Структурные уровни организации живой материи

Живой мир имеет сложную структуру. На основе критерия масштабности можно выделить следующие уровни организации живого:

Биосферный, включающий всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой. (на нём рассматривается, например, концентрация углекислого газа в атмосфере).

· Уровень биогеоценозов, состоящий изучастков Земли с определённым составом живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс, экосистему. (необходимо знать для рационального использования природы).

· Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. (его изучение важно для выявления факторов, влияющих на численность популяции).

· Организменный и органно-тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.

· Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.

· Молекулярный уровень составляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии.

Разделение живой материи на уровни является, конечно, весьма условным. Решение конкретных биологических проблем, таких, как регуляция численности вида, опирается на данные о всех уровнях живого.

Окружающий нас мир велик и многообразен. Все, что окружает нас, будь то другие люди, животные, растения, видимые только под микроскопом мельчайшие частички и гигантские скопления звезд, микроскопические атомы и огромные туманности, составляет то, что принято называть Вселенной.

С незапамятных времен человеческий разум интересует вопрос о возникновении мира. Еще не существовало таких понятий как религия и наука, а человек уже задумывался о мироустройстве и своем положении в окружавшем его пространстве.

Возникновение Вселенной и на данный момент остается одной из самых интересных и не изученных загадок современной космологии. Как появилась Вселенная, какие процессы способствовали возникновению звезд, солнечных систем, галактик, планет, что было до появления Вселенной, имеет ли она начало и конец? Вот лишь немногие вопросы, ответы на которые пытаются получить современные ученые.

Вопрос о происхождении Вселенной является своего рода основополагающим. Загадка возникновения жизни на Земле, а также возможности зарождения жизни на других планетах, так или иначе раскрывается, исходя из теорий о рождении Вселенной.

Итак, гипотез о возникновении Вселенной существует множество, это и научные концепции, и отдельные теории, и религиозные учения, и философские представления, и мифы о сотворении мира древних июлей. Однако все их можно условно разделить на две группы:

1. Теории возникновения Вселенной (в первую очередь религиозные), в которых в качестве созидающего фактора выступает Творец. Иными словами, согласно им, Вселенная представляет собой одухотворенное и осознанное творение, появившееся в результате воли Высшего разума;

2. Теории возникновения Вселенной, основывающиеся на научных факторах и отвергающие как само понятие Творца, так и его участие в создании мира. Они часто основываются на принципе заурядности, который рассматривает возможность существования жизни не только на нашей, но и на других планетах, находящихся в других солнечных системах или даже галактиках.

Различие этих концепций кроется, в первую очередь, в разных терминологиях, например, природа — творец, сотворение — происхождение. Зато в некоторых других вопросах отдельные научные и религиозные теории пересекаются или даже повтори ют друг друга.

Кроме различных концепций о происхождении Вселенной существуют также религиозные и научные датировки этого грандиозного события. Так, самая распространенная научная теория о возникновении Вселенной — теория Большого взрыва — утверждает, что Вселенная возникла примерно 13 млрд лет назад.

По различным христианским источникам, от сотворения мира Богом до рождения Иисуса Христа прошло от 3483 до 6984 лет. В индуизме с момента начала мироздания прошло примерно 155 трлн лет.

Однако рассмотрим некоторые концепции возникновения Вселенной подробнее.

Космологическая модель Канта

До начала XX в. среди ученых господствовала теория о том, что Вселенная бесконечна в пространстве и времени, статична и однородна. Еще Исаак Ньютон сделал предположение о том, что она безгранична в пространстве, а немецкий философ Эммануил Кант, основываясь на работах Ньютона и развивая его идеи, выдвинул теорию о том, что у Вселенной также нет начала и во времени. Он ссылался на законы механики и ими объяснял все происходящие во Вселенной процессы.

В своей теории Кант продвинулся еще дальше, распространив ее также и на биологию. Он утверждал, что в не имеющей начала и конца древней и огромной Вселенной существует бесконечное число возможностей, благодаря которым на свет может появиться любой биологический продукт. Эта теория о возможности возникновения жизни во Вселенной позднее легла в основу теории Дарвина.

