Для специальностей: РВ, МО, ДУ, СУ, РА, ЮПКафедра электроники, доцент Родкина Л.Р. Концепции современного естествознания. - презентация

1 Для специальностей: РВ, МО, ДУ, СУ, РА, ЮПКафедра электроники, доцент Родкина Л.Р. Концепции современного естествознания

2 «Иерархия уровней организации биологии и живой природы» Часть 3

3 Исторически биология развивалась как описательная (феноменологическая) наука о многообразных формах, видах и взаимосвязях растительного и животного мира. Это позволяет в начале ХХI века определить ее как совокупность наук о живой природе, многообразии существовавших и существующих живых организмов, их строении и функциях, происхождении,распространении и развитии, связанных друг с другом и с неживой природой.

4

5 В биологии, как ни в какой другой науке, важнейшее значение играли и играют методы анализа, систематизации и классификации эмпирического материала, заложенные еще Аристотелем, затем продолженные К. Браунингом ( ), Дж. Реем ( ), К. Линнеем ( ), Ж. Бюффоном ( ), Ж. Ламарком и великим Ч. Дарвином ( ). В биологии, как ни в какой другой науке, важнейшее значение играли и играют методы анализа, систематизации и классификации эмпирического материала, заложенные еще Аристотелем, затем продолженные К. Браунингом ( ), Дж. Реем ( ), К. Линнеем ( ), Ж. Бюффоном ( ), Ж. Ламарком и великим Ч. Дарвином ( ).

6 Структура биологии: Структуру биологии как науки сегодняшнего дня можно рассматривать с нескольких точек зрения: По объектам, По свойствам, По уровням организации живого.

7 По объектам исследования: Биологию подразделяют на: Вирусологию Бактериологию Ботанику Зоологию Антропологию.

8 По свойствам, проявлениям живого: Эмбриология – наука, изучающая зародышевое (эмбриональное) развитие организмов; Эмбриология – наука, изучающая зародышевое (эмбриональное) развитие организмов; Морфология – наука о строении живых организмов; Морфология – наука о строении живых организмов; Физиология - наука о функционировании организмов; Физиология - наука о функционировании организмов; Молекулярная биология – наука о микроструктуре живых тканей и клеток; Молекулярная биология – наука о микроструктуре живых тканей и клеток; Биоэкология – наука об образе жизни сообществ растительного и животного мира, их взаимосвязях с окружающей средой; Биоэкология – наука об образе жизни сообществ растительного и животного мира, их взаимосвязях с окружающей средой; Генетика – наука о наследственности и изменчивости. Генетика – наука о наследственности и изменчивости.

9 По уровню организации живых организмов выделяют: Анатомию – науку о макроскопическом строении животных и человека; Анатомию – науку о макроскопическом строении животных и человека; Гистологию – науку о строении тканей; Гистологию – науку о строении тканей; Цитологию – науку о строении живых клеток. Цитологию – науку о строении живых клеток.

10 Исторически в биологии свершились три этапа: 1. Систематика (К. Линней); 2. Эволюция (Ч. Дарвин); 3. Биология микромира (Г.Мендель) Каждый из этапов порождал соответствующую научно- исследовательскую парадигму.

11 Выявленные в ходе изучения живого масштабы позволяют дать следующую иерархию (структуру) уровней организации живых систем, в которой отражены их сложность и закономерности функционирования:

12 Уровни организации живых систем: 1. Биосферный – рассматривающий целостность всех живых организмов и окружающей среды, порождающий глобальную экологию планеты. 2. Уровень биогеоценозов – структурный уровень единства флоры и фауны (биоценоза) с населяемой географической областью планеты.

13 3. Популяционно-видовой уровень – образующийся свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. 4. Организменный или органо- тканевый уровень – все об отдельных особях: строение; физиология; поведение; функции органов и тканей.

14 5. Клеточный и субклеточный уровни – отражающий особенности функционирования и специализацию клеток, внутриклеточных особенностей. 6. Молекулярный уровень, на котором решаются проблемы генетики, генной инженерии и биотехнологии.

15 Жизнь как самоорганизующаяся и эволюционирующая система Часть 4

16 Типы систем. Характеристики. Система (греч. Systema – целое, составленное из частей) – множество элементов, находящихся в связях и отношениях друг с другом, образующих определённую целостность, единство.

