временное

1. Определение понятия естествознание. Цели естествознания, науки, входящие в систему естественных наук. В чем отличие естествознания от специальных естественных наук?
- Отличием естествознания как науки от специальных естественных наук является то, что оно исследует одни и теже природные явления сразу с позиций нескольких наук, «выискавая" наиболее общие закономерности и тенденции,рассматривает Природу как бы сверху.
Цели естествознания?
1. Выявление скрытых связей,создающих органическое единство всех физических,химических и биологических явлений.
2. Более глубокое и точное познание самих этих явлений.
2. Определение понятия точное естествознание. Предмет точного естествознания.
- Точное естествознание - это вполне оформленное точное знание обо всем,что действительно существует или может существовать во вселенной. Естествознание интересует все понятия от устройства и происхождения Вселенной до познания молекулярных механизмов существования уникального Земного явления - жизни.
1- Естествознание - это наука о Природе как единой целостности. Естествознание- это совокупность наук и Природе, рассматриваемых как единое целое.
3. Характеристика основных форм и уровней научного познания. В чем состоит необходимость изучения естествознания?
Формы. Научное знание представляет собой сложную систему, состоящую из многих взаимосвязанных компонентов. К ним относятся общие для всякого познания формы мышления: понятия, суждения, умозаключения, сформулированные наукой принципы, законы, категории. Кроме этих, относительно простых компонентов, в научном познании принято выделять более сложные формы, к ним относятся проблема, гипотеза, теория.
Закон - связи и взаимозависимость каких-нибудь явлений действительности.
необходимое и устойчивое отношение между явлениями
Категория - общее понятие, отражающее наиболее существенные
связи и отношения реальной действительности и познания.
Умозаключение – вывод, заключение.
Суждение - форма мышления, представляющая собой сочетание
понятий, из которых одно (субъект) определяется и
раскрывается через другое.
Понятие - логически оформленная общая мысль о классе предметов, явлений.
Проблема (греч. - преграда, трудность, задача) - объективно возникающий в ходе развития познания вопрос или комплекс вопросов, решение которых представляет существенный практический или теоретический интерес.
Гипотеза - обоснованное предположение, выдвигаемое с целью выяснения закономерностей и причин исследуемых явлений. Проходит три этапа: построение (накопление, анализ и обобщение фактов, выдвижение предположения для объяснения), проверка (дедуктивное выведение следствий, вытекающих из гипотезы и сопоставление следствий с фактами), доказательство (практическая проверка полученных выводов).
Теория - развитый вид духовной деятельности, направленной на приобретение знаний, теоретическое познание. В этом смысле теоретическая деятельность сопоставляется с деятельностью практической.
---------------------------
Зачем студенту, собирающемуся стать юристом, экономистом или инженером-мостостроителем, изучать естествознание? Затем что он сам является частью природы; часть же должна знать свое место в целом и что собой представляет это целое. Чувствовать себя полноценным человеком без восприятия красоты и совершенства природы невозможно. Кроме того, изучение естествознания позволяет человеку стать Homo sapiens, т. е. научиться логически доказательно думать: сначала находить необходимые и достаточные признаки предметов и явлений, потом путем сравнения их выводить понятия (законы). Человек разумный, если он назвал себя таковым, должен быть свободным в мышлении, а не рабом идей.
Чтобы быть культурным человеком, а не нравственным дикарем, нужно научиться уважать других людей, их восприятие мира. Особенно это важно делать с объяснениями окружавшего мира ушедшими поколениями — соблюдение принципа историзма. Отсюда в учебном пособии после научного выяснения любой проблемы будут приведены представления по ней людей с возможно раннего времени, обычно с древних греков, от которых и пошла современная европейская научно-техническая цивилизация.
4. Объективные условия возникновения науки. Современное определение науки. Основные функции науки.
Наука - это сфера человеческой деятельности, функция которой - выработка теоретическая систематизация объективных знаний о действительности; одна из форм общественного сознания; включает как деятельность по получению нового знания, так её и результат - сумму знаний, лежащих в основе научной картины мира. Она обозначает отдельные отрасли научного знания. Непосредственные цели - описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, составляющий предмет её изучения, на основе открываемых ею законов.
Главной и непосредственной функцией науки, определяющей всю ее структуру и организацию, было и остается раскрытие объективной истины. Истина - это результат познавательной деятельности человека, субъекта познания; истина существует в сознание человека. Но истина, будучи субъективной, в силу способа получения и формы выражения, по своему содержанию является объективной. Это следует из определения: истина это знание, содержание которого не зависит от познающего субъекта, оно обусловлено объектами познания, его свойствами и закономерностями. Более точную меру, степень и границы объективности истины удается выразить с помощью понятий абсолютной и относительной истины. Абсолютная истина складывается из суммы относительных истин.
Наука появляется тогда, когда для этого создаются особые объективные условия: более или менее четкий социальный запрос на объективные знания; социальная возможность выделения особой группы людей, чьей главной задачей становится ответ на этот запрос; начавшееся разделение труда внутри этой группы; накопление знаний, навыков, познавательных приемов, способов символического выражения и передачи информации (наличие письменности), которые и подготавливают революционный процесс возникновения и распространения нового вида знания - объективных общезначимых истин науки.
В методологии науки выделяются такие функции науки, как описание, объяснение, предвидение, понимание. При всем свойственном Конту эмпиризме он не склонен был сводить науку к собранию единичных фактов. Предвидение он считал основной функцией науки. О.Конт писал: "Истинное положительное мышление заключается преимущественно в способности знать, чтобы предвидеть, изучать то, что есть, и отсюда заключать о том, что должно произойти согласно общему положению о неизменности естественных законов".  Э.Мах единственной функцией науки объявил описание.  Он отмечал: "Дает ли описание все, что может требовать научный исследователь? Я думаю, что да!" Объяснение и предвидение Мах по сути сводил к описанию. Теории с его точки зрения - это как бы спрессованная эмпирия.  Э.Мах писал: "Быстрота, с которой расширяются наши познания благодаря теории, предает ей некоторое количественное преимущество перед простым наблюдением, тогда как качественно нет между ними никакой существенной разницы ни в отношении происхождения, ни в отношении конечного результата". Атомно-молекулярную теорию Мах назвал "мифологией природы". Аналогичную позицию занимал и известный химик В.Оствальд. По этому поводу А.Эйнштейн писал: "Предубеждение этих ученых против атомной теории можно, несомненно, отнести за счет их позитивистской философской установки. Это - интересный пример того, как философские предубеждения мешают правильной интерпретации фактов даже ученым со смелым мышлением и тонкой интуицией. Предрассудок, который сохранился до сих пор, заключается в убеждении, будто факты сами по себе, без свободного теоретического построения, могут и должны привести к научному познанию". В.Дильтей разделял науки о природе и "науки о духе" (гуманитарные). Он считал, что основная познавательная функция наук о природе - объяснение, а "наук о духе" - понимание. Однако науки о природе также выполняют функцию понимания. Объяснение связано с пониманием, поскольку объяснение аргументированно демонстрирует нам осмысленность существования объекта, а значит, позволяет понять его.
5. Соотношение науки, философии и религии. Роль современной науки в функционировании общества.
Современное развитие науки ведет к дальнейшим преобразованиям всей системы жизнедеятельности человека. Особо впечатляюще ее воздействие на развитие техники и новейших технологий, воздействие научно-технического прогресса на жизнь людей. Наука создает новую среду для бытия человека. “Как и искусство, - пишет М. Хайдеггер, - наука не есть просто культурное занятие человека. Наука - способ, притом решающий, каким для нас предстает то, что есть. Мы должны, поэтому сказать: действительность, внутри которой движется и пытается оставаться сегодняшний человек, все больше определяется тем, что называют западноевропейской наукой”.
6. Методы научного познания, их характеристика.
7. Системный подход к строению материи. Определение понятия система, целое, элемент, часть, свойства и структура системы, взаимосвязь элементов в системе.
Важнейшим свойством материи и материальных образований является их системная организация. Система (от греческого - целое, составленное из частей) - это комплекс взаимодействующих элементов, или, что одно и тоже: отграниченное множество взаимодействующих элементов. Практически любой, материальный и идеальный объект можно представить как систему, для этого необходимо выделить в нём его элементы (элемент есть далее неразложимый компонент системы при данном способе ее рассмотрения, .выявить структуру объема (совокупность устойчивых отношений и связей между элементами) и зафиксировать его характеристику единого в своей основе образования. При таком подходе обнаруживается, что все системы делятся на целостные и суммарные. Целостная система - это такая, в которой все ее элементы не могут существовать изолированно друг от друга. Утрата или изъятие хотя бы одного ее элемента приводит к разрушению системы в целом. Целостными системами являются, например, солнечная система, молекулы воды (Н2О)., поваренной соли (NaCl), симбиозы в органической природе, производственная кооперация в экономической сфере общественной жизни и т. п.
Отличительной особенностью целостной системы является несводимость ее качества к простой сумме качеств составляющих ее элементов.
Суммативные системы - это системы, качество которых равно сумме свойств, составляющих ее элементов, взятых изолированно друг от друга. Во всех суммативных системах, составляющие ее части могут существовать сами по себе автономно. Примером таких систем могут быть куча камней, скопление машин на улице, толпа людей. Понятно, что об этих совокупностях нельзя сказать, что они бессистемны, хотя их системность выражена слабо и близка к нулю, поскольку ее элементы обладают значительной независимостью по отношению друг к другу и к самой системе, да и связь этих элементов зачастую носит случайный характер.
Системный подход или, системное исследование материальных объектов предполагает не только установление способов описания отношений и связей (структуры) этого множества, элементов, но - что. особенна важно - выделение тех из них которые являются системообразующими, т. е. обеспечивают обособленное функционирование и развитие системы. Системный подход к материальным образованиям предполагает возможность понимания рассматриваемой системы более. высокого уровня. Для системы обычно характерна иерархичность строения - последовательное включение системы более низкого уровня в систему более высокого уровня. Значит, отношения и связи в системе при определенном ее представлении сами могут рассматриваться как ее элементы, подчиняющиеся соответствующей иерархии. Это позволяет строить различные, не совпадающие между собой, последовательности включения систем друг в друга, описывающие исследуемый материальный объект с разных сторон.
  - Структура системы - это устойчивая упорядоченность ее элементов и связей.
        - Структура есть форма представления некоторого объекта в виде составных частей.
        - Структура - это множество всех возможных отношений между подсистемами и элементами внутри системы.
        - Под структурой понимается совокупность элементов и связей между ними, которые определяются, исходя из распределения функций и целей, поставленных перед системой.
        - Структура системы - это то, что остается неизменным в системе при изменении ее состояния, при реализации различных форм поведения, при совершении системой операций и т.п.
        В совокупности данные определения достаточно хорошо отражают то главное, что присутствует в любой структуре: элементный состав, наличие связей, инвариантность (неизменность) во времени. В сущности лишь последнее свойство позволяет разграничить  понятия системы и структуры. Однако, учесть только инвариантность структуры еще недостаточно. Поскольку структура - это часть системы, необходимо четко указать, какая именно часть, какие свойства и признаки системы являются структурными, а какие - нет. Ответы на эти вопросы, естественно, зависят от целей исследования системы, что также необходимо учитывать. Поэтому далее под структурой будем понимать совокупность тех свойств системы, которые являются существенными с точки зрения проводимого исследования и обладают инвариантностью на всем интересующем исследователя интервале функционирования или на каждом непересекающемся подмножестве, на которые разбит интервал функционирования.
        В зависимости от целей изучения исследователя будут интересовать различные инвариантные во времени свойства системы. Из определения следует, что для одной и той же системы можно построить различные структуры и между системой и ее структурой отсутствует однозначное соответствие.
        Подводя итоги, можно сказать, что формирование структуры является частью решения общей задачи построения системы, причем такой, которая не определяет заранее систему в целом, а лишь выявляет ее конфигурацию. Следовательно, построение структуры - самостоятельная задача, предваряющая синтез системы в целом и облегчающая его проведение.
        Система выделяется человеком из внешнего "фона" по функциональным или пространственным признакам (например, живые и технические системы - скорее по пространственному; экономические, организационные - по функциональному).
        Системы,  как правило,  имеют различные структуры. Но в зависимости от степени централизации управления элементами в системе можно выделить три основных типа:
        - ЦЕНТРАЛИЗОВАННУЮ (ИЕРАРХИЧЕСКУЮ, ЗВЕЗДООБРАЗНУЮ);
        - СКЕЛЕТНУЮ;
        - СЕТЕВУЮ.
Свойства системы:
Целостность и делимость. Система — это прежде всего целостная совокупность элементов. Это означает, что, с одной стороны, система - целостное образование и, с другой — в ее составе отчетливо могут быть выделены целостные объекты (элементы). При этом следует иметь в виду, что элементы существуют лишь в системе. Вне системы это в лучшем случае объекты, обладающие системнозначимыми свойствами. При вхождении и систему элемент приобретает системноопределенное свойство взамен системнозначимого. Для системы первичным является признак целостности, т. е. она рассматривается как единое целое, состоящее из взаимодействующих частей, часто разнокачественных, но одновременно совместимых.
Наличие устойчивых связей. Наличие существенных устойчивых связей (отношений) между элементами или (и) их свойствами, превосходящих по мощности (силе) связи этих элементов с элементами, не входящими в данную систему, является следующим атрибутом системы. Система существует как некоторое целостное образование, когда мощность (сила) существенных связей между элементами системы на интервале времени, не равном нулю, больше, чем мощность связей этих же элементов с внешней средой. Для информационных связей оценкой потенциальной мощности может служить пропускная способность данной информационной системы, а реальной мощности - действительная величина потока информации. Однако в общем случае при оценке мощности информационных связей необходимо учитывать качественные характеристики передаваемой информации (ценность, полезность, достоверность и т. п.).
Организация. Это свойство характеризуется наличием определенной организации, что проявляется в снижении энтропии (степени неопределенности) системы H{S} по сравнению с энтропией системоформирующих факторов H{F), определяющих возможность создания системы.
Эмерджентность. Эмерджентность предполагает наличие таких качеств (свойств), которые присущи системе в целом, но не свойственны ни одному из ее элементов в отдельности.
Наличие интегрированных качеств показывает, что свойства системы хотя и зависят от свойств элементов, но не определяются ими полностью. Отсюда можно сделать выводы:
1) система не сводится к простой совокупности элементов;
2) расчленяя систему на отдельные части, изучая каждую из них отдельности, нельзя познать все свойства системы в целом.
Любой объект, который обладает всеми рассматриваемыми свойствами можно называть системой. Одни и те же элементы (в зависимости от принципа, используемого для их объединения в систему) могут образовывать различные по свойствам системы. Поэтому характеристики системы в целом определяются не только и не столько характеристиками составляющих ее элементов, сколько характеристиками связей между ними. Наличие взаимосвязей (взаимодействия) между элементами определяет особое свойство сложных систем — организованную сложность. Добавление элементов в систему не только вводит новые связи, но и изменяет характеристики многих или всех прежних взаимосвязей, приводит к исключению некоторых из них или появлению новых.
8. Учение Демокрита об атомистическом строении материи. Особенности современного атомизма.
1.Не существует ничего,кроме атомов и чистого пространства (т.е. пустоты,небытия).
2 Атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме.
3.Из "ничего" не происходит ничего.
4.Ничто не совершается случайно, а только по какому-либо основанию и в связи с необходимостью.
5.Различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке.
9. Естественно-научные революции. Содержание научной революции конца 19- начала 20-го века.
10. Определение понятия инерциальная система. Закон инерции и принцип относительности Галилея.
Зако;н ине;рции (Первый закон Нью;тона): свободное тело, на которое не действуют силы со стороны других тел, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения (понятие скорости здесь применяется к центру масс тела в случае непоступательного движения). Иными словами, телам свойственна ине;рция (от лат. inertia — «бездеятельность», «косность»), то есть явление сохранения скорости, если внешние воздействия на них скомпенсированы.
Иными словами: существуют такие системы отсчета, относительно которых тело (материальная точка) при отсутствии на неё внешних воздействий (или при их взаимной компенсации) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
Системы отсчёта, в которых выполняется закон инерции, называют инерциальными системами отсчёта (ИСО).
Впервые закон инерции был сформулирован Галилео Галилеем, который после множества опытов заключил, что для движения свободного тела с постоянной скоростью не нужно какой-либо внешней причины. До этого общепринятой была иная точка зрения (восходящая к Аристотелю): свободное тело находится в состоянии покоя, а для движения с постоянной скоростью необходимо приложение постоянной силы.
Впоследствии Ньютон сформулировал закон инерции в качестве первого из трёх своих знаменитых законов.

