Шпаргалка по "Концепциям современного естествознания"

1. Слово «естествознание» (естество -природа) означает знание о природе, или природоведение. В настоящее время имеются два определения естествознания. Естествознание-наука о природе, как о единой

целостности. Естествознание-совокупность наук о природе, взятое как единое целое. Первое

определение говорит об одной  единой науке о природе, подчеркивая единство природы, ее нерасчлененность. Второе говорит о естествознании как о совокупности, т.е. множестве наук, изучающих

природу, хотя в нем и  содержится фраза, что это множество следует рассматривать как единое целое. К

естественным наукам относят  физику, химию, биологию, космологию, астрономию, географию, геологию и

частично психологию Целью естествознания, в конечном счете, является попытка решения так

называемых «мировых загадок».Задачей естествознания является познание объективных законов

природы и содействие их практическому использованию в интересах человека. 

Естественнонаучное знание создается в результате обобщения наблюдений, получаемых и накапливаемых в

процессе практической деятельности людей, и само является теоретической основой их деятельности.

2.   В XXI веке естествознание вступает в новую историческую фазу своего развития - на уровень науки, вырастающей на релятивистских основаниях и становящейся наукой интегративных тенденций.

Для науки этого уровня характерно выдвижение на первый план междисциплинарных, комплексных и проблемно-ориентировочных  форм исследовательской деятельности. Все чаще в определении познавательных целей науки начинают играть решающую роль не внутринаучные цели, а цели экономического и социально-политического характера.

Объектами современных междисциплинарных  исследований все чаще становятся уникальные системы, характеризующиеся открытостью  и саморазвитием. Исторически развивающиеся  системы представляют собой более  сложный тип объекта даже по сравнению  с саморегулирующимися системами. Исторически развивающаяся система  формирует с течением времени  новые уровни своей организации, изменяет свою структуру, характеризуется  принципиальной необратимостью процессов  и др. Среди таких систем особое место занимают природные комплексы, в которые включен сам человек (объекты экологии, медико-биологические  объекты, объекты биотехнологии, системы "человек-машина" и др.)

Становление науки этого уровня приводит к изменению методологических установок естественнонаучного  познания:

- формируются особые способы  описания и предсказания возможных  состояний развивающегося объекта  - построение сценариев возможных  линий развития системы ( в том числе и в точках бифуркации);

- идеал построения теории как  аксиоматическо-дедуктивной системы все чаще сочетается с созданием конкурирующих теоретических описаний, основанных на методах аппроксимации, компьютерных программах и т.д.;

- в естествознании все чаще  применяются методы исторической  реконструкции объекта, сложившиеся  в гуманитарном знании;

- по отношению к развивающимся  объектам изменяется и стратегия  экспериментального исследования: результаты экспериментов с объектом, находящимся на разных этапах  развития, могут быть согласованы  только с учетом вероятностных  линий эволюции системы. Особенно  это относится к системам, существующим  лишь в одном экземпляре - они  требуют и особой стратегии  экспериментального исследования, поскольку нет возможности воспроизводить  первоначальные состояния такого  объекта;

- нет свободы выбора эксперимента  с системами, в которые непосредственно  включен человек;

- изменяются представления классического  и неклассического естествознания  о ценностно нейтральном характере научного исследования -современные способы описания объектов (особенно таких, в которые непосредственно включен сам человек) не только допускают, но даже предполагают введение аксиологических факторов в содержание и структуру способа описания (этика науки, социальная экспертиза программ и др.).

3. Можно выделить несколько направлений  математизации естествознания:

- количественный анализ и количественная  формулировка качественно установленных  фактов, обобщений и законов конкретных  наук;

- построение математических моделей (об этом несколько позже) и даже создание таких направлений, как математическая физика, математическая биология и т.д.;

- построение и анализ конкретных  научных теорий, в частности их  языка.

Рассмотрим математику как специфический  язык науки, отличающийся от естественного  языка, где, как правило, используют понятия, которые характеризуют  определенные качества вещей и явлений (поэтому их часто называют качественными). Следующий шаг в исследовании свойств предметов и явлений - образование сравнительных понятий, когда интенсивность какого-либо свойства отображается с помощью чисел. Наконец, когда интенсивность свойства или величины может быть измерена, т.е. представлена в виде отношения данной величины к однородной величине, взятой в качестве единицы измерения, тогда возникают количественные, или метрические, понятия.

Прогресс в научном познании часто связан с введением именно количественных понятий и созданием  количественного языка, которые  и исторически, и логически возникают  на основе языка качественных описаний. Количественный язык выступает как  дальнейшее развитие, уточнение и  дополнение обычного, естественного  языка, опирающегося на качественные понятия. Таким образом, количественные и  качественные методы исследования не исключают, а скорее дополняют друг друга. Известно, что количественные понятия и язык использовались задолго  до того, как возникло экспериментальное  естествознание. Однако только после  появления последнего они начинают применяться вполне сознательно  и систематически. Язык количественных понятий наряду с экспериментальным  методом исследования впервые успешно  использовал Г. Галилей.

Преимущества количественного  языка математики в сравнении  с естественным языком состоят в  следующем:

- такой язык весьма краток и точен. Например, чтобы выразить интенсивность какого-либо свойства с помощью обычного языка, нужно несколько десятков прилагательных. Когда же для сравнения или измерения используются числа, процедура упрощается. Построив шкалу для сравнения или выбрав единицу измерения, можно все отношения между величинами перевести на точный язык чисел. С помощью математического языка (формул, уравнений, функций и других понятий) можно гораздо точнее и короче выразить количественные зависимости между самыми разнообразными свойствами и отношениями, характеризующими процессы, которые исследуются в естествознании. С этой целью используются методы математики, начиная от дифференциального и интегрального исчисления и кончая современным функциональным анализом;

- опираясь на крайне важные  для познания законы науки,  которые отображают существенные, повторяющиеся связи предметов  и явлений, естествознание объясняет  известные факты и предсказывает  неизвестные. Здесь математический  язык выполняет две функции:  с помощью математического языка  точно формулируются количественные  закономерности, характеризующие исследуемые  явления; точная формулировка  законов и

научных теорий на языке математики дает возможность при получении  из них следствий применить богатый  математический и логический аппарат.

Все это показывает, что в любом  процессе научного познания существует тесная взаимосвязь между языком качественных описаний и количественным математическим языком. Эта взаимосвязь  конкретно проявляется в сочетании  и взаимодействии естественно-научных и математических методов исследования. Чем лучше мы знаем качественные особенности явлений, тем успешнее можем использовать для их анализа количественные математические методы исследования, а чем более совершенные количественные методы применяются для изучения явлений, тем полнее познаются их качественные особенности. 

- играет роль универсального  языка, специально предназначенного  для лаконичной точной записи  различных утверждений. Конечно,  все, что можно описать языком  математики, поддается выражению  на обычном языке, но тогда  изъяснение может оказаться чересчур  длинным и запутанным;

- служит источником моделей,  алгоритмических схем для отображения  связей, отношений и процессов,  составляющих предмет естествознания. С одной стороны, любая математическая  схема или модель - это упрощающая  идеализация исследуемого объекта  или явления, а с другой - упрощение  позволяет ясно и однозначно  выявить суть объекта или явления.

Поскольку в математических формулах и уравнениях отражены некие общие  свойства реального мира, они повторяются  в разных его областях. На этом свойстве построен такой своеобразный метод  естественно-научного познания, как математическая гипотеза, когда к готовым математическим формам пытаются подобрать конкретное содержание. Для этого в подходящее уравнение из смежных областей науки подставляют величины другой природы, а затем производят проверку на совпадение с характеристиками исследуемого объекта. Эвристические возможности этого метода достаточно велики. Так, с его помощью были описаны основные законы квантовой механики: Э. Шрёдингер, приняв волновую гипотезу движения элементарных частиц, нашел уравнение, которое формально не отличается от уравнения классической физики колебаний нагруженной струны, дал его членам совершенно иную интерпретацию (квантово-механическую). Это позволило Шрёдингеру получить волновой вариант квантовой механики.

4.  Возможности такого формирования  естествознания во многом обусловлены  ролью философии, т.е. формирование  мировоззренческих позиций в  науке, которые позволили объединить  различные естественнонаучные дисциплины  в одну. Можно выделить два  определения естествознания:

1. естествознание это наука о природе как единой целостности;
2. естествознание как совокупность наук о природе взятая как единое целое.

Первое понятие подчеркивает единство природы само по себе, а второе говорит  о естествознании как о совокупности наук изучающих природу. Принципиального  различия между этими двумя понятиями  нет, т.к. совокупность наук о природе взятая как единое целое и есть одна наука, только наука обобщенная или интегративная.

Необходимость взаимосвязи различных  наук, это процесс объективный, заключается  в том, что понимание природы  и всех процессов возможно только при обладании всей совокупности знаний. Помимо физики и химии, существует физическая химия и химическая физика, это пограничные науки, но их существование  объективно обусловлено, т.к. иногда изучение явления невозможно без интеграции различных направлений науки. 

В естествознание входят следующие  компоненты: физика, химия, биология, психология. Роль математики в естествознании огромна  на всех стадиях развития естествознания. Математика - это общение, точное выражение, создание теории. Это позволяет осуществлять главную функцию науки: получение  новых знаний. При возникновении  естественнонаучных проблем ученые используют методологический подход и  теоретические модели. Философия  в науке отвечает на вопрос: каким образом, как изучить, что для этого нужно. Здесь возникает маленький кризис, не работают старые научные методы, не работают наши математические модели. Мировоззренческая форма позволяет, если есть общие модели, законы найти выход из создавшейся в науке проблемы. 

Система и суммарное множество, в их основе лежит то, что объект нашего изучения состоит из нескольких компонентов. Так, некое множество  мы можем умножить, сложить и получится  некий показатель, но он не будет  иметь большого значения. А система  придает этому смысл. Система  в отличие от суммарного множества, система или системное множество  представляют собой такое множество  элементов или частей, в котором  все элементы не только тесно связаны  друг с другом, но и влияют друг на друга путем качественного преобразования и изменяются сами. Имеется в виду взаимное проникновение знаний, категорий  и т.д. Каждая дисциплина имеет свой предмет, при интеграции они тоже смешиваются. Историческое время возникновения  и развития наук (по возрастанию): механика, физика, химия, биология, психология. Из этой схемы следует, что предыдущие науки, ранее возникшие, являются базой  для следующей. Меньше всего знаний имеется у психологии.

психология  
биология  
химия  
физика  
механика  
Представим, что эти науки составляют квадрат, со всех сторон квадрата идут стрелки, которые характеризуют развитие науки, ее расширение, имеются индивидуальные стрелки от каждой науки, которые могут друг с другом сталкиваться и тогда образуются проблемы и междисциплинарные науки в межузловых точках. Для решения проблем необходимо привлечение знаний из других областей науки. 

Каждая наука старается подвести свое существование к культуре. Это, возможно, означает престижность связи  с культурой. Престижность состоит  в вечности. Культура является неотъемлемым наследием человечества и связываясь с культурой, например, естествознание даст возможность науке на вечное существование науки параллельно с культурой. Однако и культура во многом обязана науке. Например, создание оригинальных строений с использованием научных достижений, восстановление и поиск культурных памятников. Получается, что связь культуры далеко не однобока, они находятся в состоянии симбиоза. 

  5. Аристотель (384–322 гг. до н.э.) - ученик древнегреческого философа Платона, получивший образование в его академии, Аристотель создалв Афинах свою собственную школу – Ликей.

     Математика, физика, астрономия, биология – круг интересов.  Является создателем формальной  логики, он ее называл силлогистикой,  ибо в основе ее лежали силлогизмы, т.е. умозаключения, когда из  двух суждений (посылок) вытекает  определенное следствие.

     Наибольших  успехов среди естественных наук  ему удалось достичь в изучении  живой природы. Он определил  жизнь как способность к самообеспечению, а также к независимому росту и распаду. В своих исследованиях он упоминает несколько сот различных животных. Многие факты, изложены Аристотелем были «переоткрыты» в последующие века.

(Киты – живородящие  животные, он различал хрящевых  и позвоночных рыб, описывал  разведение куриного яйца вплоть  до появления цыпленка).

