Дидактичекая единица № 5. Панорама современного естествознания Темы:

1. Космология (мегамир).

2. Общая космогония (структура мегамира).

3. Происхождение Солнечной системы (СС).

4. Геологическая эволюция.

5. Происхождение жизни (эволюция и развитие живых систем).

6. Эволюция живых систем.

7. История жизни на Земле и методы исследования эволюции (эволюция и развитие живых систем).

8. Генетика и эволюция.

Задание 1. Современная космология основана на достижениях естествознания. Вселе́нная Фри́дмана (метрика Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера) — одна из космологических моделей, удовлетворяющих полевым уравнениям общей теории относительности, первая из нестационарных моделей Вселенной. Получена Александром Фридманом в 1922. Модель Фридмана описывает однородную изотропную нестационарную Вселенную с веществом, обладающую положительной, нулевой или отрицательной постоянной кривизной. Эта работа учёного стала основным теоретическим развитием ОТО после работ Эйнштейна 1915—1917 гг.
КОСМОЛОГИЯ (от космос и ...логия), физическое учение о Вселенной как целом, основанное на результатах исследования наиболее общих свойств (однородности, изотропности и расширения) той части Вселенной, которая доступна для астрономических наблюдений. Теоретический фундамент космологии составляют основные физические теории (общая теория относительности, теория поля и др.), эмпирическую основу - внегалактическая астрономия. Общие выводы космологии имеют важное общенаучное и философское значение. В современной космологии наиболее распространена модель горячей Вселенной, согласно которой в расширяющейся Вселенной на ранней стадии развития вещество и излучение имели очень высокую температуру и плотность. Расширение привело к их постепенному охлаждению, образованию атомов, а затем (в результате гравитационной конденсации) - протогалактик, галактик, звезд и других космических тел. Наблюдаемое реликтовое излучение с температурой ок. 3 К - это "остывшее" излучение, сохранившееся с ранних стадий развития Вселенной. К важнейшим, еще не решенным проблемам космологии относятся проблемы начального сверхплотного состояния Вселенной (т. н. сингулярности) и конечной фазы ее существования (возможности возвращения в состояние сингулярности). КОСМОЛОГИЯ — раздел астрономии и астрофизики, изучающий происхождение, крупномасштабную структуру и эволюцию Вселенной. Данные для космологии в основном получают из астрономических наблюдений. Для их интерпретации в настоящее время используется общая теория относительности А.Эйнштейна (1915). Создание этой теории и проведение соответствующих наблюдений позволило в начале 1920-х годов поставить космологию в ряд точных наук, тогда как до этого она скорее была областью философии. Сейчас сложились две космологические школы: эмпирики ограничиваются интерпретацией наблюдательных данных, не экстраполируя свои модели в неизученные области; теоретики пытаются объяснить наблюдаемую Вселенную, используя некоторые гипотезы, отобранные по принципу простоты и элегантности. Широкой известностью пользуется сейчас космологическая модель Большого взрыва, согласно которой расширение Вселенной началось некоторое время тому назад из очень плотного и горячего состояния; обсуждается и стационарная модель Вселенной, в которой она существует вечно и не имеет ни начала, ни конца.	Космология – одна из главных разделов любой культуры. Автором современной космологии (фото выше)стал российский учёный Александр Александрович Фридман (1888-1925). В древнем Египте космология представляла собой раздел мистики, где небесное и земное находились в сложных отношениях (см. рисунок ниже)
1. Приведите определение основных идей современной космологии - однородности, изотропности вселенной. 2. Современная вселенная признаётся нестационарной. Дайте краткое изложение этой космологической идее. 3. Космология считает, что началом вселенной была сингулярность, то есть признаёт модель горячей вселенной. Приведите краткий комментарий к этому разделу космологии.

Задание 2. Ниже приведены основные положения современной космологии. Используйте их для выполнения задания. Воспользуйтесь также рекомендованной литературой и справочниками.

КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Под космологическими данными понимают результаты экспериментов и наблюдений, имеющие отношение к Вселенной в целом в широком диапазоне пространства и времени. Любая мыслимая космологическая модель должна удовлетворять этим данным. Можно выделить 6 основных наблюдательных фактов, которые должна объяснить космология:

1. В больших масштабах Вселенная однородна и изотропна, т. е. галактики и их скопления распределены в пространстве равномерно (однородно), а их движение хаотично и не имеет явно выделенного направления (изотропно). Принцип Коперника, "сдвинувшего Землю из центра мира", был обобщен астрономами на Солнечную систему и нашу Галактику, которые также оказались вполне рядовыми. Поэтому, исключая мелкие неоднородности в распределении галактик и их скоплений, астрономы считают Вселенную такой же однородной везде, как и вблизи нас.

2. Вселенная расширяется. Галактики удаляются друг от друга. Это обнаружил американский астроном Э.Хаббл в 1929. Закон Хаббла гласит: чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Но это не означает, что мы находимся в центре Вселенной: в любой другой галактике наблюдатели видят то же самое. С помощью новых телескопов астрономы углубились во Вселенную значительно дальше, чем Хаббл, но его закон остался верен.