11. Роль Ньютона в создании классической физики. Основные законы механики.
Первый закон движения Ньютона- Всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор ,пока действующие на него силы не изменят этого состояния.
Второй закон движения Ньютона- Произведение массы тела т на его ускорение a равно действующей на него силе F=m х a,а направление ускорения совпадает с направлением силы.
Третий закон движения Ньютона- Действию всегда соответствует равное по величине и противоположно направленное противодействие.
Формулировка законов Ньютона
Первый закон Ньютона
• Инерциальной называется та система отсчёта, относительно которой любая, изолированная от внешних воздействий, материальная точка сохраняет состояние равномерного прямолинейного движения или покоя.
• Первый закон Ньютона гласит:
Инерциальные системы отсчёта существуют.

По сути, этот закон постулирует инерцию тел. Это может казаться очевидным сейчас, но это не было очевидно на заре исследований природы. Так, например, Аристотель утверждал, что причиной всякого движения является сила, т. е. у него не было движения по инерции.

Второй закон Ньютона
Второй закон Ньютона — дифференциальный закон движения, описывающий взаимосвязь между приложенной к материальной точке силой и её ускорением.
Второй закон Ньютона утверждает, что
в инерциальной системе отсчета (ИСО) ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе.
При подходящем выборе единиц измерения этот закон можно записать в виде формулы:
 =  ,
где   — ускорение тела,   — сила, приложенная к телу, а m — масса тела.
Или в более известном виде:
 =  .
Если на тело действуют несколько сил, то второй закон Ньютона записывается:
 или  , p — импульс тела.
В случае, когда масса материальной точки меняется со временем, второй закон Ньютона формулируется в общем виде: скорость изменения импульса точки равна действующей на неё силе.
 
где   — импульс (количество движения) точки, t — время, а   — производная по времени. Второй закон Ньютона действителен только для скоростей, много меньших скорости света и в инерциальных системах отсчёта.
Нельзя рассматривать частный случай (при  ) второго закона как эквивалент первого, так как первый закон постулирует существование ИСО, а второй формулируется уже в ИСО.
Третий закон Ньютона
• Третий закон Ньютона объясняет, что происходит с двумя взаимодействующими телами. Возьмём для примера замкнутую систему, состоящую из двух тел. Первое тело может действовать на второе с некоторой силой F12, а второе — на первое с силой F21. Как соотносятся силы? Третий закон Ньютона утверждает: сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия. Подчеркнём, что эти силы приложены к разным телам, а потому вовсе не компенсируются.
Сам закон:
Тела действуют друг на друга с силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль одной и той же прямой, равными по модулю и противоположными по направлению:  .

Выводы
Из законов Ньютона сразу же следуют некоторые интересные выводы. Так, третий закон Ньютона говорит, что, как бы тела ни взаимодействовали, они не могут изменить свой суммарный импульс: возникает закон сохранения импульса. Далее, надо потребовать, чтобы потенциал взаимодействия двух тел зависел только от модуля разности координат этих тел U(|r1-r2|). Тогда возникает закон сохранения суммарной механической энергии взаимодействующих тел:
 
Законы Ньютона являются основными законами механики. Из них могут быть выведены все остальные законы механики.

