Что не является структурной единицей мегамира
Концепции современного естествознания. Тест 5
Поможем успешно пройти тест. Знакомы с особенностями сдачи тестов онлайн в Системах дистанционного обучения (СДО) более 50 ВУЗов. При необходимости проходим систему идентификации, прокторинга, а также можем подключиться к вашему компьютеру удаленно, если ваш вуз требует видеофиксацию во время тестирования.
Закажите решение теста для вашего вуза за 470 рублей прямо сейчас. Решим в течение дня.
1. Что не является структурным компонентом первичной субстанции
межгалактическое пространство
микромир
мегамир
макромир
2. К микромиру относятся следующие признаки структуры
космические системы и неограниченные масштабы
макроскопические тела
элементарные частицы и ядра атомов
сообщества живых существ
3. К макромиру относятся следующие признаки структуры
макроскопические тела
космические системы
элементарные частицы и ядра атомов
клетки и гены
4. К мегамиру относятся следующие признаки структуры
живые организмы
космические системы и неограниченные масштабы
ядра атомов элементарных частиц
Молекулы
5. Структура атомов определятся
гравитацией
электромагнетизмом
сильным взаимодействием
слабым взаимодействием
6. Сильное взаимодействие испытывают
электроны
протоны
нейтрино
фотоны
7. Пространство в понимании современной физики — это
свойство человеческого сознания упорядочивать предметы, определять место одного рядом с другим
вечная категория сознания, врожденная как форма чувственного созерцания
атрибут материи, определенный связями и взаимосвязями движения тел
пустота, в которой находятся различные тела
8. Время в понимании теории относительности — это
последовательность изменений, происходящих в материальных вещах
способность человека переживать и упорядочивать события одно за другим
доопытная форма восприятия, получаемая человеком при рождении
прерывность
9. К свойствам пространства не относится
протяженность
необратимость
непрерывность
прерывность
10. Что из перечисленного является основными формами существования материи
только пространство
пространство и время
пространство, время и поле
пространство, время, поле и вещество
11. Чем можно охарактеризовать процесс рождения порядка из хаоса
выборкой информации из уже предложенной
упорядочение информации
возникновение хаоса из порядка
отбор информации из шума
12. Процессы в открытых системах ведут
от порядка к хаосу
от хаоса к порядку
и в том и в другом направлении
у них нет строгой направленности
13. Чем служат для природы динамические закономерности
исключением
правилом
методом
возможностью
14. Что такое вероятность
понятие, выражающее меру возможности, количественная характеристика
понятие, выражающее качественную характеристику
представление о взаимодействии тел
не точная информация
15. Что формулирует природа, для того чтобы вероятность процессов стала равна нулю
возможности
порядок
схемы
условия
1. Какое из понятий характеризует свойство времени?
Длительность существования систем и развитие их фаз.
2. Что характеризует принцип дополнительности?
Двойственную природу микрочастиц.
3. Какое из фундаментальных взаимодействий имеет самую маленькую величину энергии взаимодействия?
4. По красному смещению наша Вселенная
5. Дайте определение метода познания.
Совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности.
6. Термин «синергетика» был введен в связи с исследованием:
Неравновесных фазовых переходов лазера.
7. В число фундаментальных взаимодействий не включают:
8. Как называют в механизме трофических связей организмы, производящие пищу из простых неорганических веществ?
9. Какой из законов сохранения является следствием однородности пространства?
Закон сохранения импульса.
10. Какой из принципов утвердился в современном естествознании?
11. Что понимается под концепцией?
Система взглядов по тому или иному вопросу, явлению; его понимание и толкование.
12. Какой из эмпирических методов соответствует определению: «Он представляет собой познавательную операцию, обеспечивающую численное выражение измеряемых величин»?
13. Какой элемент наиболее распространен во Вселенной?
14. от какого параметра звезды зависит ее цвет?
15. В чем состоит концепция неопределенности?
В неопределенности одновременного нахождения точной координаты и импульса микрочастиц.
16. В чем состоит основная роль биосферы?
В трансформации солнечной энергии в действующую энергию земли.
17. Синергетика
рассматривает общие закономерности самоорганизации в природе.
18. Каким свойством симметрии время не обладает?
19. Первый постулат Бора утверждает, что в каждом атоме:
Существуют стационарные состояния, в которых он не излучает энергии.
20. Какая сторона естествознания обладает собирательной и описательной функциями?
21. Объектом исследования естествознания является:
22. В практике научного познания
из всех теорий, согласующихся с известными фактами, обычно выбирают наиболее стройную и красивую.
23. Как распределены Галактики в Метагалтике?
Образуют ячеистую, сетчатую структуру.
24. Естественнонаучное знание объективно, потому что
оно не зависит от личности исследователя.
25. Какой из эмпирических методов соответствует следующему определению: «Это длительное, целенаправленное и планомерное восприятие предметов и явлений объективного мира»?
26. Что не является составной частью теоретического метода исследования?
27. Чем подтверждается расширение Вселенной?
Красное смещение спектров галактик.
28. Какова формулировка принципа соответствия?
всякая новая более общая теория, являющаяся развитием классической, не отвергает ее полностью, а включает в себя классическую теорию, указывая границы ее применения.
29. В какую эру сформировались значения фундаментальных мировых постоянных, определивших развитие нашей Вселенной?
30. Среди эмпирических методов исследования имеется:
31. В биосферу не включается:
32. Согласно принципу неопределенности
Микрочастица не может иметь одновременно точной координаты и импульса.
