Концепции современного естествознания - Естествознание - Скачать бесплатно
1. Что такое «Естествознание», какие дисциплины составляют
данную науку?
Существует два определения понятия естествознания:
1)Естествознание - это наука о Природе как единой целостности.
2)Естествознание - это совокупность наук о Природе, рассматриваемых
как единое целое. На первый взгляд, эти два определения различны. На самом
деле между этими двумя определениями большого различия нет, ибо под
"совокупностью наук" подразумевается не просто сумма разрозненных наук, а
единый комплекс тесно взаимосвязанных естественных наук, дополняющих друг
друга. Это одна наука.
Точное естествознание - это вполне оформленное точное знание обо
всем, что действительно существует или может существовать во вселенной.
Естествознание интересует все понятия: от устройства и происхождения
Вселенной, до познания молекулярных механизмов существования уникального
Земного явления - жизни.
В систему естественных наук помимо основных наук: физики, химии,
биологии включается так же и множество других - география, геология,
астрономия и даже науки, стоящие на границе между естественными и
гуманитарными науками, например, психология, целью которой является
изучение поведения человека и животных.
Отличием естествознания как науки от специальных естественных наук
является то, что оно исследует одни и те же природные явления сразу с
позиций нескольких наук, "выискивая" наиболее общие закономерности и
тенденции, рассматривает Природу как бы сверху.
Цели естествознания:
1)Выявление скрытых связей, создающих органическое единство всех
физических, химических и биологических явлений.
2)Более глубокое и точное познание самих этих явлений.
2. Революции в естествознании, их сущность, исторический
период их возникновения
Развитие естествознания не является лишь монотонным процессом
количественного накопления знаний об окружающем природном мире. И если
процесс простого приращения знаний (а иногда и вымыслов) был присущ для
натурфилософии античности, для «преднауки» средневековья, то с XVI века
характер научного прогресса существенно меняется. В развитии науки
появляются переломные этапы, кризисы, выход на качественно новый уровень
знаний, радикально меняющий прежнее видение мира.
Эти переломные этапы в генезисе научного знания получили наименование
научных революций. Причем революция в науке – это, как правило, не
кратковременное событие, ибо коренные изменения в научных знаниях требуют
определенного времени. Поэтому в любой научной революции можно
хронологически выделить некоторый более или менее длительный исторический
период, в течение которого она происходит, Периоды научных революций,
отмечал всемирно известный физик Луи де Бройль, «всегда характеризуют
решающие этапы в прогрессивном развитии наших знаний».
Глобальная научная революция приводит к формированию совершенно
нового видения мира, вызывает появление принципиально новых представлений о
его структуре и функционировании, а также влечет за собой новые способы,
методы его познания. Глобальная научная революция может происходить
первоначально в одной из фундаментальных наук (или даже формировать эту
науку), превращая ее затем на определенный исторический период в лидера
науки. Последнее означает, что происходит своеобразная экспансия ее
представлений, принципов, методов, возникших в ходе революции, на другие
области знаний и на миропонимание в целом.
Первая научная революция произошла в эпоху, оставившую глубокий след
в культурной истории человечества. Это был период конца XV – XVI вв.,
ознаменовавший переход от Средневековья к Новому времени и получивший
название эпохи Возрождения. Последняя характеризовалась возрождением
культурных ценностей античности, расцветом искусства, утверждением идей
гуманизма. Вместе с тем эпоха Возрождения отличалась существенным прогрессм
науки и радикальным изменением миропонимания, которое явилось следствием
появления гелиоцентрического учения великого польского астронома Николая
Коперника (1473 – 1543), которое он развил в своем труде “Об обращениях
небесных сфер” (1543).
Одним из активных сторонников учения Коперника, поплатившегося жизнью
за свои убеждения, был знаменитый итальянский мыслитель Джордано Бруно
(1548 – 1600). Но он пошел дальше Коперника, отрицая наличие центра
Вселенной вообще и отстаивая тезис о бесконечности Вселенной. Бруно говорил
о существовании во Вселенной множества тел, подобных Солнцу и окружающим
его планетам. Причем многие из бесчисленных миров, считал он, обитаемы и,
по сравнению с Землей, “если не больше и не лучше, то во всяком случае не
меньше и не хуже”.
