Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Концепции современного естествознания: Учебное пособие

Голосов: 18

Учебное пособие по курсу "Концепции современного естествознания" включает 7 глав: Развитие естествознания; Пространство и время. Энергия; Эволюция Вселенной; Эволюция история жизни; Человек как предмет естествознания; Экологические проблемы человеческого общества; Загрязнение окружающей среды и пути его преодоления. Приведены программа курса, контрольные вопросы и задания.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
        2. Открытая система должна быть достаточно далека от
точки термодинамического равновесия. В точке равновесия сис-
тема обладает максимальной энтропией и поэтому не способна к
какой-либо организации: в этом состоянии достигается максимум
ее самодезорганизации. В состоянии, близком к равновесию,
система со временем приблизится к нему и придет в состояние
полной дезорганизации.
    3. Фундаментальным принципом самоорганизации служит
возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие
флуктуации, или случайные отклонения, системы от некоторого
среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидиру-
ются системой. Но в открытых системах благодаря усилению
неравновесности эти отклонения со временем возрастают и в
конце концов приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и
возникновению нового. Этот процесс обычно характеризуют как
принцип образования порядка через флуктуации. Так как флук-
туации носят случайный характер, то становится ясно, что появ-
ление нового в мире всегда связано с действием случайных
факторов. Об этом говорили античные философы Эпикур (341–
270 до н.э.) и Лукреций Кар (99–45 до н.э.)
    4. Возникновение самоорганизации опирается на положи-
тельную обратную связь. Функционирование различных автома-
тических устройств основывается на принципе отрицательной
обратной связи, т.е. на получение обратных сигналов от испол-
нительных органов относительно положения системы и после-
дующей корректировки этого положения управляющими устрой-
ствами. В самоорганизующейся системе изменения, появляю-
щиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усилива-
ются, что и приводит в конце концов к возникновению нового
порядка и структуры.
    5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних
структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Так,
мы уже видели, что при описании необратимых процессов при-
шлось отказаться от симметрии времени, характерной для обра-
тимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, свя-
занные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению
старых и возникновению новых структур.
    6. Самоорганизация может начаться лишь в системах, об-
ладающих достаточным количеством взаимодействующих между
собой элементов, имеющих некоторые критические размеры. В
противном случае эффекты от синергетического взаимодействия
                             82


будут недостаточны для появления коллективного поведения
элементов системы и тем самым возникновения самоорганиза-
ции.
     Мы перечислили необходимые, но далеко не достаточные
условия для возникновения самоорганизации в различных сис-
темах природы. Даже в химических самоорганизующихся систе-
мах, кроме вышеперечисленных, участвуют и другие факторы,
например, процессы катализа. В биологических системах таких
факторов еще больше. Поэтому можно сделать вывод, что чем
выше по эволюционной лестнице система, тем более сложными
и многочисленными оказываются факторы, играющие роль в
самоорганизации.
     Три закона термодинамики вместе с молекулярно-кинети-
ческой теорией составили основу термодинамики, сформиро-
вавшейся ныне в универсальную строго логическую научную
дисциплину.

               Классификация видов энергии

    В настоящее время можно составить научно обоснованную
классификацию видов энергии и с ее помощью исследовать и
оценить их всевозможные взаимопревращения. Взяв за основу
критерий, включающий виды материи, формы ее движения и
виды взаимодействия, выделяют следующие виды энергии.
    1. Аннигиляционная энергия – полная энергия системы «ве-
щество-антивещество», освобождающаяся при аннигиляции.
    2. Ядерная энергия – энергия связи нейтронов и протонов в
ядре, освобождающаяся при делении и синтезе ядер атомов.
    3. Химическая энергия – энергия системы из двух или более
реагирующих веществ. Эта энергия освобождается в результате
перестройки электронных оболочек атомов и молекул при хими-
ческих реакциях.
    4. Гравитационная (гравистическая) энергия – потенциаль-
ная энергия ультраслабого взаимодействия всех тел, пропор-
циональная их массам.
    5. Электростатическая энергия – потенциальная энергия
взаимодействия электрических зарядов, т.е. запас энергии элек-
трически заряженного тела, накапливаемый в процессе преодо-
ления им сил электрического поля.