     Были и наивные  и ложные представления о явлениях  природы. Следуя учителю – Платону, он, приписывал движению некоторое «врожденное» свойство, заставляющее все на Земле стремиться к своему «естесвенному месту» (дым – вверх; камень – вниз).

     Несомненной  заслугой Аристотеля было стремление  к собиранию и систематизации  знаний, накопленных в древнем  мире. Исходя из своих представлений  об отраслях знаний, он впервые  попытался дать классификацию  наук. С точки зрения Аристотеля, следует различать науки:

     теоретические  – (познание ради него самого); практические –(дающие руководящие идеи для поведения человека); и творческие –(для достижения чего-либо прекрасного).

     Теоретические  науки Аристотель разделил на  три части: «первую философию», математику и физику. «Первая  философия» посвященанеким высшим началам всего существующего, недоступным для органов чувств и постигаемым лишь умозрительно. В ведении математики находятся взятые в абстракции числовые и пространственные свойства тел.

Физика изучает различные  состояния тел в природе.

     В истории  науки Аристотель известен также  как автор космологического учения, которое оказало огромное влияние  на миропонимание многих последующих  столетий. Космология (учение о Вселенной)  Аристотеля – геоцентрическое  воззрение: Земля, имеющая форму  шара, неподвижно пребывает в  центре Вселенной. Шаровидность  Земли Аристотель выводит из  наблюдений сделанных им во  время лунных затмений. Эти наблюдения  показали круглую форму земной  тени, надвигающейся на диск Луны. Только шаровидное тело может  отбрасывать в сторону, противоположную  Солнцу, тень, которая представляется  темным кругом на

лунном диске.

     Аристотель  разделил мир на две области,  качественно отличающися друг от друга: область Земли и область Неба. Область Земли имеет в своей основе четыре элемента: землю, воду, воздух и огонь (это те же четыре «стихии»). Область Неба имеет в своей основе пятый элемент –эфир, из которого состоят небесные тела. Самые совершенные – неподвижные звезды состоят из чистого эфира и не подвергаются воздействию четырёх земных стихий. Луна и планеты тоже состоят из эфира, но подвержены воздействию одной из стихий. За оболочкой воздуха вокруг Земли находится самый легкий из элементов – огонь, который помещается в пространстве между Землей и Луной и соприкасается с границей эфира.

     В отличие  от воззрений Демокрита, космология Аристотеля включает представление о пространственной конечности мироздания. В этой конечной протяженности космоса расположены твердые кристально-прозрачные сферы, на которых неподвижно закреплены звезды и планеты. Их видимое движение объясняется движением указанных сфер. С внешней сферой соприкасается «Перводвигатель Вселенной», являющийся источником всякого движения. Он не материален, ибо это есть Бог. (Аристотель рассматривает Бога как разум мирового масштаба,дающий энергию «перводвигателю».)

     Геоцентрическая  космология Аристотеля, впоследствии  математически оформленная и  обоснованная Птолемеем, заняла  господствующееположение в космологии не только поздней античности, но и всего периода Средневековья – вплоть до ХVI века.

6. Хорошо известен рассказ о  жертвенном венце Гиерона. Архимеду поручили проверить честность ювелира и определить, сделан венец из чистого золота или с примесями других металлов и нет ли внутри него пустот. Однажды, размышляя об этом, Архимед погрузился в ванну, и заметил, что вытесненная его телом вода пролилась через край. Гениального учёного тут же осенила яркая идея, и с криком “Эврика, эврика!” он, как был нагой, бросился проводить эксперимент.

Идея Архимеда очень проста. Тело, погружённое в воду, вытесняет  столько жидкости, каков объём  самого тела. Поместив венец в цилиндрический сосуд с водой, можно определить, какое количество жидкости он вытеснит, т.е. узнать его объём. А, зная объём  и взвесив венец, легко вычислить  удельную массу. Это и даст возможность  установить истину: ведь золото -- очень тяжёлый металл, а более лёгкие примеси, и тем более пустоты, уменьшают удельную массу изделия.

Но Архимед на этом не остановился. В труде “О плавающих телах” он сформулировал закон, который  гласит: “Тело, погружённое в жидкость, теряет в своём весе столько, каков  вес вытесненной жидкости”. Закон  Архимеда является (наряду с другими, позже открытыми фактами) основой  гидравлики -- науки, изучающей законы движения и равновесия жидкостей. Именно этот закон объясняет, почему стальной шар (без пустот) тонет в воде, тогда как деревянное тело всплывает. В первом случае вес вытесненной воды меньше веса самого шара, т.е. архимедова “выталкивающая” сила недостаточна для того, чтобы удержать его на поверхности. А тяжело гружёный корабль, корпус которого сделан из металла, не тонет, погружаясь только до так называемой ватерлинии. Поскольку внутри корпуса корабля много пространства, заполненного воздухом, средняя удельная масса судна меньше плотности воды и выталкивающая сила удерживает его на плаву. Закон Архимеда объясняет также, почему воздушный шар, заполненный тёплым воздухом или газом, который легче воздуха (водородом, гелием), улетает ввысь.

Знание гидравлики позволило Архимеду изобрести винтовой насос для  выкачивания воды. Такой насос (кохля) до недавнего времени применялся на испанских и мексиканских серебряных рудниках.

Евклид и его книга “Начала” (планиметрия и стереометрия), являвшаяся в течение многих веков содержанием  школьного курса геометрии, и  послужила поводом для создания новых теорий в области геометрии. Следует отметить, что геометры в  течение двух тысяч лет, относясь к “Началам” Евклида с большим  уважением, подвергали их критике, указывали  на те или иные недостатки и рекомендовали способы “очищения Евклида от пятен”, именно в такой критике рождались новые идеи и наработки в области геометрии

Евклид (около 365- 300 до н.э) работал в Александрии при Птолемее I и возглавлял основанный в то время крупнейший научный центр древности - александрийский Музей. “Начала” Евклида представляют собой обработку ряда греческих сочинений IV в. до н. э. - “Начал”, приписываемых Гиппократу Хиосскому (I-IV и XI книги), арифметических сочинений пифагорейцев (VIII-IX книги), сочинений Евдокса о теории отношений и подобии, и о методе исчерпывания. Его книге “Началам” предпосланы 23 определения, многие из которых носят следы древних традиций. Приведя традиционные определения точки, линии и поверхности, а также прямой линии и плоскости, Евклид приводит определение плоской фигуры, угла, треугольника, круга и его частей и дает классификацию треугольников и четырехугольников. О традиционности этих определений свидетельствует то, что Евклид дает определение ромба и “ромбомоида” (параллелограмма, не являющегося ромбом), которым он нигде не пользуется, а в тексте Евклид применяет только термин “параллелограмм”. В последнем определении дается определение параллельных линий.

Далее следует пять постулатов (допущений). Первые три постулата Евклида - аксиомы  геометрических построений с помощью  идеальной линейки и идеального циркуля.

Книги Евклида состоят из “предложений” - теорем и задач на построение, изложение  теорем. В 1-ой книге доказываются основные теоремы планиметрии до теоремы  Пифагора и обратной ей. Евклид в  своих доказательствах старается  избегать движения и наложения. Наложением он пользуется только в теореме о  равенстве треугольника, а далее  ссылается на эти теоремы. Во 2-й  книге изложена геометрическая алгебра  и, в частности, решены задачи, равносильные решению квадратного уравнения, и задача о квадратуре прямоугольника. В 3-ей книге изложена геометрия окружности, в 4-ой - построение правильных многоугольников, в 5 -ой книге - теория отношений геометрических величин. Далее, в следующих книгах изложены также: теория подобия, основы стереометрии, теоремы об объемах  пирамид и об отношении кругов и круглых тел, основанные “на  методе исчерпывания”, который играл  у древних греков роль нашей теории пределов, построение правильных многогранников.

Критика геометров относилась к  пятому постулату, значительно более  сложному, чем все остальные, который  пытались доказать как теорему. Доказывая  этот постулат от противного, математики нашли много следствий, которые  имели бы место при отказе от этого  постулата.

Только в XIX веке Н.И. Лобачевский  и другие математики пришли к мысли, что эти следствия образуют непротиворечивую геометрию, которую мы в настоящее  время называем геометрией Лобачевского, и 5-й постулат не зависит от остальных  аксиом геометрии Евклида. Критика  теории отношений Евклида, которая  у него была оторвана от теории числовых отношений, состояла в предложении  объединить эти две теории в единую теорию, для чего следовало рассматривать  геометрические величины как числа  нового типа, мы в настоящее время  называем эти числа действительными, или вещественными (Евклид знал только натуральные числа). Также подвергалось критике стремление Евклида избегать движения и наложения, к которому призывал Аристотель, эта установка  Евклида критиковалась многими  последующими геометрами, которые в  своих трудах пользовались движением. Но все же, Евклид кое-где применял движение, следуя за своими предшественниками.

Создание и разработка геометрии  Лобачевского поставили вопрос об исследовании всей структуры системы аксиом, как  евклидовой геометрии, так и других возникших к этому времени  геометрий и выяснения независимости  этих аксиом друг от друга.

Первым такую задачу поставил Мориц Паш. В его “Лекциях о новой геометрии” была выработана новая система аксиом трехмерного евклидова пространства.

Также можно отметить, что эти  учения и наработки в области  геометрии во многом послужили бурному  развитию математики в первые века нашей эры (Евклидова геометрия). Что, в свою очередь, послужило дальнейшему развертыванию и развитию научно-технического прогресса. И привело к созданию целых направлений в области геометрии (XIX в), которые занимались и занимаются в наше время различными исследованиями в данной области.

7. Термин «научная революция» может иметь разное содержание. Самая радикальная его интерпретация заключается в признании одной-единственной революции, которая состоит в победе над невежеством, суевериями и предрассудками.  Множество теорий, в совокупности описывающих известный человеку природный мир, синтезируется в единую научную картину мира. Это целостная система представлений об общих принципах и законах устройства мироздания. Поскольку научная картина мира представляет собой обобщенное, системное образование, ее радикальное изменение нельзя свети к отдельному, пусть даже и к крупнейшему научному открытию. Таких четко и однозначно фиксируемых радикальных смен научных картин мира, т.е. научных революций, в истории развития науки вообще и естествознания в частности можно выделить 3: аристотелевская, ньютоновская и эйнштейновская.

Первая революция в познании мира была осуществлена в 6-4 в.до.н.э., в результате которой и появляется на свет сама наука. Наиболее ясно наука осознала саму себя в трудах великого древнегреческого философа Аристотеля. Он создал формальную логику, т.е. фактические учение о доказательстве. Важнейшим фрагментом античной картины мира стало последовательное геоцентрическое учение о мировых сферах.

Вторая глобальная научная революция приходится на 16-18в. (Н.Коперник, Г.Галилей, И.Ньютон) Ее исходным пунктом считается переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической. Отличие 1 от 2: 1). Классическое естеств-е заговорило языком математическим. Античная наука тоже ценила математику, однако ограничивала сферу ее применения, полагая, что описание земных явлений возможно только качественное.  2) Новоевропейская наука также нашла мощную опору в методах экспериментального исследования явлений со строго контролируемыми условиями. 3) Клас.ест-е разрушило античные представления о космосе как вполне завершенном и гармоничном мире. На смену им пришла концепция бесконечной существующей Вселенной. 4) Доминантой классификацией ест-я, да и всей науки Нового времени, стала механика. 5). Сформировался также четкий идеал научного знания: раз и навсегда установленная абсолютно истинная картина природы, которую можно подправлять в деталях, но радикально переделывать уже нельзя. Итог: механическая научная картина мира на базе экспериментально-математического естествознания.