Космологическая модель Канта нашла подтверждение благодаря наблюдениям астрономов XVIII— XIX вв. за движениями светил и планет. В скором времени его гипотеза стала теорией, которая к началу XX в. уже считалась единственно верной. Она не вызывала сомнений, даже несмотря на светометрический парадокс, или парадокс темного ночного неба, заключающийся в том, что в бесконечной Вселенной существует нескончаемое количество звезд, сумма яркостей которых должна образовывать бесконечную яркость. Иными словами, ночное небо было бы полностью покрыто яркими звездами, а в реальности оно тёмное, так как количество звезд и галактик исчислимо.

Модель Вселенной Эйнштейна (статическая Вселенная)

В 1916 г. увидел свет труд Альберта Эйнштейна Основы общей теории относительности», а уже и 1917 г. на основе уравнений этой теории он развил свою модель Вселенной.

Большинство ученых того времени сходилось но мнении, что Вселенная стационарна, и Эйнштейн также придерживался этого мнения, поэтому старался создать такую модель, в которой Вселенная не должна была расширяться или сжиматься. Это местами шло вразрез с его собственной теорией относительности, из уравнений которой следует, что Вселенная расширяется и одновременно происходи се торможение. Поэтому Эйнштейн ввел такое понятие, как космическая сила отталкивания, которая уравновешивает притяжение звезд и прекращает движение небесных тел, благодаря чему Вселенная остается статической.

Вселенная Эйнштейна имела конечные размеры, но вместе с тем у нее не было границ, что возможно только в том случае, когда пространство искривлено, как, например, в сфере.

Итак, пространство в модели Эйнштейна было трехмерным, оно замыкало само себя и было однородным, т.е. у него не было центра и краев, и в нем равномерно рас полагались галактики.

Модель расширяющейся Вселенной (Вселенная Фридмана, нестационарная Вселенная)

В 1922 г. советский ученый А. А. Фридман разработал первую нестационарную модель Вселенной, которая также была основана на уравнениях общей теории относительности. Работы Фридмана остались в то время незамеченными, а А. Эйнштейн отвергал возможность расширения Вселенной.

Тем не менее, уже в 1929 г. астроном Эдвин Хаббл открыл, что галактики, находящиеся рядом с Млечным путем, удаляются от него, а скорость их движения при этом все время остается пропорциональной расстоянию до нашей галактики. Согласно этому открытию, звезды и галактики постоянно «разбегаются» друг от друга, а следовательно, происходит расширение Вселенной. В итоге Эйнштейн согласился с выводами Фридмана, а позднее говорил, что именно советский ученый стал основателем теории расширяющейся Вселенной.

Эта теория не находится в противоречии с общей теорией относительности, но если Вселенная расширяется, то должно было произойти некое событие, приведшее к разбеганию звезд и галактик. Это явление очень напоминало взрыв, поэтому ученые и назвали его «Большим взрывом». Однако если Вселенная появилась в результате Большого взрыва, то должна существовать Высшая первопричина (или Конструктор), позволяющая этому взрыву произойти.

Теория Большого взрыва

Теория Большого взрыва строится на том, что материя и энергия, из которых состоит все сущее но Вселенной, ранее находились в сингулярном состоянии, т.е. в состоянии, характеризующемся бесконечной температурой, плотностью и давлением. В состоянии сингулярности не действует ни один закон физики, а все, из чего на данный момент состоит Вселенная, заключалось в микроскопически малой частичке, которая в какой-то момент времени пришла в нестабильное состояние, в результате чего и произошел Большой взрыв.

Изначально теория Большого взрыва носила название «динамическая эволюционирующая модель». Термин «Большой взрыв» получил широкое распространение в 1949 г. после публикации работ ученого Ф. Хойла.

На данный момент теория Большого взрыва разработана настолько хорошо, что ученые берутся описать процессы, которые начали происходить во Вселенной через 10—43 с после Большого взрыва.

Существует несколько доказательств теории Большого взрыва, одним из которых является реликтовое излучение, пронизывающее всю Вселенную и возникшее в результате Большого взрыва благодаря взаимодействию частиц. Реликтовое излучение может рассказать о первых микросекундах после рождения Вселенной, о тех временах, когда она находилась и горячем состоянии, а галактики, звезды и планеты еще не образовались.