12. Основные характерные особенности механистической картины мира.
13. Сущность теории электромагнитного поля, созданной Максвеллом.
В этой атмосфере и появилась теория Максвелла, которую её автор скромно называл математическим пересказом идей Фарадея.
В первой работе (1855—1856) Максвелл дал ряд уравнений в интегральной форме для постоянного электромагнитного поля на основе гидродинамической модели (силовые линии соответствовали трубкам тока). Эти уравнения вобрали всю электростатику, электропроводность и даже поляризацию. Магнитные явления моделируются аналогично. Во второй части работы Максвелл, уже не приводя никаких аналогий, строит модель электромагнитной индукции.
В последующих работах Максвелл формулирует свои уравнения в дифференциальной форме и вводит ток смещения. Он предсказывает существование электромагнитных волн и показывает, что их скорость равна скорости света, предсказывает давление света.
Завершающий труд Максвелла — «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873) содержит полную систему уравнений поля в символике Хевисайда, который предложил наиболее удобный для этого аппарат — векторный анализ. Современный вид уравнениям Максвелла позже придал Герц.
Однако ощущалась настоятельная потребность в создании единой, отвечающей необходимым требованиям теории, которая позволила бы предсказывать развитие электромагнитных явлений во времени и пространстве в самом общем случае, при любых мыслимых конкретных экспериментальных условиях.
Именно такой и оказалась электромагнитная теория Максвелла, сформулированная им в виде системы нескольких уравнений, описывающих все многообразие свойств электромагнитных полей с помощью двух физических величин - напряженности электрического поля Е и напряженности магнитного поля Н. Замечательно то, что эти уравнения Максвелла в их окончательном виде и по сей день остаются краеугольным камнем физики, давая соответствующее действительности описание наблюдаемых электромагнитных явлений.
При проектировании высоковольтной линии для передачи электроэнергии на большие расстояния уравнения Максвелла помогают создать систему, обеспечивающую минимум потерь; при проведении в лаборатории фундаментальных экспериментов по изучению свойств металлов в высокочастотном электрическом поле в условиях очень низких температур мы с помощью уравнений Максвелла определяем характер распространения электромагнитного поля внутри металла; если мы строим новый радиотелескоп, способный улавливать электромагнитные шумы космоса, то при конструировании антенн и волноводов, передающих энергию от антенны к радиоприемнику, мы неизменно пользуемся уравнениями Максвелла.
Существует закон, согласно которому сила, действующая на движущийся в магнитном поле заряд, прямо пропорциональна произведению величины заряда на перпендикулярную направлению магнитного поля составляющую скорости; эта сила известна нам как "сила Лоренца". Однако кто-то называет ее "силой Лапласа".
В отношении уравнений Максвелла такой неопределенности нет, честь этого открытия принадлежит ему одному.
Следует отметить, что в прошлом столетии он был отнюдь не единственным физиком, пытавшимся создать всеохватывающую теорию электромагнетизма, другие тоже не без оснований подозревали наличие глубокой связи между световыми и электрическими явлениями.
Главная заслуга Максвелла в том, что он своим собственным путем пришел к изящной и простой системе уравнений, которая описывает все электромагнитные явления.
Уравнения Максвелла не только охватывают и описывают все известные нам электромагнитные явления; область их применения не ограничивается даже любыми мыслимыми электромагнитными явлениями, протекающими в конкретных локальных условиях. Теория Максвелла предсказала совершенно новый эффект, наблюдавшийся в свободном от материальных тел пространстве, - электромагнитное излучение. Это, безусловно, уникальное достижение, венчающее торжество теории Максвелла.

Вихревое электрическое поле

Из закона Фарадея (i = - dФ/dt следует, что любое изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции приводит к возникновению электродвижущей силы индукции и вследствие этого появляется индукционный ток. Следовательно, возникновение э.д.с. электромагнитной индукции возможно и в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Однако э.д.с. в любой цепи возникает только тогда, когда в ней на носители тока действуют сторонние силы - силы неэлектростатического происхождения.
Опыт показывает, что эти сторонние силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами в контуре; их возникновение также нельзя объяснить силами Лоренца, так как они на неподвижные заряды не действуют. Максвелл, высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Согласно представлениям Максвелла, контур, в котором появляется э.д.с., играет второстепенную роль, являясь своего рода лишь "прибором", обнаруживающим это поле.
Итак, по Максвеллу, изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле EB, циркуляция которого, по формуле,
EB dl = EBl dl = - dФ/dt (1)
где, проекция вектора EBl - проекция вектора E на направление dl; частная производная (Ф/(t учитывает зависимость потока магнитной индукции только от времени.
Подставив в эту формулу (1) выражение Ф = B dS, получим
EB dl = - (/(tB dS
Так как контур и поверхность неподвижны, то операции дифференцирования и интегрирования можно поменять местами. Следовательно,
EB dl = - (B/(t dS (2)
Согласно E dl = El dl = 0, циркуляция вектора напряженности электростатического поля (обозначим его EQ) вдоль замкнутого контура равна нулю:
EQ dl = EQl dl = 0 (3)
Сравнивая выражения (1) и (3), видим, что между рассматриваемыми полями (EB и EQ) имеется принципиальное различие: циркуляция вектора EB в отличие от циркуляции вектора EQ не равна нулю. Следовательно, электрическое поле EB, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым.

Ток смещения

Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать и обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Так как магнитное поле всегда связывается с электрическим током, то Максвелл назвал переменное электрическое поле, возбуждающее магнитное поле, током смещения, в отличии от тока проводимости, обусловленного упорядоченным движением зарядов. Для возникновения тока смещения, по Максвеллу, необходимо лишь существование переменного электрического поля.

14. Представления о веществе и поле как видах материи в рамках классической физики. Суть принципа дальнодействия и принципа близкодействия.
Принцип дальнодействия — появился в теории гравитации Ньютона, согласно которой гравитационное взаимодействие объектов (тел) происходит мгновенно. Данное представление Ньютона было им взято как [[аксиома], и до сих пор не имеет прямого опытного подтверждения или опровержения.
Принцип, согласно которому сила тяготения якобы распространяется в пространстве мгновенно, приходит в противоречие с современными научными парадигмами, в частности, со специальной теорией относительности без учёта так называемой Космологической постоянной (А) при принятии модели стационарной Вселенной. В случае принятия современной инфляционной модели Вселенной (то есть, расширяющейся), данного противоречия не возникает.
Преодолению описательного кризиса в физике, возникшего в начале 20-го века, помогли Специальная теория относительности и Общая теория относительности, созданные Альбертом Эйнштейном, в которой в частности наличие кривизны пространства-времени, имеющей место при определённых условиях, объясняет соблюдение возможности движения тел по геодезическим линиям при одновременном соблюдении принципа равенства гравитационной и инертной масс (см. соотв. пункты здесь: Общая теория относительности).
Классическая Эвклидова геометрия и Ньютоново понимание гравитации находятся в противоречии с современными наблюдениями физических явлений в масштабах Космоса, ибо при больших расстояниях и наличии на пути светового луча весьма массивных тел экспериментально наблюдается указанное искривление пространства, что было предсказано Эйнштейном в своей теории.
Разрешение же вопроса о конечности скорости гравитационного взаимодействия ещё ждёт своего разрешения наукой.
Противоположный принцип – принцип близкодействия, согласно которому скорость передачи действия конечна и не превышает скорости света в вакууме. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение - посредством гравитационного поля), которые непрерывно распределены в пространстве. 
15. Понятие квант. Основные этапы развития представлений о квантах.
Квант (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике. В основе понятия лежит представление квантовой механики о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения (говорят, что физическая величина квантуется). В некоторых важных частных случаях эта величина может быть только целым кратным некоторого фундаментального значения — и последнее называют квантом. Например, энергия монохроматического электромагнитного излучения угловой частоты  может принимать значения  , где  — постоянная Планка, а  — целое число. В этом случае  имеет смысл энергии кванта излучения (иными словами, фотона), а  — числа; этих квантов (фотонов).
16. Постулаты Бора.
Постулаты Бора — основные допущения, сформулированные Нильсом Бором в 1913 году для объяснения закономерности линейчатого спектра атома водорода (формула Бальмера-Ридберга), ядерной модели атома и квантового характера испускания и поглощения света.
Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют некоторые стационарные состояния, не изменяющиеся во времени без внешних воздействий. В этих состояниях атом не излучает электромагнитных волн.
Второй постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое им испускается или поглощается один квант энергии.
17. Вклад Фарадея и Максвелла в развитие современной физики.
Открытия Фарадея в области электричества? Открытие Фарадея явления электромагнитной индукции (возникновение тока в проводнике вблизи движущего магнита) явилось крупнейшим вкладом в развитие представлений о природе электричества и способствовало развитию электротехники. Изучая связь между электромагнитными и световыми явлениями, Фарадей открыл вращение плоскости поляризации света в магнитном поле. Ему принадлежат открытие диамагнетизма, основных законов электролиза ,создание основ электрохимии и др. важные исследования.
Создание теории электромагнитного поля Максвеллом? Согласно его теории, каждая заряженная частица окружена полем - невидимым ореалом, оказывающим воздействие на другие заряженные частицы, находящиеся поблизости т.е.поле одной заряженной частицы действует на другие заряженные частицы с некоторой силой. Он пришел к выводу о том, что должны существовать так называемые электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна быть равна скорости света. Отсюда был сделан совершенно новый вывод: свет есть разновидность электромагнитных волн.
18. Понятие корпускулярно-волновой дуализм. Какими формулами связаны корпускулярные и волновые свойства частиц? Вклад М. Планка в разработку теории излучения.
В 1901 году Планк высказал предложение, что энергия излучается малыми порциями - квантами, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте испускаемого излучения. Связывающий эти величины коэффициент пропорциональности ныне называется Постоянной Планка. Только после этого удалось построить согласующуюся с опытными данными теорию излучения, которая устранила абсолютно неприемлемую гипотезу, согласно которой все тела должны излучать в коротковолновом диапазоне бесконечную энергию.
------------------------------
Корпускулярные и волновые характеристики микрообъектов связаны такими же количественными соотношениями, как и у фотона.
Гипотеза де Бройля постулировала эти соотношения для всех микрочастиц, в том числе и для таких, которые обладают массой m. Любой частице, обладающей импульсом, сопоставлялся волновой процесс с длиной волны = h / p.
19. Принцип неопределенностей Гейзенберга. В чем заключается различие в описании поведения классических и квантовых объектов?
20. Принцип дополнительности Бора. Значение принципа дополнительности Бора в описании физической реальности микромира.
Принцип, который очень точно и емко Бор назвал дополнительностью, — одна из самых глубоких философских и естественно-научных идей настоящего времени. С ним можно сравнить лишь такие идеи, как принцип относительности или представление о физическом поле.
 