33. Что не является структурной единицей мегамира?
34. Закон возрастания энтропии справедлив для:
Изолированных (замкнутых) систем.
35. Какой из теоретических методов исследования соответствует определению: «Это прием познания, который представляет собой умозаключение, в ходе которого на основе сходства объектов и одних свойствах, связях делается вывод об их сходстве и в других свойствах, связях»?
36. На чем основана наука как способ познания мира?
На эмпирической проверке и математическом доказательстве.
37. Какому виду симметрии соответствует закон сохранения импульса?
Симметрии относительно пространственных координат.
38. После прохождения точки бифуркации система:
Случайно выбирает путь нового развития.
39. Что представляет собой спин?
Собственный момент количества движения микрочастицы.
40. Научное познание начинается:
С наблюдения природных явлений.
41. Различные формы движения материи в природе, материальные носители такого движения, основные формы всякого бытия и законы естествознания являются:
42. Какой научный метод соответствует определению: «Он позволяет определять средние значения, характеризующие всю совокупность изучаемых предметов»?
43. Согласно второму началу термодинамики, с течением времени в замкнутой изолированной системе энтропия должна:
44. Первой в истории наук физическая картина мира была:
45. Что происходит при встрече частицы и античастицы?
46. Что связывает рациональную и реальную картины мира?
47. Как передаются взаимодействия согласно принципу дальнодействия?
Между любыми структурами, мгновенно.
48. Какое из условий характеризует равновесную систему?
Энтропия системы увеличивается и стремится к максимуму.
49. Как называют в науке фундаментальную теорию, которая применяется для объяснения широкого круга явлений, относящихся к соответствующей области исследования?
50. Что составляет содержание предмета этики науки?
Отыскание моральных ценностей, норм и правил, способствующих росту эффективности труда и безупречности общественного блага.
51. Чем антропный космологический принцип объясняет возникновение жизни?
Возникновением подходящих условий в ходе эволюции Вселенной.
52. Что характеризует меру организованности системы?
53. Что относится к внутренним факторам развития науки?
Внутренняя логика и динамика развития науки.
54. Одним из фундаментальных взаимодействий является:
55. В Млечный путь входят:
56. В каком направлении движутся планеты по своим орбитам?
все планеты движутся вокруг Солнца в прямом направлении, кроме Венеры и Урана.
57. К свойствам пространства не относится:
58. Что общего у животных и растений?
Отрасль научного познания.
60. Какие системы отсчета являются инерциальными?
61. Какой из видов фундаментальных взаимодействий обладает самым высоким значением энергии взаимодействия?
62. Принцип относительности заключается в том, что:
все инерциальные системы отсчета абсолютно равноправны, среди них нет выделенной или предпочтительной.
63. Связь между массой и энергией, согласно теории относительности, имеет вид:
64. Как передаются взаимодействия согласно принципу близкодействия?
Между соседними структурами с конечной скоростью.
65. Выберите трактовку первого начала термодинамики:
Количество теплоты, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение работы.
66. В современном понимании принцип относительности может быть сформулирован
Физические процессы не зависят от движения системы отсчета по инерции.
67. Какое из определений наиболее характерно для современной естественно-научной картины мира?
68. Наименьшей структурной единицей чего является атом?
69. Проявлением асимметрии природы является:
Передача энергии от нагретого к холодному телу.
70. Для гравитации не является характерным:
71. Что понимается под рациональной картиной мира?
Это накопленные суждения обо всем, что воспринимают наши органы чувств и чем заняты наши мысли, т.е. это лишь отражение небольшой части видимой окружающей среды.
72. Что не входит в состав микромира?
73. Какой из законов термодинамики выражает направление протекания тепловых процессов?
74. Что является критерием естественнонаучной истины?
Практика: наблюдение, эксперимент, практическая деятельность.
Атрибут материи, определенный связями и взаимосвязями движения тел.
76. Как относятся наука и культура?
77. Энтропия характеризует
Беспорядок в системе.
78. И.Р.Пригожин открыл самоорганизацию макросистем в виде:
Глубинные преобразования способов познания.
80. Какие взаимодействия являются короткодействующими?
81. как называют организмы, преобразующие, минерализующие органическое вещество?
82. Как называются тяжелые элементарные частицы?
83. Какая из следующих эр не принята в эволюции Вселенной?
84. Какой момент не характерен для самоорганизации системы?
85. К свойствам времени не относится:
Единство метрических и топологических свойств.
86. В механической картине мира считалось, что:
Любое движение сводится к перемещению тел и частиц.
87. Энтропия изолированной системы
88. Наша Галактика относится к типу Галактик:
89. Какая из следующих величин не является фундаментальной мировой постоянной?
90. Какой из теоретических методов исследования соответствует определению: «Это переход от общих рассуждений или суждений к частным»?
91. Непосредственной, ближайшей или тактической целью естествознания являются:
Находить сущность явлений природы, их законы и на этой основе предвидеть новые явления.
92. Назовите современную формулировку принципа относительности:
Все инерциальные системы отсчета равноправны между собой в отношении протекания физических процессов.
93. Принцип соответствия устанавливает, что
в пределах области применимости старой теории новая теория должна давать те же результаты.
94. В каком случае не формируются новые структуры?
96. Какие объекты включает в себя микромир?
Элементарные частицы, атомы, молекулы.
Основанное на опыте.
98. Где расположено Солнце в Галактике?
Расположено по краю основной плоскости диска Галактики.
