- •Концепции современного естествознания
- •А.И. Бочкарёв, в.М. Васюков, о.В. Козловская, и.А. Дымченко
- •1. Рабочая учебная программа дисциплины
- •1.1. Цели освоения дисциплины
- •1.2. Место дисциплины в структуре ооп специальности
- •1.3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
- •1.4. Структура и объем дисциплины
- •1.4.1. Структура дисциплины (распределение фонда времени по семестрам, неделям и видам занятий)
- •1.4.2. Содержание дисциплины (распределение фонда времени по темам и видам занятий)
- •Человеческой культуры. История естествознания
- •1.1. Научное познание и роль науки в обществе. Структура естествознания
- •1.2. Естественные и гуманитарные науки
- •1.3. Эмпирический и теоретический уровни в естествознании
- •1.4. Возникновение рационального мышления. Формирование научного метода. Классический и неклассический периоды естествознания Геоцентрическая система мира
- •Гелиоцентрическая система мира
- •2.1. Механика Ньютона и детерминизм Лапласа. Законы сохранения
- •2.2. Дискретность и непрерывность материи в классическом естествознании
- •2.3. Концепции дальнодействия и близкодействия
- •3.1. Эволюция представлений о пространстве и времени
- •3.2. Постулаты и следствия специальной теории относительности
- •3.3. Взаимосвязь массы и энергии как основа ядерной энергетики. Основные положения и выводы общей теории относительности
- •3.4. Описание состояний в динамических и статических теориях. Законы термодинамики
- •3.5. Хаос, беспорядок и порядок в природе. Энтропия
- •В физике микромира. На переднем плане микромира
- •4.1. Противоречия в классической теории излучения и проявления концепции квантов. Корпускулярно-волновой дуализм
- •4.2. Особенности описания состояний в квантовой механике. Дискретные уровни энергии электронов в атомах и принцип Паули
- •4.3. Методы изучения микромира. Ускорители элементарных частиц. Стандартная модель элементарных частиц
- •I. Классификация элементарных частиц по значению спина
- •II. Классификация элементарных частиц по участию во взаимодействиях
- •4.4. Проблемы объединения фундаментальных взаимодействий
- •5.1. Химия и алхимия
- •5.2. Учение о составе вещества. Понятие о химических элементах. Периодическая система д.И. Менделеева
- •5.3. Учение о структуре вещества
- •5.4. Химические связи и строение молекул. Учение о химических процессах
- •5.5. Неорганические и органические соединения
- •Неорганические соединения
- •Органические соединения
- •5.6. Каталитическая и эволюционная химия
- •6.1. Масштабы и строение Вселенной
- •6.2. Развитие космологических и космологических представлений
- •6.3. Экспериментальные обоснования концепции Большого Взрыва. Темная материя и темная энергия
- •6.4. Разнообразие звезд, их строение и устойчивость. Рождение и термоядерная жизнь звезд. Смерть звезд
- •6.5. Солнце и солнечная система
- •6.6. Предмет и методы наук и Земле. Возникновение Земли и основные периоды геологической эволюции
- •6.7. Внутренние и внешние оболочки Земли
- •6.8. Тектоника литосферных плит. Эволюция атмосферы и гидросферы
- •7.1. Структурная иерархия живой материи. Феноменология жизни Признаки живой материи
- •Уровни организации живой материи
- •7.2. Молекулярные процессы в клетке
- •Строение клеток
- •Воспроизведение клеток
- •Обмен веществ и превращение энергии в клетке
- •Биосинтез белка
- •3 Нуклеотида → 1 аминокислота
- •7.3. Происхождение жизни и основные этапы ее эволюции Гипотезы происхождения жизни на Земле
- •Начальные этапы развития жизни на Земле
- •7.4. Генетика и эволюция
- •Закономерности наследования
- •Изменчивость
- •Генная инженерия и клонирование
- •Основные эволюционные теории
- •Микро- и макроэволюция
- •Факторы эволюции
- •Основные направления эволюции
- •Правила эволюции
- •8.1. Человек в иерархической структуре царства животных. Основные стадии антропогенеза
- •8.2. Социальная природа человека
- •8.3. Человек разумный Социально-географические особенности демографии
- •Социально-экологические особенности демографии. Окружающая среда и здоровье человека
- •8.4. Экосистема и ее элементы
- •Типы взаимодействия организмов
- •8.5. Геохимические функции живого вещества. Биосфера и человек
- •8.6. Глобальный экологический кризис
- •9.1. Естествознание и техника
- •9.2. Особенности эволюционных процессов в природе Самоорганизация в неживой природе
- •Самоорганизация в живой природе
- •Принципы универсального эволюционизма
- •Структурность и целостность в природе
- •Принципы целостности современного естествознания
- •9.3. Синергетика как наука о самоорганизации. Закономерности самоорганизации. Генезис синергетики. Моделирование самоорганизующихся процессов в природе и обществе
- •Методология постижения открытого мира
- •Принципы синергетики и синергетическая среда
- •Формирование инновационной культуры
- •3.Практические занятия
- •Практическое занятие 7. Естествознание и научно-технический прогресс. Самоорганизация в природе и в обществе (раздел 9)
