям. Эти изменения закреплялись, передаваясь по наследству потомству, вследствие чего один вид превращался в другой. Такая концепция эволюции подвергалась критике со стороны других ученых. Немецкий зоолог Август Вейсман (1834 – 1914) показал, что если у многих поколений мышей отрезать хвосты, то это не повлияет на длину хвостов у потомков, хотя, с точки зрения Ламарка, вынужденное неиспользование этих органов должно привести к их укорочению. Вейсман объяснил это тем, что такие изменения не влияют на половые клетки особей и, следовательно, не могут передаваться по наследству. Поворотным моментом в становлении теории эволюции стала книга великого английского ученого Чарльза Роберта Дарвина (1809 – 1882) «Происхождение видов путем естественного отбора», изданная в 1859 г. Дарвин пришел к мысли, что среди животных должны действовать механизмы, ограничивающие их численность, поскольку репродуктивный потенциал каждой особи во много раз превышает действительное число ее взрослых потомков, и в среднем количество особей популяции (т.е. число организмов одного вида, населяющих одну территорию) остается постоянным. Большая часть потомства, согласно теории Дарвина, гибнет из-за ограниченности пищевых ресурсов, нападения врагов, изменений условий обитания. Таким образом, Дарвин предложил идею о борьбе организмов за свое существование. Он отмечал, что эта борьба может принимать самые различные формы: внутривидовая, когда конкуренция за пищу и место обитания происходит между особями одного вида, межвидовая (например, между хищниками и их жертвами), и, наконец, борьба с неблагоприятными условиями. В ходе борьбы за существование преимущество имеют те особи, которые оказываются наиболее приспособленными к данным условиям жизни. Поэтому любые благоприятные изменения организма повышают его шансы на выживание и обзаведение потомством, а неблагоприятные в рамках жесткой конкуренции приводят к гибели. Материалом для естественного отбора служит индивидуальная изменчивость организмов. Индивидуальные особенности могут быть полезными для организма, вредными или нейтральными. Если преобладают вредные особенности, организм, вероятнее всего, погибнет в борьбе за существование. Напротив, если в совокупности полезных отклонений окажется больше, шансы на выживание значительно возрастут, и увеличится вероятность появления потомства, несущего такие же признаки. В качестве движущих сил эволюции Ч. Дарвин выделил изменчивость, вызывающую разнообразие признаков организмов, наследственность, передающую изменения потомкам, и естественный отбор, который происходит в борьбе организмов за существование. 9. Ископаемые останки предков человека В 1934 году в Индии были обнаружены останки древнего человека. Он был назван рамапитеком, в честь индийского бога Рамы. Сравнение зубов человекоподобных обезьян, рамапитека и человека показывает, что у рамапитека клыки существенно меньше обезьяньих, и в целом по строению челюсти он близок к человеку. Отсутствие больших клыков означает, что они не служили больше оружием, в качестве которого могли использоваться камни и палки. Наземная жизнь рамапитеков сочеталась с жизнью на деревьях (подобно шимпанзе), они могли частично двигаться на задних конечностях. Возраст останков оценивается примерно в 14 млн. лет. Останки рамапитеков впоследствии были обнаружены также на территории Африки. В 1924 г. в Южной Африке английским исследователем австралийского происхождения были обнаружены древние останки, которые принадлежат так называемым обезьянолюдям, жившим 3,5 – 4 млн. лет назад. Они названы австралопитеками (от лат. australis – южный). Австралопитек – это не обезьяна, а промежуточное существо между человеком и обезьяной. Особенностью австралопитеков и других родственных форм, обнаруженных позднее, была способность к прямохождению и сходное с человеческим строение зубов. Способность передвижения на двух ногах возникла в результате естественного отбора при переходе к жизни на равнине, однако, австралопитеки еще не могли преодолевать таким образом большие расстояния. При этом верхние конечности освободились от передвижения и могли служить для осязания и захвата пищи. Некоторые косвенные данные подтверждают стадный образ жизни у австралопитеков. Орудиями охоты служили камни и дубинки. В 1960-м году в Танзании английский антрополог обнаружил останки древних существ, возраст которых составлял 2 – 2,5 млн. лет. Эти существа отличались от австралопитеков несколько большим объемом мозга и развитием способности к изготовлению простейших орудий и жилищ и поддержанию огня. Этот тип