99. С увеличением скорости движения частиц и масса, согласно теории относительности:
100. Какие из планет Солнечной системы не имеют спутников?
101. Когда происходит аннигиляция?
При встрече частицы и античастицы.
102. К лептонам не относится:
103. Синергетика
Раскрывает некоторые внутренние механизмы эволюции.
Изучает неравновесные процессы далеко от равновесия в точках бифуркаций.
104. Энтропия в равновестных состоянии
Постоянна и максимальна.
105. В специальной теории относительности:
Пространство и время образуют единый четырехмерный континуум.
106. Галактика, в которой расположена солнечная система называется:
107. В инерциальных системах отсчета, движущихся с большими скоростями, длина предмета:
Четвертая координата движения тела.
109. Какие взаимодействия существуют между элементарными частицами?
110. Какое из следующих определений мировоззрения наиболее точное?
111. Какое из определений науки наиболее точное?
112. Какие звезды живут дольше всех?
Маленькие по массе.
113. Системы, не обменивающиеся с окружением веществом, энергией и информацией, называют:
114. Какие из частиц обладают слабым взаимодействием?
115. Какое свойство характерно и для пространства, и для времени?
116. Замкнутая Вселенная
117. Какому виду симметрии соответствует закон сохранения энергии?
Симметрии относительно начала отсчета времени.
118. Независимости свойств системы от выбора начала отсчета времени соответствует:
Закон сохранения энергии.
119. Какое содержание вкладывается в понятие «природа»?
Одинаковость свойств во всех точках.
121. В состав эмпирического метода исследования не входит:
122. Согласно принципу эквивалентности
ускоренное движение неотличимо никакими измерениями от покоя в гравитационном поле.
123. Во что превратится Солнце в конце его эволюции?
124. Предметом естествознания являются:
Факты и явления, объективно существующие в природе.
125. Проблема «двух культур» состоит в том, что:
разрыв между научной и гуманитарной культурой порождает социальные и экологические проблемы.
126. Что характеризует меру неорганизованности системы?
127. Какие из следующих функций не характерны для науки?
Она отвечает интересам определенных классов общества.
128. Физическая картина мира:
Занимает доминирующее положение в естественно-научной картине мира.
130. Критерий научности знаний, связанный с наличием способов проверки полученных сведений, это:
131. Чем занимается этика науки?
Изучением специфики моральной регуляции в научной сфере.
132. Сильное взаимодействие испытывают:
133. Что характеризует меру организованности системы?
134. Какими преобразованиями осуществляют переход от одной инерциальной системы отсчета к другой в современной теории относительности?
135. Выберите правильную формулировку второго начала термодинамики:
Невозможно совершить работу за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии.
136. Какой из следующих методов не входит в структуру естественно-научного познания?
137. К теоретическим научным методам относится:
138. Для какой обратной связи характерно уменьшение внешнего воздействия?
139. Какой из законов термодинамики выражает закон сохранения энергии?
140. Когда образуется молекула?
Когда совместная орбита атомов, образующих молекулу, полностью заполнена электронами.
141. Как называются системы, обменивающиеся с окружением путем обмена веществом, энергией и информацией?
142. По каким орбитам движутся планеты вокруг Солнца?
По эллипсам, близким к окружностям.
143. Каким способом можно изменить внутреннюю энергию тела?
Совершением работы и теплопередачей.
144. Какие стороны или уровни естествознания можно выделить?
145. Почему эти частицы называются элементарными частицами?
Потому что внутреннюю структуру их нельзя представить как объединение других частиц.
146. Какой из законов сохранения является следствием однородности времени?
закон сохранения энергии.
147. Понятие «событие» характеризует:
Пространство и время в совокупности.
148. Научное познание опирается на способ отражения мира:
149. В состав нашей Галактики не входят:
150. Для какой обратной связи характерно сведение внешнего воздействия к нулю?
151. Энтропия каких систем возрастает?
152. В инерциальных системах отсчета, движущихся с большими скоростями, темп времени:
153. Что не является структурной единицей макромира?
154. Предмет «Концепции современного естествознания» представляет собой?
Продукт междисциплинарного синтеза на основе многосторонних подходов к естествознанию.
155. Самоорганизующаяся система не характеризуется:
156. Большая часть вещества во Вселенной заключена в:
157. Выберите формулировку второго постулата Бора:
При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается или поглощается один фотон с энергией, равной разнице энергии стационарных состояний.
158. Что не входит в раннюю историю Земли?
159. К эмпирическим научным методам относится:
160. Какое из определений наиболее подходит для характеристики кибернетики?
Об управлении сложными системами.
161. Основные характеристики лептонов:
162. Какое определение наиболее точно характеризует вакуум?
Наинизшее энергетическое состояние поля, при котором число квантов равно нулю.
163. Что означает точка бифуркации?
164. Несвойственна научным гипотезам:
165. Что характеризует меру неорганизованности системы?
166. Конечной или стратегической целью естествознания является:
Раскрывать возможности использования на практике познанных законов, сил и веществ природы.
167. Предельная скорость передачи информации:
168. Каков характер объекта исследования в естествознании?
Материальный, относительно устойчивый.
169. Какой из видов фундаментальных взаимодействий существует только между заряженными структурами?
170. Какому условию не удовлетворяет процесс эволюции?
Энтропия системы увеличивается.
172. Посредством чего происходит взаимодействие между структурами мира?
174. Какое из следующих определений наиболее точно характеризует научный метод?