                             83


     6. Магнитостатическая энергия – потенциальная энергия
взаимодействия «магнитных зарядов», или запас энергии, нака-
пливаемой телом при преодолении сил магнитного поля в про-
цессе перемещения против действия этих сил.
     7. Нейтриностатическая энергия – потенциальная энергия
слабого взаимодействия «нейтринных зарядов», или запас энер-
гии, накапливаемый в процессе преодоления сил b-поля – «ней-
тринного поля». Вследствие огромной проникающей способности
нейтрино накапливать такую энергию практически невозможно.
     8. Упругостная энергия – потенциальная энергия механиче-
ски упруго измененного тела (сжатая пружина, газ), освобож-
дающаяся при снятии нагрузки чаще всего в виде механической
энергии.
     9. Тепловая энергия – часть энергии теплового движения
частиц, которая освобождается при наличии разности темпера-
тур тела и окружающей среды.
     10. Механическая энергия – кинетическая энергия свобод-
нодвижущихся тел и отдельных частиц.
     11. Электрическая (электродинамическая) энергия – энергия
электрического поля.
     12. Мезонная энергия – энергия движения мезонов (пио-
нов) – квантов ядерного поля, путем обмена которыми взаимо-
действуют нуклоны.
     13. Электромагнитная (фотонная) – энергия движения фо-
тонов электромагнитного поля.
     14. Гравидинамическая энергия (гравитонная) – энергия
движения гипотетических квантов гравитационного поля – грави-
тонов.
     15. Нейтринодинамическая энергия – энергия движения ней-
трино.
     Часто в особый вид выделяют биологическую энергию. Но
биологические процессы – всего лишь особая группа физико-
химических процессов, в которых участвуют те же виды энергии,
что и в других. Обычно в растениях электромагнитная энергия
солнечного излучения превращается в химическую, а в организ-
мах животных химическая энергия пищи превращается в тепло-
вую, механическую, электрическую, а иногда и в световую (элек-
тромагнитную). Поэтому правильнее говорить не о биологиче-
ской энергии, а о биологических преобразователях энергии –
растениях и животных.

                             84


     Большинство специалистов считает, что пока нет оснований
выделять в отдельный вид психическую энергию, так как неясно,
каким материальным носителям, формам движения материи и
видам взаимодействия можно сопоставить эту энергию. Однако
ни один акт человеческой деятельности не может обойтись без
мотивационного, а значит и «психоэнергетического» обеспече-
ния, источником которого служит физико-химическая энергия
организма.
     В последнее время на основе изучения космических явле-
ний, в частности, солнечной активности, теоретики предполагают
существование «вакуумной энергии». Космический вакуум рас-
сматривается ими как сверхплотная среда с мелкодисперсной
структурой, а обычная материя – как разреженное состояние
                                                 93    3
этой среды. При фантастической плотности в 10 г/см между
«зернами» вакуума действуют огромные гравитационные силы, и
энергия вакуума оказывается как бы «запечатанной». Чтобы
возбудить вакуум и освободить эту энергию, надо сжать материю
до огромной плотности, что в земных условиях не представляет-
ся пока возможным.
     Из всех видов энергии практическое использование имеют
всего 10 видов: ядерная, химическая, упругостная, гравитацион-
ная, тепловая, механическая, электрическая, электромагнитная,
электростатическая и магнитостатическая. При этом непосред-
ственно используется всего четыре вида: тепловая (70–75%),
механическая (около 20–22%), электрическая (около 3–5%) и
электромагнитная (световая) – менее 1%. Главным источником
непосредственно используемых видов энергии служит пока хи-
мическая энергия минеральных органических веществ (уголь,
нефть, природный газ и т.д.), запасы которой на Земле находят-
ся на грани истощения. Поэтому остро стоит вопрос о новых
источниках энергии и новых видах энергии, которые человек
сможет использовать в своей деятельности.
     Теперь вернемся к энтропии. И здесь обнаруживается, что
энтропия не передает всего многообразия энергии. Ее виды не-
многочисленны и не совпадают с видами энергии. Основными
видами энтропии являются: тепловая, структурная и информа-
ционная. С тепловой энтропией мы уже знакомы (это мера рас-
сеяния энергии). Структурная энтропия служит мерой неупоря-
доченности строения систем. Так, если из строительных деталей
собрать дом, то энтропия уменьшится, так как упорядоченность
системы возрастет. Представление об информационной энтро-
                             85


