Контрольная работа по "Концепции современного естествознания"

Свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом, т.е. он может проявлять  свойства как волны, так и частицы. В одних случаях можно пренебречь свойствами волны, в других - свойствами частицы.

3. Каково устройство  атома? Какие эксперименты подтверждают  наличие у атома ядра, и его  составную структуру?

Строение атома можно представить  с помощью плоской модели (см. рисунок), являющейся упрощением пространственной модели атома, разработанной Бором  в 1913 г. В такой модели атом состоит  из ядра и некоторого числа электронов, вращающихся вокруг ядра по определенным орбитам. Ядро имеет относительно большую массу и положительный заряд, электрон — малую массу и отрицательный заряд. Положительный заряд ядра и отрицательный заряд всех вращающихся вокруг этого ядра электронов находятся в равновесии, и изолированный атом в нормальном состоянии электрически нейтрален. Суммарный заряд электронов в атоме определяется атомным числом элемента. Орбиты, по которым вращаются электроны, называемые орбитами или оболочками, точно определены, и ни один электрон в атоме не может вращаться и пространстве между оболочками. Оболочки обозначают поелсдовательно, начиная от ядра, буквами К, L, M... Оболочка К может содержать до двух электронов, L - до 8, M до 18 и т. д. На каждой следующей могут находиться электроны лишь в том случае, если предыдущие оболочки заполнены. Только последняя, внешняя, так называемая валентная оболочка, может быть не заполнена. Находящиеся на ней электроны называют валентными. Валентная оболочка определяет хи мических свойства элемента. Ядро вместе с заполненными оболочками образует постоянную часть атома, не подвергающуюся изменениям в химических процессах при изменениях температуры и протекании тока. С каждой оболочкой связана определенная энергия вращающихся на ней электронов. Чем дальше от ядра находится электрон, тем больше его энергия. Наибольшей энергией обладают валентные электроны. Сообщая электронам энергию извне (температура, излучение), можно вызвать их переходы па оболочки с более высокими энергетическими уровнями. Лтом с электронами, находящимися на более высоких энергетических уровнях, называется возбужденным атомом. Такое состояние является неустойчивым —электрон, возвращаясь па низший энергетический уровень, отдаст приобретенную энергию в виде кванта энергии излучения. Определенная доза подводимой извне энергии может сделать электрон независимым от сил притяжения ядра. Лтом, лишенный электрона, называется положительным ионом. Процесс возникновения ионов называется ионизацией. Существует обратное явление — соединение иона с электроном, называемое рекомбинацией.

Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами (см.: атомизм). В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX — начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что атом в действительности не является «неделимым».

На международном съезде химиков  в г. Карлсруе (Германия) в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ. Современное определение атома: Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и компенсирующих его заряд электронов^[2].

4. Какой была  древнейшая жизнь, когда и в  каких условиях она зародилась?

В современном естествознании наиболее обоснованной выглядит теория абиогенного происхождения жизни, выдвинутая в 1923 г. российским биохимиком А.И. Опариным (1894 — 1980). Она основывается на физико-химических представлениях об условиях, имевшихся  на  ранней  Земле,  связывая  их  с  геологической  эволюцией,  эволюцией химических  элементов  Солнечной  системы,  а  также  активностью  Солнца,  и удовлетворяет упомянутым выше условиям возникновения жизни. Основной идеей этой теории  было  обоснование  того,  что  зарождение  жизни —  это  длительный  процесс зарождения  живой  материи  в  недрах  неживой.  Опарин  предположил,  что  сложные органические соединения возникли в океане из более простых соединений. Разнообразие этих  простых  соединений  в  атмосфере  и  протоокеане,  обилие  солнечной энергии, действовавшей длительное  время,  привели к образованию «первичного бульона»,  в котором стали возникать более сложные органические соединения и конгломераты их в виде так называемых коацерватных капель.

Причем это был процесс  самопроизвольного превращения  неорганических соединений в «кирпичики жизни» — биомолекулы: аминокислоты, нуклеотиды, полисахариды и т.д., которые мы более подробно рассмотрим дальше. «Коацерватная» идея А.И. Опарина об абиогенном,  т.е.  небиологическом,  происхождении  преджизненных  форм  материи, возникновении под действием электрических разрядов и коротковолнового излучения органических молекул без участия живых организмов была экспериментально доказана американским ученым С. Миллером в 1953 г. Удалось создать сходные условия при наличии электрических разрядов  в атмосфере смеси метана,  аммиака и воды.  В результате  реакции появились некоторые вещества,  которые входят  в состав  живых организмов: аминокислоты, глутаминовые кислоты и простые сахара, а впоследствии и нуклеиновые кислоты.  Появилась «жизнь  в пробирке»!  Органические  соединения должны  были  возникать в этих  восстановительных условиях  при наличии энергии и вдали от равновесия.