175. Какое уравнение характеризует вероятностное поведение микрочастиц?
176. Антропный принцип заключается в том, что
физические свойства Вселенной изначально таковы, чтобы обеспечить возникновение живых и разумных существ.
177. Какие звезды превращаются в черные дыры?
Больше Солнца по массе в 3 раза.
178. Из чего образовалась Солнечная система?
Из холодного газопылевого облака.
Одинаковость свойств во всех направлениях.
180. Какой из законов сохранения является следствием изотропности пространства?
Закон сохранения момента импульса.
181. Где впервые была создана единая естественно-научная картина мира?
В античной Греции, Риме.
182. Согласно теории относительности, движение материальной точки в пространственно-временном континууме проходит:
Компонент духовной культуры.
184. Что из себя представляет энтропия?
Мера рассеяния энергии и увеличения всех форм беспорядка.
185. Какое из следующих условий не является необходимым для начала самоорганизации в системе.
Наличие химических градиентов в системе.
186. Что такое макромир?
Мир предметов и явлений, непосредственно окружающих человека.
Гусейханов М., Раджабов О. Концепции современного естествознания: Учебник
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 5. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА
Границ научного познания и предсказания предвидеть невозможно.
Д. И. Менделеев
5.1. Структурное строение материального мира
В окружающем нас пространстве материя существует в форме вещества и поля. Вещество в природе находится в виде различных структур, которые определяют строение и свойства окружающего нас материального мира. Слово «строение» в данном случае отражает лестницу объектов, качественно отличающихся или характеризующихся степенью сложности.
Окружающий нас мир современная наука разделяет на три области: микромир, макромир и мегамир (рис. 5.1). Это стало возможным в результате многовекового изучения природы человеком. Микромир — это область природы, доступная человеку через посредство приборов (микроскопы, рентгеноанализ и др.). Закономерности здесь для нас непонятны, и мы экстраполируем сюда наши понятия. Макромир — это область природы, доступная нам, т. е. область наших закономерностей. Мегамир нам труднодоступен; это область крупных объектов, больших размеров и расстояний между ними. Эти закономерности мы изучаем опосредованно. В этих областях имеется следующая иерархия объектов: микромир — это вакуум, элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы, клетки; макромир — это макротела (твердые тела, жидкости, газы, плазма), индивид, вид, популяция, сообщество, биосфера; мегамир — это планеты, звезды, галактики, Метагалактика, Вселенная.
94
5.2. Краткая характеристика микромира
На случаи наталкиваются именно те ученые, которые делают все, чтобы на них натолкнуться.
К. Тимирязев
Вакуум. По представлениям современной науки, вакуум — это отнюдь не пустота или «отсутствие всякого присутствия». Вакуум представляет собой физический объект, в котором непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц (материализованные порции энергии). Вакуум является динамической системой, обладающей какой-то энергией, которая все время перераспределяется между виртуальными (воображаемыми) частицами. Однако воспользоваться энергией вакуума мы не можем, так как это есть наинизшее энергетическое состояние полей. При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужденные состояния полей — тогда будут наблюдаться обычные (не виртуальные) частицы. Вакуум способен порождать не только частицы, но и миры. Самопроизвольные флуктуации вакуума рождают вселенные с разным набором
95
фундаментальных постоянных. В одной из таких областей, видимо случайно, получился набор, годный для появления разумных существ. В ней мы и живем. О других вселенных мы пока ничего не знаем и можем лишь догадываться об их существовании.
Элементарные частицы. По современным представлениям, все элементарные частицы являются наименьшими «кирпичиками», из которых создан окружающий мир. Однако это не означает, что их свойства просты. Для описания поведения элементарных частиц используют наиболее сложные физические теории, представляющие синтез теории относительности и квантовой теории.
Все известные элементарные частицы подразделяются на две группы: адроны и лептоны. Предполагается, что адроны имеют составное строение: состоят из истинно элементарных частиц-кварков. И причем допускается существование шести типов кварков.
Стабильными, т. е. живущими в свободном состоянии неограниченно долго, частицами являются протон, электрон, фотон и, по-видимому, нейтрино всех типов. Время жизни протона составляет 1031 лет. Самыми короткоживущими образованиями являются резонансы — их время жизни порядка 10-23 с. В самой природе короткоживущие элементарные образования могут играть роль при самых экстремальных условиях существования вещества и поля, например: в «начальных» стадиях эволюции Вселенной, при образовании таких астрофизических объектов, как «черные дыры», в формировании сердцевины нейтронных звезд.
Объединение релятивистских и квантовых представлений, осуществленное в значительной степени еще в 30-е годы, привело к одному из наиболее выдающихся предсказаний в физике — открытию мира античастиц. Частица и соответствующая ей античастица имеют одинаковые времена жизни, одинаковые массы, их электрические заряды равны, но противоположны по знаку. Самым характерным свойством пары частица-античастица является способность аннигилировать (самоуничтожаться) при встрече с превращением в частицы другого рода. Античастицы
96
могут собираться в антивещество. Несмотря на микроскопическую симметрию между частицами и античастицами, во Вселенной не обнаружены области со сколько-нибудь заметным содержанием антивещества. Частицы и их античастицы одинаково взаимодействуют с полем тяготения, что указывает на отсутствие «антигравитации».