- •Правила выполнения и оформления лабораторных работ
- •Лабораторная работа № 1. Изучение движения тел
- •Лабораторная работа № 2. Изучение статического равновесия механических систем
- •Лабораторная работа № 3. Изучение эволюции организационных структур методом моделирования электростатических полей
- •Лабораторная работа № 4. Исследование обменных процессов
- •Лабораторная работа № 5. Основные закономерности протекания химических процессов
- •Лабораторная работа № 6. Земля во вселенной
- •Лабораторная работа № 7. Солнечная активность
- •Лабораторная работа № 8. Сравнение строения клеток прокариот и эукариот
- •Лабораторная работа 9. Выявление активности процесса фотосинтеза
- •Лабораторная работа № 10. Исследование динамики открытых систем
- •Лабораторная работа № 11. Имитационное моделирование филогенеза
- •Лабораторная работа № 12. Изучение индивидуальных авторитмов
- •Лабораторная работа № 13. Исследование принципа симметрии
- •Лабораторная работа № 14. Экологическая характеристика места жительства, жилища и образа жизни
- •Лабораторная работа № 15. Изучение информационного поля конкурентного взаимодействий в малой социальной группе
- •Лабораторная работа № 16. Изучение оптических явлений и иллюзий восприятия действительности
- •Иллюзии цвета и контраста
- •Иллюзии восприятия глубины
- •4.Самостоятельная работа
- •Перечень тем творческих реферативных работ
- •5.Образовательные технологии
- •6.Оценочные средства для контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
- •Примерные тестовые задания для текущего, промежуточного и итогового контроля успеваемости обучающихся
- •Тема 1. Естествознание в контексте человеческой культуры. История естествознания
- •Тема 2. Механический детерминизм. Корпускулярные и континуальные концепции в естествознании
- •Тема 3. Пространство, время, относительность. Статистические закономерности в природе
- •Тема 4. Квантовые представления в физике микромира. На переднем крае физики микромира
- •Тема 5. Строение вещества
- •Тема 6. Вселенная. Звезды. Земля
- •Тема 7. Жизнь
- •Тема 8. Человек. Биосфера
- •Тема 9. Естествознание и научно-технический прогресс. Самоорганизация в природе и в обществе
- •7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
- •8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
- •«Концепции современного естествознания»
- •445677, Г. Тольятти, ул. Гагарина, 4.
Самоорганизация в живой природе
В 1952 г. вышла работа А. Тьюринга «О химической основе морфогенеза». Морфогенезом называется возникновение и развитие структуры живого организма в ходе его эмбриогенеза.
Сейчас доказано, что морфогенез в природе определяется взаимодействиями молекул и что некоторые вещества-морфогены, функционирующие в определенных местах организма в определенные моменты, ответственны за структурообразование. Тьюринг показал, что сопряжение автокаталитической химической реакции с диффузией ведет к оттоку энтропии из системы и возникновению пространственной и временной упорядоченности.
Живой организм – чрезвычайно сложная химическая машина, функционирующая при постоянных температуре и давлении. Источники энергии, необходимые для выполнения многообразных видов работ, в данном случае являются не тепловыми, а химическими. Энергия запасается прежде всего в АТФ.
В живом организме кодирование и передача информационных сигналов в конечном счете всегда осуществляется химическими способами. Сигналами, сообщениями в организме служат молекулы и ионы, источниками, преобразователями и рецепторами сигналов – молекулярные системы. Так, например, белок – фермент, являющийся катализатором определенной биохимической реакции, есть преобразователь сигнала. Он катализирует превращение одних сигнальных молекул в другие.
Любые виды работы могут производиться термодинамической системой только при условии, что имеются различия в параметрах, ответственных за действующие силы. В живом организме все определяется разностями концентраций химических веществ или разностями химических потенциалов. Организм живет на основе тонких и точных химических балансов. Особо важную роль в жизнедеятельности играет сопряжение химических реакций с процессами диффузии. Для создания разности концентраций ионов внутри и вне клеток также используется энергия молекул АТФ.
В настоящее время синергетика и физика диссипативных систем объединились с химией и биологией, раскрыв смысл биологического упорядочения и биологического развития. Современная наука уже достаточно хорошо понимает физические основы жизни, физические основы функционирования клеток и организмов, хотя исследования ряда принципиальных вопросов теоретической биологии и биофизики находятся еще в начальной стадии.
Жизнь существует постольку, поскольку существует энтропия, экспорт которой во внешнюю среду поддерживает биологические процессы на всех уровнях – от клеток до биосферы в целом.