Процесс биохимической эволюции по Опарину можно представить  в виде нескольких этапов:

• Переход воды в процессе охлаждения Земли из парообразного  состояния в жидкое,

образование раздельных атмосферы  и гидросферы и последующая их эволюция. При этом шел синтез простейших неорганических соединений.

• Образование из неорганических соединений (Н , O , СO , ??  и СН ) органических и накопление их в первичном океане в результате энергетического воздействия Солнца, электрических разрядов, космического излучения.

•  Постепенное  усложнение  органических  соединений  и  образование  белковых структур.

• Выделение белковых структур из среды, образование гидрофильных комплексов и создание  вокруг  белков  водной  оболочки.  Эти  комплексы,  согласно  терминологии Опарина,  и  образуют  коацерваты,  составные  части  которых (полипептиды, полинуклеотиды)  выработали  способность обмениваться  энергией  и веществом с отделенной от них окружающей средой и резко увеличивать скорость биохимических реакций. Это в дальнейшем привело к ускорению темпов в целом всей эволюции живого во времени. Так, от протобионтов до появления аэробов (организмов, существующих в

кислородной  среде, «питающихся»  кислородом O )  потребовалось   млрд  лет,  до образования растений и животных ~500 млн лет, птиц, млекопитающих и первых позвоночных — около 100 млн лет, приматов — 12—15 млн лет, человека — 3 млн лет. Здесь свою роль сыграли и многие другие факторы, в частности законы естественного отбора и приспособляемости живых организмов  к изменяющимся  условиям  внешней среды,  а на  уровне «химии жизни» — появление ферментов и автокаталитических реакций.

• В результате образования  гидрофобных липидных границ между  коацерватами и внешней  средой  создание  полупроницаемых  мембран,  обеспечивающих  стабильность функционирования коацервата.

• Связывание друг с другом нуклеотида коацерватов по принципу дополнительности с образованием  цепи  молекул.  Обеспечение  эволюции  сложных  соединений  путем саморегуляции.

•  Появление  возможности  самовоспроизводства  при возникновении генетического кода.  Предполагают,  что таким образом образовалось  живое вещество.  Согласно концепции В.И.  Вернадского,  в образовавшейся  биосфере  есть  косное  вещество, которое остается неизменным, и живое вещество, изменяющееся в процессе эволюции.

Живое  вещество  влияет  на  ход  эволюции.  Современные  условия  жизни  на  Земле  в  значительной степени созданы жизнедеятельностью организмов. Так, практически весь кислород,  содержащийся  в  атмосфере  Земли  в  настоящее  время, —  это  продукт фотосинтеза, происходящего  в живых организмах — растениях. В.И. Вернадский связывал возникновение  жизни с гигантским скачком (бифуркацией  — в рамках синергетики), который  прервал безжизненную эволюцию земной коры и внес в нее столько противоречий, что они смогли породить жизнь, «не как возникновение какого-то  отдельного  живого  организма,  а  именно  их  совокупности,  отвечающей геохимическим  требованиям  жизни».  Коацерваты  как  предвестники  в  дальнейшем клетки живого организма смогли уже «жить сами по себе»: увеличиваться в размерах, делиться  на  части,  обмениваться  энергией  и  веществом  с  окружающей  средой, участвовать в химических реакциях и т.д.

В результате этого возник первичный круговорот веществ в  природе, связанный со взаимным  адиабатическим  обменом органических  веществ в процессах их  синтеза и распада. При этом уже можно считать, что шел процесс естественного отбора и на этом уровне  более устойчивые  соединения  сохранялись,  а малоустойчивые  распадались.  В процессе отбора оставались такие коацерваты, которые не теряли структуры даже при своем делении, что характеризует самоорганизацию и самопроизводство. Если при этом в коацерват попадала молекула, также способная к воспроизведению, и происходила перестройка оболочки коацервата, то могла образоваться простейшая живая клетка, а из нее при получении энергии и вещества из первичного бульона — развиться и простейший организм.