«Потрясение основ»- третья научная революция на рубеже 19-20в. В это время последовала целая серия блестящих открытий в физике (строение атома, явления радиоактивности). Наиболее значимыми стали теория относительности и квантовая механика. Первая – общая теория пространства, времени и тяготения. Вторая – законы микромира, корпускулярно-волновой дуализм. 1. Ньютоновская естест.-научная револ. Изначально была связана с переходом от геоцентризма к гелиоцентризму. Эйнштейновский переворот в этом плане означал принципиальных отказ от всякого центризма вообще.  Любое наше представление, в том числе и вся научная картина мира в целом относительны. 2. Клас.ест. опиралось и на другие исходные идеализации, интуитивно очевидные и прекрасно согласующиеся со здравым смыслом. Все они оказались неадекватными при описании микро- и мегамиров и потому были видоизменены. 3. Неоклас.ест.-науч. картина мира отвергла клас-ое жесткое противопоставление субъекта и объекта познания. Объект познания перестал восприниматься как сущест-щий «сам по себе». Его научное описание оказалось зависимым от определенных условий познания. 4. Изменилось и «представление» естественно-научной картины мира о самой себе: стало ясно, что «единственно верную», абсолютно точную картину не удастся нарисовать никогда. Любая из таких «картин» может обладать лишь относительной истинностью.

 Т.е., диалектическое единство  прерывности и непрерывности,  революционности и стабильности  можно считать одной из закономерностей  развития науки.

8. Астроном Иоганн Кеплер, продолжатель  дела Коперника, доказал, что  орбиты всех планет представляют  собой вытянутые окружности - эллипсы. 

В 1609 году Галилео Галилей (1564-1642) впервые направил на небо телескоп и сделал открытия, наглядно подтверждающие открытия Коперника. На Луне он увидел горы. Значит, поверхность Луны в какой-то степени сходна с земной и не существует принципиального различия между “земным” и “небесным” . Галилей открыл четыре спутника Юпитера. Их движение вокруг Юпитера опровергло ошибочное представление о том, что только Земля может быть центром небесных тел. Галилей обнаружил, что Венера, подобно Луне, меняет свои фазы. Следовательно, Венера - шарообразное тело, которое светит отраженным солнечным светом. Изучая особенности изменения вида Венеры, Галилей сделал правильный вывод о том, что она движется не вокруг Земли, а вокруг Солнца. На Солнце, олицетворявшем “небесную чистоту” , Галилей открыл пятна и, наблюдая за ними, установил, что Солнце вращается вокруг своей оси. Значит, различным небесным телам, например Солнцу, присуще осевое вращение. Наконец, он обнаружил, что Млечный путь - это множество слабых звезд, не различимых невооруженным глазом. Следовательно, Вселенная значительно грандиознее, чем думали раньше, и крайне наивно было предполагать, что она за сутки совершает полный оборот вокруг маленькой Земли. Открытие Галилея умножили число сторонников гелиоцентрической системы мира и одновременно заставили церковь усилить преследования коперниканцев. В 1616 году книга Коперника “О вращениях небесных сфер” была внесена в список запрещенных книг, а изложенное в ней противоречащим Священному Писанию. Галилею запретили пропагандировать учение Коперника. Однако в 1632 году ему все-таки удалось опубликовать книгу “Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой” , в которой он сумел убедительно показать истинность гелиоцентрической системы, чем и навлек на себя гнев католической церкви. В 1633 году Галилей предстал перед судом инквизиции. Престарелого ученого заставили подписать “отречение” от своих взглядов и до конца жизни держали под надзором инквизиции. Лишь в 1992 году католическая церковь окончательно оправдала Галилея

9. Великий физик XX в., разрушивший казавшиеся незыблемыми позиции классической механики, -Ньютон был первым, кто попытался сформулировать элементарные законы, которые определяют временной ход широкого класса процессов в природе с высокой степенью полноты и точности, и оказал своими трудами глубокое и сильное влияние на все мировоззрение в целом.

Основу методологии И. Ньютона составляют индуктивный  метод и установка на экспериментальное  определение количественных отношений между явлениями действительности.

Основу классической механики составляют три закона, названные законами Ньютона. Первый закон: тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока на него не оказывают воздействие другие тела. Способность тела сопротивляться воздействию на него сил называют инертностью, поэтому  первый закон Ньютона иначе называется законом инерции. Первый закон Ньютона устанавливает существование инерциальных систем отсчета.

Вершиной научного творчества И. Ньютона  является теория тяготения, которая  дает ответ на вопрос о природе  силы, заставляющей двигаться небесные тела. Согласно закону всемирного тяготения тела притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Сила тяготения универсальна, проявляется между любыми двумя материальными телами независимо от их конкретных свойств и действует на любом расстоянии. И. Ньютон показал, что законы движения планет, открытые И. Кеплером, неразрывно связаны с действием силы всемирного тяготения, и являются математическим выражением этой силы. Таким образом, законы И. Кеплера оказались следствиями закона всемирного тяготения. Создание теории тяготения, которую иначе называют небесной механикой, окончательно утвердило победу гелиоцентрической системы Н. Коперника

10.     Ломоносов многое  сделал для разработки атомистической  теории. Он связал в единое  целое материю и движение, заложив  этим основы атомно-кинетической  концепции строения материи, позволившей  с материалистических позиций  объяснить многие процессы и  явления, наблюдаемые в природе.  Считая движение одним из коренных, неотъемлемых свойств материи,  Ломоносов никогда не отождествлял  материю и движение. В движении  он видел важнейшую форму существования  материи. Движение он считал  источником всех изменений, происходящих  в материи. Весь материальный  мир - от огромных космических  образований до мельчайших материальных  частичек, из которых состоят  тела, Ломоносов рассматривал в процессе непрерывного движения. Это в одинаковой мере относилось как к неодушевленным веществам природы, так и к живым организмам.

Русский ученый рассматривал животный и растительный мир природы, все  живые и развивающиеся организмы  как конгломерат, т. е. механическое соединение, состоящее из простых  неорганических тел, которые, в свою очередь, представляли собой совокупность мельчайших частиц. Ломоносов утверждал, что «хотя органы животных и растений весьма тонки, однако они состоят  из более мелких частиц, и именно из неорганических, т. е. из смешанных  тел, потому что при химических операциях  разрушается их органическое строение и из них получаются смешанные  тела. Таким образом, все смешанные  тела, которые производятся из животных или растительных тел природою, или  искусством, так же составляют химическую материю. Отсюда явствует, как широко распространяются обязанности и  сила химии во всех царствах тел».

В многочисленных исследованиях и  высказываниях, характеризующих существо процессов движения в их взаимосвязи  с материей, Ломоносов значительно  опережал выводы современного ему естествознания. В его работах были сделаны  первые шаги в раскрытии диалектики природы, которую он пытался рассматривать  не как застывшую, окостенелую систему, а в процессе непрерывного развития. «Тела,- писал он,- не могут ни действовать, ни противодействовать взаимно без  движения... Природа тел состоит  в действии и противодействии... а  так как они не могут происходить  без движения... то природа тел  состоит в движении, и, следовательно, тела определяются движением». Однако Ломоносов, как уже говорилось, жил  в век механистического материализма. Он понимал движение как простое  механическое перемещение тел. В  этих условиях не представлялось возможным  полностью раскрыть подлинную физическую картину диалектического единства, глубокой неразрывной связи материи  и движения. Ломоносову принадлежит  не только формулировка всеобщего закона природы, но и осуществление экспериментального подтверждения этого универсального закона. Опытную проверку принципа сохранения вещества наиболее убедительно  можно было произвести путем исследования химических процессов. Именно при химических превращениях вещество одного тела частично или полностью переходит в  другое тело. Давнишнюю философскую  идею о вечности и неуничтожимости материи он подкрепил данными физико-химических экспериментов. Благодаря этому отвлеченные философские построения приняли конкретную форму естественнонаучного закона.

11. Концепция силовых линий, предложенная Фарадеем, долгое время не принималась всерьез другими учеными. Физик Максвелл берет под защиту метод Фарадея, его идею близкодействия и поля и разрабатывает его в своих трудах "О физических линиях силы" и "Динамическая теория поля".  В последней работе и была дана система уравнений, которые составляют суть теории Максвелла.

Она сводилась к тому, что изменяющееся магн. поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое эл. поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магн. поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность – эл_магн. поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике - этапа, на котором эл_магн. поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия. Мир стал представляться эл_динамической системой, построенной из эл. заряженных частиц, вз_действующих посредством эл_магн. поля.

 Система уравнений для эл. и магн. полей, разработанная Максвеллом, состоит из 4^х уравнений, которые эквивалентны утверждениям: 1) divE~q, эл. поле, соответствующее какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона; 2) divH=0, магн. заряды не существуют. 3) rotE~dH/dt, переменное магн. поле возбуждает эл. ток; 4) rotH~I+dE/dt, магн. поле возбуждается токами и переменными эл. полями.

Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что свет – разновидность  эл_магн. волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование  давления, оказываемого эл_магн. волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906 г. Лебедевым. Вершиной научного творчества Максвелла явился «Трактат по электричеству  и магнетизму».

Разработав ЭМКМ, Максвелл завершил картину мира классической физики ("начало конца классической физики"). Теория Максвелла является предшественницей электронной теории Лоренца и СТО Эйнштейна.

12. В 1916 г. Эйнштейн опубликовал  общую теорию относительности  (ОТО), над которой работал в течение 10 лет. ОТО обобщила СТО на ускоренные, т.е. неинерциальные системы. Основные принципы ОТО сводятся к следующему: 1) ограничение применимости принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь; (там, где гравитация велика, скорость света замедляется); 2) распространение принципа относительности на все движущиеся системы (а не только на инерциальные).

Из ОТО был получен ряд  важных выводов: 1) Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи. 2) Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения. 3) Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений. В результате этого эффекта линии солнечного спектра должны смещаться в сторону красного цвета, по сравнению со спектрами соответствующих земных источников. Действительно, красное смещение в спектрах небесных тел было обнаружено в 1923-1926 гг. при изучении Солнца, а в 1925г. при изучении спутника Сириуса. Все это явилось убедительным подтверждением ОТО.

13. Формирование идеи квантования  физических величин.

Определение: физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, называются квантованными. А само их выражение  через квантовые числа называется квантованием. Сама идея квантования  сформировалась на основе открытий в  конце 19^го – начале 20^го века. Рассмотрим основные из них.

Открытие электрона. В 1897 г. был открыт е. Его заряд оказался наименьшим, элементарным. Заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов. Таким образом, заряд дискретен, а равенство q=±n∙e представляет собой форму квантования эл. заряда.

Тепловое излучение. Во второй половине 19 в. в результате исследования теплового излучения был открыт ряд законов: Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Однако энергия теплового излучения на всех частотах =∞, что противоречило закону сохранения энергии. Особенно ярко это противоречие проявлялось в области коротких длин волн, поэтому оно получило название «УФ катастрофы».

В 1900 г. Макс Планк: эл_магн. излучение испускается отдельными порциями – квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения. Гипотеза Планка фактически стала началом новой физики – квантовой физики (старая при этом получила название классической). Согласно этим представлениям энергия кванта e = h×n, где n - частота, а h – постоянная Планка, равная 6,626×10^-34 Дж×с. Она является фундаментальной физической константой (квант действия). Таким образом, энергия может принимать лишь дискретные значения, равному целому числу квантов энергии W=n×h×n, где n=1,2,3…-целые числа.

Законы фотоэффекта (19 в.) – явления выбивания электронов из вещества под действием света: 1) независимость энергии выбиваемых электронов от интенсивности света, а зависимость ее только от частоты  световой волны и 2) наличие для  каждого вещества «красной» границы  фотоэффекта, т.е. минимальной частоты, при которой фотоэффект еще возможен.

В 1905 г. Эйнштейн, приняв гипотезу Планка, расширил ее, предположив, что  свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается  тоже квантами (названными впоследствии фотонами). Таким образом, свет представляет собой поток световых частиц –  фотонов. На основе фотонных представлений  и закона сохранения и превращения  энергии Эйнштейн записывает основное уравнение фотоэффекта hn=A+E_k.

В истории развития учения о свете сменяли друг друга  корпускулярная теория света (Ньютон) и волновая (Гук, Гюйгенс, Юнг, Френель), представлявшая свет как механическую волну. В 70-х годах после утверждения  теории Максвелла под светом стали  понимать эл_магн. волну.

В начале 20-го века на основе экспериментов было неопровержимо  доказано, что свет обладает как  волновыми, так и корпускулярными  свойствами. Было также обнаружено, что в проявлении этих свойств  существуют вполне определенные закономерности: чем меньше длина волны, тем сильнее  проявляются корпускулярные свойства света.