«За годы, предшествующие выступлению Н. Бора в Комо, имели место многочисленные дискуссии о физической интерпретации квантовой теории, — пишет У.И. Франкфурт. — Суть квантовой теории — в постулате, согласно которому каждому атомному процессу свойственна прерывность, чуждая классической теории. Квантовая теория признает в качестве одного из своих основных положений принципиальную ограниченность классических представлений при их применении к атомным явлениям, чуждую классической физике, но в то же время интерпретация эмпирического материала основывается главным образом на применении классических понятий. Из-за этого при формулировке квантовой теории возникают существенные трудности.
 
Классическая теория предполагает, что физическое явление можно рассматривать, не оказывая на него принципиально неустранимого влияния».
 
Для доклада на Международном физическом конгрессе в Комо «Квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории» ввиду важности обсуждавшихся проблем Бору была предоставлена четырехкратная норма времени. Дискуссия по его докладу заняла все оставшееся время конгресса.
 
«...Открытие универсального кванта действия, — говорил Нильс Бор, — привело к необходимости дальнейшего анализа проблемы наблюдения. Из этого открытия следует, что весь способ описания, характерный для классической физики (включая теорию относительности), остается применимым лишь до тех пор, пока все входящие в описание величины размерности действия велики по сравнению с квантом действия Планка. Если это условие не выполняется, как это имеет место в области явлений атомной физики, то вступают в силу закономерности особого рода, которые не могут быть включены в рамки причинного описания... Этот результат, первоначально казавшийся парадоксальным, находит, однако, свое объяснение в том, что в указанной области нельзя более провести четкую грань между самостоятельным поведением физического объекта и его взаимодействием с другими телами, используемыми в качестве измерительных приборов; такое взаимодействие с необходимостью возникает в процессе наблюдения и не может быть непосредственно учтено по самому смыслу понятия измерения...
 
Это обстоятельство фактически означает возникновение совершенно новой ситуации в физике в отношении анализа и синтеза опытных данных. Она заставляет нас заменить классический идеал причинности некоторым более общим принципом, называемым обычно «дополнительностью».
 
Получаемые нами с помощью различных измерительных приборов сведения о поведении исследуемых объектов, кажущиеся несовместимыми, в действительности не могут быть непосредственно связаны друг с другом обычным образом, а должны рассматриваться как дополняющие друг друга. Таким образом, в частности, объясняется безуспешность всякой попытки последовательно проанализировать «индивидуальность» отдельного атомного процесса, которую, казалось бы, символизирует квант действия, с помощью разделения такого процесса на отдельные части. Это связано с тем, что если мы хотим зафиксировать непосредственным наблюдением какой-либо момент в ходе процесса, то нам необходимо для этого воспользоваться измерительным прибором, применение которого не может быть согласовано с закономерностями течения этого процесса. Между постулатом теории относительности и принципом дополнительности при всем их различии можно усмотреть определенную формальную аналогию.
 
Она заключается в том, что подобно тому, как в теории относительности оказываются эквивалентными закономерности, имеющие различную форму в разных системах отсчета вследствие конечности скорости света, так в принципе дополнительности закономерности, изучаемые с помощью различных измерительных приборов и кажущиеся взаимно противоречащими вследствие конечности кванта действия, оказываются логически совместимыми.
 
Чтобы дать по возможности ясную картину сложившейся в атомной физике ситуации, совершенно новой с точки зрения теории познания, мы хотели бы здесь прежде всего рассмотреть несколько подробнее такие измерения, целью которых является контроль за пространственно-временным ходом какого-либо физического процесса. Такой контроль в конечном счете всегда сводится к установлению некоторого числа однозначных связей поведения объекта с масштабами и часами, определяющими используемую нами пространственно-временную систему отсчета. Мы лишь тогда можем говорить о самостоятельном, не зависимом от условий наблюдения поведении объекта исследования в пространстве и во времени, когда при описании всех условий, существенных для рассматриваемого процесса, можем полностью пренебречь взаимодействием объекта с измерительным прибором, которое неизбежно
 
возникает при установлении упомянутых связей. Если же, как это имеет место в квантовой области, такое взаимодействие само оказывает большое влияние на ход изучаемого явления, ситуация полностью меняется, и мы, в частности, должны отказаться от характерной для классического описания связи между пространственно-временными характеристиками события и всеобщими динамическими законами сохранения. Это вытекает из того, что использование масштабов и часов для установления системы отсчета по определению исключает возможность учета величин импульса и энергии, передаваемых измерительному прибору в ходе рассматриваемого явления. Точно так же и наоборот, квантовые законы, в формулировке которых существенно используются понятия импульса или энергии, могут быть проверены лишь в таких экспериментальных условиях, когда исключается строгий контроль за пространственно-временным поведением объекта».
 
Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, нельзя в одном и том же опыте определить обе характеристики атомного объекта — координату и импульс.
 
Но Бор пошел дальше. Он отметил, что координату и импульс атомной частицы нельзя измерить не только одновременно, но вообще с помощью одного и того же прибора. Действительно, для измерения импульса атомной частицы необходим чрезвычайно легкий подвижный «прибор». Но именно из-за его подвижности положение его весьма неопределенно. Для измерения координаты нужен очень массивный «прибор», который не шелохнулся бы при попадании в него частицы. Но как бы ни изменялся в этом случае ее импульс, мы этого даже не заметим.
 
«Дополнительность — вот то слово и тот поворот мысли, которые стали доступны всем благодаря Бору, — пишет Л.И.Пономарев. — До него все были убеждены, что несовместимость двух типов приборов непременно влечет за собой противоречивость их свойств. Бор отрицал такую прямолинейность суждений и разъяснял: да, свойства их действительно несовместимы, но для полного описания атомного объекта оба они равно необходимы и поэтому не противоречат, а дополняют друг друга.
 
Это простое рассуждение о дополнительности свойств двух несовместимых приборов хорошо объясняет смысл принципа дополнительности, но никоим образом его не исчерпывает. В самом деле, приборы нам нужны не сами по себе, а лишь для измерения свойств атомных объектов. Координата х и импульс р — это те понятия, которые соответствуют двум свойствам, измеряемым с помощью двух приборов. В знакомой нам цепочке познания — явление — образ, понятие, формула, принцип дополнительности сказывается прежде всего на системе понятий квантовой механики и на логике ее умозаключений.
 
Дело в том, что среди строгих положений формальной логики существует «правило исключенного третьего», которое гласит: из двух противоположных высказываний одно истинно, другое — ложно, а третьего быть не может. В классической физике не было случая усомниться в этом правиле, поскольку там понятия «волна» и «частица» действительно противоположны и несовместимы по существу. Оказалось, однако, что в атомной физике оба они одинаково хорошо применимы для описания свойств одних и тех же объектов, причем для полного описания необходимо использовать их одновременно».
 
Принцип дополнительности Бора — удавшаяся попытка примирить недостатки устоявшейся системы понятий с прогрессом наших знаний о мире. Этот принцип расширил возможности нашего мышления, объяснив, что в атомной физике меняются не только понятия, но и сама постановка вопросов о сущности физических явлений.
 
Но значение принципа дополнительности выходит далеко за пределы квантовой механики, где он возник первоначально. Лишь позже — при попытках распространить его на другие области науки — выяснилось его истинное значение для всей системы человеческих знаний. Можно спорить о правомерности такого шага, но нельзя отрицать его плодотворность во всех случаях, даже далеких от физики.
 
«Бор показал, — отмечает Пономарев, — что вопрос «Волна или частица?» в применении к атомному объекту неправильно поставлен. Таких раздельных свойств у атома нет, и потому вопрос не допускает однозначного ответа «да» или «нет». Точно так же, как нет ответа у вопроса: «Что больше: метр или килограмм?», и у всяких иных вопросов подобного типа.
Два дополнительных свойства атомной реальности нельзя разделить, не разрушив при этом полноту и единство явления природы, которое мы называем атомом...
 
...Атомный объект — это и не частица, и не волна и даже ни то, ни другое одновременно. Атомный объект — это нечто третье, не равное простой сумме свойств волны и частицы. Это атомное «нечто» недоступно восприятию наших пяти чувств, и тем не менее оно, безусловно, реально. У нас нет образов и органов чувств, чтобы вполне представить себе свойства этой реальности. Однако сила нашего интеллекта, опираясь на опыт, позволяет познать ее и без этого. В конце концов (надо признать правоту Борна), «...теперь атомный физик далеко ушел от идиллических представлений старомодного натуралиста, который надеялся проникнуть в тайны природы, подстерегая бабочек на лугу».