3. Пространство вокруг Земли заполнено фоновым микроволновым радиоизлучением. Открытое в 1965, оно стало, наряду с галактиками, главным объектом космологии. Его важным свойством является высокая изотропность (независимость от направления), указывающая на его связь с далекими областями Вселенной и подтверждающая их высокую однородность. Если бы это было излучение нашей Галактики, то оно отражало бы ее структуру. Но эксперименты на баллонах и спутниках доказали, что это излучение в высшей степени однородно и имеет спектр излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Очевидно, это реликтовое излучение молодой и горячей Вселенной, сильно остывшее в результате ее расширения.

4. Возраст Земли, метеоритов и самых старых звезд немногим меньше возраста Вселенной, вычисленного по скорости ее расширения. В соответствии с законом Хаббла Вселенная всюду расширяется с одинаковой скоростью, которую называют постоянной Хаббла Н. По ней можно оценить возраст Вселенной как 1/Н. Современные измерения Н приводят к возрасту Вселенной ок. 20 млрд. лет. Исследования продуктов радиоактивного распада в метеоритах дают возраст ок. 10 млрд. лет, а самые старые звезды имеют возраст ок. 15 млрд. лет. До 1950 расстояния до галактик недооценивались, что приводило к завышенному значению Н и малому возрасту Вселенной, меньшему возраста Земли. Чтобы разрешить это противоречие, Г.Бонди, Т.Голд и Ф.Хойл в 1948 предложили стационарную космологическую модель, в которой возраст Вселенной бесконечен, а по мере ее расширения рождается новое вещество.

5. Во всей наблюдаемой Вселенной, от близких звезд до самых далеких галактик, на каждые 10 атомов водорода приходится 1 атом гелия. Кажется невероятным, чтобы всюду местные условия были столь одинаковы. Сильная сторона модели Большого взрыва как раз в том, что она предсказывает везде одинаковое соотношение между гелием и водородом.

6. В областях Вселенной, удаленных от нас в пространстве и во времени, больше активных галактик и квазаров, чем рядом с нами. Это указывает на эволюцию Вселенной и противоречит теории стационарной Вселенной.

1. Дайте определение Метагалактики.

2. Приведите краткие сведения о реликтовом излучении.

3. Туманности – один из распространённых объектов мегамира. Ниже приведена туманность Ориона. Дайте определение туманности и приведите её краткие характеристики

Туманность Ориона

Туманность:

	Задание 3. Космого́ния (греч. κοσμογονία, от греч. κόσμος — порядок, мир, Вселенная и греч. γονή — рождение), область науки и философии, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем: звёзд и звёздных скоплений, галактик, туманностей, Солнечной системы и всех входящих в неё тел — Солнца, планет (включая Землю), их спутников, астероидов (или малых планет), комет, метеоритов. Изучение космогонических процессов является одной из главных задач астрофизики. Поскольку все небесные тела возникают и развиваются, идеи об их эволюции тесно связаны с представлениями о природе этих тел вообще. В современной космогонии широко используются законы физики и химии. Космогонические гипотезы XVIII—XIX веков относились главным образом к происхождению Солнечной системы. Лишь в XX веке развитие наблюдательной и теоретической астрофизики и физики позволило начать серьёзное изучение происхождения и развития звёзд. В 1860-х началось изучение происхождения и развития галактик, природа которых была выяснена только в 1920-е.
		Рисунок иллюстрирует основную структурную единицу вселенной – звёздное скопление, где присутствуют космические тела разного происхождения и на разной стадии развития
	1. Дайте определения некоторым космическим телам, изучаемым космогонией. 1. Планета: 2. Звезда: 3. Галактика: 4. Сверхновая: 2. Приведите краткую характеристику космогоническому понятию о главной звёздной последовательности. 3. В космогонии фигурируют некоторые гипотетические объекты (области пространства). Дайте краткую характеристику или определение «чёрной дыре»
Задание 4. Астрономы прошлого предложили множество теорий образования Солнечной системы, а в сороковых годах ХХ века советский астроном Отто Шмидт предположил, что Солнце, вращаясь вокруг центра Галактики, захватило облако пыли. Из вещества этого огромного холодного пылевого облака сформировались холодные плотные допланетные тела – планетезимали. При выполнении задания используйте доступные источники информации о строении Солнечной системы и её функционировании

1. В составе солнечной системы находятся планеты земного (внутренние планеты) типа и газовые планеты-гиганты (внешние планеты). Приведите примеры планет обоих типов с краткой характеристикой.

1.

2.