В 1924 г. французский физик  де'Бройль выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс Р, обладают волновыми свойствами. Так появилась знаменитая формула де Бройля, l=h/(mV) где m–масса частицы, V–скорость, h–постоянная Планка.

При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальная  возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность (диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств материи).

По совр. представлениям квантовый объект – это не частица, не волна, и даже не то и не другое одновременно. Квантовый объект – это нечто третье, не равное простой сумме свойств частицы и волны. Для выражения свойства квантового объекта у нас в языке просто нет соответствующих понятий. Но, поскольку сведения о микрообъекте, о его характеристиках мы получаем в результате вз_действия его с прибором (макрообъектом), то и описывать этот микрообъект приходится в классических понятиях, т.е. используя понятия волны и частицы.

14. Специальная теория относительности, созданная в 1905г. А.Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея – Ньютона и электродинамики Максвелла – Лоренца. «Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем.

Если бы были найдены абсолютные пространство и время, а следовательно, и абсолютные скорости, то пришлось бы отказаться от принципа относительности, в соответствии с которым инерциальные системы равноправны. Создатель теории относительности сформулировал обобщенный принцип относительности, которые теперь распространяется и на электромагнитные явления, в том числе и на движение света. Этот принцип гласит, что никакими физическими опытами, производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения. Классическое сложение скоростей применимо для распространения электромагнитных волн, света. «Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости. Для того чтобы сообщить телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Это результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света».

В общей теории относительности (ОТО), или теории тяготения, Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы. В ней он также исходит из экспериментального факта эквивалентности масс инерционных и гравитационных, или эквивалентности инерционных и гравитационных полей.  Правда, принцип эквивалентности справедлив только при строго локальных наблюдениях.   

В общей теории относительности  Эйнштейн доказал, что структура  пространства – времени определяется распределением масс материи. Когда  корреспондент американской газеты «Нью-Йорк Таймс» спросил Эйнштейна  в апреле 1921г., в чем суть его  теории относительности, он ответил: «Суть  такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли  бы вдруг, то пространство и время  остались бы. Согласно же теории относительности  вместе с вещами исчезли бы пространство и время»

15.  Третьей естественнонаучная  революция начинается с открытий  Ампера, Эрстеда и Майкла Фарадея.

     Датский физик  Эрстед (1777–1851 гг.) и французский  физик Ампер (1775–1836 гг.) продемонстрировали  на опыте, что проводник с  электрическим током порождает  эффект отклонения магнитной  стрелки. Эрстед высказал мысль,  что вокруг проводника с током  существует магнитное поле,которое является вихревым. Ампер по существу стал творцом новой науки –электродинамики. Ампер заметил, что магнитные явления происходят тогда,когда по электрической цепи течет ток, причем величина магнитного действия зависит от интенсивности движения электричества. Для измерения этой интенсивности Ампер впервые вводит понятие силы тока, поэтому единица силы тока носит его имя – ампер. С помощью своего учения о круговых токах, он сводит магнетизм к электричеству! Это великое открытие!

     Ампер формулирует  до сих пор не известный  закон о взаимодействии токов.  Все явления, которые представляют  взаимодействие тока и магнита,  открытые Эрстедом, входят как  частный случай в законы притяжения  электрических токов.

     Работа Ампера  над созданием электродинамики  продолжалась вплоть до 1826 года, когда вышел в свет его обобщающий  труд «Теория электродинамических  явлений, выведенная из опыта». В этой работе Ампером была  разработана не только качественная  теория, но и количественный закон  для силы взаимодействия токов.  Это один из основополагающих  законов электродинамики.

     Эстафета, принятая  Ампером от Эрстеда, была передана  в руки великого английского  естествоиспытателя Майкла Фарадея  (1791–1867 гг.).

Он открыл явление электромагнитной индукции – возникновение тока в  проводнике вблизи движущегося магнита.

     Исследуя диэлектрики,  Фарадей приходит к мысли о  существенной роли среды в  электрических взаимодействиях.  Изучая характер магнитных явлений,  Фарадей склоняется к мысли,  что передача силы представляет  собой явление, протекающее вне  магнита. Он считает неверным, что эти явления представляют  собой простое отталкивание и  притяжение на

расстоянии, полагая, что  пространство, окружающее магнит, играет столь же существенную роль как и сам магнит.

16. Развитие идей атомизма было связано с исследованием элементарных частиц. Частицы, входящие в состав атома, наз. элементарными. Основным характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа. Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Сущ-ют элемент.частицы не имеющие покоя, - фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны – легкие частицы, мезоны – средние частицы, барионы – тяжелые частицы.

Электрический заряд явл.другой важнейшей характеристикой элем.част. Все известные частицы обладают положит, отриц., либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц 5: фотон, 2 разновидности нейтрино, электрон и протон. Остальные – нестабильные.

Согласно современным  представлениям все элем.частицы делятся на 2 класса: фермионы (кварки, лептоны) и бозоны (фотоны, векторные бозоны, глюоны). Элементарные частицы учавствуют во всех видах известных взаимодействий. Различают 4 вида фундаментальных взаимодействий: сильное (происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей), электромагнитное (примерно в 1000 раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее (не имеющий заряда фотон)), слабое (возможно между различными частицами и связано с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон) и гравитационное (самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц).  Все 4 взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира. 

17. 

Четвертая  глобальная  естественно-научная  революция предопределяется необходимым, но  окончательно  еще  никем  не  осуществляемым  синтезом,доминирующим  в макромасштабах  общей теории  относительности Эйнштейна с выступающими  на  передний  план  в  микромасштабах  квантовыми представлениями  о  строении  материи  в  единую  физическую  теорию, объединяющую  все  четыре  фундаментальных  взаимодействия  - гравитационное, электромагнитное, слабое  и  сильное.

Эта революция фактически еще не осуществлена. Но многие исследователи  считают, что недалеко то время, когда о ней будут говорить как о свершившемся факте.

18.  Макромир был описан классической физикой. Поскольку классическая физика построена на лапласовском детерминизме, то все описания этого мира сводятся к законам сохранения и законам симметрии. Симметрия показывает, что физические измерения не изменяются при перемещении в пространстве. Выделяют следующие операции симметрии: отражение в плоскости симметрии, в центре симметрии,  симметрия подобия. Законы симметрии: однородность пространства – сдвиг системы отсчета не изменяет физических законов; изотропность пространства – все свойства пространства одинаковы по всем направлениям; однородность времени – все моменты времени объективно равноправны, т.е. сдвиг во времени не меняет физических законов; относительности – все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Законы сохранения связаны с представлением, что физические величины не меняются во времени.

Связь законов сохранения с законами симметрии была открыта  Неттером. Из однородности пространства и времени следуют законы сохранения импульса и энергии. Из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса.

В рамках механической картины  мира сложилась дискретная модель реальности. Материя – вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц –  атомов или корпускул. Пространство трехмерно, абсолютно постоянно  и всегда пребывает в покое. Время  не зависит от пространства и материи.

Однако законами классической физики не объяснялись электромагнитные и световые явления. Корпускулярная теория света объясняла законы отражения  и преломления. Волновая теория объясняла  явления интерференции и дифракции.

Максвелл открыл существование  электромагнитного поля. Показал, что  векторы магнитного и электрического полей перпендикулярны друг другу, передача энергии происходит с конечной скоростью, электромагнитное поле существует независимо от проводников и полюсов. Доказал, что световые волны представляют собой электромагнитные волны. Герц экспериментально доказал правоту  Максвелла. После этого установилось представление, что существуют 2 вида материи: дискретно вещество и непрерывное  поле.

С точки зрения классической физики вещество и поле отличаются, как корпускулярно-волновые сущности. Вещество состоит из частиц, а поле непрерывно. Вещество имеет массу  покоя, а поле – нет. Вещество малопроницаемо, а поле полностью проницаемо. Поле распространяется со скоростью свете, а вещество со значительно меньшей  скоростью

19. Начало научной химии связывают  с работами английского ученого  XVII в. Р. Бойля, который предложил понятие химический элемент. По мнению Р. Бойля, химический элемент- это «простое тело», входящее в состав вещества и определяющее его свойства. В химии XVIII в. господствовала теория флогистона, которая была предложена для объяснения процесса горения. Предполагалось, что флогистон — это невесомая субстанция, которую содержат все вещества, способные к горению, и которая выделяется в процессе горения. Открытия в химии середины и конца XVIII в. привели к отказу от теории флогистона. Так, в 1748 г. М.В. Ломоносов сформулировал закон сохранения массы, который не допускает возможности существования невесомой материи. Это закон гласит: .масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. Следующий этап в развитии химии (начало XIX в.) связан с именем английского химика Дж. Дальтона. Исследования химического состава газов позволили Дж. Дальтону сформулировать закон кратных отношений — один из фундаментальных законов химии. Закон кратных отношений утверждает, что массы двух химических элементов в любых возможных соединениях относятся друг к другу; как целые числа.

В начале XIX в. ученые начинают использовать понятие «молекулы». Молекула — это устойчивая совокупность атомов, способная к самостоятельному существованию. Научная революция в химии связана с именем другого русского ученого Д.И. Менделеева, который в 1869 г. предложил периодическую систему химических элементов. Периодическая система, оформленная в виде таблицы, упорядочивала все многообразие известных к тому времени химических элементов и позволяла предсказывать новые. Д.И. Менделеев расположил все элементы в соответствии с возрастанием их атомного веса и показал, что таким образом складывается четкая система. Периодическая система Д.И. Менделеева стала той объединяющей концепцией, которая позволила не только систематизировать, но и объяснить весь накопленный к концу XIX в. эмпирический материал, и стала прочной основой ее временной теоретической химии.

Развитие химии в XX в. шло по линии возрастания дифференцированное внутри комплекса химического знания. Этот процесс привел к разделению на неорганическую и органическую химию и созданию аналитической и физической химии: возникновению целого ряда междисциплинарных исследований, которые со временем обрели самостоятельный научный статус (космохимия, геохимия, агрохимия, биохимия и др.).

20.        Учение о составе веществ является первым уровнем химических знаний. До 20-30-х гг. XIX в. вся химия не выходила за пределы этого подхода. Но постепенно рамки состава (свойств) - стали тесны химии, и во второй половине XIX в. главенствующую роль в химии постепенно приобрело понятие «структура», ориентированное, что и отражено непосредственно в самом понятии, на структуру молекулы реагента.    

Первый действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился в XVII в. в работах английского ученого Р. Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких химических элементов эти тела составлены. У Бойля наименьшими частичками вещества оказывались неосязаемые органами чувств мельчайшие частички (атомы), которые могли связываться друг с другом, образуя более крупные соединения - кластеры (по терминологии Бойля). В зависимости от объема и формы кластеров, от того, находились они в движении или покоились, зависели и свойства природных тел. Сегодня мы вместо термина «кластер» используем понятие «молекула».

В период с середины XVII в. до первой половины XIX в. учение о составе вещества представляло собой всю химию того времени. Оно существует и сегодня, представляя собой первую концептуальную систему химии. На этом уровне химического знания Ученые решали и решают три важнейшие проблемы: химического элемента, химического соединения и задачу создания новых материалов с вновь открытыми химическими элементами.     

Химическим элементом называют все атомы, имеющие одинаковый заряд ядра. Особой разновидностью химических элементов являются изотопы, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у них разная атомная масса), но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и тоже место в периодической системе элементов. Термин «изотоп» был введен в 1910 г. английским радиохимиком Ф. Содди. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.

С момента открытия изотопов наибольший интерес вызвали радиоактивные  изотопы, которые стали широко использоваться в атомной энергетике, приборостроении, медицине и т. д.       

Первое научное определение  химического элемента, когда еще  не было открыто ни одного из них, сформулировал  английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент  фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие.    Открытие французским химиком А. Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об «огненной материи» (флогистоне).        

В Периодической системе  Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном. В 1999 г. было сообщено, что путем физического  синтеза атомных ядер открыт 114-й  элемент.    