17 1. Системы неживой природы 2. Системы живой природы 3. Общественные системы Многообразие материальных систем:

18 Также выделяют систему биокосную – это природная система, создаваемая динамическим взаимоотношением организмов и окружающей их среды (например, биогеоценоз, экосистема) и системы биологические. Биологические системы – это динамически саморегулирующиеся, и, как правило, саморазвивающиеся и самовоспроизводящиеся биологические образования различной сложности, обладающие, с одной стороны, свойством целостности, с другой – соподчинённостью в составе структурно- функциональных иерархических уровней организации.

19 Простые Сложные По объёму и числу составных частей системы делятся на:

20 Системы считаются простыми если в них входит число переменных, и поэтому взаимоотношение между элементами системы поддаётся математической обработке и выведению универсальных законов. Системы считаются простыми если в них входит число переменных, и поэтому взаимоотношение между элементами системы поддаётся математической обработке и выведению универсальных законов. Сложные системы состоят из большого числа переменных, а следовательно, и большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее описать закономерности функционирования данного объекта (системы).

21 Принципы самоорганизации систем: Закрытые Открытые

22 В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но она в этих системах не накапливается, как в закрытых, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счёт заимствования порядка из внешней среды.

23 Самоорганизация может происходить лишь в сильно неравновесных диссипативных системах результате случайных флуктуаций (лат. Fluctuatio – колебание, отклонение от некоторого среднего положения) или внешних воздействий. Наука, занимающаяся эволюцией и возникновением таких систем, называется синергетикой или термодинамикой открытых неравновесных систем.

24 Современная наука процесс самоорганизации систем определяет следующим образом: 1. Система должна быть открытой, потому что закрытая изолированная система в соответствии со вторым законом термодинамики в конечном итоге должна придти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком или дезорганизацией.

25

26 3. Если упорядочивающим принципом для изолированных систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. 4. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип – положительную обратную связь, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.

27 5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур 6. Самоорганизация может начаться лишь в системах обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

28 Перечисленные выше условия безусловно являются необходимыми для возникновения самоорганизации в различных природных системах. Но конечно же недостаточными. Так, в химических и биологических самоорганизующихся системах важная роль отводится факторам ускорения химических реакций (процессы катализа).

29 Главная идея синергетики (предметом коей являются самоорганизующиеся системы) – это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции её разрушения средой. Например, в химии такое явление называют автокатализом. В неорганической химии автокаталитические реакции довольно редки, но, как показали исследования последних десятилетий в области молекулярной биологии, петли положительной обратной связи (вместе с другими связями – взаимный катализ, отрицательная обратная связь и др.) составляют саму основу жизни. Порядок и беспорядок в природе. Хаос.

30 Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и её среды. Система само организуется не гладко и просто, не неизбежно. Самоорганизация переживает и переломные моменты – точки бифуркации. Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации, роль случайных факторов резко возрастает. Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и её среды. Система само организуется не гладко и просто, не неизбежно. Самоорганизация переживает и переломные моменты – точки бифуркации. Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации, роль случайных факторов резко возрастает. В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдёт на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры – лазерные пучки, неустойчивости плазмы, флаттер, химические волны, структуры в жидкостях и др.). В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) может послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определённом (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях. В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдёт на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры – лазерные пучки, неустойчивости плазмы, флаттер, химические волны, структуры в жидкостях и др.). В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) может послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определённом (и часто неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.

31 Как выясняется, переход от Хаоса к Порядку вполне поддаётся математическому моделированию. И более того, в природе существует не так уж много универсальных моделей такого перехода. Качественные переходы в самых различных сферах действительности ( в природе и обществе – его истории, экономике, демографических процессах, духовной культуре и др.) подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию. Как выясняется, переход от Хаоса к Порядку вполне поддаётся математическому моделированию. И более того, в природе существует не так уж много универсальных моделей такого перехода. Качественные переходы в самых различных сферах действительности ( в природе и обществе – его истории, экономике, демографических процессах, духовной культуре и др.) подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию. Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы – это история образования всё более и сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях её организации – от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура). Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы – это история образования всё более и сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях её организации – от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).