21. Основные характерные особенности электромагнитной картины мира.
Формируется на основе начал электромагнетизма М. Фарадея (1791-1867 гг.), теории электромагнитного поля Д. Максвелла (1831-1879 гг.), электронной теории Г.А. Лоренца (1853-1828 гг.), постулатов теории относительности А. Эйнштейна (1879-1955 пг.)
Характерные особенности. В рамках электромагнитной картины мира сложилась полевая, континуальная (непрерывная) модель реальности. Материя - единое непрерывное поле с точечными силовыми центрами -электрическими зарядами и волновыми движениями в нем. Мир - электродинамическая система, построенная из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля
Движение - распространение колебаний в поле, которые описываются законами электродинамики.
| Принцип близкодействия - взаимодействия любого характера •I передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью
В электромагнитную картину мира было введено понятие вероятности
Игнорирование дискретной, атомистической природы вещества приводит максвелловскую электродинамику к целому ряду противоречий, которые снимаются с созданием Г. Лорецом электронной теории или микроскопической электродинамики. Последняя восстанавливает в своих правах дискретные электрические заряды, но она сохраняет и поле как объективную реальность
Реляционная (относительная) концепция пространства и времени: пространство и время связаны с процессами, происходящими в поле, т.е. они несамостоятельны и зависимы от материи
А. Эйнштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства

22. Излучения, составляющие электромагнитные спектр. Влияние излучений электромагнитного спектра на организм человека.
Излучения электромагнитного диапазона при определённых уровнях могут оказывать отрицательное воздействие на организм человека, животных и других живых существ, а также неблагоприятно влиять на работу электрических приборов. Различные виды неионизирующих излучений (электромагнитных полей, ЭМП) оказывают разное физиологическое воздействие. На практике выделяют диапазоны магнитного поля (постоянного и квазипостоянного, импульсного), ВЧ- и СВЧ-излучений, лазерного излучения, электрического и магнитного поля промышленной частоты от высоковольтного оборудования, СВЧ-излучения и др..
Влияние на живые существа
Существуют национальные и международные гигиенические нормативы уровней ЭМП, в зависимости от диапазона, для селитебной зоны и на рабочих местах.
Оптический диапазон
Существуют гигиенические нормы освещённости; также разработаны нормативы безопасности при работе с лазерным излучением.
Радиоволны
Допустимые уровни электромагнитного излучения (плотность потока электромагнитной энергии) отражаются в нормативах, которые устанавливают государственные компетентные органы, в зависимости от диапазона ЭМП. Эти нормы могут быть существенно различны в разных странах.
Нахождение в зоне с повышенными уровнями ЭМП в течение определённого времени приводит к ряду неблагоприятных последствий: наблюдается усталость, тошнота, головная боль. При значительных превышениях нормативов возможны повреждение сердца, мозга, центральной нервной системы. Излучение может влиять на психику человека, появляется раздражительность, человеку трудно себя контролировать. Возможно развитие трудно поддающиеся лечению заболеваний, вплоть до раковых. В частности, корреляционный анализ показал прямую средней силы корреляцию заболеваемости злокачественными заболеваниями головного мозга с максимальной нагрузкой от ЭМИ даже от использования такого маломощного источника, как мобильные радиотелефоны.[1] Эти данные не должны быть причиной для радиофобии, однако очевидна необходимость в существенном углублении сведений о действии ЭМИ на живые организмы.
В России действует СанПиН 2.2.4.1191—03 Электромагнитные поля в производственных условиях, на рабочих местах. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы, а также гигиенические нормативы ГДР (ПДУ) 5803-91 (ДНАОП 0.03-3.22-91) Предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия электромагнитных полей (ЭМП) диапазона частот 10—60 кГц Промышленное электроснабжение 50 Гц [2] [3]
• Допустимые уровни излучения базовых станций мобильной связи (900 и 1800 МГц, суммарный уровень от всех источников) в санитарно-селитебной зоне в некоторых странах заметно различаются:
Украина: 2,5 мкВт/кв.см. (самая жёсткая санитарная норма в Европе)
Россия, Венгрия: 10 мкВт/кв.см.
США, Скандинавские страны: 100 мкВт/кв.см.
Параллельное развитие гигиенической науки в СССР и западных странах привело к формированию разных подходов к оценке действия ЭМИ. Для части стран постсоветского пространства сохраняется преимущественно нормирование в единицах плотности потока энергии (ППЭ), а для США и стран ЕС типичным является оценка удельной мощности поглощения (SAR).
«Современные представления о биологическом действии ЭМИ от мобильных радиотелефонов (МРТ) не позволяют прогнозировать все неблагоприятные последствия, многие аспекты проблемы не освещены в современной литературе и требуют дополнительных исследований. В связи с этим, согласно рекомендациям ВОЗ, целесообразно придерживаться предупредительной политики, т. е. максимально уменьшить время использования сотовой связи.»
Проникающая неионизирующая радиация
Допустимые нормативы регулируются нормами радиационной безопасности — НРБ-99.
Влияние на радиотехнические устройства
Существует административные и контролирующие органы — инспекция по радиосвязи (на Украине, например, Укрчастотнадзор), которая регулирует распределение частотных диапазонов для различных пользователей, соблюдение выделенных диапазонов, отслеживает незаконное пользование радиоэфиром.
Микроволновое излучение - электромагнитное излучение включающее в себя сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн (от 30 см — частота 1 ГГц до 1 мм — 300 ГГц). Однако точные границы между инфракрасным, терагерцовым, микроволновым излучением и ультравысокочастотными радиоволнами приблизительны и могут определяться по-разному. Микроволновое излучение большой интенсивности используется для бесконтактного нагрева тел, например, в микроволновых печах, а также для радиолокации.
Инфракрасное излучение - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны[1] ; = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (; ~ 1—2 мм).
Инфракрасное излучение было открыто в 1800 г. английским учёным У. Гершелем.
Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:
• коротковолновая область: ;=0,74 - 2,5 мкм;
• средневолновая область: ;=2,5 - 50 мкм;
• длинноволновая область: ;=50 - 2000 мкм;
Последнее время длинноволновую окраину этого диапазона выделяют в отдельный, независимый диапазон электромагнитных волн — терагерцовое излучение (субмиллиметровое излучение).
Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как все тела, твёрдые и жидкие, нагретые до определённой температуры, излучают энергию в инфракрасном спектре. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне.
Видимое излучение - Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для её исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).
Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их длины — с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.
Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 градусов и светит ярко-белым светом (максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в "зелёной" области 550 нм, где находится и максимум чувствительности глаза). Именно потому, что мы родились возле такой звезды, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств.
Излучение оптического диапазона возникает, в частности, при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота, на которой находится максимум спектра его излучения (см. Закон смещения Вина). При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие (см. Болометрия).
Оптическое излучение может создаваться и регистрироваться в химических и биологических реакциях. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии. Источником энергии для большинства живых существ на Земле является фотосинтез — биологическая реакция, протекающая в растениях под действием оптического излучения Солнца.
Ультрафиолетовое излучение – электромагнитное излучение, занимающее диапазон между видимым и рентгеновским излучением (380 — 10 нм, 7,9;1014 — 3;1016 Гц). Диапазон условно делят на ближний (380—200 нм) и дальний, или вакуумный (200—10 нм) ультрафиолет, последний так назван, поскольку интенсивно поглощается атмосферой и исследуется только вакуумными приборами.
Жесткое излучение - В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения. Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения элементарных частиц. Оно появляется и при торможении быстрых заряженных частиц.
23. Специальная теория относительности Эйнштейна.
24. Понятия пространство и время в свете теории относительности. Современные представления о пространстве и времени и об их свойствах.
Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея - Ньютона и электродинамики Максвелла - Лоренца. "Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем".1
Исходным пунктом этой теории стал принцип относительности. Классический принцип относительности был сформулирован еще Г. Галилеем: "Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой".2 Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется закону инерции: "Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущихся сил".3
Из принципа относительности следует, что между покоем и движением - если оно равномерно и прямолинейно - нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения.