Концепция химических соединений. Долгое время химики эмпирическим путем определяли, что относится к химическим соединениям, а что - к простым телам или смесям. В начале XIX в. Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава, в соответствии с которым любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом и тем самым отличается от смесей.      

Теоретическое обоснование  закона Пруста было дано Дж. Дальтоном в законе кратных отношений. Согласно этому закону состав любого вещества можно было представить как простую формулу, а эквивалентные составные части молекулы - атомы, обозначавшиеся соответствующими символами, - могли замещаться на другие атомы.

Химическое соединение - понятие более широкое, чем «сложное вещество», которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента. Это О₂, графит, алмаз и другие кристаллы без посторонних включений в их решетку в идеальном случае».

Дальнейшее развитие химии  и изучение все большего числа  соединений приводили химиков к  мысли, что наряду с веществами, имеющими определенный состав, существуют еще  и соединения переменного состава - бертоллиды. В результате были переосмыслены  представления о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но в XX в. была понята сущность химической связи, которая стала пониматься как вид взаимодействия между атомами и атомно-молекулярными частицами, обусловленный совместным использованием их электронов. 

На этой концептуальной основе была разработана стройная атомно-молекулярная теория того времени, которая впоследствии оказалась не в состоянии объяснить  многие экспериментальные факты  конца XIX - начала XX вв. Картина прояснилась  с открытием сложного строения атома, когда стали ясны причины связи  атомов, взаимодействующих друг с  другом. В частности, химические связи  указывают на взаимодействие атомных  электрических зарядов, носителями которых оказываются электроны и ядра атомов.     

Существуют ковалентные, полярные, ионные и ионно-ковалентные химические связи, отличающиеся характером физического взаимодействия частиц между собой. Поэтому теперь под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой: молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат.     

Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. В зависимости от характера взаимодействия между этими электронами различают  ковалентную, ионную и металлическую  химические связи.      

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам.      

Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованное за счет полного смещения электрической пары к одному из атомов.     

Металлическая связь - это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующаяся за счет притяжения электронов, но перемещающаяся по кристаллу в свободном виде.    

Химическая связь является таким взаимодействием, которое  связывает отдельные атомы в  более сложные образования, в  молекулы, ионы, кристаллы, т.е. в те структурные уровни организации  материи, которые изучает химическая наука. Химическую связь объясняют  взаимодействием электрических  полей, образующихся между электронами  и ядрами атомов в процессе химических преобразований. Прочность химической связи зависит от энергии связи.     

Основываясь на законах термодинамики, химия определяет возможность того или иного процесса, условия его  осуществления, внутреннюю энергию. «Внутренняя  энергия - это общий запас энергии  системы, который складывается из энергии  движения и взаимодействия молекул, энергии движения и взаимодействия ядер и электронов в атомах, в  молекулах и т.п.

21.     Многочисленные эксперименты по изучению свойств химических элементов в первой половине XIX в. привели ученых к убеждению, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул. К этому времени в химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения. Их качественное разнообразие потрясающе велико - сотни тысяч химических соединений, состав которых крайне однообразен, так как они состоят из нескольких элементов-органогенов (углерода, водорода, кислорода, серы, азота, фосфора).           

Особая роль отведена природой углероду. Этот элемент способен организовать связи с элементами, противостоящими  друг другу, и удерживать их внутри себя. Атомы углерода образуют почти  все типы химических связей. На основе шести органогенов и еще около 20 других элементов природа создала  около 8 млн различных химических соединений, обнаруженных к настоящему времени. 96% из них приходится на органические соединения.    

Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном эле ментном составе было найдено в явлениях изомерии и полимерии. Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии.     

Структура - это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы (молекулы). Под данное определение подпадают все структуры, которые исследуются в химии: квантово-механические, основанные на понятиях валентности и химического сродства, и др.     

Она стала более высоким  уровнем по отношению к учению о составе вещества, включив его  в себя. При этом химия из преимущественно  аналитической науки превратилась в синтетическую. Главным достижением этого этапа развития химии стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.

Термин «Структурная химия» условен. В нем подразумевается  такой уровень химических знаний, при котором, комбинируя атомы химических элементов, можно создать структурные  формулы любого химического соединения. Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, для создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.     

Основы структурной химии  были заложены Дж. Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Затем И.-Я. Берцелиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами.    

Важнейшим шагом в развитии структурной химии стало появление  теории химического строения органи ческих соединений русского химика A.M. Бутлерова, который считал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связывает вещества между собой. Иными словами, Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других.  

В XX в. структурная химия получила дальнейшее развитие. В частности, было уточнено понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизмен ной системы. Также было введено понятие атомной структуры -устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с дру гом, - и молекулярной структуры - сочетания ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в простран стве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.   

Однако дальнейшее развитие химической науки и основанного  на ее достижениях производства показали более точно возможности и  пределы структурной химии.              

Структурная химия неорганических соединений  ищет пути  получения кристаллов для производства высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающих термостойкостью, сопротивлением агрессивной среде и другими качествами, предъявляемыми сегодняшним уровнем развития науки и техники. Решение этих   вопросов наталкивается на различные препятствия. Выращивание, например, некоторых кристаллов требует исключения условий гравитации. Поэтому такие кристаллы выращивают в космосе, на орбитальных станциях.

22.  Учение о химических процессах - область науки, в которой осуществлена наиболее глубокая интеграция физики, химии и биологии. В основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, поэтому оно в равной степени принадлежит физике и химии. Одним из основоположников этого научного направления стал русский химик Н.Н. Семенов, основатель химической физики.    Учение о химических процессах базируется на идее, что способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условиями протекания химических реакций, которые могут оказывать воздействие на характер и результаты этих реакций.

Важнейшей задачей химиков  становится умение управлять химическими  процессами, добиваясь нужных результатов. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические (влияют на смещение химического равновесия реакции) и кинетические (влияют на скорость протекания химической реакции). 

Для управления химическими  процессами разработаны термодинамический  и кинетический методы.   

Французский химик А. Ле Шателье в конце XIX в. сформулировал принцип подвижного равновесия, обеспечив химиков методами смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов. Эти методы управления и получили название термодинамических.  Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Это зависит как от природы реагентов, так и от условий процесса. Термодинамические методы преимущественно влияют на направление химических процессов, а не на их скорость.    Скоростью химических процессов управляет химическая кинетика, в которой изучается зависимость протекания химических процессов от строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т. п.    

Химическая кинетика. Объясняет качественные и количественные изменения в химических процессах и выявляет механизм реакции. Реакции проходят, как правило, ряд последовательных стадий, которые составляют полную реакцию. Скорость реакции зависит от условий протекания и природы веществ, вступивших в нее. К ним относятся концентрация, температура и присутствие катализаторов. Описывая химическую реакцию, ученые скрупулезно отмечают все условия ее протекания, поскольку в других условиях и при иных физических состояниях веществ эффект будет разный.    

Задача исследования химических реакций является очень сложной. Ведь практически все химические реакции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора, могущими как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс.    

Катализ - ускорение химической реакции в присутствии особых веществ - катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в конечный состав продуктов. Он был открыт в 1812 г. российским химиком К. Г. С. Кирхгофом.      

Сущность катализа сводится к следующему:

1) активная молекула реагента  достигается за счет их неполновалентного взаимодействия с веществом катализатора и состоит в расслаблении химических связей реагента; 

2) в общем случае любую  каталитическую реакцию можно  представить проходящей через  промежуточный комплекс, в котором  происходит перераспределение расслабленных  (неполновалентных) химических связей.    

Каталитические процессы различаются по своей физической и химической природе на следующие  типы:

гетерогенный  катализ - химическая реакция взаимодействия жидких или газообразных реагентов на поверхности твердого катализатора;  гомогенный катализ - химическая реакция в газовой смеси или в жидкости, где растворены катализатор и реагенты;   электрокатализ - реакция на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока;  фотокатализ - реакция на поверхности твердого тела или в жидком растворе, стимулируется энергией поглощенно го излучения.    

Применение катализаторов  изменило всю химическую промышленность. Катализ необходим при производстве маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся промышленность основной химии основаны на каталитических процессах. Химики не без основания говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором.

С участием катализаторов  скорость некоторых реакций возрастает в 10 млрд раз. Есть катализаторы, позволяющие не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствующие образованию молекул определенной формы, что сильно влияет на физические свойства продукта (твердость, пластичность). 

В современных условиях одно из важнейших направлений развития учения о химических процессах - создание методов управления этими процессами. Поэтому сегодня химическая наука  занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.  

Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме при 1000-10 000 °С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновением молекул с заряженными частицами и очень высокими скоростями химических реакций. В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока, поэтому они очень производительны.

Одним из самых молодых  направлений в исследовании химических процессов является радиационная химия, которая зародилась во второй половине XX в. Предметом ее разработок - стали превращения самых разнообразных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы. В результате радиационно-химических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость.    

Еще одна область развития учения о химических процессах - химия  высоких и сверхвысоких давлений. Химические превращения веществ  при давлениях выше 100 атм относятся к химии высоких давлений, а при давлениях выше 1000 атм - к химии сверхвысоких давлений.         При высоком давлении сближаются и деформируются электронные оболочки атомов, что ведет к повышению реакционной способности веществ.  При высоком давлении сильно меняются физические и химические свойства вещества. Например, при давлении 20 000 атм. металл становится эластичным, как каучук.        

Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в неживой, так и в живой природе. Эти процессы изучают химия, физика и биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача - научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы, другие трудно остановить - реакции горения, взрывы, а часть из них трудноуправляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов.

23.     Эволюционная химия зародилась в 1950 - 1960 гг.   В основе эволюционной химии лежат процессы биокатализа, ферментологии; ориентирована она главным образом на исследование молекулярного уровня живого, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что и служит идеалом для многих химиков.  

 Идея концептуального  представления о ведущей роли  ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности, предложенная французским естествоиспытателем Луи Пастером в ХIXвеке, остается основополагающей и сегодня.     Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия.        

Ферменты- это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, т.е. в пределах примерно от 5 до 40 градусов. Можно сказать, что ферменты - это биологические катализаторы.  

 В основе эволюционной  химии  принцип использования таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т. е. к самоорганизации химических систем.

В эволюционной химии существенное место отводится проблеме «самоорганизации»  систем. Теория самоорганизации «отражает  законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие  уровни сложности в системной  упорядоченности, или материальной организации».  В сущности, речь идет об использовании химического опыта живой природы. Это своеобразная биологизация химии. Химический реактор предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения. Так появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания.

Под эволюционными проблемами  понимают проблемы самопроизвольного синтеза новых химических соединений (без участия человека). Эти соединения являются более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.  Поэтому эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.   

До последней трети XX в. об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, химики не интересовались вопросом происхождения вещества, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека.   

Постепенное развитие науки XIX в., приведшее к раскрытию  структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке. Для освоения опыта живой природы и реализации полученных знания в промышленности химики наметили ряд перспективных путей.    

Во-первых ведутся исследования в области металлокомплексного катализа, который обогащается приемами, используемыми живыми организмами в реакциях с участием ферментов (биокатализаторов).    

Во-вторых, ученые пытаются моделировать биокатализаторы. Уже удалось создать  модели многих ферментов, которые извлекаются  из живой клетки и используются в  химических реакциях. Но проблема осложняется  тем, что ферменты, устойчивые внутри клетки, вне нее быстро разрушаются.    

В-третьих, развивается химия  иммобилизованных систем, благодаря  которой биокатализаторы стали  стабильными, устойчивыми в химических реакциях, появилась возможность  их многократного использования.   

В-четвертых, химики пытаются освоить и использовать весь опыт живой природы. Это позволит ученым создать полные аналоги живых  систем, в которых будут синтезироваться  самые разнообразные вещества. Таким  образом, будут созданы принципиально  новые химические технологии.

Изучение процессов самоорганизации  в химии привело к формированию двух подходов к анализу предбиологических систем: субстратного и функционального.   

Результатом субстратного подхода стала информация об отборе химических элементов и структур.

Химикам важно понять, каким  образом из минимума хими ческих элементов (основу жизнедеятельности живых организ мов составляют 38 химических элементов) и химических соединений (большинство образовано на основе 6—18 элементов) образовались сложнейшие биосистемы.    