Инквизиция имела серьезные причины бояться распространения образа
мыслей и учения Бруно. В 1592 году он был арестован и в течение восьми лет
находился в тбрьме, подвергаясь вопросам со стороны инквизиции. 17 февраля
1600г., как нераскаявшийся еретик, он был сожжен на костре на Площади
цветов в Риме. Однако эта бесчеловечная акция не могла остановить прогресса
познаний человеком мира. На научном небосводе уже взошла звезда Галилея.
Вторая научная революция.
Трагическая гибель Джордано Бруно произошла на рубеже двух эпох:
эпохи Возрождения и эпохи Нового времени. Последняя охватывает три столетия
– XVII, XVIII, XIX вв. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыграл XVII
век, ознаменовавшийся рождением современной науки, у истоков которой стояли
такие выдающиеся ученые, как Галилей, Кеплер, Ньютон.
В учении Галилео Галилея (1564 – 1642) были заложены основы нового
механистического естествознания. Как свидетельствуют А. Эйнштейн и Л.
Инфельд, «самая фундаментальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет
неразрешенной из-за сложности – это проблема движения».
Галилей сформулировал принцип, получивший впоследствии наименование
принципа инерции. Большое значение для становления механики как науки имело
исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скорость
свободного падения тел не зависит от их массы (как думал Аристотель), а
пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения.
Галилей открыл, что траектория брошенного тела, движущегося под
воздействием начального толчка и земного притяжения является параболой.
Галилею принадлежит экспериментальное обнаружение весомости воздуха,
открытие законов колебания маятника, немалый вклад в разработку учения о
сопротивлении материалов.
С астрологическими наблюдениями Галилея, описанными им в сочинении
«Звездный вестник», ознакомился и дал высокую оценку один из крупнейших
математиков и астрономов Иоганн Кеплер (1571 – 1630). Эта оценка
астрономических исследований Галилея содержалась в работе Кеплера
«Рассуждение о «Звездном вестнике». Кеплер занимался поисками законов
небесной механики и составлением звездных таблиц. На основе обобщения
данных астрономических наблюдений он установил 3 закона движения планет
относительно Солнца. Также Кеплер разработал теорию солнечных и лунных
затмений, предложил способы их предсказания, уточнил величину расстояния
между Землей и Солнцем, составил так называемые Рудольфовы таблицы. С
помощью этих таблиц можно было в любой момент времени с высокой степенью
точности определить положение планет. Кеплеру принадлежит также решение
важных для практики стереометрических задач.
Вторая научная революция завершилась творчеством одного из величайших
ученых в истории человечества, каковым был Исаак Ньютон (1643 – 1727). Его
научное наследие чрезвычайно разнообразно. В него входит и создание
(параллельно с Лейбницем, но независимо от него) дифференциального и
интегрального исчисления, и открытие трех основных законов движения,
которые легли в основу механики. Данная система законов движения была
дополнена открытым Ньютоном законом всемирного тяготения, согласно которому
все тела, независимо от их свойств и от свойств среды, в которой они
находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо пропорциональное их массам
и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними.
Пожалуй, ни одно из всех ранее сделанных научных открытий не оказало
такого громадного влияния на дальнейшее развитие естествознания, как
открытие закона всемирного тяготения. Огромное впечатление на ученых
производил масштаб обобщения, впервые достигнутый естествознанием. Это был
поистине универсальный закон природы, которому подчинялось все – малое и
большое, земное и небесное. Этот закон явился основой создания небесной
механики – науки, изучающей движение тел Солнечной системы.
Начало процессу стихийной диалектизации естественных наук,
составившему суть третьей революции в естествознании, положила работа
немецкого ученого и философа Иммануила Канта (1724 – 1804) «Всеобщая
естественная история и теория неба». В этом труде, опубликованном в 1755
г., была сделана попытка исторического объяснения происхождения Солнечной
системы из некоторой первоначальной, бесформенной туманной массы, некогда
равномерно заполнявшей мировое пространство.
Вплоть до конца XIX в. на базе классической механики Галилея –
Ньютона развивались все естественные науки. Затем вслед за механикой
теоретическим науками стали химия, термодинамика, учение об электричестве.