пии может дать следующий пример. При охлаждении газа до
температуры абсолютного нуля он сначала переходит в жидкое
состояние, а затем в твердое, т.е. переходит из неупоря-
доченного состояние во все более упорядоченное. Соответст-
венно растет и информация о расположении частиц газа. В газо-
образном состоянии система беспорядочна, и судить о располо-
жении частиц можно лишь на основе теории вероятности. В жид-
кости наблюдается ближний порядок – непосредственное окру-
жение уже становится более определенным. Максимальная упо-
рядоченность наблюдается в твердом состоянии, особенно при
абсолютном нуле. В твердом состоянии известен и ближний и
дальний порядок, т.е. становятся известными и дальние соседи.
Максимальная упорядоченность соответствует и максимальной
информированности и минимальной величине информационной
энтропии. Таким образом, информация эквивалентна отрица-
тельной энтропии, или, как называл ее Л. Бриллюэн, «негэнтро-
пии». Отсюда информационная энтропия – это мера неопреде-
ленности информации.


                Термодинамика и здоровье

        Всякий человеческий организм можно уподобить откры-
той термодинамической системе - он обменивается веществом
и энергией с окружающей средой. Мы также упоминали о том,
что всякий организм «работает» с уменьшением энтропии, то
есть в своей деятельности стремится максимально удалиться от
равновесного состояния, которое означает смерть организма.
Эта борьба требует огромных энергетических затрат, поэтому
всю жизнь мы вынуждены поглощать пищу.

                        Диетология

       У медиков есть особая наука о питании - диетология. Она
знает многое про пищевые продукты, их пользу и вред. Одна из
важных количественных характеристик пищи - её калорийность.
А это ничто иное, как тепловой эффект химической реакции го-
рения пищи, то есть чисто термодинамическое понятие. Иначе
калорийность еще называют теплотворной способностью пищи.
Термодинамика утверждает: все реакции горения - экзотермич-

                             86


ны, то есть идут с выделением теплоты, которую и использует
наш организм. Не случайно единицы измерения калорийности
пищи совпадают с единицами измерения теплоты и энергии.
       В термодинамике чаще всего тепловой эффект реакции
определяют в изобарических условиях, то есть при постоянном
давлении. Эти условия подходят и для человеческого организма
- в нашем организме поддерживается постоянство давления, и
даже незначительные его колебания сильно отражаются на са-
мочувствии человека.
       Тепловой эффект в изобарических условиях становится
функцией состояния и зависит только от начального состояния -
энергетики пищевых веществ, и от конечного состояния - энерге-
тики продуктов расщепления.
       И все бы хорошо, но пищевые продукты - это чаще всего
смеси, и поэтому рассчитать их теплотворную способность на 1
моль невозможно, её рассчитывают на 1 грамм пищи.

             Энергоносители - продукты питания

        Из органической химии мы знаем, что все пищевые про-
дукты включают в себя три класса органических соединений -
белки, жиры и углеводы.
        Большая часть энергии, в которой нуждается наш орга-
низм, поступает из углеводов и жиров. В процессе пищеварения
углеводы разлагаются на глюкозу С6Н12О6 . Она переносится то-
ком крови к клеткам организма, где реагирует с О2(газ) в не-
сколько стадий, превращаясь в конце концов в СО2(газ) и Н20(ж)
с выделением энергии ∆Н°.
  СбН12О6(т.) + бО2(газ) ! 6С02(газ) + бН2О(ж); ∆Н° = -2816 кДж.
        Разложение углеводов происходит быстро, поэтому их
энергия сразу же поступает в организм. Средняя калорийность
углеводов равна 17 кДж/г (около 4 ккал/г).
       Подобно углеводам, жиры в результате метаболизма
также превращаются в С02 и Н20. Например, сгорание типичного
жира стеарина С57Н110О6(тв.) происходит по уравнению
             2С57Н110Об(тв.)+ 16302(газ) ! 114С02(газ)+
                    11ОН20(ж). ∆Н= -75 520 кДж.
        Химическая энергия пищи, которая не расходуется на
поддержание температуры тела или на мускульную активность