А.  И.  Опарин  считал,  что  когда  в  процессе  этого  обмена  и  химических  реакций  появились  нуклеиновые  кислоты,  процесс  химической  эволюции  как  борьбы протобионтов  заканчивался.  Переход к живому  осуществлялся,  когда на  «смену соревнованию в скорости роста приходила борьба за существование». При появлении надежного механизма воспроизведения генетической  информации  процесс непосредственного возникновения жизни завершился,  эра химической  эволюции закончилась, началась эра биологической эволюции, время естественного отбора. В этих условиях уже недостаточно было просто выжить, нужно было быть способным получать энергию наиболее эффективно и оптимально ее использовать для своего развития.

5. Перечислите  в хронологическом порядке основные  стадии антропогенеза. Укажите  временные рамки для каждой  стадии.

Развитие человека и человекообразных обезьян — это не последовательные ступени, а параллельные ветви эволюции, расхождение между которыми с  эволюционной точки зрения очень  глубокое. Находки палеонтологов свидетельствуют, что приматы появились около 70 млн лет назад.

Примерно 30—40 млн лет назад от общей исходной формы разошлись две ветви эволюции: первая, приведшая к современным высшим обезьянам, и вторая, развитие которой в конечном счете привело к появлению человека современного анатомического типа, В дальнейшем представители этих ветвей в течение многих миллионов лет развивались независимо друг от друга. В ходе эволюции у представителей каждой из двух ветвей выработались специфические особенности биологической организации,' связанные с приспособлением к соответствующему образу жизни.

Древнейшими общими предками человека и человекообразных обезьян (антропоидов) принято считать парапитеков  — малоспециализированных высших обезьян, которые вели как древесный, так и наземный образ жизни. От них произошла вымершая впоследствии сборная группа обезьян — дриопитеки. 
Ученые считают, что именно от какой-то группы дриопитеков, например рамапитеков, начинается эволюционная линия гоминид.

Отечественные антропологи, внесшие большой вклад в разработку теории эволюции человека, выделяют четыре стадии антропогенеза.

I.    Предшественники человека — австралопитековые.

II.    Древнейшие люди — прогрессивные австралопитеки, архантропы (питекантропы, синантропы, атлантропы, гейдельбергский человек и др.).

III.    Древние люди — палеоантропы (неандертальцы).

IV.    Ископаемые люди современного анатомического типа — неоантропы (кроманьонцы).

Предшественники человека. Наиболее ранними представителями  семейства гоминид считаются  австралопитековые (лат. australis — южный и греч. pithecos — обезьяна). Наиболее древние находки австралопитековых (их иногда называют «предавстралопитеки»), найденные в Восточной Африке, датируются 4,5—6,5 млн лет. Изучение остатков скелета этих существ показало, что их зубы почти сходны с человеческими, объем головного мозга достигал более 500 см3, а масса тела составляла 35—55 кг. Они обладали способностью к прямохождению. От них произошли несколько видов более поздних австралопитеков, отличавшихся размерами, массой тела, особенностями в строении черепа. 
Древнейшие люди. Первыми представителями рода Homo, по мнению большинства специалистов, был прогрессивный вариант австралопитека — Человек умелый (Н. habilis). Это название связано с тем, что эти существа умели изготовлять примитивные режущие и рубящие орудия из гальки.

Рост Человека умелого  достигал 150 см, объем мозга был  на 100 см3 больше, чем у других австралопитеков  и имел массу до 650 г. Он имел зубы человеческого типа, а первый палец  стопы, как и у современного человека, не был отведен в сторону. В  морфологическом плане Человек  умелый незначительно отличался  от австралопитеков, но способность  изготовления орудий труда (хотя еще  очень примитивных) позволила ему  преодолеть грань, отделявшую ископаемых человекообразных обезьян от древнейших людей.

Считается, что первая популяция  человеческих существ имеет древность 2—2,5 млн лет. Но, по мнению многих ученых, первые люди могли появиться значительно раньше.

Предполагают, что, расселяясь и попадая в новые условия  существования, популяции Человека умелого образовывали отдельные  изолированные формы архантропов, занимающих по многим существенным признакам  промежуточное положение между  австралопитеком и современным  человеком. 
К настоящему времени известно несколько ископаемых форм архантропов: питекантроп (обезьяночеловек), его останки были обнаружены на острове Ява; синантроп, его останки были обнаружены в пещере близ г. Пекина. Останки ископаемых людей, сходных с питекантропами и синантропами, были обнаружены на территории ФРГ (гейдельбергский человек), Алжира (атлантроп) и многих других стран. Судя по археологическим находкам, популяции архантропов обитали в различных районах земного шара приблизительно от 2 млн до 200 тыс. лет назад. "Ученые считают, что все они относились к одному виду — Человек прямоходящий (Н. erectus).