Теоретизация химии связана в первую очередь с исследованиями англичанина
Джона Дальтона, сознательно положившего в основу теоретического объяснения
химических изменений вещества атомистическую идею и придавшего этой идее
вид конкретной научной гипотезы. Это стало началом химического этапа
развития атомистики. В 1861 г. русский химик А.М. Бутлеров сформулировал
основные положения теории химического строения молекул, а в 1869 г. Д.И.
Менделеев открыл Периодический закон химических элементов. Он догадывался,
что причины периодической зависимости элементов надо искать во внутреннем
строении атомов.
Трудами большой группы ученых (Н. Карно, Ю.Р. Майера, Г. Гельмгольца,
Р. Клаузиуса, У. Томсона, В. Нернста и других) были установлены основные
законы термодинамики. М. Фарадей и Дж.К. Максвелл заложили начало учения об
электромагнитном поле. Для развития теоретического мышления в биологии
важное значение имели клеточная теория Т. Шванна, М. Шлейдена, Я.Э.
Пуркинье и эволюционное учение Ч.Дарвина. Биология XIX в. (вместе с
геологией) ярко продемонстрировала значение эволюционных идей.
Выдающиеся заслуги в развитии биологии принадлежат русским ученым
П.Ф. Горянинову (одному из создателей клеточной теории строения
организмов), эволюционистам К.Ф. Рулье, А.Н. Бекетову и И.И. Мечникову.
Основополагающие открытия в физиологии высшей нервной деятельности совершил
И.М. Сеченов (1829 – 1905). Его учение о механизмах деятельности
головного мозга было развито работами великого исследователя И.П. Павлова.
И.М. Сеченов доказал, что в основе психических явлений лежат
физиологические процессы. Если Р. Декарт осознал рефлекторный характер
непроизвольных движений, управляемых спинным мозгом, то И.М. Сеченов первым
высказал идею о рефлекторном характере произвольных движений, управляемых
головным мозгом. Продолжением этой идеи явилось открытие И.П. Павловым
(1855 – 1935) условных рефлексов. И.М. Сеченов доказал, что раздражение
определенных центров в головном мозгу тормозит деятельность центров
спинного мозга. Благодаря И.М. Сеченову головной мозг стал предметом
экспериментального исследования, а психические явления начали получать
материалистическое объяснение в конкретной научной форме.
В начале ХХ века в физике и естествознании в целом произошла еще одна
крупнейшая революция, приведшая к признанию релятивистской и
квантовомеханической картины мира. Этому способствовали открытия:
электромагнитных волн (Г. Герц), рентгеновских лучей (В. Рентген),
радиоактивности (А. Беккерель), радия (М. Кюри-Складовская и П. Кюри),
светового давления (П.Н. Лебедев), первых положений квантовой теории (М.
Планк) и других явлений.
3. Значение естествознания для личностного развития человека,
специалиста XXI века
Ограничение области знания лишь небольшой группой
людей ослабляет философский дух народов и ведет
к духовному обнищанию.
А.Эйнштейн
В современном «постиндустриальном» обществе в научные разработки и
технологическую деятельность вовлечены миллионы людей. Работа их определяет
судьбы миллиардов, поэтому без глубокого освоения идей, языка и методов
современной науки невозможно разумно управляемое развитие человеческой
цивилизации. Экологический кризис, поставивший человечество на грань
катастрофы, вызван не научно-техническим прогрессом, а напротив –
недостаточным распространением в обществе научных и культурных знаний,
породившим благодатную почву для принятия безответственных решений,
бесконтрольного производства человеческих потребностей далеко не высшего
порядка и их удовлетворению в ущерб окружающей природе.
Человечество на пороге нового тысячелетия находится в состоянии
настоящей революции в области коммуникации и информации, подготовившей и
смену мировоззрения. Информация превратилась в глобальный и, в принципе,
неистощимый ресурс человечества, вступающего в новую эру развития
цивилизации – эпоху интенсивного освоения этого информационного ресурса и
неслыханных возможностей феномена управления. Многие решения, определяющие
будущее, зависят от адекватной интерпретации научных открытий. Наука – не
набор непреложных истин и научный метод – лишь один из способов познания
природы. Когда-то Ньютон заметил: «Тот, кто копается в глубоких шахтах
знания, должен, как каждый землекоп, время от времени подниматься на
поверхность подышать свежим воздухом», имея в виду, что «углубление шахт
знания» может привести их неустойчивости.