Ядра. Атомные ядра — это связанные системы протонов и нейтронов. Массы ядер всегда несколько меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, составляющих ядро. Это релятивистский эффект, определяющий энергию связи ядра. Известны ядра с зарядом, равным от одного заряда протона до 109 зарядов протона и с числом протонов и нейтронов (т. е. нуклонов) от 1 до примерно 260. Особенно устойчивыми ядрами, т. е. обладающими наибольшей энергией связи, являются ядра с числами протонов и нейтронов 2,8,20,28,50,82,126, называемых магическими. Плотность числа частиц в многонуклонных ядрах порядка 1044 нуклонов/м3, а плотность массы 1017 кг/м3. «Радиусы» ядер изменяются от2х10-15м (ядро гелия) до 7 х 10-15 м (ядро урана). Ядра имеют форму вытянутого или сплюснутого эллипсоида (или еще более сложную).
Ядро как квантовая система может находиться в различных дискретных возбужденных состояниях. В основном состояния ядра могут быть стабильными (устойчивыми) и нестабильными (радиоактивными). Время, за которое из любого макроскопического количества нестабильных ядер распадается половина, называют периодом полураспада. Периоды полураспада известных нам элементов изменяются в пределах примерно от 1018 лет до 10-10 с.
Атомы. Они состоят из плотного ядра и электронных орбит. Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены роем отрицательно заряженных электронов. В целом атом электронейтрален. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов. В отличие от «плотной упаковки» ядерных частиц атомные электроны образуют весьма рыхлые и ажурные оболочки. Существуют жесткие правила «заселенности» электронами орбит вокруг ядра. Электроны, находя-
97
щиеся на самых верхних этажах «атомного дома», определяют реакционную способность атомов, т. е. их способность вступать в соединение с другими атомами. Здесь мы вступаем в область химии, и условность границ раздела между физикой и химией в данном случае очевидна. У большинства элементов атомы химически нестабильны. Атом стабилен, если его внешняя оболочка заполнена определенным числом электронов (2,8 и др.). Атомы с незаполненными внешними оболочками вступают в химические реакции, образуя связи с другими атомами.
Молекулы. Не всякие атомы способны соединяться друг с другом. Связь возможна в том случае, если совместная орбита целиком заполнена электронами. Такое образование называют молекулой. Молекула есть наименьшая структурная единица сложного химического соединения. Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет миллионы. Качественно молекула — это определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного химического взаимодействия объединены в частицы. Поскольку электроны в молекулах обобществлены, атомы теряют свою индивидуальность. При затрате определенной энергии устойчивая молекула может быть разложена на атомы.
Некоторые атомы (например, углерода и водорода) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой для образования еще более сложных структур (макромолекул), которые проявляют уже биологические свойства, т. е. свойства живого (рис. 5.2).
Клетка. За 3 млрд лет существования на нашей планете живое вещество развилось в несколько миллионов видов, но все они — от бактерий до высших животных — состоят из клеток. Клетка — это организованная часть живой материи: она усваивает пищу, способна существовать и расти, может разделиться на две, каждая из которых содержит генетический материал, идентичный исходной клетке. Клетки служат элементарными структурами на онтогенетическом уровне организации жизни. Клетка состоит из ядра и цитоплазмы (рис. 5.3). От окружающей
98
среды клетка отделена плазматической мембраной, которая регулирует обмен между внутренней и внешней средой и служит границей клетки. В каждой клетке содержится генетический материал в форме ДНК, регулирующей жизнедеятельность и самовоспроизведение. Размеры клеток измеряются в микрометрах (мкм) — миллионных долях метра и нанометрах (нм) — миллиардных долях. Например, соматическая животная клетка средних размеров имеет 10-20 мкм в диаметре, растительная — 30-50 мкм; длина хлоропласта цветкового растения — 5-10 мкм, бактерии — 2 мкм. Клетки существуют как самостоятельные организмы (простейшие бактерии) или входят в состав многоклеточных организмов. Половые клетки служат для размножения, соматические (от греч. soma— «тело») клетки отличаются по строению и функциям (нервные, мышечные, костные). Клетки отличаются своими размерами, формой. В клетках имеются органеллы, выполняющие свой набор функций.
99
5.3. Краткая характеристика макромира
Очевидное — это то, чего никогда
не видишь, пока кто-нибудь
не сформулирует это достаточно
просто.
Калил Гибран
Макротела (вещество). При определенных условиях однотипные атомы и молекулы могут собираться в огромные совокупности — макроскопические тела (вещество). Вещество — вид материи; то, из чего состоит весь окружающий мир. Вещества состоят из мельчайших частиц — атомов, молекул, ионов, элементарных частиц, имеющих массу и находящихся в постоянном движении и взаимодействии. Существует огромное множество веществ, различных по составу и свойствам. Каждый день ученые-химики осуществляют синтез новых соединений, и к настоящему времени зарегистрировано более 10 млн различных веществ, среди которых большую долю составляют вещества, полученные искусственно. Вещества делятся на простые, сложные, чистые, неорганические и органические. Свойства
100
веществ можно объяснить и предсказать на основе их состава и строения.
Вещество простое состоит из частиц (атомов или молекул), образованных атомами одного химического элемента. Например, 02 (кислород), 03 (озон), S (сера), Ne (неон) — простые вещества.
Вещество сложное состоит из частиц, образованных атомами различных химических элементов. Например, H2S04 (серная кислота); FeS (сульфид железа); СН4 (метан) — сложные вещества.
Вещество чистое — вещество, состоящее из одинаковых частиц (молекул, атомов, ионов), обладающее определенными специфическими свойствами. Для очистки веществ от примесей используют различные методы: перекристаллизацию, дистилляцию, фильтрование.