Элементы теории бифуркаций. Эволюционный процесс математически описывается векторным полем в фазовом пространстве (абстрактном пространстве с числом измерений, равным числу переменных, характеризующих состояние системы). Точка фазового пространства задает состояние системы. Приложенный в этой точке вектор указывает скорость изменения состояния. В случае затухания фазовые траектории при любых начальных значениях оканчиваются в одной точке, которая соответствует покою. В таких точках вектор может обращаться в нуль. Эти точки называют положениями равновесия (состояние не меняется с течением времени). Фазовые траектории создают складки внутри фазового пространства. Область фазового пространства, заполненного хаотическими траекториями, называется странными аттракторами.
Важнейшим свойством странных аттракторов является фрактальность. Фракталы – это объекты, проявляющие по мере увеличения все большее число деталей. Хаос порождает фракталы, а фазовая траектория фракталов обладает самоподобием, т.е. при выделении двух близких точек на фазовой траектории фрактала и последующем увеличении масштаба траектория между этими точками окажется столь же хаотичной, что и вся в целом. Введение фрактальных множеств позволяет объяснить и предсказать многие явления в самых различных областях.
Математические образы теории катастроф реализуются в волновых полях. Геометрическое место точек, в которых происходит фокусировка волнового поля, называется в оптике каустикой. При пересечении каустик происходит скачкообразное изменение состояния системы. Момент перехода определяется свойствами системы и уровнем флуктуации в ней. При переходе выделяют два принципа: принцип максимального промедления, определяемый существованием устойчивого уровня, и принцип Максвелла, определяющий состояние системы глобальным минимумом.
Последовательность бифуркаций, возникающая при углублении неравновесности в системе, меняется, и процесс пойдет по разным сценариям (например, переход от ламинарного течения к турбулентному). После прохождения параметра через бифуркационное значение, соответствующее рождению цикла или мягкому возникновению автоколебаний, система остается в окрестности неустойчивого состояния некоторое время, за которое параметр меняется на конечную величину. После этого система скачком переходит в момент бифуркации в автоколебательный режим (уже ставший жестким).
Системы, описывающие реальные эволюционные процессы, как правило, общего положения. Действительно, такая система всегда зависит от параметров, которые никогда не известны точно. Управление без обратной связи всегда приводит к катастрофам: важно, чтобы лица и организации, принимающие ответственные решения, лично материально зависели от последствий этих решений.
Трудность проблемы перестройки связана с ее нелинейностью. Привычные методы управления, при которых результаты пропорциональны усилиям, тут не действуют, и нужно вырабатывать специфически нелинейную интуицию, основанную порой на парадоксальных выводах нелинейной теории колебаний
Вот некоторые качественные простейшие выводы из математической теории перестроек применительно к нелинейной системе, находящейся в установившемся устойчивом состоянии, признанном плохим, поскольку в пределах видимости имеется лучшее, предпочтительное устойчивое состояние системы.
Постепенное движение в сторону лучшего состояния сразу же приводит к ухудшению. Скорость ухудшения при равномерном движении к лучшему состоянию увеличивается.
По мере движения от худшего состояния к лучшему сопротивление системы изменению ее состояния растет.
Максимум сопротивления достигается раньше, чем самое плохое состояние, через которое нужно пройти для достижения лучшего состояния. После прохождения максимума сопротивления состояние продолжает ухудшаться.
По мере приближения к самому плохому состоянию на пути перестройки сопротивление с некоторого момента начинает уменьшаться, и, как только самое плохое состояние пройдено, не только полностью исчезает сопротивление, но и система начинает притягиваться к лучшему состоянию.
Величина ухудшения, необходимого для перехода в лучшее состояние, сравнима с финальным улучшением и увеличивается по мере совершенствования системы. Слабо развитая система может перейти в лучшее состояние почти без предварительного ухудшения, в то время как развитая система в силу своей устойчивости на такое постепенное, непрерывное улучшение не способна.
Если систему удается сразу, скачком, а не непрерывно перевести из плохого устойчивого состояния достаточно близко к хорошему, то дальше она сама собой будет эволюционировать в сторону хорошего состояния.
Без теории перестроек сознательное управление сложными и плохо известными нелинейными системами практически невозможно. Пренебрежение законами природы и общества (будь то закон тяготения, закон стоимости или необходимость обратной связи), падение компетентности специалистов и отсутствие личной ответственности за принимаемые решения рано или поздно приводит к катастрофе.
Исследованием поведения неравновесных систем в точках потери устойчивости или переходов из одной формы самоорганизации в другую занимается теория бифуркаций или, как ее еще называют, теория катастроф.
Слово «бифуркация» означает раздвоение и употребляется в широком смысле для обозначения всевозможных качественных перестроек или метаморфоз различных объектов при плавном изменении параметров, от которых они зависят. Катастрофами называют скачкообразные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. В результате катастрофы-взрыва система может не только скачкообразно изменить свое состояние, но и разрушиться.
Теория бифуркаций описывает поведение не только простых, но и очень сложных систем, в частности таких, как социальные, экономические. Событийное прочтение бифуркации таково: в данной точке система как бы обретает новую форму, новую структуру.