Гуманизация общества и образования стала насущной потребностью нашего
времени. Один из самых известных физиков нашего столетия Макс Борн как-то
сказал: «Нынешние политические и милитаристические ужасы, полный распад
этики – всему этому я был свидетелем на протяжении моей жизни. Если даже
род человеческий не будет стерт ядерной войной, он может выродиться в какие-
то разновидности оболваненных и бессловесных существ, живущих под тиранией
диктаторов и понукаемых с помощью машин и электронных компьютеров». Поэтому
в обучении важны и современные знания, и соответствующая им ответственность
и мораль. Велика в этом роль естествознания как попытки найти логически
безупречный ответ на главный вопрос – происхождение мироздания и
человечества.
4. Уровни организации живой материи
Авторами теории уровней организации живого являются Браун и Селларс.
Они называли эти уровни классами сложности.
I уровень – молекулярно-генетический. В его состав входят:
1. Химические элементы
2. Углеводы
3. Аминокислоты
4. Белки
5. Липиды (воски и жиры)
6. Нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК)
II уровень – клеточный.
Впервые термин клетка ввел Р.Гук. Клетка – это основная структурная и
функциональная единица живого. Причем все клетки делятся на две группы:
прокариоты (безядерные) и эукариоты (ядерные).
III уровень – тканевой.
Ткань – это группа физически объединенных клеток и межклеточного
вещества для выполнения определенной функции. Виды ткани:
- эпителиальная;
- соединительная;
- мышечная;
- нервная.
IV уровень – органный.
Орган – это относительно крупная функциональная единица, которая
объединяет различные ткани в некоторые комплексы. Органы объединяются в
системы органов для выполнения определенной функции. Внутренние органы
характерны только для животных и человека (у растений отсутствуют).
V уровень – организменный.
Организм – это особая внутренняя среда, существующая во внешней среде
в постоянном обмене веществ с ней.
VI уровень – популяционный.
Популяция – это совокупность организмов с единым генофондом,
занимающих определенную территорию (ареал).
VII уровень – биоценотический.
Биоценоз – это целостная группа популяций с общей территорией
обитания, отличающейся от других соседних территорий химическим составом
почвы, воды и рядом других физических показателей: климатом, влажностью и
т.д.
VIII уровень – биогеоценотический.
Биогеоценоз – единство биоценоза с неживой природой, т.е. живых
существ со средой обитания: с температурными, географическими, атмосферными
условиями.
IX уровень – биосферный.
5.Учение В.И. Вернадского о биосфере, основные его положения
Центральным пунктом изучения в теории Вернадского является понятие о
живом веществе, т.е. совокупности всех живых организмов. Кроме живого
вещества Вернадский выделял еще косное вещество (воздух, вода, минералы).
Между живым веществом и косным находятся биокосные вещества (остатки живых
организмов, например, навоз).
Отличия живого вещества от косного заключаются в следующем:
1) изменения и процессы в живом веществе происходят быстрее, чем в
косных телах, поэтому для характеристики изменений в живом
веществе используется понятие исторического времени, а в неживых
телах геологического времени. 1 секунда геологического времени =
100 тысяч лет исторического;
2) в живых организмах существует непрерывный ток атомов: из живых в
неживое, и наоборот;
3) только в живых организмах происходят качественные изменения в ходе
геологического времени, т.е. эволюция;
4) живые организмы изменяются в зависимости от окружающей среды.
Вернадский выдвинул предположение, что живые организмы сами по себе
эволюционируют. Он поставил вопрос: «Есть ли у жизни начало?», на который
он отвечает в поддерживаемой им концепции вечной жизни о том, что Земля
существует вечно, и поэтому жизнь на ней не имеет начала.