Вещества неорганические — это химические соединения, образуемые всеми химическими элементами (кроме соединений углерода, относящихся к органическим веществам). Неорганические вещества образуются на Земле и в космосе под воздействием природных физико-химических факторов. Известно около 300 тысяч неорганических соединений. Они образуют практически всю литосферу, гидросферу и атмосферу Земли. В их состав могут входить атомы всех химических элементов, известных в настоящее время, в различных сочетаниях и количественных соотношениях. Кроме того, огромное количество неорганических веществ получают в научных лабораториях и на химических предприятиях искусственно. Все неорганические вещества делятся на группы со сходными свойствами (классы неорганических соединений). Ныне известно более ста химических элементов. Из них образовались более десяти миллионов химических соединений или веществ. Из всех веществ 96% составляют органические соединения, образованные из 6-18 элементов. Остальные 95—99 химических элементов образовали 300 тыс. неорганических соединений.
Основу живых веществ составляют только шесть элементов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, общая ве-
101
совая доля которых в организмах составляет 97,4%. Остальные 12 элементов являются физиологически важными компонентами биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, алюминий, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, весовая доля которых составляет 1,6%.
Вещества органические — это соединения углерода с некоторыми другими элементами: водородом, кислородом, азотом, серой. Из соединений углерода к органическим не относятся оксиды углерода, угольная кислота и ее соли, являющиеся неорганическими соединениями. Название «органические» эти соединения получили в связи с тем, что первые представители этой группы веществ были выделены из тканей организмов. Долгое время считалось, что подобные соединения нельзя синтезировать в пробирке, вне живого организма. Однако в первой половине XIX в. ученым удалось получить искусственно вещества, которые ранее извлекали только из тканей животных и растений или продуктов их жизнедеятельности: мочевину, жир и сахаристое вещество. Это послужило доказательством возможности искусственного получения органических веществ и началом новых наук — органической химии и биохимии. Органические вещества обладают рядом свойств, отличающих их от неорганических веществ: они неустойчивы к действию высоких температур; реакции с их участием протекают медленно и требуют особых условий. К органическим соединениям относятся нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, липиды, гормоны, витамины и многие другие вещества, играющие основную роль в построении и жизнедеятельности растительных и животных организмов. Пища, топливо, многие лекарства, одежда — все это состоит из органических веществ. В настоящее время известно более 10 млн органических соединений, имеющих природное происхождение, а кроме того, буквально ежедневно в мире производится искусственный синтез органических веществ, для многих из которых пока не найдена область практического применения.
Структурные уровни материи приведены в табл. 5.1.
Индивид. Жизнь всегда представлена в виде дискретных индивидуумов. Это в равной мере присуще микроорганизмам,
102
Таблица 5.1
Структурные уровни материи
Субмикроэлементарный
Микроэлементарный
Ядерный
Атомный
Молекулярный
Макроуровень
Мегауровень (планеты,
зведно-планетные
системы, галактики)
Метауровень
Биологический Клеточный Микроорганический Органы и ткани Организм в целом Популяция Биогеоценоз Биосфера
Индивид
Семья
Коллективы
Большие социальные
группы (классы, нации)
Государство
(гражданское общество)
Системы государства
Человечество в целом
Ноосфера
растениям, грибам и животным, хотя в указанных царствах индивиды имеют различное морфологическое содержание. Так, одноклеточные состоят из ядра, цитоплазмы, множества орга-нелл и мембран, макромолекул и т. д. Сложность индивидуума у многоклеточных во много раз выше, поскольку он образован из миллионов и миллиардов клеток. Но одноклеточная и многоклеточная особи обладают системной организацией и регуляцией и выступают как единое целое. Индивид (индивидуум, особь) — элементарная неделимая единица жизни на Земле. Разделить индивид на части без потери «индивидуальности» невозможно. Конечно, в ряде случаев вопрос об определении границ индивида, особи не столь прост и самоочевиден. С эволюционной точки зрения индивидуумом следует считать все морфофизиологические единицы, происходящие от одной зиготы, гаметы, споры, почки и индивидуально подлежащие действию элементарных факторов. На онтогенетическом уровне единицей жизни служит индивид с момента ее возникновения до смерти. Через оценку индивидуума в процессе естественного отбора происходит проверка жизнеспособности данного генотипа. Индивиды в природе не абсолютно изолированы друг от друга, а объединены более высоким рангом биологической организации на популяционно-видовом уровне. Вид. Сущность биологической концепции вида заключается в признании того, что виды реальны, состоят из популяций, а
103
все особи вида имеют общую генетическую программу, которая возникла в ходе предшествующей эволюции. Виды определяются не столько различиями, сколько обособленностью. Из биологической концепции вида вытекают критерии, позволяющие отличать один вид от другого: 1. Морфологический критерий вида есть характеристика особенностей строения, совокупность его признаков. 2. Генетический критерий утверждает, что каждый вид имеет свойственный ему набор хромосом, характеризующийся определенным числом хромосом, их структурой и дифференциальной окраской. 3. Эколого-географический критерий вида включает как ареал обитания, так и непосредственную среду обитания вида — его экологическую нишу. 4. К важнейшей характеристике вида, размножающегося половым путем, относится репродуктивная изоляция. Он является результатом эволюции всей генетической системы данного вида и охраняет его от проникновения генетической информации извне. Итак, каждый критерий в отдельности недостаточен для определения вида, только в совокупности они позволяют точно выяснить видовую принадлежность живого организма. Наиболее существенной характеристикой вида является то, что он представляет собой генетически единую систему.