Изначально реликтовое излучение также было только теорией, и вероятность его существования рассматривал Г. А. Гамов в 1948 г. Измерить реликтовое излучение и доказать действительность его существования смогли только в 1964 г. американские ученые благодаря новому прибору, который обладал необходимой точностью. После этого реликтовое излучение печально исследовали с помощью наземных и космических обсерваторий, что позволило увидеть, какой была Вселенная в момент своего рождения.

Еще одним подтверждением Большого взрыва является космологическое красное смещение, которое заключается в уменьшении частот излучения, что доказывает удаление звезд и галактик друг от друга вообще, и от Млечного пути в частности.

Теория Большого взрыва ответила на множество вопросов о возникновении нашей Вселенной, но и вместе с тем стала причиной появления новых загадок, которые остаются без ответов и сейчас. Например, что же стало причиной Большого взрыва, почему точка сингулярности стала нестабильной, что было до Большого взрыва, как появилось время и пространство?

Многие исследователи, например Р. Пенроуз и С. Хокинг, изучая общую теорию относительности, добавили в ее уравнения такие показатели, как пространство и время. По их мнению, эти параметры также появились в результате Большого взрыва вместе с материей и энергией. Следовательно, у времени тоже есть определенное начало. Однако из этого также следует, что должна существовать некая Сущность или Высший разум, который не зависит от времени и пространства, и присутствовал всегда. Именно этот Высший разум и стал причиной возникновения Вселенной.

Изучение того, что было до Большого взрыва — новый раздел в современной космологии. На вопрос о том, что же было до рождения нашей Вселенной и что ей предшествовало, пытаются ответить многие ученые.

Большой отскок

Эта интересная альтернативная Большому взрыву теория говорит о том, что до нашей Вселенной существовала другая. Таким образом, если рождение Вселенной, а именно Большой взрыв, рассматривали как уникальное явление, то в данной теории это лишь одно звено из цепи реакций, в результате которых Вселенная постоянно воспроизводит саму себя.

Из теории следует, что Большой взрыв не является точкой начала времени и пространства, а появился и результате предельного сжатия другой Вселенной, масса которой, по этой теории, не равна нулю, а лишь близка этому значению, при этом энергия Вселенной мс бесконечна. В момент предельного сжатия Вселенная имела максимальную энергию, заключенную в минимальный объем, в результате чего произошел большой отскок, и родилась новая Вселенная, которая также начала расширяться. Таким образом, квантовые состояния, существовавшие в старой Вселенной, просто изменились в результате Большого отскока и перешли в новую Вселенную.

В основе новой модели рождения Вселенной лежит теория петлевой квантовой гравитации, которая помогает заглянуть за Большой взрыв. До этого считалось, что все во Вселенной появилось в результате взрыва, поэтому вопрос о том, что же было до него, практически не ставился.

Данная теория принадлежит к числу теорий квантовой гравитации и объединяет в себе общую теорию относительности и уравнения квантовой механики. Предложили ее в 1980-х гг. такие ученые, как Э. Аштекар и Л. Смолин.

Теория петлевой квантовой гравитации говорит о том, что время и пространство дискретны, т.е. состоят из отдельных частей, или маленьких квантовых ячеек. На малых масштабах пространства и времени ни ячейки создают разделенную прерывистую структуру, а на больших — появляется гладкое и непрерывное пространство-время.

Рождение новой Вселенной происходило в экстремальных условиях, которые заставляли квантовые ячейки отделяться друг от друга, этот процесс и был назван Большим отскоком, т.е. Вселенная не появилась из ничего, как при Большом взрыве, а начала быстро расширяться из сжатого состояния.

М. Божовальд стремился получить сведения о Вселенной, предшествующей нашей, для чего несколько упростил некоторые квантово-гравитационные модели и уравнения теории петлевой квантовой гравитации. В данные уравнения входят несколько параметров состояния нашей Вселенной, которые необходимы для того, чтобы узнать, какой была предыдущая Вселенная.