Согласно данной теории биосфера выполняет несколько функций:
1) кислородная, т.к. часть биосферы выделяет кислород;
2) почвообразующая;
3) хемосинтезирующая – синтез органических веществ из неорганических,
возможный только в бактериях (например, только бактерии способны
аккумулировать азот из воздуха);
4) круговорот веществ (атомов) в природе, в котором участвует вся
атмосфера в целом;
5) структурная – некоторые живые организмы способны изменять облик
Земли и т.д.
По Вернадскому работа живого вещества в биосфере может быть выражена
в двух основных формах:
- химическая или биохимическая ( I род геологической деятельности );
- механическая ( II род геологической деятельности).
I род геологической деятельности проявляется в обмене веществ внутри
живых организмов, в результате которого происходит постоянных кругооборот
атомов.
При этом большое значение имеет количество пропускаемых веществ через
тот или иной живой организм. По некоторым данным установлено, что через
организм человека за всю его жизнь проходит около: 75 т воды, 17 т
углеводов, 2,5 т белка, 1,5 т жира.
Сущность II рода геологической деятельности проявляется только в тех
экосистемах, где хорошо развит почвенный покров, который позволяет
создавать норы, укрытия, т.е. разрыхлять почву.
Вернадский для понимания работы живого вещества в биосфере ввел 3
биогеохимических принципа:
1) биогенная миграция атомов всегда стремится к максимальному
значению. Это выражается в способности некоторых живых организмов
неограниченно размножаться;
2) эволюция видов в ходе геологического времени ведет к образованию
таких организмов, которые увеличивают миграцию атомов;
3) заселение планеты должно быть максимально возможным для всего
живого вещества.
С появлением человека, по учению Вернадского, биосфера переходит в
качественно новую сферу – ноосферу, т.е. сферу человеческого разума.
Для этого должны быть выполнены следующие условия:
1) заселение человеком всей планеты;
2) резкое преобразование средств связи и обмена между странами;
3) усиление связей, в т.ч. политических, между всеми странами;
4) начало преобладания роли человека над другими геологическими
процессами, протекающими в земной коре;
5) расширение границ биосферы и выход в космос;
6) открытие новых источников энергии;
7) равенство людей всех рас и религий;
8) увеличение роли народных масс в решении вопросов внутренней и
внешней политики;
9) свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных,
философских и политических построений, а также создание в
государстве благоприятных условий для свободного развития научной
мысли;
10) продуманная система народного образования и повышения
благосостояния трудящихся; создание реальной возможности не
допустить голода, нищеты;
11) разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее
способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные
потребности;
12) исключение войн из жизни общества.
6. Органические вещества, их классификация, значение
в живой природе
До начала XIX столетия все известные вещества делили по их
происхождению на две группы: вещества минеральные и вещества органические.
Многие ученые тех времен считали, что органические вещества могут
образоваться только в живых организмах при помощи «жизненной силы». Такие
идеалистические взгляды назывались виталистическими. Виталистические
взгляды о невозможности синтезировать органические вещества из
неорганических задерживали развитие химии.
Большой удар взглядам виталистов нанес немецкий химик Ф. Велер. Он
получил органические вещества из неорганических: в 1824 г. – щавелевую
кислоту, а в 1828 г. – мочевину.
Дальнейшие органические синтезы (в 1845 г. немецкий ученый Г. Кольбе
искусственным путем получил уксусную кислоту, в 1854 г. французский ученый
М. Бертло синтезировал жиры, а в 1861 г. русский ученый А.М. Бутлеров
получил сахаристое вещество) полностью опровергли утверждение виталистов о
том, что органические вещества могут образоваться только в живых
организмах.
Почему же тогда органические вещества рассматривают в специальном
курсе, который традиционно называют органической химией? Одной из причин
этого является тот факт, что в состав молекул всех органических веществ
входит углерод, тогда как в неорганической химии подобного примера нет.
(Однако это определение не является абсолютно точным, т.к., например,
оксиды углерода (IV и II), угольная кислота, карбонаты, карбиды и некоторые
другие соединения, в состав молекул которых входит углерод, по характеру
свойств относят к неорганическим веществам.)
Насчитывается около 6,5 млн. органических веществ, и их число
продолжает расти. Это объясняется тем, что атомы
|