                              87


либо, наконец, на перегруппировки атомов пищи в клетки орга-
низма, запасается в нем в виде жиров. Существуют по крайней
мере две причины, по которым жиры оказываются удобными для
хранения избытка энергии в организме:
         - они нерастворимы в воде, что позволяет им накапли-
 ваться в теле;
         - жиры выделяют больше энергии в расчете на один
 грамм, чем белки или углеводы, что делает их наиболее эффек-
 тивным источником энергии. Средняя калорийность жиров рав-
 на 38 кДж/г (около 9 ккал/г).
        Белки используются организмом в основном как строи-
тельный материал для клеток стенок различных органов, кожи,
волос, мускулов и так далее. В среднем при метаболизме белков
выделяется 17 кДж/г (около 4 ккал/г).

      Как измеряют калорийность пищевых продуктов

        Интересно, а как измеряют калорийность пищевых про-
дуктов? Самим медикам было бы трудно справиться с этим,
ведь организм - очень сложная система. Здесь на помощь снова
пришла термодинамика.
        Тепловой эффект в условиях существования организма
есть функция состояния, то есть не зависит от того, где и как ве-
щество вступает в реакцию при условии, что продукты реакции
остаются неизменными. Поэтому для определения калорийно-
сти пищи используют калориметр сгорания. Не слишком досто-
верные результаты получаются только для белков - в калори-
метрической бомбе азот, содержащийся в белках, выделяется в
виде N2 или оксидов азота, а из организма он выводится в виде
мочевины СН4N2O.
        С помощью калориметра подсчитали, что в среднем по-
требность организма в энергии составляет 6300 кДж (около
1500 ккал). Но для каждого из нас эта цифра различна. Объяс-
нение этому дает Первый закон термодинамики: теплота,
получаемая системой, идет на изменение её внутренней энер-
гии и совершение работы

                           Q = ∆U+А.

                              88


        Под изменением внутренней энергии мы подразумеваем
её затраты на поддержание температуры тела, перегруппировку
атомов пищи в клетки организма и, наконец, запас энергии в
виде жиров. Зная это, диетологи могут смело советовать же-
лающим увеличить свой вес в состоянии покоя (когда величина
совершаемой работы мала) поглощать как можно больше высо-
кокалорийной пищи - жиров и углеводов: тогда излишняя внут-
ренняя энергия пойдет на организацию запаса жиров в организ-
ме.
        Напротив, желающим похудеть обычно рекомендуют по-
больше двигаться и поменьше есть булочек и пирожков (то есть
уменьшить количество энергии, поступающей в виде пищи).
        И еще. Чтобы зимой не мёрзнуть на улице и не просту-
жаться, медики советуют хорошо питаться. В голодном состоя-
нии организм «вынужден» расходовать меньше энергии на под-
держание температуры тела и протекание внутренних процес-
сов, а ослабленный организм может легче «подхватить» просту-
ду.

                    Энтропия и болезни

       Кстати, о болезнях. Они тоже в ведении термодинамики.
Практически все болезни - начиная обычным гриппом и заканчи-
вая пугающим раком - развиваются по закону, очень похожему
на статистическую трактовку энтропии Больцмана:

                         S = KlnW
      Рассмотрим единую биологическую систему - население
современного мегаполиса. Общая энтропия этой системы


                         Sобщ. = ∑Si,


где Si,— энтропия отдельного человеческого организма.
        Пусть в системе появился один носитель заболевания.
Упорядоченность работы его организма уменьшается - вирус
вносит хаос в отлаженную систему. Sобщ. следовательно, тоже
повышается и резко увеличивает вероятность наступления со-