Таким образом, вид — совокупность географически и экологически близких популяций, способных в природных условиях скрещиваться между собой, имеющих единый генетический фонд, обладающих общими морфофизиологическими признаками, биологически изолированных от популяций других видов.
Популяция. Совокупность особей одного вида, длительно населяющих определенное пространство, размножающихся путем свободного скрещивания и в той или иной степени изолированных друг от друга, называют популяцией. В генетическом смысле популяция — это пространственно-временная группа скрещивающихся между собой особей одного вида. Популяция является элементарной биологической структурой, способной к эволюционным изменениям. Популяции оказываются элементарными единицами, а виды — качественными этапами процесса эволюции. Совокупность генотипов всех особей популяции об-
104
разует генофонд. Популяции и виды, несмотря на то что состоят из множества особей, целостны. Целостность популяций и видов связана с взаимодействием особей в популяциях и поддерживается обменом генетического материала в процессе полового размножения. Популяции и виды всегда существуют в определенной среде, включающей как биотические, так и абиотические компоненты. Конкретная среда протекания процесса эволюции, идущего в отдельных популяциях, — сообщество, биоценоз.
Сообщество. Популяции разных видов всегда образуют в биосфере Земли сложные сообщества — биоценозы. Биоценоз — совокупность растений, животных, грибов и прокариот, населяющих участок суши или водоема и находящихся в определенных отношениях между собой. Вместе с конкретными участками земной поверхности, занимаемыми биоценозами, и атмосферой сообщество составляет экосистему. Экосистема — взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергий. Биогеоценоз — это такая экосистема, внутри которой не проходят биогенетические, микроклиматические, почвенные и гидрологические границы. Биогеоценоз — одна из наиболее сложных природных систем. Внешне заметные границы биогеоценозов чаще всего совпадают с границами растительных сообществ. Все группы экосистемы — продукт совместного исторического развития видов, различающихся по систематическому положению. Первичной основой для сложения биогеоценозов служат растения и прокариоты — продуценты органического вещества (автотрофы). В ходе эволюции до заселения растениями и микроорганизмами определенного пространства биосферы не могло быть и речи о заселении его животными. Растения и прокариоты представляют жизненную среду для животных-гетеротрофов. Биогеоценозы — среда для эволюции входящих в них популяций. Популяции разных видов в биогеоценозах взаимодействуют друг на друга по принципу прямой и обратной связи. В целом жизнь биогеоценоза регулируется в основном силами, действующими внутри самой системы, т. е. можно говорить о саморегуляции биогеоценоза. Автономность и саморегуляция биогеоценоза оп-
105
ределяют его ключевое положение в биосфере нашей планеты как элементарной единицы на биогеоценотическом уровне.
Биосфера. Взаимосвязь разных сообществ, обмен между ними веществом и энергией позволяют рассматривать все живые организмы Земли и среду их обитания как одну очень протяженную и разнообразную экосистему — биосферу. Биосфера — те части земных оболочек (лито, гидро- и атмосферы), которые на протяжении геологической истории подвергались влиянию живых организмов и несут следы их жизнедеятельности. Биогеоценозы, образующие в совокупности биосферу нашей планеты, взаимосвязаны круговоротом веществ и энергии. В этом круговороте жизнь на Земле выступает как ведущий компонент биосферы. Биогеоценоз представляет собой незамкнутую систему, имеющую энергетические «входы» и «выходы», связывающие соседние биогеоценозы. Обмен веществ между соседними биогеоценозами может осуществляться в газообразной, жидкой и твердой фазах, а также в форме живого вещества (миграции животных). Кроме живого вещества в составе биосферы есть косное (неживое) вещество, а также слржные по своей природе биокосные тела. В их состав входят как живые организмы, так и видоизмененное неживое вещество. К биокосным телам относятся почвы, илы, природные воды.
5.4. Краткая характеристика мегамира
В необъятной Вселенной безмерно долгое время будут возникать для нас, один за другим, новые нерешенные вопросы; таким образом, перед человеком лежит уходящий в бесконечность путь научного труда.
Академик Ф. А. Бредихин
Планеты. Начальной ступенью в иерархии объектов мегамира являются планеты (в переводе с греческого — «блуждающие»). Планеты — это небесные тела, обращающиеся обычно вокруг звезд, отражающие их свет и не имеющие собственного
106
видимого излучения. По размерам и массам они значительно меньше звезд. Земля меньше Солнца по размеру в 109 раз, а по массе 333 000 раз. Многие планеты имеют спутники, обращающиеся вокруг них. Одной из планет является Земля. Спутником Земли является Луна. Земля входит в состав планет Солнечной системы. В Солнечной системе 9 больших планет: Меркурий, Венера, Земля с Луной, Марс с Фобосом и Деймосом, Юпитер с 16 спутниками, Сатурн с 17 спутниками, Уран с 16 спутниками, Нептун с 10 спутниками, Плутон с Хароном1. Между орбитами Марса и Юпитера находятся более 5000 малых планет. Солнечной системе принадлежат также кометы и метеорные тела. В настоящее время неизвестно, имеются ли в Солнечной системе планеты, еще более удаленные от Солнца, чем Плутон; Можно только утверждать, что если такие планеты и есть, то они сравнительно невелики.