Уравнения содержат взаимодополняемые параметры, позволяющие описать квантовую неопределенность об объеме Вселенной до и после Большого взрыва, и отражают тот факт, что ни один из параметров предшествующей Вселенной не сохранился после Большого отскока, поэтому в нашей Вселенной он отсутствует. Иными словами, в результате бесконечной цепи расширения, сжатия и взрыва, а затем нового расширения образуются не одинаковые, а разные Вселенные.

Теория струн и М-теория

Идея того, что Вселенная может постоянно воспроизводить себя, многим ученым кажется разумной. Некоторые полагают, что наша Вселенная возникла в результате квантовых флуктаций (колебаний) в предшествующей Вселенной, поэтому вполне вероятно, что в какой-то момент времени и в нашей Вселенной может возникнуть такая флуктация, и появится новая Вселенная, несколько отличная от настоящей.

Ученые идут в своих рассуждениях дальше и предполагают, что квантовые колебания могут произойти в любом количестве и в любом месте Вселенной, в результате чего появляется не одна новая Вселенная, а сразу несколько. На этом строится инфляционная теория возникновения Вселенной.

Образовавшиеся Вселенные отличны друг от друга, в них действуют разные физические законы, при этом все они находятся в одной огромной мегавселенной, но изолированы друг от друга. Сторонники данной теории утверждают, что время и пространство не появились в результате Большого взрыва, а существовали всегда в нескончаемой череде сжатия и расширения Вселенных.

Своего рода развитием инфляционной теории является теория струн и ее усовершенствованный вариант - М-теория, или теория мембран, которые строятся на цикличности мироздания. Согласно М-теории, физический мир состоит из десяти пространственных и одного временного измерения. В этом мире находятся пространства, так называемые браны, одной из которых и является наша Вселенная, состоящая из тpёx пространственных измерений.

Большой взрыв — результат столкновения бран, которые под воздействием огромного количества энергии разлетелись, затем началось расширение, постепенно замедлившееся. Выделенные в результате столкновения излучение и вещество остывали, появились галактики. Между бранами находится положительная по плотности энергия, вновь ускоряющая расширение, которое через некоторое время снова замедляется. Геометрия пространства становится плоской. Когда браны вновь притягиваются друг к другу, квантовые колебания становятся сильнее, геометрия пространства деформируется, а места таких деформаций в будущем становятся зародышами галактик. Когда браны сталкиваются друг с другом, цикл повторяется.

В перечисленных выше научных концепциях возникновения Вселенной отсутствует Творец как созидающая одухотворенная сила. Однако кроме них существуют иные теории появления мироздания, в которых в качестве созидающего фактора выступает Высший разум, названный в каждой из теорий по-разному.

Креационизм

Данная мировоззренческая теория происходит от латинского слова «creations» — «творение». Согласно этой концепции, наша Вселенная, планета и само человечество являются результатом творческой деятельности Бога или Творца. Термин «креационизм» возник в конце XIX в., а сторонники этой теории утверждают истинность истории о сотворении мира, изложенной в Ветхом Завете.

В конце XIX в. происходило быстрое накопление знаний в различных областях науки (биологии, астрономии, физики), широко распространенной стала теория эволюции. Все это привело к противоречию между научными знаниями и библейской картиной мира. Можно сказать, что креационизм появился как реакция консервативных христиан на научные открытия, в частности, на эволюционное развитие живой и неживой природы, которые в это время стали доминирующими и отвергали появление всего сущего из ничего.