                             89


бытия - заражения вирусом других членов мегаполиса. При за-
ражении второго организма Sобщ. снова возрастает и снова резко
«подскакивает» величина W. Возможно, такая трактовка распро-
странения заболевания вызовет сомнение, но эксперименталь-
ными данными доказан экспоненциальный характер развития
эпидемий среди людей и животных. Поэтому врачи должны быть
максимально внимательны - при несвоевременных медицинских
мерах эпидемия почти мгновенно охватывает город. Мы не зря
говорили о мегаполисе - как и в термодинамике, чем больше
число объектов в составе макросистемы, тем точнее действует
закон.
       Подобная экспоненциальная зависимость действует и
внутри отдельного организма. Рассмотрим распространение в
нем одного из самых страшных заболеваний - рака. Здоровые
клетки организма высоко дифференцированы - клетки печени,
мозга, мышечных тканей не похожи друг на друга, они имеют
сложное строение и строго выполняют свою функцию. Высокая
их организация означает очень низкую величину энтропии здо-
ровой клетки Sздор. При возникновении опухолей клетки начинают
себя вести подобно одноклеточным организмам - размножаются.
При этом каждая клетка опухоли постепенно теряет свою диф-
ференциацию - опухолевые клетки мозга, печени, желудка все
менее отличаются друг от друга. Их структура становится менее
упорядоченной, а деятельность - менее специализированной.
Это означает, что энтропия опухолевых клеток больше, чем здо-
ровых. Таким образом, для процесса образования опухоли:

         Sопухоли > 0

          Долгое время лекарства, замедляющие развитие опу-
холи, искали наощупь. Основываясь на термодинамических вы-
водах, можно сказать - лекарство против рака должно действо-
вать таким ооразом, чтобы приостанавливать рост энтропии в
системе. По принципу «подобное лечи подобным», действие
лекарства должно описываться во времени экспоненциальной
зависимостью, причем величина уменьшающего энтропию дей-
ствия лекарства должна. перекрывать увеличивающуюся энтро-
пию опухоли, тогда развитие заболевания приостанавливается.
Сейчас эффективность лекарства описывают величиной
                             90


              N = fконтр./fоп.,
где fконтр. - степень экспоненты в уравнении динамики образова-
ния опухоли без лечения; fоп. – степень экспоненты при действии
лекарства.
Чем больше N, тем эффективнее лекарство.
          Итак, термодинамика вносит свой вклад в борьбу с самы-
ми страшными заболеваниями человечества. Но в запасе у ме-
диков остался самый глобальный вопрос: почему человек всю
жизнь пытается удалиться от равновесия, потребляя негэнтро-
пию, и все равно в конце концов стареет и умирает?
          Процесс старения характерен только для многоклеточно-
го организма, состоящего из множества дифференцированных
клеток. Все клетки можно разделить на две группы:
          -клетки, способные к делению - клетки разных органов;
          -неделящиеся клетки - клетки поперечно-полосатой мыш-
цы и головного мозга. Таким образом, старение связано либо с
деятельностью клеток первой группы, либо с дегенеративными
процессами клеток второй группы.
          Иногда старение организма уподобляют изнашиванию
машины. Наибольшему износу, очевидно, должны подвергаться
неделящиеся клетки, и этот износ означает увеличение энтропии
— беспорядка их действия и смерть.
          Но путем сложных экспериментов биологам удалось по-
казать, что жизнь неделящейся клетки представляет собой не-
прерывный процесс адаптации к условиям среды, это означает
постоянное уменьшение энтропии неделящихся клеток.
          Таким образом, процесс старения и смерти организма
связан с деятельностью делящихся паренхиматозных клеток.
Значит, для обеспечения долголетия врач должен советовать
своим пациентам побольше нагружать работой клетки головного
мозга и поперечно-полосатой мышцы и, напротив, избегать
сильных раздражителей и задавать умеренную функциональную
нагрузку паренхиматозным органам - печени, почкам, эндокрин-
ному аппарату. На более понятном языке это означает - не зло-
употреблять спиртным, табачными изделиями, жареной и жир-
ной пищей, не нарушать гормональный фон организма.




                              91



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика