Тема № 6. Самоорганизация. Эволюция Вселенной
Основное содержание
Самоорганизация. Спонтанное возникновение упорядоченности в неживой природе (ячейки Бенара, химические часы). Симметрия в живой природе. Условия самоорганизации. Примеры самоорганизации в различных системах (природных, технических, биологических, социальных). Междисциплинарный синтез.
Космологические принципы; решения космологического уравнения; сингулярность; теории расширяющейся, горячей и раздувающейся Вселенной. Космологическая, галактическая и звездная стадии эволюции Вселенной. Эволюция Солнечной системы и Земли как планеты. Новые фундаментальные модели: темная энергия и скрытая масса. Физический вакуум.
Понятие жизни. Основные признаки и закономерности живых систем. Гипотезы возникновения живых организмов. Биохимическая эволюция (абиогенез). Мир РНК. ДНК: структура, функции, процессы. Клетка, ее строение и функционирование. Эволюция вида. Теория эволюции Ч.Дарвина. Синтетическая теория. Современное состояние эволюционных представлений – сочетание альтернативных теорий. Биосфера и геологические процессы. Хронологическая шкала жизни.
История рода homo. Проблема возникновения сознания. Асимметрия полушарий мозга. Проблема генетического и социального детерминизма в формировании личностных качеств индивидуума. Антропогенный фактор в развитии биосферы.
Основные понятия
Самоорганизация. Открытые системы. Эмерджентность. Порядок. Динамический хаос. Энтропия. Симметрия. Ячейки Бенара. Химические часы (реакции Белоусова-Жаботинского). Лазер. Диссипация. Необратимость времени. Фрактал. Нелинейность. «Эффект бабочки». Неравновесность. Флуктуации. Обратная положительная связь. Кооперативные процессы. Синхронизация. Бифуркация. Аттрактор. Большой Взрыв. Расширяющаяся Вселенная. Красное космологическое смещение. Закон Хаббла. Реликтовое излучение. Антропный принцип. Галактика. Звезда. Пульсар. Нейтронная звезда. Черная дыра. Красный гигант. Белый карлик. Солнечная система. Земля. Жизнь. Креационизм. Панспермия. Абиогенез. Первичный бульон (океан). Коацерваты. Геотермальные жерла. Хемосинтез. Фотосинтез. Автотрофы. Гетеротрофы. РНК. ДНК. Клетка. Аминокислота, белок. Нуклеотид, триплет, ген, аллель. Хромосома, геном, генотип. Генофонд, фенотип. Эволюция. Ароморфоз. Популяция. Мутации. Онтогенез и филогенез. Биосфера. Антропогенный фактор. Ноосфера.
Ключевая фраза
Самоорганизация = открытость + флуктуации + нелинейность + кооперация + ОПС
Любое состояние аттрактора заканчивается точкой бифуркации.
Часы, ячейки, лазер… живые организмы… галактики и звезды, сообщества живых
Эволюция человека начинается с Большого Взрыва.
Сильный, но одинокий, проигрывает слабому, но со связями.
Вопросы
Приведите определение понятия системы и назовите основные свойства систем. Что такое аддитивные свойства, эмерджентные свойства, мультипликативные свойства? Приведите примеры.
Приведите примеры изолированных, замкнутых и открытых систем. Чем они различаются?
Приведите примеры самопроизвольных процессов. Перечислите примеры самоорганизующихся систем. Чем самоорганизация отличается от самопроизвольности? Какими свойствами должны обладать самоорганизующиеся системы?
Опишите примеры самоорганизации в неживой природе: ячейки Бенара, «химические часы» (реакции Белоусова-Жаботинского), лазер.
Как связаны между собой такие условия самоорганизации, как флуктуации и обратная положительная связь?
Что такое диссипация? Приведите примеры систем с диссипацией. Каким образом поддерживается энтропийный баланс Земли? Каким образом поддерживается энтропийный баланс живых организмов?
Что такое нелинейность? Приведите примеры функций, иллюстрирующие как сильную, так и слабую реакцию системы на воздействие. «Эффект бабочки».
Корреляция как взаимосвязь случайных величин. Приведите примеры случайных величин и их корреляции в естественных и экономических науках. Кооперативные эффекты самоорганизующихся систем.
Что такое фрактал? Поясните свой ответ примерами.
Что такое точки бифуркации? Точками какого пространства они являются? Каковы особенности состояния и поведения системы в точках бифуркации?
Что такое аттрактор? Приведите примеры систем, для которых можно говорить о наличии аттрактора. Странный аттрактор Лоренца.
Что такое динамический хаос?
Что такое эволюция? Как можно схематически описать процесс эволюции? Является ли эволюция самоорганизацией?
Перечислите и поясните свойства Вселенной по модели Большого Взрыва. Какие доказательства этой модели существуют?
Что такое галактика? Перечислите особенности нашей Галактики.
Опишите современные представления об эволюции звезд.
Опишите современные представления о структуре и происхождении Солнечной системы.
Опишите модели эволюции и строения Земли как планеты.
Перечислите свойства живой материи. Поясните свой ответ примерами.
Перечислите гипотезы происхождения жизни. Опишите существующие модели абиогенеза. Молекулярно-генетические основы жизни.
Перечислите и поясните возможные ведущие факторы эволюции живого.
Опишите эволюционное дерево рода homo.
Основные гипотезы, описывающие эволюцию от гоминид к человеку разумному.
Тесты
1. Точкой бифуркации называется состояние, в котором происходит
ветвление различных возможностей дальнейшего поведения объекта
однозначно предсказуемое изменение характеристик объекта
переход объекта из одного агрегатного состояния в другое
изменение траектории движения объекта
2. Синергетика:
это наука о превращении сложных систем в простые;
наука о самоорганизации, спонтанном образовании систем;
наука о химических превращениях и структурах макромолекул;
наука об эволюции живых систем.
3. Диссипация – это:
переход энергии упорядоченного движения в энергию хаотичного движения;
распад сложных веществ на простые;
обмен веществ;
процесс, мешающий саморазвитию системы;
4. Аттрактор – это:
точка разветвления;
относительно устойчивое состояние системы, которое притягивает множество “траекторий” системы;
начальное состояние системы;
неустойчивое состояние системы;
5. Фракталы – это:
объекты, обладающие одинаковыми свойствами;
объекты, которые обладают свойствами самоподобия или масштабной инвариантностью;
объект, малый фрагмент структуры которого подобен структуре в целом;
объекты, не обладающие свойствами самоподобия.
6. Идеи синергетики:
относятся только к определенным дисциплинам;
специфичны и не носят общего характера;
носят междисциплинарный характер;
не могут использоваться в физике, биологии и космологии.
7. Самоорганизующийся универсум – это:
сумма законов природы
совокупность природных явлений
философский термин, обозначающий мир как целое
совокупность понятий
8. Условие самоорганизации:
наличие флуктуаций, нахождение системы в равновесном состоянии, большое количество элементов системы.
нелинейность, диссипативность, открытость
закрытость, линейность, наличие кооперативных процессов
состояние равновесия, замкнутость, наличие обратной положительной связи
9. Синергетика дает новый образ мира, который:
эволюционирует по нелинейным законам
находится в состоянии равновесия
периодически подвергается катастрофам
развивается по линейным законам
10.Укажите неверное утверждение: эволюцией в естествознании называется
непрерывный процесс изменения свойств объекта
процесс развития, который сопровождается появлением качественно новых свойств объекта
процесс развития, который ведет к усложнению объекта
процесс развития, который ведет от хаотического состояния к упорядоченному
11. Стрела времени – это понятие, используемое для обозначения
обратимых изменений в свойствах объекта
необратимых изменений в свойствах объекта
кратковременных нарушений в закономерном поведении объекта
долгосрочных изменений в поведении объекта
12. Укажите правильную последовательность этапов космологической эволюции
космологический, галактический, звездный, гелиологический
космологический, звездный, галактический, гелиологический
космологический, гелиологический, галактический, звездный
галактический, звездный, гелиологический, космологический
13. Возраст Вселенной равен
10-20 млрд. лет
10-20 млн. лет
1 млрд. лет
1 млн. лет
14. Модель эволюции Вселенной, получившая название «Большой взрыв», связана с представлениями:
об ее расширении из сингулярного состояния
о периодических сжатиях и расширениях (пульсациях), сопровождающихся явлениями взрывного характера
о Большом взрыве, как заключительном этапе сжатия Вселенной
о начальном взрыве, породившем неизменную (стационарную) Вселенную.
15. Укажите неверное утверждение:
Солнечная система принадлежит галактике Млечный путь
Наша планетарная система расположена в центральной области Галактики
Галактика Млечный путь относится к Местной группе галактик, в которую также входят Большое и Малое Магеллановы Облака и Туманность Андромеды
Наша Галактика спирального типа
16. Эволюция звезды на ее конечных стадиях зависит:
От температуры звезды
От массы звезды
От химического состава звезды
От положения в галактике.
17.Укажите составляющие Вселенной на фундаментальном качественном уровне (далее структурно неразложимом) с точки зрения современных представлений:
скрытая масса
атомы и молекулы
водород
гелий
темная энергия
звезды
электромагнитное излучение
галактики
видимое вещество
межзвездный газ
18.Возраст Солнечной системы равен
5 млрд. лет
4,5 млн. лет
45 млрд. лет
45 млн. лет
19. 1 астрономическая единица – это:
расстояние от Земли до Луны;
расстояние от Солнца до Меркурия
расстояние от Земли до Солнца
минимальное расстояние, на которое могут приблизиться друг к другу планеты Солнечной системы
20. Возраст Земли равен
возрасту Луны
возрасту Солнечной системы
45 млрд. лет
4,5 млрд. лет
21. Оболочки Земли и строение атмосферы. Расположите по порядку от центра к внешним оболочкам:
Стратосфера
Экзосфера
Литосфера
Тропосфера
Мантия
Ядро
Термосфера
Ионосфера
22.Укажите неправильное утверждение:
Немецкий метеоролог Альфред Вегенер выдвинул гипотезу дрейфа материков в 1921 году.
Гипотеза дрейфа материков сразу была принята научным сообществом и стала базовым положением в объяснении особенностей рельефа и видового разнообразия конкретных участков земной поверхности.
Очертания береговых линий материков, разделенных океаном, и схожесть береговых биоценозов свидетельствовали о ранее совместном существовании этих участков суши.
Теория дрейфа материков была полностью отвергнута научным сообществом, так как был абсолютно неясен механизм движения огромных участков суши.
23.Какие объекты входят в структуру биологической клетки
ядро
цитоплазма
нейрон
молекула ДНК
мембрана
24. Укажите правильные утверждения:
Прокариоты – это одноклеточные животные, в клетках которых отсутствует такая структура как ядро. ДНК в прокариотах прикреплена к стенкам клеточной мембраны и погружена непосредственно в цитоплазму.
Бактерии относятся к прокариотам.
Простейшие (например, амеба или инфузория) - это одноклеточные животные, которые относятся к прокариотам.
Клетки эукариот содержат ядро, в котором находится основная часть клеточной ДНК.
25. Ароморфоз – это ________________________________________. Расположите в правильной временной последовательности следующие ароморфозы:
многоклеточность
фотосинтез
теплокровность
эукариоты
внутриутробное развитие плода у млекопитающих
26. Найдите неправильные утверждения:
Животные и растительные клетки являются принципиально разными по составу и структуре, что и приводит к таким разным формам существования жизни.
В растительных клетках, в отличие от животных клеток, отсутствуют ДНК.
Животные и растительные клетки являются принципиально близкими по составу и структуре, что является одним из доказательств эволюционного единства живого.
В животных клетках, в отличие от растительных клеток, отсутствуют вакуоли - органеллы, запасающие в клетках воду.
27. Жизнь на Земле существует:
40-100 тыс. лет
3,5-6 млн. лет
3,5-4,1 млрд. лет
40-100 млрд. лет
28. Термин "онтогенез" означает
индивидуальное развитие организма
эволюция вида
эволюция биосферы
эволюция Земли как планеты
29. Термин "филогенез" означает
индивидуальное развитие организма
эволюция вида
эволюция биосферы
эволюция Земли как планеты
30. Термин "гомеостаз" означает
устойчивость организма
обмен веществ
способность к изменению
хрупкость костей
31. Термин "метаболизм" означает
рост и развитие организма
обмен веществ
синтез сложных молекул
способность к изменению
32. Возраст древнейших останков человека разумного составляет:
40-100 тыс. лет
3,5-6 тыс. лет
3,5-7 млн. лет
40-100 млн. лет
33. Возраст древнейших останков представителей рода homo составляет:
35-100 тыс. лет
около 7 тыс. лет
около 7 млн. лет
35-60 млн. лет
34. В каких родственных связях находились кроманьонцы и неандертальцы:
Неандертальцы являются прямыми предками кроманьонцев
Неандертальцы и кроманьонцы не имеют ничего общего в плане своего происхождения
Неандертальцы и кроманьонцы являются различными видами (ветвями) рода Homo и имеют общего предка
Кроманьонцы являются предками неандертальцев
35. Под влиянием человеческой мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние - ____________. Эта идея принадлежит ____________________________.