существ был назван гомо хабилис, или человек ловкий, человек умелый. Фактор непосредственно уже перед становлением человека – это высокоразвитый мозг и связанная с ним рассудочная деятельность. «Рассудочная деятельность» означает возможность предвидеть результат той или иной деятельности, то есть целеполагание, другими словами. Обезьяна способна расколоть, разбить камень и даже, может быть, выбрать из этих кусков тот, который ей понравится. Но заранее запланировать форму камня она не может. Австралопитеки, по-видимому, не могли изготовлять орудия. Итак, между австралопитеком и человеком умелым проходит как раз тот рубеж, когда существо способно запланировать результат своей деятельности. Огромное достижение теории антропогенеза – знание времени появления первой человеческой популяции – 2,5 миллиона лет тому назад. Это произошло в Южной Африке. Ошибкой стадиальной теории было то, что одно звено надстраивалось над другим. На самом деле это дерево, причем здесь обязательно и сосуществование, и конкуренция. Голландским врачом на острове Ява были обнаружены останки существа: черепная крышка, бедренная кость и зубы. Оно было названо им питекантропом. Он отличался заметным ростом и размерами черепа, имел скелет, близкий к человеческому. Его возраст примерно 650 тыс. лет. В 1927 году в Китае, недалеко от Пекина, нашли остатки другого ископаемого существа, более развитого, чем питекантроп. Его назвали синантропом (от лат. Sina – Китай), что означает «китайский человек». Аналогичные останки древнейших людей были найдены в Германии (гейдельбергский человек), Алжире и в других местах. Это были крепко сложенные, могучие люди, прекрасные охотники. Гейдельбергский человек первым вступил на землю Европы. Уже первый гейдельбергский человек в Европе строил очень неплохие жилища, причем каменные. Далее эволюция привела к появлению древних людей, первые останки которых были обнаружены в 1856 г. на территории Германии в долине Неандерталь. Человек, которому они принадлежали, был назван по имени долины неандертальцем. Неандертальский человек произошел, несомненно, от гейдельбергского человека. Анатомически современный человек тоже произошел от гейдельбергского человека. Но, как считается, произошел он не в Европе, а в Африке. Первый гейдельбергский человек был в Африке. Одна ветвь его пошла через Гибралтар в Европу и дала неандертальца, а другая – через Босфор, Дарданеллы и дала современного человека. Гейдельбергский человек то ли потеснил, то ли просто истребил неандертальца. Интернациональная группа немецкого исследователя Крингса добыла ДНК из костей неандертальца и сравнила с ДНК современного человека. Ученые пришли к выводу: Неандерталец был бесконечно далек от нас генетически. Настолько далек, что, видимо, расхождение ветвей неандертальского и современного человека произошло примерно 500 тысяч лет тому назад, если не больше. Причем, опять-таки в Африке. А в основном Европа и Азия заселялись уже потомками переселенцев из Африки, людьми современного физического облика, так называемого человека современного анатомического типа. В 1868 г. Во Франции в пещере Кро-Маньон обнаружили скелет человека, развитие которого существенно превосходило всех древних людей. Он был назван кроманьонцем. Предположительно, первые кроманьонцы появились 80 тыс. лет назад и некоторое время сосуществовали с неандертальцами. Сохранились не только ножи, наконечники стрел и другие сложные орудия труда, изготавливаемые кроманьонцами, но и образцы наскальной живописи, что свидетельствует о развитии у них абстрактного мышления. Окончательно современный тип человека закончил формироваться около 10 тыс. лет назад. Долгое время предполагалось, что эволюция человека биологически остановилась, дальше она не идет, и человечество дальше эволюционирует только в историческом плане. Российский ученый, профессор Савельев, специалист по мозгу, пришел к выводу: Даже такая система, как мозг, продолжала эволюционировать, во всяком случае, в течение последнего века и, очевидно, продолжает дальше и будет продолжать эволюционировать. 