Астрофизики полагают, что 10% всех звезд имеют планетные системы. У 10 ближайших нам звезд они достоверно обнаружены. Например, одна из близких к Земле звезд — «летящая» Барнарда — имеет три планеты массами примерно равными массе Юпитера. Полагается, если скорость вращения звезд меньше (несколько км/с), чем обычно бывает у звезд (несколько десятков км/с), то они имеют планетную систему.
Звезды. Наиболее распространенными объектами окружающего нас материального мира являются звезды. Изученная нами часть окружающего пространства заполнена огромным количеством звезд — самых больших небесных тел, подобных нашему Солнцу, вещество которых находится в состоянии плазмы. Они имеют собственные видимые излучения и характеризуются различными размерами, массами, светимостями и временами жизни. По размерам есть звезды больше Солнца в 1000 раз и составляющие 0,003 доли размера Солнца. По массе есть звезды массивнее Солнца до 80 раз, а есть составляющие до 0,05 доли массы Солнца. На поверхности Солнца температура составляет 6000 К. Некоторые звезды имеют на поверхности температуру 50 000 К, а другие всего 3000 К. Возраст звезд со-
1 24 августа 2006 г. 26-й генеральной ассамблеей Международного астрономического союза было принято решение перевести Плутон в разряд карликовых планет. Ему как рядовому астероиду присвоили номер 134 340.
107
количество входящих в нее слабых звезд представляется невооруженному глазу белесой полосой, проходящей через все небо и называемой Млечным путем. Систематические исследования распределения галактик в пространстве стали проводить лишь в первой половине XX в. Эти исследования показали, что галактики распределены по небу примерно равномерно. Выяснилось, что при этом галактики, подобно звездам, образуют группы и скопления. Так, наша Галактика, туманность Андромеды, галактика Треугольника, Большое и Малое Магеллановы Облака и еще несколько звездных систем меньших размеров образуют Местную группу из 35 галактик, размеры которых достигают сотни тысяч парсек. Галактики Местной группы связаны общим тяготением и движутся вокруг общего центра масс. В среднем диаметры скоплений галактик близки к 8 Мпк. Наблюдение картины распределения галактик по небу показывает, что оно имеет сетчатую структуру. Галактики имеют тенденцию располагаться по границам гигантских ячеек, внутри которых они практически отсутствуют.
Метагалактика и Вселенная. По-видимому, ячеистая структура распределения галактик является наиболее крупной структурой Метагалактики — видимой части Вселенной. Самые далекие объекты Метагалактики, которые наблюдаются в настоящее время, — это квазары. От наиболее удаленных квазаров свет доходит до нас более чем за 10 млрд лет.
Под Вселенной понимают весь окружающий нас известный нам и неизвестный мир, т. е. все сущее. Известная часть Вселенной, называемая Метагалактикой, — это объем, заполненный звездами, галактиками и имеющий диаметр
1028см. Радиус Метагалактики оценивается примерно в 5 млрд световых лет, причем эта цифра может еще быть увеличена. Возможно, что Метагалактика имеет форму диска и вращается вокруг своей оси за период 1011-1012 лет. Но все эти цифры носят условный характер, так как имеется слишком мало данных наблюдений. Ясно также, что Метагалактикой не исчерпывается вся Вселенная и за ее пределами существует бесчисленное множество других систем различной структурной организации. Число
109
открываемых внегалактических туманностей растет с каждым годом. Современным средствам астрономических исследований доступна колоссальная область пространства диаметром около 10 млрд световых лет.
Чтобы определить расстояния до таких галактик, можно привести такой пример. Луч света начал свое движение с этих миров, когда на Земле происходили первичные тектонические процессы, но еще не было жизни. Когда свету осталось пройти до Земли одну двухтысячную часть своего пути, на Земле появились первые человекообразные существа. За это время на Земле сменилось 40 000 поколений людей, пока наконец не были созданы телескопы и фотопластинки, способные воспринять послание от этих необычайно удаленных миров. Но те расстояния, которые свет может пройти лишь за миллиарды лет, научная теория охватывает за неизмеримо более короткие отрезки времени.
По некоторым данным, наша Галактика находится от центра Метагалактики на расстоянии в несколько десятков миллионов световых лет и движется вокруг центра со скоростью около 1000 км/сек. Границу Метагалактики называют горизонтом познания Вселенной.
Во Вселенной все находится в движении. Движутся планеты и их спутники, кометы и метеорные тела; движутся Солнце и звезды в галактиках, движутся галактики относительно друг друга. Как нет пространства без материи, так нет и материи без движения.
ВЫВОДЫ
7. Следующей ступенью в иерархии объектов природы
являются макротела астрономического масштаба — планеты.
Наиболее распространенными объектами окружающего нас ма
териального мира являются звезды — небесные тела, подобные
нашему Солнцу и находящиеся в состоянии плазмы. Солнце,
111
звезды и звездные скопления, наблюдаемые на небе, образуют систему, которую мы называем нашей Галактикой. В начале XX в. было доказано, что некоторые туманные пятна, видимые в телескоп в разных участках неба, находятся вне нашей Галактики и представляют собой другие галактики. Галактики имеют тенденцию располагаться по границам гигантских ячеек. Ячеистая структура распределения галактик является наиболее крупной структурой Метагалактики — видимой части Вселенной. Система галактик и их скоплений называются Метагалактикой. Под Вселенной понимают весь окружающий нас известный нам и неизвестный мир, который мы можем познать.
Вопросы для контроля знаний
10. Чем отличаются понятия Метагалактика и Вселенная?