36. Кембрийский взрыв:
Падение метеорита около 65 млн. лет назад, приведшее к вымиранию динозавров в конце мелового периода.
Резкое увеличение видового разнообразия 540 млн. лет назад.
Великое вымирание организмов на границе палеозоя и мезозоя, примерно 248 млн. лет назад, при котором исчезло 96% морских видов, 70% морских видов, 83% видов насекомых.
Столкновение 4,36 млрд. лет назад прото-Земли с объектом планетарного масштаба, вещество которого частично поглотилось Землей, а из выбросов была сформирована Луна.
Рекомендуемая литература
Основная:
Липкин А.И. Концепции современного естествознания. Концепции современного естествознания. Часть I. Физика, химия, синергетика. Курс лекций. М.РГГУ – 2006.
Гороховская Е.А., Липкин А.И. Концепции современного естествознания. Концепции современного естествознания. Часть II. Биология и геология. Курс лекций. М.РГГУ – 2010.
Дополнительная:
Хокинг С. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр. М.:Амфора, 1989.
Хокинг С. Мир в ореховой скорлупке. М.:Амфора.
Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.
Пиковский А., Розенблюм М., Куртс Ю. Синхронизация. Фундаментальное нелинейное явление. М.: Техносфера, 2003. – 496с.
Ридли М. Геном: автобиография вида в 23 главах. М.: Эксмо, 2010. – 432с.
Лерер Дж. Как мы принимаем решения /пер. с англ. М.Бабичевой. – М.:Астрель; Corpus, 2010.– 350 с
Марков А. Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня. Неожиданные открытия и новые вопросы. М.: Астрель, Corpus .,2010 г
Марков А. Эволюция человека. Кн. 1: Обезьяны, кости и гены. М.: Астрель: CORPUS, 2011.– 464 с.;
Марков А. Эволюция человека. Кн. 2: Обезьяны, нейроны и душа. М.: Астрель: CORPUS, 2011.– 512 с.
Рекомендуемые Интернет-ресурсы
Учебные пособия и научно-популярные сайты:
Тур по истории Вселенной http://www.astronet.ru/db/msg/1199352/cosmo/bb0.html
Проблемы эволюции http://evolbiol.ru/
Эволюция человека http://evolbiol.ru/markov_anthropogenes.htm
Антропогенез.ру http://antropogenez.ru/
Видеоматериалы:
«Сложный вопрос со Стивеном Хокингом. Каково происхождение Вселенной?» http://video.yandex.ru/users/kan9-204/view/26/#
«Урок астрономии» (ЦНФ. реж. С.Райтбурт) (http://www.youtube.com/watch?v=bCaSBnRb4Mc&feature=related (1 часть), http://www.youtube.com/watch?v=CYpCxMWO2MI&feature=related (2 часть)
«Тайная жизнь хаоса» (реж. Дж.АльХалили. ВВС. 2010) http://video.yandex.ru/users/stentorbow/view/43/#
«Кто за стеной?» (ЦНФ. реж. С.Райтбурт) (http://www.youtube.com/watch?v=qS17mKgZRnU&feature=endscreen&NR=1 (1 часть) http://www.youtube.com/watch?v=ZcTRmJgqLB8&feature=related (2 часть)
«Происхождение жизни и ее эволюция» http://video.yandex.ru/users/sasha-mun/view/22/# (Ch. Discovery: «100 великих открытий»)
«В чем секрет жизни?» http://video.yandex.ru/users/doskado14/view/23/ (ВВС: «История науки», 5/6. 2010)
«Рождение жизни» http://rutube.ru/tracks/3004552.html (NG: «С точки зрения науки»)