10. Мышление животных Современная наука разделяет мнение Дарвина: «Разница между психикой высших животных и человека, как бы ни была она велика, это разница в степени, а не в качестве». Подтверждения этому были получены разнообразными методами. Например, американские ученые около 30 лет обучают обезьян простым аналогам языка человека. Мышление – это оперирование конкретно-чувственными и понятийными образами. Одно из определений мышления дал советский психолог Александр Романович Лурия. Он говорил о том, что мышление возникает в ситуации, когда у субъекта нет готового решения, то есть привычного, сформированного за счет обучения, или же инстинктивного. В 60-е годы в Московском университете была организована Лаборатория физиологии генетики и поведения. Одним из первых объектов экспериментов 0оказались вороны. Было разработано несколько элементарных логических задач. Первая из них наиболее популярна, это так называемая задача на экстраполяцию направления движения раздражителя, который исчезает из поля зрения птицы. Голодные птицы просовывают головы через щель, видят перед собой две кормушки – одну с кормом и вторую – пустую. Затем кормушки разъезжаются и скрываются за непрозрачными преградами. Для животного возникает новая ситуация, которую надо разрешить при первом же предъявлении. Животное должно мысленно представить себе траекторию направления движения корма после исчезновения из поля зрения и решить, с какой стороны нужно обойти ширму, чтобы получить корм. С помощью предъявления этой задачи была получена широкая сравнительная характеристика способности элементарной рассудочной деятельности животных. Наибольших успехов достигают хищные млекопитающие и дельфины. И прекрасно решают эту задачу некоторые птицы. Голодная сойка в одной из американских лабораторий оторвала полоску от газеты, постеленной в клетку, согнула ее пополам с помощью клюва и через прутья подскребала к себе кусочки корма, которые валялись снаружи. Одно из важнейших проявлений мышления животных – это способность к изготовлению и применению орудий. В настоящее время в Кембридже исследуют новокаледонскую ворону, вид эндемик, который в природе добывает пищу, регулярно изготовляя и применяя орудия разной формы. Двух птиц, выращенных в неволе, в изоляции от сородичей, привезли в лабораторию и предложили им решить новую для них задачу. Экспериментальная установка представляла собой прозрачный цилиндр, на дно которого помещали ведерко с кормом. Рядом выкладывали палочки, короткие и длинные, прямые и изогнутые. Птицы в достоверном большинстве случаев выбирали крючок, чтобы подцепить ведерко за ручку и достать из этого цилиндра. И однажды возникла совершенно неожиданная ситуация, когда среди предложенных для выбора инструментов не оказалось крючка. И тогда одна из ворон по кличке Бетти, схватила проволочку, заклинила ее в щели стола, загнула, сделала крючок и поддела это самое пресловутое ведерко. Оказалось, что способность приматов, особенно человекообразных, к обобщению и к абстрагированию чрезвычайно высока. Для исследования способности ворон к обобщению признака «большее число элементов» и к символизации использовался выбор по образцу. Птице на специальном подносе предъявляют две кормушки. Кормушки накрыты крышками – карточками (стимулами для выбора). В процессе обучения птица узнает, что корм (черви) находится только в одной из двух кормушек, и старается найти его. О том, в какой из кормушек лежит подкрепление, животное может узнать, сопоставив изображение на карточке-образце, которая находится между кормушками, с изображениями на карточках для выбора. Если птица видит на карточке-образце множество, например, из четырех элементов и скидывает карточку, накрывающую кормушку, на которой также изображено четыре элемента, она найдет искомого червяка. Число элементов на карточках доходило до 25. Была приведена серия экспериментов, в которых птицам предоставлялась возможность свободно выбрать между двумя кормушками, накрытыми карточками с изображениями цифр. Птица могла выбрать любую карточку и получала при этом то количество червей, которое соответствовало изображенному на карточке символу или комбинации символов. Итак, способность к символизации, по крайней мере, ее зачатки, присутствуют у такой специфической группы позвоночных, как птицы. Американская исследовательница Ирен Пепперберг с 1978-го года работает с попугаем по кличке Алекс. Она обучает его специфическим методом 0«модель-соперник». Алекс выучивает слова, соревнуясь и подражая второму экспериментатору, который получает поощрение, если произносит нужное слово и отвечает на вопросы лучше, чем Алекс. Попугай усвоил небольшой лексикон и с его помощью активно отвечает на вопросы. С помощью этого диалога Ирен пытается охарактеризовать суть когнитивных способностей попугая. То есть те вопросы, которые экспериментаторы задают птицам с помощью карточек и каких-то еще стимулов, Ирен задает Алексу впрямую. Она, например, показывает ему какое-то количество предметов и спрашивает: сколько их здесь? Он отвечает – 5. И может пояснить: «Два зеленых и три красных, один круглый и четыре кубика» и т.