Таким образом, слово "относительно" в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в движение о том, что движение или покой - всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятие покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.
Если классический принцип относительности утверждал инвариантность законов механики во всех инерциальных системах отсчета, то в специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики, а общая теория относительности утверждала инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных. Неинерциальными называются системы отсчета, движущиеся с замедлением или ускорением.
В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.
Находясь в сопутствующей системе отсчета, то есть двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называются релятивистскими, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и части будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и изменить. Так, если воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпала из хода развития на Земле.
Подобные процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега мезонов, возникающих при столкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле. Мезоны существуют в течении 10-6 - 10-15 с (в зависимости от типа частиц) и после своего возникновения распадаются на небольшом расстоянии от места рождения. Все это может быть зарегистрировано измерительными устройствами по следам пробегов частиц. Но если мезон движется со скоростью, близкой к скорости света, то временные процессы в нем замедляются, период распада увеличивается (в тысячи и десятки тысяч раз), и соответственно возрастает длина пробега от рождения до распада.
Итак, специальная теория относительности базируется на расширенном принципе относительности Галилея. Кроме того, она использует еще одно новое положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Но почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается по значению к принципу относительности? Дело в том, что мы здесь сталкиваемся со второй универсальной физической константой. Скорость света - это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорость этих тел всегда складывается с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.
Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости - закон природы, а поэтому - именно в соответствии с принципом относительности - он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.
Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел в природы, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна - это абсолютный рекорд скорости.
"Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости. Для того чтобы сообщит телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света"4. Поэтому часто говорят, что скорость света - предельная скорость передачи информации. И предельная скорость любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.
Со скорость света тесно связано решение проблемы одновременности, которая тоже оказывается относительной, то есть зависящей от точки зрения. В классической механике, которая считала время абсолютным, абсолютной является и одновременность.
В общей теории относительности были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Эта теория подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства и отступление его метрики от евклидовой с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых давно было установлено в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. Так, если ракета взлетает с ускорением 2g , то экипаж ракеты будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли. Именно на основе принципа эквивалентности масс был обобщен принцип относительности, утверждающий в общей теории относительности инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных.
Как можно представить себе искривление пространства, о котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень тонкий лист резины, и будем считать, что это - модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики - модели звезд. Эти шарики будут прогибать лист резины тем больше, чем больше масса шарика. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства от массы тела и показывает также, что привычная нам евклидова геометрия в данном случае не действует (работают геометрии Лобачевского и Римана).
Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца - достаточно небольшой звезды по космическим меркам - влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет в таком случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала ничего нет. Замедление вблизи Солнца составляет около 0,0002 с.
Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности - полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление времени тем больше, чем сильнее тяготение. Замедление времени проявляется в гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина волны и уменьшается его частота. При определенных условиях длина волны может устремится к бесконечности, а ее частота - к нулю.
Со светом, испускаемым Солнцем, это могло бы случится, если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом в 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700 000 км). Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда и исходит свет, возрастает на столько, что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным.
С нашим Солнцем этого никогда на самом деле не произойдет. Но другие звезды, массы которых в три и более раз превышают массу Солнца, в конце своей жизни и действительно испытывают, скорее всего, быстрое катастрофическое сжатие под действием своего собственного тяготения. Это приведет их к состоянию черной дыры. Черная дыра - это физическое тело, создающее столь сильное тяготение, что красное смещение для света, испускаемого вблизи него, способно обратиться в бесконечность.
Физики и астрономы совершенно уверены, что черные дыры существуют в природе, хотя до сих пор их обнаружить не удалось. Трудности астрономических поисков связаны с самой природой этих необычных объектов. Ведь бесконечное красное смещение, из-за которого обращается в нуль частота принимаемого света, делает их просто невидимыми. Они не светят, и потому в полном смысле этого слова являются черными. Лишь по ряду косвенных признаков можно надеяться заметить черную дыру, например, в системе двойной звезды, где ее партнером была бы обычная звезда. Из наблюдений движения видимой звезды в общем поле тяготения такой пары можно было бы оценить массу невидимой звезды, и если эта величина превысит массу Солнца в три и более раз, можно будет утверждать, что мы нашли черную дыру.
Сейчас имеется несколько хорошо изученных двойных систем, в которых масса невидимого партнера оценивается в 5 или даже 8 масс Солнца. Скорее всего, это и есть черные дыры, но астрономы до уточнения этих оценок предпочитают называть эти объекты кандидатами в черные дыры.
Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого служит красное смещение, очень значительно вблизи нейтронной звезды, а вблизи черной дыры, у ее гравитационного радиуса, оно столь велико, что время там как бы замирает.
Для тела, попадающего в поле тяготения черной дыры, образованной массой, равной 3 массам Солнца, падение с расстояния 1 млн. км до гравитационного радиуса занимает всего около часа. Но по часам, которые покоятся вдали от черной дыры, свободное падение тела в ее поле растянется во времени до бесконечности. Чем ближе падающее тело к гравитационному радиусу, тем более медленным будет представляться этот полет удаленному наблюдателю. Тело, наблюдаемое издалека, будет бесконечно долго приближаться к гравитационному радиусу и никогда не достигает его. В этом проявляется замедление времени вблизи черной дыры. Таким образом, материя влияет на свойства пространства и времени.
Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Но они являются макроскопическими, так как опираются на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени. При построении теорий, описывающих явления микромира, эта классическая геометрическая картина, предполагающая непрерывность пространства и времени (пространственно-временной континуум), была перенесена на новую область без каких-либо изменений. Экспериментальных данных, противоречащих применению теории относительности в микромире, пока нет. Но само развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлений о физическом пространстве и времени. Разработанная теория суперструн, которая представляет элементарные частицы в качестве гармонических колебаний этих струн и связывает физику с геометрией, исходит из многомерности пространства. А это означает, что мы на новом этапе развития науки, на новом уровне познания возвращаемся к предсказаниям А. Эйнштейна 1930 г.: "Мы приходим к странному выводу: сейчас нам начинает казаться, что первичную роль играет пространство, материя же должна быть получена из пространства, так сказать, на следующем этапе. Мы всегда рассматривали материю первичной, а пространство вторичным. Пространство, образно говоря, берет сейчас реванш и "съедает" материю"5. Возможно, существует квант пространства, фундаментальная длина L. Введя это понятие, мы можем избежать многих трудностей современных квантовых теорий. Если ее существование подтвердится, то L станет третьей (кроме постоянной Планка и скорости света в пустоте) фундаментальной постоянной в физике. Из существования кванта пространства также следует существование кванта времени (равного L/c), ограничивающего точность определения временных интервалов.
25. Как развивались представления о пространстве, времени и движении? Общие и специфические свойства пространства и времени. Понятия биологическое пространство, биологическое время.
26. Общая и специальная теория относительности.
О;бщая тео;рия относи;тельности (ОТО; англ. general theory of relativity) — геометрическая теория тяготения, опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах[1][2]. В рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Таким образом, в ОТО, как и в других метрических теориях, гравитация не является силовым взаимодействием. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в пространстве материей.
ОТО в настоящее время — самая успешная гравитационная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что подтвердило предсказания общей теории относительности[3]. С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение[4]. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности — существования чёрных дыр[5].
Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории из-за появления неустранимых математических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообще сингулярностей пространства-времени. Для решения этой проблемы был предложен ряд альтернативных теорий. Современные экспериментальные данные указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют.
27. Естественнонаучные революции. Какие два революционных переворота в физике (начало 20-го века) составили суть третьей естественнонаучной революции?
Три модели Вселенной Фридмана.
Млечный путь.
Сингулярность.
Эффект Доплера. Все эти открытия радикально преобразили научную картину мира, изменив астрономию, космологию и физику и означала полный отказ от всякого центризма.
28. Модель атома Резерфорда. Какие элементарные частицы называют нуклонами?
Структура атома с точки зрения современной физики.
Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года в семье новозеландского фермера. Окончив школу в Хавелоке, где в это время жила его семья, он получил стипендию для продолжения образования в колледже провинции Нельсон, куда поступил в 1887 году. Через два года он сдал экзамен в Кентерберийский колледж – филиал Новозеландского университета в Крайчестере. Резерфорд окончил колледж в 1893 году с отличием и получил степень магистра по физике и математике. В это время Резерфорд занялся изучением магнитного действия электромагнитных волн. В 1894 году в «Известиях философского института Новой Зеландии» появилась его первая печатная работа «Намагничивание железа высокочастотными разрядами». В 1895 году оказалась вакантной стипендия для получения научного образования, первый кандидат на эту стипендию отказался по семейным обстоятельствам, вторым кандидатом был Резерфорд. Приехав в Англию, Резерфорд получил приглашение Дж. Дж. Томсона работать в Кембридже в лаборатории Кавендиша. Так начался научный путь Резерфорда.
Резерфорд, продолжая свою работу над магнитным детектором, вместе с тем заинтересовался исследованиями Томсона по электропроводимости газов. В 1896 году появляется совместная работа Томсона и Резерфорда «О прохождении электричества через газы, подвергнутые действию лучей Рентгена». В 1897 году выходит в свет заключительная статья Резерфорда «Магнитный детектор электрических волн и некоторые его применения». После этого он полностью сосредоточивает свои силы на исследовании нового разряда. В том же, 1897 году появляется его новая работа «Об электризации газов, подверженных действию рентгеновских лучей, и о поглощении рентгеновского излучения газами и парами». Вероятно, Резерфорд и Томсон вообще были одними из первых ученых, проявивших интерес к рентгеновским лучам и считавших открытие Рентгена исключительно важным и многообещающим.
В воскресенье 1 марта 1896 года Анри Беккерель обнаружил, что уран непрерывно испускает проникающее излучение неизвестной природы, которая оказалась совершенно отличной от природы рентгеновских лучей. Тем самым он обнаружил существование радиоактивности, начавшее новую эпоху в истории науки и человечества.
Сообщение об открытии Беккерелем радиоактивности произвело большой эффект в Кавендишской лаборатории, и Резерфорд решил немедленно заняться изучением этих загадочных лучей. Сначала ему казалось, что существует какая-то связь между урановыми и рентгеновскими лучами. Излучение урановых препаратов, как и рентгеновские лучи, производило ионизацию воздуха. Такое сходство в воздействии излучений на окружающую среду привело Резерфорда к мысли об опытном сравнении рентгеновских и беккерелевых лучей, что могло дать наиболее достоверные и точные сведения об их физических свойствах. Результатом этого явилась большая статья «Излучение урана и созданная им электропроводность».
Опыты продолжались почти год. Они показали, что сходства между двумя исследовавшимися излучениями, несмотря на их одинаковое ионизирующее действие, нет. Резерфорд также смог убедиться также в том, что предположение Беккереля о сходстве урановых лучей со световыми ошибочно. Излучение урана вопреки заявлению Беккереля (правда, не подкрепленному опытами) не обнаружило свойств, характерных для света. Оно не подчинялось законам световой оптики: отражению, преломлению и поляризации.
В результате этих работ Резерфорда были открыты ;-частицы. Резерфорд поместил радиоактивный источник в магнитное поле и получил три вида излучений, испускаемых ураном: ;-, ;-частицы и ;-лучи.
Уже при проведении этих опытов Резерфорд предвидел, что ;-частицы помогут исследовать структуру атома в качестве мощных инструментов для проникновения в атом.
В сентябре 1898 года Резерфорд был приглашен в университет Мак-Гила в Монреале (Канада) в качестве профессора кафедры теоретической физики. В Монреале он пробыл до 1907 года. Здесь он сделал фундаментальные открытия: им была открыта эманация теория и разгадана природа так называемой «индуцированной радиоактивности»; совместно с Содди он открыл радиоактивный распад и его закон. Здесь им была написана книга «Радиоактивность». В Монреале он начал тщательные исследования природы ;-частиц, закончившееся уже в Манчестере полной разгадкой их природы. Здесь же он начал свои исследования по происхождению ;-частиц через вещество.
Огромный размах научной работы Резерфорда в Монреале принес ему славу первоклассного исследователя. Им было опубликовано как лично, так и совместно с другими учеными 66 статей, не считая книги «Радиоактивность». Он получает приглашение занять кафедру в Манчестере. 24 мая 1907 года Резерфорд вернулся в Европу. Начался новый период в его жизни.
Почти немедленно по прибытии в Манчестер Резерфорд начал систематические исследования рассеяния ;-частиц веществом. Он установил, что каждая ;-частица, попадая на экран из сернистого цинка, создает вспышку света. Поэтому для исследования рассеяния ;-частиц был сконструирован прибор, изображенный схематически на рис.1 (стр. 18). С помощью свинцового коллиматора выделялся узкий конус ;-частиц из радиоактивного источника. Испытав рассеивание в золотой фольге, ;-частицы ударялись затем в экран из сернистого цинка и регистрировались с помощью небольшого микроскопа, в который можно было наблюдать вспышки света. Вращая детектор, можно было изменять относительное число ;-частиц, рассеянных под различными углами ;. Прибор помещался внутри откачанной камеры с целью устранить поглощение ;-частиц в воздухе. Эти опыты были проведены Гейгером и Марсденом под руководством Резерфорда. Исследуя угол рассеяния, Гейгер установил, что наиболее вероятный угол рассеяния пропорционален атомному весу и обратно пропорционален кубу скорости частицы.
Но наиболее поразительным оказался факт, открытый Гейгером и Марсденом в 1909 году, – существование больших углов рассеяния. Некоторая, очень небольшая часть ;-частиц (примерно одна из восьми тысяч) рассеивается на угол, больший прямого, отбрасываясь таким образом обратно к источнику. Тонкая пластина (толщиной примерно 4•10-4 см) отбрасывала ;-частицы, летящие с большой скоростью. Как раз в том же, 1909 году Резерфорд и Ройдс неопровержимо доказали, что ;-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия. Для таких тяжелых быстро движущихся частиц рассеивание на углы, большие прямого, казалось весьма невероятным. Резерфорд по этому поводу говорил: «Это было самое невероятное событие, с которым мне когда-либо приходилось сталкиваться. Это было почти также невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и попал в вас».
Одно из возможных объяснений аномального рассеяния состояло в том, что оно складывается из многих небольших углов отклонений, вызванных атомами рассеивающегося вещества.
Согласно предложенной Томсоном модели атома, ;-частицы должны были бы свободно проходить сквозь атомы золота и только отдельные ;-частицы могли слегка отклоняться в кулоновском поле электрона. И здесь Резерфорд обратился к планетарной модели.
Когда ;-частица проходит мимо заряженного ядра, то под воздействием кулоновской силы, пропорциональной заряду ядра и заряду ;-частицы и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, оно движется по гиперболе, удаляясь по ее ветви после прохождения мимо ядра. Ее прямолинейный путь, таким образом, искривляется, и она отклоняется на угол рассеяния ;.
7 марта 1911 года Резерфорд сделал в философском обществе в Манчестере доклад «Рассеивание ;- и ;-лучей и строение атома». В докладе он, в частности, говорил: «Рассеивание заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, расположенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома ;- и ;-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала».
Резерфорд рассчитал вероятность такого отклонения и показал, что она пропорциональна числу атомов n в единице рассеивающего материала, толщине рассеивающей пластинки и величине b2, выраженной следующей формулой:
 , где Ne–заряд в центре атома, Е–заряд отклоняемой частицы, m–ее масса, u–ее скорость. Кроме того, эта вероятность зависит от угла рассеяния ; так, что число, рассеянных частиц на единицу площади пропорционально  . Этот «закон косеканса» был проверен экспериментально Гейгером, и был найден справедливым в пределах экспериментальных ошибок.
Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд атомного центра, который Резерфорд положил равным ;Ne. Заряд оказался пропорциональным атомному весу. «Точное значение заряда центрального ядра не было определено,–писал Резерфорд,–но для атома золота оно приблизительно равно 100 единицам заряда».
В 1913 году Гейгер и Марсден предприняли новую экспериментальную проверку формулы Резерфорда, подсчитывая рассеивание частиц по производимым ими сцинтиляционным вспышкам. «Это была трудная, кропотливая работа, – характеризовал Резерфорд работу своих сотрудников, – так как нужно было считать много тысяч частиц. Результаты Гейгера и Марсдена весьма близко согласуются с теорией». Из этих утомительных и кропотливых исследований и возникло представление о ядре как устойчивой части атома, несущей в себе почти всю массу атома и обладающей положительным (Резерфорд еще в 1913 году считал знак заряда неопределенным) зарядом. При этом число элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу.
Тем не менее классические модели строения атома страдали весьма глубокими недостатками. С их помощью никак не удавалось объяснить спектральные закономерности и устойчивость движения электронов внутри атома. Рано или поздно электроны в модели Резерфорда должны были прекратить движение, что прекращало существование атома. В действительности же атомы существовали, не обращая внимания на мрачные пророчества теории. Налицо было вопиющее противоречие между теорией и действительностью, причем противоречие на уровне самой исходной, самой бедной по содержанию – категорией существования. Спектральные закономерности еще можно было как-то надеяться вывести, представляя очень хитрым образом движение электронов вокруг ядра. Здесь же теория подрубалась под корень.
Планетарная модель атома (по Резерфорду) Трудности
модели Резерфорда Как эти трудности устраняются
в модели атома Бора
1. Электроны вращаются вокруг ядра, следовательно, обладают центростремительным ускорением. а) Ускоренно движущиеся электроны излучают электромагнитные волны, поэтому их энергия должна уменьшаться, а вместе с этим должен уменьшаться радиус орбиты. Значит, атом должен быть неустойчивым: примерно за 10 с электрон должен упасть на ядро.
б) Нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения, должно охладиться до абсолютного нуля. Атомная система может находиться только в особых стационарных квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определённая энергия Еn. В стационарном состоянии атом не излучает.
Стационарное состояние наиболее устойчиво – атом может находиться в нём неограниченно долго. Электрон находится на ближайшей к ядру дозволенной орбите.
2. Энергия атома может иметь произвольное значение, значит, и величина поглощаемой (излучаемой) атомом энергии может быть произвольной. Невозможно объяснить спектральные закономерности. Для каждого атома имеется ряд строго определённых, дискретных, значений энергии, т.е. определённые энергетические уровни.
При переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Ек в состояние с меньшей энергией Еn излучается квант энергии: 
Изменение энергии атома может происходить только скачком, дискретно: скачок «вверх» –поглощение кванта энергии, скачок «вниз» – излучение кванта.
3. Существует бесконечное множество возможных орбит электронов в атоме. – В атоме допустимы только те орбиты, которые соответствуют одному из энергетических уровней. В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, имеет дискретное, квантованное значение момента импульса: 