Антро́пный при́нцип —объясняет, почему в наблюдаемой нами Вселенной имеет место ряд нетривиальных соотношений между разнообразными фундаментальными физическими параметрами, которые способны привести к образованию разумной жизни.Выделяют сильный и слабый антропные принципы. Слабый антропный принцип: во вселенной встречаются разные значения физических величин, но наблюдение некоторых значений более вероятно, поскольку в регионах, где величины принимают некоторые значения, жизнь более возможна. Сильный антропный принцип: вселенная должна иметь свойства, позволяющие развиться разумной жизни. Антропный Принцип (греч. anthropos – человек) – один из принципов современной космологии, устанавливающий зависимость существования человека как сложной системы и космического существа от физических параметров Вселенной (в частности, от фундаментальных физических постоянных – постоянной Планка, скорости света, массы протона и электрона и др.). Физические расчеты показывают, что если бы изменилась хотя бы одна из имеющихся фундаментальных постоянных (при неизменности остальных параметров и сохранении всех физических законов), то стало бы невозможным существование тех или иных физических объектов – ядер, атомов и т. д. Например, если уменьшить массу протона всего на 30%, то в нашем физическом мире отсутствовали бы любые атомы, кроме атомов водорода, и жизнь стала бы невозможной. Осмысление этих зависимостей и привело к выдвижению в науке и философии А.П. Существуют различные формулировки А.П., но чаще всего он используется в форме двух утверждений (слабого и сильного), выдвинутых в 1973 специалистом по теории гравитации Б. Картером. «Слабый» А.П. гласит: «То, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей». «Сильный» А.П. говорит о том, что «Вселенная (и, следовательно, фундаментальные параметры, от которых она зависит) должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей». Иными словами, наш мир оказался «устроенным» так удачно, что в нем возникли условия, при которых человек мог появиться. Очевидно, что в мировоззренческом плане А.П. воплощает в себе философскую идею взаимосвязи человека и Универсума, выдвинутую еще в античности и развиваемую целой плеядой философов и естествоиспытателей (Протагор, Анаксагор, Бруно, Циолковский, Тейяр де Шарден, Ф. Крик, Ф. Дайсон, Ф. Хойл и др.). А.П. допускает как религиозную, так и научную интерпретацию. Согласно первой, антропные характеристики Вселенной выглядят как «подтверждение веры в Творца, спроектировавшего мир так, чтобы удовлетворить в точности нашим требованиям» (Хойл). Научная позиция основана на тезисе о принципиальной возможности естественного существования множества миров, в которых воплощаются самые различные комбинации физических параметров и законов. При этом в одних мирах реализуются самые простые стационарные физические состояния, в других же возможно формирование сложных физических систем – в том числе и жизни в ее многообразных формах. Значение А.П. возрастает в наше время, для которого характерны космическая активность человека и все более серьезный поворот современной науки к гуманистической проблематике.

Периодический закон Менделеева фундаментальный закон, устанавливающий периодическое изменение свойств химических элементов в зависимости от увеличения зарядов ядер их атомов. Открыт Д. И. Менделеевым в 1869 при сопоставлении свойств всех известных в то время элементов и величин их атомных весов. Термин "периодический закон" Менделеев впервые употребил в ноябре 1870, а в октябре 1871 дал окончательную формулировку П. з.: "... свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса" ("Периодический закон. [Основные статьи]", 1958, с. 111). Графическим (табличным) выражением П. з. явилась разработанная Менделеевым периодическая система элементов.

Физический смысл П. з. был вскрыт лишь после выяснения того, что заряд ядра атома возрастает при переходе от одного химического элемента к соседнему (в периодической системе) на единицу элементарного заряда. Численно заряд ядра равен порядковому номеру (атомному номеру Z) соответствующего элемента в периодической системе, то есть числу протонов в ядре, в свою очередь равному числу электронов соответствующего нейтрального атома (см. Атом). Химические свойства атомов определяются структурой их внешних электронных оболочек, периодически изменяющейся с увеличением заряда ядра, и, следовательно, в основе П. з. лежит представление об изменении заряда ядра атомов, а не атомной массы элементов. Наглядная иллюстрация П. з.- кривые периодические изменения некоторых физических величин (ионизационных потенциалов, атомных радиусов, атомных объёмов) в зависимости от Z (см. Атомная физика).Какого-либо общего математического выражения П. з. не существует.

П. з. имеет огромное естественнонаучное и философское значение. Он позволил рассматривать все элементы в их взаимной связи и прогнозировать свойства неизвестных элементов. Благодаря П. з. многие научные поиски (например, в области изучения строения вещества - в химии, физике, геохимии, космохимии, астрофизике) получили целенаправленный характер. П. з.- яркое проявление действия общих законов диалектики, в частности закона перехода количества в качество.