2. Земля представляет собой небольшую по размерам планету, которая оказалась местом зарождения и эволюции живого. Ниже приведены основные количественные данные о Земле, которые предлагается привести:

1. Расстояние от Земли до Солнца:

2. Возраст Земли:

3. Диаметр планеты:

4. Скорость движения по орбите:

5. Скорость обращения вокруг оси:

4. Расстояние до спутника (Луны):

3. Ниже приведена фотография Юпитера, сделанная одним из спутников НАСА. Приведите краткую характеристику этой планеты

Краткая характеристика Юпитера:

Задание 5. Развитие Земли как планеты происходило в результате сочетания многих факторов. Но общее название для этого эволюционного процесса – геологическая история. Для выполнения задания воспользуйтесь доступными сведениями о геологическом прошлом, строении планеты и перспективах её эволюции как планеты.

1. на рис. вверху приведены основные структурные геологические компоненты планеты. Дайте определения и краткую характеристику следующим из них:

1. Ядро:

2. Кора:

3. Мантия:

4. Литосфера:

2. Нынешний вид планеты – результат длительной геологической эволюции, которая ещё не завершилась. Рассмотрите приведённые на рис. ниже реконструкцию Пангеи и модель будущего строения Земли. Предложите свои ответы на следующие задания:

Рис.1. Эволюция планеты Земля от Пангеи (вверху) до прогнозируемых состояний суши в будущем (внизу)

Рис.2. Фрагментация Пангеи и образование нынешней конфигурации суши на Земле.

1. Дайте определение тектонической плите и приведите краткое описание гипотезе дрейфа плит: 2. Взадании упомянут материк Пангея. Найдите в учебниках, справочниках или Интернете информацию об этом материке и приведите её в кратком изложении: 3. Существуют разные версии механизмов преобразования геологического облика планеты. Перечислите их или выберите наиболее правдоподобный и приведите его краткую характеристику:

Задание 6. Возникновение жизни — процесс превращения неживойприродывживую. В разное время относительно возникновенияжизнинаЗемлевыдвигались следующие теории:

• Теория биохимической эволюции

• Теория панспермии

• Теория стационарного состояния жизни

• Теория самозарождения

В настоящее время теории самозарождения и стационарного состояния представляют собой только исторический или философский интерес, так как результаты научных исследований противоречат выводам этих теорий.

Теория панспермии не решает принципиального вопроса о возникновении жизни, она только отдаляет его в ещё более туманное прошлое Вселенной, хотя и не может исключаться как гипотеза о начале жизни на Земле.

 Абиогенез - идея о происхождении живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения жизни.     В 1924 г. известный биохимик А.И.Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд.лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Предсказание академика Опарина оправдалось. В 1955 г. американский исследователь С.Миллер, пропуская электрические заряды через смесь газов и паров, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таким образом, в середине XX века был экспериментально осуществлен абиогенный синтез белковоподобных и др. органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.

А.И. Опарин (1894 – 1980)

1. В гипотезе абиогенного происхождения жизни используются несколько гипотетических понятий. Дайте краткую характеристику или определение тем из них, которые приведены ниже:

1. Восстановительная атмосфера:

2. Коацерваты:

3. Голобиоз:

4. Генобиоз:

5. Первичный бульон:

6. Протоклетка:

2. Развитие жизни на планете изучает палеонтология. Приведите примеры определений науки, её задач и методов.

3. Эволюционное учение раскрывает механизм усложнения живого. В естествознании конкурируют два основных подхода к описанию механизмов эволюции – ламаркизм и дарвинизм. Раскройте кратко содержание каждого из них

Ж.Б.Ламарк (1744-1829)	Ч.Дарвин (1809-1882)
Ламаркизм: 1. Определение эволюции: 2. Движущие силы эволюции: 3. Цель эволюции:	Дарвинизм: 1. Определение эволюции: 2. Движущие силы эволюции: 3. Цель эволюции:

Задание 7. Современная эволюционная гипотеза отличается от эволюционизма Ч.Дарвина за счёт уточнения некоторых положений. Так, Ч. Дарвин не мог объяснить понятие изменчивости, поскольку генетические исследования в его время не проводились. Некоторые положения современного эволюционного учения и необходимые определения приведите в задании ниже.

1. Дайте определение изменчивости с позиций генетики:

2. Приведите определение модификационной изменчивости:

3. Определите формы естественного отбора:

3.1. движущий –

3.2. стабилизирующий –

3.3. дизруптивный –

4. Определите понятие популяционных волн и значение их для эволюции:

Задание 8. История становления и развития жизни на планете восстановлена палеонтологическими исследования частично. Весь период развития жизни разбит на эры, в течение которых существовала своя биосфера, и развивались свои группы живых организмов. Геохронологическая таблица (см. ниже) и преобладающие группы живых организмов используйте для выполнения задания.
Задание: 1. По геохронологической таблице определите время появления на суше 1.1. растений 1.2. животных 2. Определите основные отличия млекопитающих, которые позволили им стать ведущей группой живых организмов в Кайнозойскую эру. 3. Одним из наиболее важных для истории Земли стал Четвертичный период Кайнозойской эры. Приведите его краткую характеристику.