Функциональный подход в  эволюционной химии. В рамках этого подхода также изучается роль катализа и выявляются законы, которым подчиняются процессы самоорганизации химических систем.

Роль каталитических процессов  усиливалась по мере усложнения состава  и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые ученые стали связывать химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием  каталитических систем.

На основе этих наблюдений профессор МГУ А.П. Руденко выдвинул теорию саморазвития открытых каталитических систем. Очень скоро она была преобразована  в общую теорию химической эволюции и биогенеза. В ней решены вопросы  о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах  химической эволюции, об отборе элементов  и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.   

Сущность этой теории состоит  в том, что эволюционирующим веществом  являются катализаторы, а не молекулы. При катализе идет реакция химического  взаимодействия катализатора с реагентами с образованием при этом промежуточных  комплексов со свойствами переходного  состояния. Именно такой комплекс Руденко  назвал элементарной каталитической системой. Если в ходе реакции идет постоянный приток извне новых реактивов, отвод  готовой продукции, а также выполняются  некоторые дополнительные условия, реакция может идти неограниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы являются элементарными открытыми каталитическими системами.   

Саморазвитие, самоорганизация  и самоусложнение каталитических систем происходят за счет постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальное эволюционное преимущество получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Таким образом, реакция является не только источником энергии, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.     

Тем самым Руденко сформулировал  основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью  и вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений катализаторов, которые связаны с ростом их абсолютной каталитической активности. При этом по параметру абсолютной каталитической активности складываются механизмы  конкуренции и естественного  отбора.       

 Теория саморазвития каталитических систем дает следующие возможности: выявлять этапы химической эволюции и на этой основе классифицировать катализаторы по уровню их организации; использовать принципиально новый метод изучения катализа; дать конкретную характеристику пределов в химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу, связанного с преодолением второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.        

 Набирает теоретический  и практический потенциал новейшее  направление, расширяющее представление  об эволюции химических систем, - нестационарная кинетика.

Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих проблем, которые встали перед  человечеством в результате его  наукоемкой и энергоемкой практической деятельности.         

Химическая наука на ее высшем эволюционном уровне углубляет  представления о мире. Концепции  эволюционной химии, в том числе  о химической эволюции на Земле, о  самоорганизации и самосовершенствовании  химических процессов, о переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения  жизни во Вселенной

24.  Открытые Ж. Л. Гей-Люссаком в начале 19 в. законы, описывающие некоторые свойства газов.

1) Закон теплового расширения  газов утверждает, что изменение  объёма данной массы газа при  постоянном давлении прямо пропорционально  изменению температуры

(v₂ -- v₁)/v₁ = aDt      или     v₂ = v₁ (1 + aDt),

где v₁ -- объём газа при исходной температуре t₁; v₂ -- при конечной t₂; Dt = t₂ -- t₁; a -- коэффициент теплового расширения газов при постоянном давлении. Величина a для всех газов при нормальных условиях приблизительно одинакова и при измерении температуры газа в °С a = 1/273,15 (или 0,00367). Сочетая этот закон с законом Бойля--Мариотта, Э. Клапейрон вывел уравнение состояния идеального газа, связывающее р, v и Т (см. Клапейрона уравнение).

2) Закон объёмных отношений гласит, что объёмы газов, вступающих  в химическую реакцию, находятся  в простых отношениях друг  к другу и к объёмам газообразных  продуктов реакции. Другими словами,  отношение объёмов, в которых  газы участвуют в реакции, соответствует  отношению небольших целых чисел.  Измеряя при одинаковых условиях  объёмы водорода, хлора и хлористого  водорода, Гей-Люссак нашёл, что  один объём водорода и один  объём хлора, соединяясь, дают  два объёма хлористого водорода, т. е. отношение объёмов равно  1: 1: 2. Сходная картина имеет место  и при других реакциях с  участием газов. Этот закон  сыграл важную роль в создании  атомно-молекулярной теории. Он послужил  толчком для открытия Авогадро  закона, с помощью которого Авогадро  впервые сделал правильный вывод  о составе молекул простых  газов (H₂, Cl₂, N₂ и т.д.) и строго разграничил понятия атома и молекулы. Когда молекулярные формулы всех газов точно известны, отыскание отношения объёмов газов, вступающих между собой в реакцию, уже не требует сложных измерений. Так, из уравнения синтеза хлористого водорода из водорода и хлора Н₂ + Cl₂ = 2HCl легко видеть, что отношение объёмов газов в этом случае равно 1: 1: 2.

Закон Авогамдро -- одно из важных основных положений химии, гласящее, что «в равных объёмах различных газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и тоже число молекул». Второе следствие из закона Авогадро: молярная масса первого газа равна произведению молярной массы второго газа на относительную плотность первого газа по второму.

Закон Пруста - Открыл гидроокиси металлов, показал, что металлы могут образовывать более одного оксида и сульфида. Выделил из виноградного сока глюкозу.

Закон постоянства состава один из основных законов химии: каждое определённое химическое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же элементов, причём отношения их масс постоянны, а относительные количества их атомов выражаются целыми числами.

25.  Учение о составе веществ является первым уровнем химических знаний. До 20-30-х гг. XIX в. вся химия не выходила за пределы этого подхода. Но постепенно рамки состава (свойств) - стали тесны химии, и во второй половине XIX в. главенствующую роль в химии постепенно приобрело понятие «структура», ориентированное, что и отражено непосредственно в самом понятии, на структуру молекулы реагента.

Химическим соединением  называется атомно-молекулярная система, обладающая следующими признаками:

1) содержанием большего  числа атомов ограниченного числа  «сортов»;

2) каждому сорту атомов  соответствует определенная координация  постоянных, определяющих индивидуальность  химического соединения, распределение  атомов по сортам (состав);

3) способностью существовать  в виде одного или нескольких  химических веществ.

На этом уровне решались вопросы  определения химического элемента, химического соединения и получения  новых материалов на базе более широкого использования химических элементов.

Первое научное определение  химического элемента, когда еще  не было открыто ни одного из них, сформулировал  английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент  фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие.

Открытие французским  химиком А. Л. Лавуазье кислорода  и установление его роли в образовании  различных химических соединений позволило  отказаться от прежних представлений  об «огненной материи» (флогистоне).

В Периодической системе  Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном. В 1999 г. было сообщено, что путем физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент.

Вопросы,  связанные  с  химическими соединениями,  длительное время не вызывали споров в среде химиков. Казалось    очевидным, что именно относится к химическим соединениям, а что - к простым телам или смесям.

В результате химических и  физических открытий претерпело изменение  классическое определение молекулы.

Молекула понимается как  наименьшая частица вещества, которая  в состоянии определять его свойства и в то же время может существовать самостоятельно. Представления о  классе молекул расширились, в него включают ионные системы, атомные и  металлические монокристаллы и  полимеры, образующиеся на основе водородных связей и представляющие собой уже  макромолекулы. Они обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в  строго постоянном составе.

С открытием физиками природы  химизма как обменного взаимодействия электронов химики совершенно по-другому  стали рассматривать  химическое соединение.

«Это качественно определенное вещество, состоящее из одного или  нескольких химических элементов, атомы  которых за счет химической связи  объединены в частицы-молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты.

Химическое соединение - понятие  более широкое, чем «сложное вещество», которое должно состоять из двух и  более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента. Это О₂, графит, алмаз и другие кристаллы без посторонних включений в их решетку в идеальном случае».

Структурная химия представляет собой уровень развития химических знаний, на котором доминирует понятие «структура», т.е. структура молекулы, макромолекулы, монокристалла. Структура – это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы.

С возникновением структурной  химии у химической науки появились  неизвестные ранее возможности  целенаправленного качественного  влияния на преобразование вещества. В настоящее время на уровне структуры  молекулы понимается и пространственная и энергетическая упорядоченность.

26.  Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в неживой, так и в живой природе. Эти процессы изучают химия, физика и биология. Принципиальная задача – научиться управлять химическими процессами. Для этого разработаны термодинамический и кинетический методы.

Все химические реакции имеют  свойство обратимости, происходит перераспределение  химических связей. Обратимость удерживает равновесие между прямой и обратной реакциями. Смещение равновесия в ту или другую стороны требует специальных  способов управления реакциями. Все  проблемы, связанные с такими сложными процессами, решает химическая кинетика. Она устанавливает зависимость  химических реакций от различных  факторов.

Эволюционная химия зародилась в 1950 - 1960 гг. Под эволюционными проблемами следует понимать проблемы самопроизвольного синтеза новых химических соединений (без участия человека). Эти соединения являются более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

В основе эволюционной химии  лежат процессы биокатализа, ферментологии; ориентирована она главным образом на исследование молекулярного уровня живого, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что и служит идеалом для многих химиков.

В эволюционной химии существенное место отводится проблеме «самоорганизации»  систем. Теория самоорганизации «отражает  законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие  уровни сложности в системной  упорядоченности, или материальной организации».

27.  В 60-х годах 20-го века  было экспериментально установлено,  что в ходе хим. эволюции (ХЭ) отбирались те хим. структуры,  которые способствовали резкому  повышению активности и избирательной  способности катализаторов. Это  позволило профессору МГУ Руденко  в 1964 г. теорию саморазвития  открытых каталитических систем, которая по праву можно считать  общей теорией хемо и биогенеза.

Сущность этой теории состоит в  том, что ХЭ представляет собой саморазвитие каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы.

Руденко сформулировал и основной закон ХЭ: с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Саморазвитие, самоорганизация систем может происходить  только за счет постоянного притока  энергии, источником которой является основная, т.е. базисная реакция. Из этого  следует, что максимальные эволюционнные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций.

На ранних стадиях ХЭ мира катализ  отсутствовал. Первые проявления катализа начинаются при понижении температуры  до 5000° К и ниже и образовании первичных твердых тел. Полагают также, что когда период хим. подготовки, т.е. период интенсивных и разнообразных хим. превращений сменился периодом биологической эволюции, ХЭ как бы застыла.

Прикладное значение эволюционной химии.Эволюционная химия не только помогает раскрыть механизм биогенеза но и позволяет разработать новое управление химическими процессами, предполагающее применение принципов синтеза себе подобных молекул и создание новых мощных катализаторов, в том числе биокатализаторов — ферментов, а это, в свою очередь, является залогом решения задач по созданию малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных процессов.

28. Биология – это наука о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.

Современная биологическая  наука – результат длительного  процесса развития. Интерес к познанию живого у человека возник очень давно. Одним из первых биологов древности  был Аристотель.

В настоящее время биология представляет собой целый ряд  наук о живой природе. Структуру  ее можно рассматривать с разных точек зрения.

1. По объектам исследования биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию.
2. По свойствам, проявления живого в биологии выделяются: морфология – наука о строении живых организмов; молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток; экология, рассматривающая образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой; генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости.
3. По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются: анатомия, изучающая макроскопическое строение животных; гистология, изучающая строение тканей; цитология исследующая строение живых клеток.

В развитии биологии выделяют 3 основных этапа: 1) систематики (К.Линней), 2) эволюционный (Ч.Дарвин), 3) биологии микромира (Г.Мендель). Каждый из них связан с изменением представлений о мире живого, самих основ биологического мышления, со сменой биологическим парадигм.

29. Традиционная или натуралистическая биология. Ее объектом изучения является живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности — «Храм природы», как называл ее Эразма Дарвина. Истоки традиционной биологии восходят к средним векам, хотя вполне естественно здесь вспомнить и работы Аристотеля, который рассматривал вопросы биологии, биологического прогресса, пытался систематизировать живые организма («лестница Природы»). Оформление биологии в самостоятельную науку — натуралистическую биологию приходится на 18-19 века. Первый этап натуралистической биологии ознаменовался созданием классификаций животных и растений. К ним относятся известная классификация К. Линнея (1707 — 1778), являющаяся традиционной систематизацией растительного мира, а также классификация Ж.-Б. Ламарка, применившего эволюционный подход к классифицированию растений и животных. Традиционная биология не утратила своего значения и в настоящее время. В качестве доказательства приводят положение экологии среди биологических наук а также во всем естествознании. Ее позиции и авторитет в настоящее время чрезвычайно высоки, а она в первую очередь основывается в принципахтрадиционной биологии, поскольку исследует взаимоотношений организмов между собой (биотические факторы) и со средой обитания (абиотические факторы).