д. Это исследование очень многоплановое. Это очень ценная работа. Она совпадает с данными российских ученых о способности птиц к обобщению и абстрагированию. 11. Биосфера Биосфера – оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой обусловлены прошлой и современной деятельностью живых организмов. Границы биосферы – это границы существования жизни. Биосфера Земли включает в себя гидросферу, нижнюю часть атмосферы и верхние слои литосферы. Наиболее «заселенными» являются суша и приповерхностный слой океана. Причем, на суше абсолютное большинство организмов составляют зеленые растения (99,2 %). Биосфера – это целостная организованная система живого вещества. Все явления в ней – часть ее единого механизма. В биосфере можно выделить несколько составляющих компонент. 1. Живое вещество, под которым подразумевается вся совокупность организмов на планете (растения, животные, микроорганизмы). Общая биомасса живых организмов в биосфере составляет приблизительно 2,2·1012 т. 2. Биогенное вещество, представляющее собой не сами организмы, а продукты их жизнедеятельности (в частности, нефть, известняки и т.д.). 3. Косное вещество, образование которого не связано с жизнедеятельностью организмов (результат процессов, проходящих в недрах планеты, метеориты). 4. Биокосное вещество, которое является совместным результатом процессов в живой неживой природе (почва, ил). Экологическая система, или биогеоценоз, является элементарной единицей биосферы. Каждая экосистема включает в себя живые организмы и среду их обитания. Примерами экосистем могут служить болота, луга, лесные массивы. Каждая экосистема является саморегулирующейся системой, в которую поступает солнечный свет, почвенные вещества, атмосферные газы, вода и происходит выделение теплоты, кислорода, углекислого газа и продуктов жизнедеятельности. Биотическая, т.е. живая часть экосистемы, образуется совокупностью живых организмов. Их можно разделить на три большие группы. 1. Организмы-производители, – это автотрофы (самопитающиеся), производящие органические вещества в процессе фотосинтеза. К ним относятся растения, а также сине-зеленые водоросли и некоторые виды бактерий. 2. Организмы-потребители – гетеротрофы (питающиеся другими), которые потребляют готовые органические вещества. Причем потребители первого порядка питаются веществами растительного происхождения (травоядные животные), а потребители высших 0порядков используют в качестве пищи вещества животного происхождения (плотоядные животные). 3. Организмы-разрушители тоже являются гетеротрофами. Они разлагают остатки мертвых организмов до простых органических и неорганических соединений. К ним относятся бактерии и грибы. Все виды организмов связаны в экосистеме цепями питания, которые показывают поток энергии от одних организмов к другим. Каждое звено в такой цепи называется трофическим уровнем. Можно сказать, что каждый живой организм годится в пищу кому-то еще. В этом проявляется единство живой природы. Например: сок розового куста тля божья коровка паук насекомоядная птица хищная птица На каждом трофическом уровне происходит потеря части энергии, и, следовательно, понижается продукция вещества. Потери энергии связаны затратами на поддержание жизнедеятельности организмов на каждом трофическом уровне, поэтому каждому последующему звену цепи энергии остается все меньше и меньше. Например, 10 000 кг водорослей обеспечивают накопления 1 000 кг вещества членистоногих, которые, в свою очередь, дают 100 кг мелкой рыбы, затем 10 кг хищной рыбы и, наконец, 1 кг человека. Таким образом, возникает пирамида, которая показывает снижение продукции вещества на каждом трофическом уровне. Все необходимое для жизни человек получает из биосферы. Туда же он сбрасывает бытовые и промышленные отходы. Долгое время Природа справлялась с теми нарушениями, которые человек вносил в ее деятельность и сохраняла равновесие. В настоящее время деятельность человека стала соизмеримой с силами Природы, и Природа уже не способна выдерживать напор преобразующей деятельности человека. Это приводит к формированию глобального экологического кризиса, сопровождающегося обострением глобальных экологических проблем. К ним относятся: проблема народонаселения («демографический взрыв»), изменение состава атмосферы и климата, изменение состояния водных систем, истощение природных ресурсов. Общий подход к решению экологических проблем – достижение сбалансированного развития человечества путем реализации программ по предотвращению экологических катастроф. |