Нукло;ны (от лат. nucleus — ядро) — частицы, из которых построены атомные ядра. Нуклоны представлены протонами и нейтронами.
С точки зрения электромагнитного взаимодействия протон и нейтрон разные частицы, так как протон электрически заряжен, а нейтрон — нет. Однако с точки зрения сильного взаимодействия, которое является определяющим в масштабе атомных ядер, эти частицы неразличимы, поэтому и был введен термин «нуклон», а протон и нейтрон стали рассматриваться как два различных состояния нуклона, различающихся проекцией изотопического спина. Близость свойств изоспиновых состояний нуклона является одним из проявлений изотопической инвариантности.
Нуклоны относятся к семейству барионов (группа N-барионов). Они являются самыми лёгкими из известных барионов.
29. Какое содержание вкладывается в понятия элементарная частица в современной физике? Охарактеризуйте свойства элементарных частиц.
Свойства. Все Э. ч. являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6;10-24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9;10-28 г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, p-мезона по порядку величины равны 10-13 см. Размеры электрона и мюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10-15 см. Микроскопические массы и размеры Э. ч. лежат в основе квантовой специфики их поведения. Характерные длины волн, которые следует приписать Э. ч. в квантовой теории ( , где   — постоянная Планка, m — масса частицы, с — скорость света) по порядку величин близки к типичным размерам, на которых осуществляется их взаимодействие (например, для p-мезона  1,4;10-13 см). Это и приводит к тому, что квантовые закономерности являются определяющими для Э. ч.
  Наиболее важное квантовое свойство всех Э. ч. — их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с др. частицами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам. Э. ч. — это специфические кванты материи, более точно — кванты соответствующих физических полей (см. ниже). Все процессы с Э. ч. протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Только на этой основе можно понять, например, процесс рождения p+-мезона при столкновении двух протонов (р + р ® р + n+ p+) или процесс аннигиляции электрона и позитрона, когда взамен исчезнувших частиц возникают, например, два g-кванта (е+ +е- ® g + g). Но и процессы упругого рассеяния частиц, например е- +p ® е- + р, также связаны с поглощением начальных частиц и рождением конечных частиц. Распад нестабильных Э. ч. на более лёгкие частицы, сопровождаемый выделением энергии, отвечает той же закономерности и является процессом, в котором продукты распада рождаются в момент самого распада и до этого момента не существуют. В этом отношении распад Э. ч. подобен распаду возбуждённого атома на атом в основном состоянии и фотон. Примерами распадов Э. ч. могут служить:  ; p+ ® m+ + vm; К+ ® p+ + p0 (знаком «тильда» над символом частицы здесь и в дальнейшем помечены соответствующие античастицы).
30. Охарактеризуйте новые элементарные частицы-кварки.
Протоны состоят из еще более мелких частиц, которые впервые исследовал американский физик-теоретик Гелл-Манн и назвал их кварками. Предполагают ,что существует по крайней мере шесть ароматов, которым отвечают u- кварк, d - кварк, странный кварк, очарованный кварк, b- кварк и t-кварк. Кварк каждого аромата может иметь еще и один из трех цветов - красный ,зеленый и синий. Это просто обозначение, т.к. размер кварков значительно меньше длины волны видимого света и поэтому цвета в обычном смысле слова у них нет.
Кварки, гипотетические частицы, из которых, как предполагается, могут состоять все известные элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях (адроны). Гипотеза о существовании К. была высказана в 1964 независимо американским физиком М. Гелл-Маном и австрийским физиком Г. Цвейгом с целью объяснения закономерностей, установленных для адронов. У названия «кварк» нет точного перевода, оно имеет литературное происхождение (было заимствовано М. Гелл-Маном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финегану», где означало нечто неопределённое, мистическое). Такое название для частиц, очевидно, было выбрано потому, что К. необходимо приписать ряд необычных свойств, выделяющих их из всех известных элементарных частиц (например, дробный электрический заряд).
  Предположение о существовании К. возникло в связи с открытием большого числа адронов и их успешной систематизацией. Было установлено, что адроны могут быть сгруппированы в некоторые семейства частиц, близких по своим основным характеристикам (одинаковые барионные заряды, спины, внутренние чётности, близкие массы). Так, например, 8 частиц: протон (р), нейтрон (n) и гипероны L0, S+, S0, S–, X–, X0 могут быть объединены в одно семейство барионов (октет) со спином 1/2 и положительной чётностью. Такие семейства частиц получили название супермультиплетов (см. Элементарные частицы). Число частиц в каждом супермультиплете и их основные свойства можно объяснить, если предположить, что адроны являются составными частицами — состоят из трёх типов фундаментальных частиц, так называемых р–, n– и l-К. (а также из античастиц  ). При этом К. необходимо приписать характеристики, указанные в табл. (в том числе дробные электрические и барионные заряды).
Характеристики кварков
  Частица Электрический заряд
Q Барионный заряд
В Спин J Cтранность
S
Кварки р
n
; +2/3
-1/3
-1/3 1/3
1/3
1/3 1/2
1/2
1/2 0
0
-1
Антикварки
 