К. Линней своей искусственной классификацией подытожил длительный исторический период эмпирического накопления биологических знаний 

Вместе с тем Линней осознавал ограниченность искусственной системы и ее возможности. “Искусственная система, - писал он, служит только до тех пор, пока не найдена естественная. Первая учит только распознавать растения. Вторая научит нас познать при роду самого растения”.  
Естественная система есть идеал, к которому должны стремиться ботаника и зоология.  
“Естественный метод есть последняя цель ботаники”,- отмечал Линней; его особенность в том, что он “включает все возможные признаки. Он приходит на помощь всякой системе, закладывает основание для новых систем. Неизменный сам по себе, он стоит непоколебимо, хотя открываются все новые и новые бесконечные роды. Благодаря открытию новых видов, он лишь совершенствуется путем устранения излишних примет”. 

То, что Линней называет “естественным методом”, есть, в сущности, некоторая фундаментальная теория живого. Таким образом, историческая заслуга Линнея в том, что через создание искусственной системы он подвел биологию к необходимости рассмотрения колоссального эмпирического материала с позиций общих теоретических принципов, поставил задачу его теоретической рационализации.

31.  Основоположником эволюционной теории в биологии считается Дарвин. В каком-то смысле толчком к развитию теории эволюции можно считать книгу Мальтуса «Трактат о народонаселении» (1778), в котором он показал, к чему бы привел рост народонаселения, если бы он ничем не сдерживался. Дарвин применил подход Мальтуса на другие живые системы. Исследуя изменения численности популяций, он пришел к объяснению эволюции путем естественного отбора (1839 г). Таким образом, наибольший вклад Дарвина в науку заключается не в том, что он доказал существование эволюции, а в том, что он объяснил, как она может происходить.

В это же время другой естествоиспытатель Уоллес пришел к тем же выводам. Согласно теории Дарвина – Уоллеса, механизмом, с помощью которого возникают  новые виды, служит естественный отбор. Эта теория основывается на трех наблюдениях  и двух выводах, которые удобно представить  в виде схемы:

32. Каждая живая система состоит  из единиц подчиненных ей уровней  организации и является единицей, входящей в состав живой системы,  которой она подчинена. Например, организм состоит из клеток, являющихся  живыми системами, и входит  в состав биосистем. 

Существование жизни  на всех уровнях подготавливается и  определяется структурой низшего уровня: характер клеточного уровня организации  определяется молекулярным, характер организменного – клеточным и т.д.

1) Молекулярный уровень. Несет отдельные, хотя и существенные признаки жизни. Основу всех животных, растений и вирусов составляют 20 аминокислот и 4 одинаковых оснований, входящих в состав молекул нуклеиновых кислот. 2) Клеточный уровень. Клетка является основной самостоятельно функционирующей элементарной биологической единицей, характерной для всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. 3) Тканевый уровень. Совокупн. клеток с одинаковым типом организации составляет ткань. Возник вместе с появлением многоклеточных животных и растений, имеющих различающиеся между собой ткани. 4) Органный уровень. Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы. 6 основных тканей входят в состав органов всех животных и 6 основных тканей образуют органы у растений. 5) Организменный уровень. Здесь обнаруживается чрезвычайно большое многообразие форм, которое объясняется не разнообразием дискретных единиц низшего порядка (клеток, тканей, органов), а усложнением их комбинаций. 6) Популяционнно-видовой уровень. Совокупность организмов одного вида, населяющих определенную территорию, составляет популяцию. П. – недоорганизменная живая система, которая является элементарной единицей эволюционного процесса, входит в состав биоценозов. 7) Биоценотический уровень. Биогеоценозы – исторически сложившиеся устойчивые сообщества популяций различных видов, связанных между собой и окружающей средой обменом веществ, энергии и информации. Они являются элементарными системами, в которых осуществляется вещественно-энергетический круговорот, обусловленный жизнедеятельностью организмов. 8) Биосферный уровень. Совокупность биогеоценозов составляют: биосферу и обуславливают все процессы, протекающие в ней.

Уровни материи в  биологии отличаются не столько размерами  или уровнями сложности, но главным  образом, закономерностями функционирования.

33. Теории самозарождения. Новая версия получила название теория химической эволюции. Одним из главных ее пропагандистов стал биохимик-марксист Александр Опарин (1894-1980).

Он изложил свои идеи в книге  «Происхождение жизни», опубликованной в Советском Союзе в 1924 году и  переведенной на английский язык в 1938 году. Теорию Опарина горячо поддержал  кембриджский профессор Хэлдейн. Хэлдейн выдвинул гипотезу о том, что на первобытной Земле скопились огромные количества органических соединений, образовав то, что он назвал горячим разбавленным бульоном .

Современное двуединое понятие  первобытного бульона и самозарождения жизни исходит из теории Опарина-Хэлдейна о происхождении жизни.

Теория эта общепризнана, преподается в школах и колледжах.

Первобытная Земля имела разреженную (то есть лишенную кислорода) атмосферу.

Когда на эту атмосферу стали  воздействовать различные естественные источники энергии - например, грозы  и извержения вулканов - то при этом начали самопроизвольно формироваться  основные химические соединения, необходимые  для органической жизни.

3. С течением времени молекулы  органических веществ накапливались  в океанах, пока не достигли  консистенции горячего разбавленного  бульона. Однако в некоторых  районах концентрация молекул,  необходимых для зарождения жизни,  была особо высокой, и там  образовались нуклеиновые кислоты  и протеины.

4. Некоторые из этих молекул  оказались способны к самовоспроизводству.

5. Взаимодействие между возникшими  нуклеиновыми кислотами и протеинами в конце концов привело к возникновению генетического кода.

6. В дальнейшем эти молекулы  объединились, и появилась первая  живая клетка.

7. Первые клетки были гетеротрофами,  они не могли воспроизводить  свои компоненты самостоятельно  и получали их из бульона.  Но со временем многие соединения  стали исчезать из бульона,  и клетки были вынуждены воспроизводить  их самостоятельно. Так клетки  развивали собственный обмен  веществ для самостоятельного воспроизводства.

8. Благодаря процессу естественного  отбора из этих первых клеток  появились все живые организмы,  существующие на Земле.

Наибольшим успехом теории Опарина-Хэлдейна стал широко разрекламированный эксперимент, проведенный в 1953 году американским аспирантом Стэнли Миллером.

34. Новая, синтетическая теория эволюции (Э.) представляет собой синтез  основных эволюционных идей Дарвина,  прежде всего, идеи естественного  отбора, с новыми результатами  биологич. исследований в области наследственности и изменчивости.

Совр. теория эволюции имеет особенности: 1) ясно выделяет элементарную структуру, с которой начинается эволюция – это популяция; 2) выделяет элементарное явление (процесс) эволюции – устойчивое изменение генотипа популяции; 3) шире и глубже истолковывает факторы и движущие силы эволюции; 4) четко разграничивает микроэволюцию и макроэволюцию.

Микроэволюция – совокупность эволюционных изменений, происходящих в генофондах популяций за сравнительно небольшой период времени и приводящих к образованию новых видов. Макроэволюция связана с эволюционными преобразованиями за длительный исторический период, которые приводят к возникновению надвидовых форм организации живого. Изменения, изучаемые в рамках микроэволюции, доступны непосредственному наблюдению, тогда как макроэволюция происходит на протяжении длительного периода, и ее процесс может быть только реконструирован, мысленно воссоздан. Как микро так и макроэволюция происходят, в конечном итоге, под влиянием изменений в окружающей среде.

Основные законы эволюции: 1) Скорость эволюции в разные периоды  неодинакова и характеризуется  тенденцией ускорения. В настоящее  время она протекает быстро, и  это отмечается появлением новых  форм и вымиранием многих старых. 2) Эволюция различных организмов происходит с разной скоростью. 3) Новые виды образуются не из наиболее высокоразвитых и специализированных форм, а из относительно простых, неспециализированных форм. 4) Эволюция не всегда идет от простого к сложному. Существуют примеры «регрессивной» эволюции, когда сложная форма давала начало более простым (некоторые группы организмов, например, бактерии, сохранились только благодаря упрощению своей организации). 5) Эволюция затрагивает популяции, а не отдельные особи и происходит в результате мутаций, естественного отбора и дрейфа генов.

35. Генетика - наука о закономерностях  и  материальных  основах   изменчивости  и наследственности организмов. Она явл. основой селекции, на ее  базе  создана синтетическая теория эволюции. Генетика прошла в своем развитии 7  этапов  и  явилась примером смены науч парадигмы:  1  эт.  Опыты Менделя 1865  г.  Он установил законы  наследственности,  скрещивая  горох.  2  эт.  Исследования Вейсмана показали  что половые клетки  явл.  обособленными от  остального организма и не подвержены влиянию, действовавшему на соматич. Ткани.  3  эт. Гуго де Фриз - открывает сущ. наследуемых мутаций,  предполагая,  что новые виды возникают в следств. их  воздействия.  4  эт.  Томас Морган  -  создал хромосомную  теорию  наследственности,  в  соотв.  с  которой  каждому  виду присуще свое число хромосом. 5 эт. Меллер - 1927г.  установил,  что генотип может изменятся под действием рентгеновских лучей.  От  сюда  берут начало некоторые мутации. 6 эт.  Татум  и Бидл  в 1941  г.  выявили ген.  Основу процессов биосинтеза. Наконец 7 эт. Исследования Уотсона и Крика,  которые предложили модель молекулярной структуры  ДНК  и  механизма  ее  репликации.

Выяснили, что именно ДНК  отвечает за перенос информации.  Т.  о.  Мы  видим, что биологи прежних лет в целом  строили  исследования  «сверху  вниз».  Они брали целый организм,  разнимали  его  на  части,  далее  изучали  отдельные клетки  и  т.д.  Новая  же  биология,  построенная  на  принципах  генетики, начинает с другого конца и поднимается с  самого  низа  вверх.  Она  изучает  простейшие компоненты живого организма, пренебрегая остальным  и  постепенно восходит на макро уровень. В этом и состоит историческое значение  генетики, поэтапное открытие которой сравнимо разве ж  только  с  революцией,  которая привела к смене научной парадигмы. Изменились не только методы  исследования живых  организмов  но  и представления людей   о   таких   понятиях,   как наследственность, изменчивость и  т.  д.  Сегодня  человечество  уже  строит целые  программ  («Геном  человека»)  -  основная  цель  которых  состоит  в прочтении наследственности в ДНК человека, изучении сочетания связок  генов, их динамики,  функционального  значения.  В целом  открытие  генетики  -  это прорыв  в  биологии.  Революция  в  ней   была   подготовлена   всем   ходом могущественного развития идей и  методов  мендилизма  и хромосомной теории наследственности. Современная Молекулярная генетика -  это  истинное  детище всего XX века, которое на новом уровне впитало в  себя  прогрессивные  итоги развития хромосомной теории наследственности, теории мутации,  теории  гена, методов цитологии и генетического анализа.

                 На путях молекулярных  исследований  в  течении  последних 20  лет генетика претерпела поистине революционные изменения. Она является  одной из  самых блестящих участниц в общей революции современного естествознания.  Благодаря ее развитию в практику  вошли новые могущественные  методы  управления  и познания  наследственности,  оказавшие влияние   на   сельское   хозяйство, медицину  и производство.  Основным  в этой   революции   было   раскрытие молекулярных   основ   биологической   наследственности.   Оказалось,    что сравнительно  простые  молекулы  ДНК  несут   в   своей   структуре   запись генетической информации и она действует в клетке по  принципам управляющих систем. Эти открытия создали единую платформу генетиков, физиков и химиков в анализе проблем   наследственности.   Вопреки   старым   воззрениям   на всеобъемлющую роль белка как основу жизни, новые открытия  показали,  что в основе приемственности жизни лежат молекулы  нуклеиновых кислот.  Под их влиянием  в каждой  клетке  формируются специфические белки.  Управляющий аппарат клетки собран в ее ядре, точнее - в хромосомах, из линейных  наборов генов.  Каждый  ген,  являющийся  элементарной  единицей   наследственности, вместе с тем представляет собой единичный участок цепи  ДНК,  отвечающий  за информацию о структуре одной молекулы белка. Генетический  код заключает в себе правило перевода информации с языка нуклеотидов на  язык  аминокислот.

Он триплетен (3 осн = 1  амин.  Кисл),  универсален (одинаков  в ядрах на Земле), вырожден (т.е. имеет начало и конец). Как показали  исследования  по молекулярной биологии, осн. Механизм  с помощью которого  ДНК передает  и перерабатывает ген. Информацию   -  явл.  петля обратной  связи,  т.е.  ДНК содержащая всю информацию, участвует в последовательности  реакций,  в ходе которых вся информация  кодируется  в виде  последовательности  протеинов.

Некоторые  ферменты  осущ.  Обратную  связь,  активируя   автокаталитический процесс репликации ДНК, позволяющий копировать ген. Информацию. (сравнимо  с печатаньем фоток) Далее идет стадия транскрипции - переноса самого кода  ДНК путем образования одноцепочной молекулы и РНК на одной нити ДНК,  и наконец стадия  трансляции  -  это синтез  белка на  основе   ген.   кода.   Такое взаимодействие молеукл ДНК, белков и РНК лежит в основе  жизнедеятельности клетки и ее воспроизведения. Поскольку явление наследственности,  в общем смысле этого понятия,  есть  воспроизведение по  поколениям  сходного  типа обмена веществ, очевидно, что общим субстратом  наследственности  является клетка в целом.

36.   Устойчивость биологических систем связана с передачей генетической информации от одного поколения организмов другим без изменения

В настоящее время известно, что наследственная информация организмов зашифрована в ДНК. Для того чтобы сделать этот вывод, биохимикам понадобилось более ста лет. Было установлено - наследственные гены сосредоточены в хромосомах, что хорошо подтверждалось опытами на мушках дрозофилы.

Следующим шагом в исследовании было изучение механизмов биосинтеза белка. Эксперименты проводились с использованием нового объекта - микроорганизмов. Удобство этого объекта заключается в быстрой смене поколений и высокой реактивное на изменение внешней среды. Возникла новая наука - молекулярная генетика, изучающая генетическую репродукцию на молекулярном уровне. Основатели этой науки Билл и Тейтум обнаружили в 1941 г., что плесневый грибок, облученный ультрафиолетовым светом, терял способность синтезировать некоторые продукты обмена веществ, поэтому рост грибков прекращался. Рост грибов восстанавливался только после искусственного добавления в питательную среду утраченных продуктов метаболизма. Такие метаболиты были названы ауксотрофами. Прекращение синтеза таких форм после облучения связано с блокированием отдельных звеньев генетического аппарата, ответственных за биосинтез. Так была установлена прямая связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков).

Несколько позднее Дж. Ледерберг открыл, что восстановление биосинтетической активности у ауксотрофов тех же грибков возможно под воздействием реверсивной (обратной) мутации в том же гене. Так была заложена основа молекулярной генетики и выявлена ведущая функция генов - кодирование синтеза белков. За эти исследования в 1952 г. названные ученые были удостоены Нобелевской премии.

Дальнейшие исследования были направлены на изучение структуры генов, молекул, механизмов функционирования генетического кода, а также генетического контроля над синтезом белков.

В 50-х гг. американский исследователь С. Бензер установил, что гены структуры неоднородны, то есть они состоят из трех минимальных участков (единиц), каждый из которых обладает собственным назначением. Они получили названия: рекон (те - возобновление; сотЫпаНо - соединение) - участок ДНК, передающий изменения (при биосинтезе), рекомбинация; мутон (длина - один нуклеотид) - участок ДНК, подверженный точеной мутации; цистрон (около тысячи нуклеотидов) - участок, ответственный за формирование конкретного признака. 
В 1960-х гг. установлено, что гены по своей активности делят на группы:

а) "регуляторные гены", управляющие белками, ответственными за работу генов:

б) "структурные гены", кодирующие синтез продуктов (метаболитов).

Таким образом, выяснилось, как на молекулярном уровне происходит регулирование генной активности. 
Следующим был вопрос о том, как рсуществляется перенос информации от молекул ДНК другим структурам живой клетки. Исследования показали, что молекулы ДНК представляют собой двойную спираль, что обусловливает самовоспроизводство. Одна спираль предопределяет последовательность расположения нуклеиновых оснований в другой спирали, то есть выполняет функции своеобразной матрицы.

37.  Генетические механизмы изменчивости рассматриваются обычно на примере генных, хромосомных и соматических мутаций. Мутации являются основной причиной естественного отбора. 
На молекулярном уровне изменчивость обусловлена "генетической рекомбинацией". Существует два типа "генетической рекомбинации:

а) "неклассическая" (нереципрокная) рекомбинация связана с увеличением информации клетки, новая генетическая информация включается в геном клетки из-за присоединения новых генетических элементов извне;

б) "классическая" (реципрокная), рекомбинация не сопровождается увеличением объема генетической информации и имеет место у высших организмов при половом процессе. 
Первый тип изменчивости (нереципрокной) состоит в том, что ДНК переносится в составе вирусов бактерий, то есть бактериофагов. При этом фрагменты хромосомы клетки донора могут включаться в хромосому клетки реципиента, а могут находиться вне хромосомы, будучи как бы привязанными к ней, и до поры до времени не проявляться. Однако под воздействием внешних факторов они могут перейти в активное состояние. Такие генетические элементы называют мигрирующими (МГЭ). МГЭ можно разделить на три группы

1. Простые вставочные элементы (IS-элементы). Они всегда связаны с хромосомой клетки-реципиента и никогда не бывают автономны.

2. Транспозоны (Тn-элементы) - сложные перемещающиеся генетические элементы, способные присоединяться к генам.

3. Эписомы (ПЛАЗМИДЫ) - автономные генетические элементы в виде двухцепочечной кольцевой ДНК. Они легко внедряются в хромосому клетки хозяина. Эписомы - самые активные переносчики генетической информации. Именно из-за них существует эффект привыкания патогенных бактерий к некоторым лекарственным препаратам. 
Это привело к возникновению гипотезы, что миграционные генетические элементы являются более мощным фактором изменений геномов, чем мутации.

Это открытие нащло применение в генной инженерии, ставящей своей целью создание новых форм живых организмов. К настоящему времени генная инженерия обладает рядом успехов, например, удалось синтезировать некоторые гормоны, такие как инсулин и некоторые другие. Вместе с тем, генная инженерия способна к управляемому вмешательству пока только в некоторые геномы бактерий.

38.  Устойчивость организмов обусловлена тем, что они являются открытыми системами, способными к обмену с окружающей средой. Процессы метаболизма в конечном итоге происходят на молекулярном уровне внутри клетки.

Выделяют три типа метаболизма:

1. КАТАБОЛИЗМ (katabole - разрушение) или диссимиляция, то есть процесс расщепления сложных органических соединений, сопровождающийся высвобождением химической энергии, аккумулируемой в фосфатных связях АТФ.
2. АМФИБОЛИЗМ (греческое amphi - около) - процесс образования в ходе катаболизма мелких молекул (мономеров), которые образуются в ходе разложения. Молекулы-мономеры служат в качестве "строительных блоков" при конструктивном обмене
3. АНАБОЛИЗМ (анаболе - подъем) или ассимиляция, то есть разветвленная система биосинтеза сложных молекул из простых с использованием энергии, запасенной в фосфатных связях АТФ при катаболизме. Все три типа метаболизма присущи всем объектам живой природы независимо от уровня организации. Это так называемая концепция биохимического единства живого. 
   Процессы метаболизма являются высокоспецифичными, каждому продукту обмена веществ соответствует собственный фермент. Более того, ферменты регулируют последовательность биохимических превращений.

39.   Онтогенез - это  индивидуальное развитие организма,  начиная от одной клетки (зиготы, образующейся при слиянии яйцеклетки  и сперматозоида) до взрослого  многоклеточного существа со множеством специализированных тканей и органов.

Необходимость объединения  этих подуровней в один онтогенетический уровень вызвана двумя причинами. Во-первых, зигота - по сути обычная клетка – уже представляет организм, хотя и на одноклеточной стадии развития. Во-вторых, в природе существуют не только многоклеточные, но и одноклеточные организмы как животного, так и растительного свойства - амеба, нфузория, эвглена, хлорелла и др.

Бактерии - особо мелкие и  безъядерные (прокариотные) клетки - тоже самостоятельные организмы, хотя живут обычно колониями. Так что понятия «клетка» и «организм» в определенных случаях совпадают.

        Из  сказанного следует очень важный  вывод: клетка является наименьшей, то есть элементарной живой  системой, так как ей присущи  все свойства живого организма,  свойства жизни как явления.  Клетка, как и многоклеточный  организм способна питаться, поглощать  энергию, синтезировать вещества, двигаться, реагировать на раздражители, размножаться, приспосабливаться и  д.т. Этому способствует достаточно  высокая степень структурной  дискретности – внутреннее расчленение  клетки на органоиды, изолированные  отсеки - особенно выраженная у  высших, эукариотных клеток

       Существует  нерешенная проблема клеточного  уровня (подуровня), связанная с наличием  в природе двух типов клеточной  организации - прокариот и эукариот.

Прокариоты (доядерные) - это мелкие (около 1 мкм) клетки, не имеющие ядра и других органоидов, типичных для эукариот. Наследственное вещество - ДНК – лежит свободно в цитоплазме, а прочие функциональные блоки тоже представлены  небольшими макромолекулярными комплексами без оболочек. К прокариотам относятся все бактерии и так называемые сине-зеленые водоросли. Эукариоты (с настоящим ядром) - крупные (10-50 и более мкм) клетки, в которых ДНК в форме хромосом заключена в ядре и большинство рабочих структур, ферментов организовано в изолированных органоидах. Изолирующую роль для ядра и органоидов выполняют такие же липидно-белковые мембраны, как и мембрана клеточной поверхности.

Эукариотную организацию имеют одноклеточные простейшие (амеба, инфузория и другие) и клетки многоклеточных организмов: грибов, растений, животных, включая человека. Суть проблемы не в размерных и даже не в структурных различиях двух типов клеток, а в том, что некоторые органоиды эукариотных клеток, такие как митохондрии и хлоропласты, похожи на прокариот - бактерий и сине-зеленых водорослей. Они имеют собственную ДНК, аппарат синтеза белка (рибосомы), систему энергообеспечения и, таким образом, мало зависят от других структур клетки, в частности от ядерной ДНК. На этом основании разработана симбиотическая гипотеза о происхождении эукариотной клетки на основе симбиоза (взаимовыгодного объединения) некогда самостоятельных прокариотных клеток. В таком случае про- и эукариотные клетки не только по уровню сложности, но и по происхождению должны представлять разные - низший и высший - подуровни клеточного уровня организации.

Этот пример показывает, что  приведенная и общепринятая система  уровней организации жизни не отражает всей сложности отношений  между уровнями и подуровнями. Да и число подуровней можно увеличить, поскольку иерархическая сложность  систем на самом деле значительно  богаче.

       Ткани  и органы представляют основные  промежуточные подуровни междуклеткой и организмом. Естественно, что эти подуровни можно выделить только у многоклеточных животных, растений, грибов.

       Например, у человека различают эпителиальную (покровную) ткань, мышечную, нервную и соединительную (рыхлую, плотную, хрящевую, костную, кровь и лимфу). Ткани состоят из клеток и межклеточного связующего вещества. Органы состоят из разных тканей. Так, сердце кроме основной мышечной ткани включает рыхлую соединительную, кровь, нервные элементы и эпителиальные оболочки.

Головной мозг наряду с  нервными клетками содержит питающие их кровеносные сосуды, желудочки, выстланные специальным эпителием. Многие органы объединены в системы органов (пищеварительную, кровеносную и др.).

       Наконец,  многоклеточный организм, как и  отдельная клетка, представляет  законченный и устойчивый уровень  биологической организации. Организм, или особь, способен к самостоятельному  существованию, размножению и  развитию.