 
-2/3
+1/3
+1/3 -1/3
-1/3
-1/3 1/2
1/2
1/2 0
0
+1
  Барионы, согласно указанной гипотезе, состоят из трёх К., например протон (Q = 1 В = 1) — из двух р-К. и одного n-К., нейтрон (Q = 0, В = 1) — из двух n-K. и одного р-К., S+ (Q = 1; В = 1) — из двух р-К. и одного l-К., W– (Q = —1, В = 1) — из трёх l-К. и т. д. Антибарионы состоят из трёх антикварков, а мезоны — из одного К. и одного антикварка (например, p+ — из р и  , К° — из   и n и т. д.). В состав странных частиц обязательно входят l-К. — носители странности.
  Поиски К. проводились в космических лучах, на ускорителях высокой энергии, а также физико-химическими способами в окружающей среде. Все они оказались безуспешными. Однако нельзя считать, что результаты этих опытов окончательно опровергают гипотезу с существовании К. — они лишь устанавливают пределы для величины возможной массы К. и вероятности рождения К. в процессах сильного взаимодействия. Так, в опытах на Серпуховском ускорителе протонов с энергией 70 Гэв, в которых при столкновении протонов с нуклонами (протонами и нейтронами) мишени могли бы рождаться К., если бы их масса не превышала примерно 5 протонных масс (в энергетических единицах ~ 5 Гэв), не было зарегистрировано ни одной частицы с зарядом — 1/3 или — 2/3. Это означает, что масса К., если они существуют, больше 5 Гэв или что вероятность рождения К., если их масса меньше 5 Гэв, по крайней мере в 1010 раз меньше вероятности рождения p-мезонов (которых за время опыта было зарегистрировано > 1010). Поиски К. в окружающей среде показали, что если К. и существуют, то концентрация их в веществе не превышает 10–18—10–20 от числа нуклонов, а по некоторым данным, этот предел может быть ещё меньше (10–24—10–30).
  Наряду с гипотезой существования фундаментальных частиц с дробными зарядами выдвигалось предположение о существовании фундаментальных частиц с целыми зарядами (их называют иногда К. с целыми зарядами). Для объяснения закономерностей систематики адронов необходимо считать, что имеется несколько супермультиплетов фундаментальных частиц с целыми зарядами (например, 3 семейства по 3 частицы). Попытки их экспериментального обнаружения также оказались безрезультатными.
31. Дайте характеристику основных видов взаимодействий.
32. Типы ядерных реакций. Условия их протекания. Перспективные химические процессы и материалы.
Типы. Существует несколько разновидностей ядерных реакций. Некоторые из них происходят на Земле в естественных условиях (например, под действием космических лучей и продуктов естественной радиоактивности), другие протекают в космосе (например, в недрах звёзд и Солнца), третьи — используются человеком для выработки электроэнергии, получения новых химических элементов и т. п. (см. ниже).
Реакции с нейтронами
________________________________________
Вскоре после открытия нейтрона, Энрико Ферми стал изучать ядерные реакции, вызываемые нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, то они беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают ядерные реакции, причем ядерные превращения вызываются не только быстрыми нейтронами, но и медленными, иногда даже эффективнее. В 1938 г. была впервые осуществлена реакция деления ядер урана нейтронами:
 .
Для проведения данной реакции использовались изотопы урана (235). (Для проведения цепной реакции чистый изотоп урана (238) непригоден.)
На самом деле ядро 235 урана распадается по реакции:  . Где осколки А и В варьируются от 72 до 161 элемента (наиболее вероятен распад на элементы 95 и 139). Количество нейтронов X варьируется от 2 до 3. Параметр Q определяет количество выделенной энергии. Для деления ядра урана-235 энергия примерно равна 200МэВ. Из них ~30 МэВ энергии идет на скорость получившихся нейтронов, а оставшиеся ~170 МэВ передаются осколкам, что можно интерпретировать как выделение тепла.
• При попадании нейтрона в ядро, оно возбуждается и начинает деформироваться, в результате чего образуются одноименно заряженные полюса.
• Под действием электромагнитных сил отталкивания между одноименно заряженными полюсами деформация усиливается.
• В итоге наступает момент, когда электромагнитные силы отталкивания преодолевают ядерные силы притяжения и ядро рассыпается на два осколка, которые разлетаются со скоростями равными ~ 3% скорости света. При этом освобождаются 2-3 нейтрона, так как относительное число нейтронов у возникающих при делении осколков оказывается большим, чем это допустимо для ядер атомов, находящихся в середине таблицы Менделеева. Данная реакция сопровождается выделением большой энергии (которая имеет электростатическое происхождение), так как энергия связи образовавшихся ядер оказывается большей, чем у ядер урана. (При полном делении 1 г урана выделяется такое же количество теплоты, как при сгорании 3 т. каменного угля).
Реакция, в которой частицы вызывающие ее (нейтроны), образуются, как продукты данной реакции называется ядерной цепной реакцией. Ядерная цепная реакция характеризуется коэффициентом размножения нейтронов.
Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо поколении к числу нейтронов в предшествующем поколении.
• К>1 — неуправляемая цепная реакция, заканчивается взрывом (используется в ядерной бомбе);
• К=1 — управляемая цепная реакция (используется в ядерном реакторе);
• К<1 – цепная реакция невозможна.
Наименьшую массу делящегося вещества, при которой может протекать цепная ядерная реакция, называют критической массой. Для чистого урана(235), имеющего форму шара, критическая масса 50 кг (R=9 см). Если применить замедлитель нейтронов и отражающую оболочку из бериллия, то критическая масса снижается до 250 г.
Реакции с лёгкими ядрами
________________________________________
Реакции под действием гамма-квантов
Реакции под действием электронов и мюонов
Реакции с участием нейтрино
Реакции с участием адронов
Реакции с тяжёлыми ионами
Характер взаимодействия между сложными ядрами определяется теми же силами - ядерными и электромагнитными, которые действуют в области ядерных реакций с легкими частицами. Однако большие электрический заряд и масса тяжелого иона приводят к некоторым особенностям как в механизме реакции, так и свойствах образующихся ядер.
Я;дерная реа;кция — процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма-квантами и друг с другом, обычно приводящий к выделению колоссального количества энергии. Спонтанные (происходящие без воздействия налетающих частиц) процессы в ядрах — например, радиоактивный распад — обычно не относят к ядерным реакциям. Для осуществления реакции между двумя или несколькими частицами необходимо, чтобы взаимодействующие частицы (ядра) сблизились на расстояние порядка 10;13 см, то есть характерного радиуса действия ядерных сил. Ядерные реакции могут происходить как с выделением, так и с поглощением энергии. Реакции первого типа, экзотермические, служат основой ядерной энергетики и являются источником энергии звёзд. Реакции, идущие с поглощением энергии (эндотермические), могут происходить только при условии, что кинетическая энергия сталкивающихся частиц (в системе центра масс) выше определённой величины (порога реакции).
Одно из важнейших направлений, определяющих развитие всех отраслей промышленности, строительства, медицины и сферы услуг – это новые материалы. Изменения укладов жизни человечества связаны с открытием и освоением производства новых материалов. Материалы – это ступени нашей цивилизации, а новые материалы – это трамплин для прыжка в будущее, меняющий облик нашего бытия.
Когда мы говорим о критериях, определяющих приоритетные, критические технологии (качество жизни, безопасность, конкурентоспособность и т.д.), одним из важнейших критериев является такая характеристика технологии – как способность коренным образом изменить, “перевернуть” всю структуру производства, а возможно, и социальных условий жизни человечества. К таким технологиям, вероятно, относятся информационные технологии, биотехнологии, генная инженерия. К этим же технологиям относятся и технологии получения новых материалов. По экспертным оценкам в ближайшие 20 лет 90% материалов будут заменены принципиально новыми, что приведет к революции в различных областях техники. О перспективности работ по новым материалам свидетельствует и тот факт, что почти 22% мировых патентов выдаются на изобретения в этой области. Об этом же говорит и динамика роста мировых рынков основных видов новых материалов до 2000 года. Особенно заметен прогресс в разработке производстве неорганических материалов – это керамика, материалы для микроэлектроники и пр.
Солидный научный задел российских ученых и их самоотверженный труд в условиях тяжелейшей финансовой ситуации позволяет России до сих пор сохранять достаточно высокий научно-технический потенциал в этой области разработок. Сравнительные оценки независимых экспертов показывают, что в области новых материалов Россия имеет общий высокий уровень и приоритетные достижения в отдельных областях. Наиболее высок уровень разработок по композиционным, полимерным, и сверхтвердым материалам, несколько ниже – по керамическим материалам, но ни по одному направлению Россия не имеет значительного отставания от мирового уровня, и по каждому из направлений имеет разработки, не уступающие мировым. По оценкам Группы по пересмотру национальных критических технологий США при Белом доме возможности России в области технологий материалов по ряду направлений равны возможностям промышленно развитых стран. Таким образом, в России сохранена база разработки и производства новых материалов. В 33 регионах России успешно работают около 200 научных коллективов, способных разрабатывать новые материалы и технологии их изготовления на уровне, отвечающем современным требованиям. Так как невозможно охватить весь спектр проблем в одном докладе, будет приведено только несколько примеров перспективных направлений разработок в области новых материалов и достижений российских ученых в этих направлениях, находящихся на мировом уровне.
Мы все вступаем в ХХI век и целесообразно рассмотреть требования этого века в технологиям получения материалов. Для развития техники высоких температур необходимы композиционные материалы (КМ) на основе углеродных волокон (УВ), углеродных и карбидо–углеродных матриц. Основные требования к таким КМ в настоящее время и, особенно, в недалеком будущем сведутся к следующему. В двигателях современных и будущих ракет, в системах управления вектором тяги, наконечниках и кромках крыльев в слабоокислительной атмосфере требуются материалы с рабочей температурой до 4000° С, прочностью до 200 МПа и с плотностью не более 2 г/см3, что исключает использование жаропрочных сплавов.
В авиационных газотурбинных двигателях (ГТД) необходимы материалы с рабочей температурой до 2000° С, прочностью до 250 МПа, коэффициентом температурного расширения близким к нулю, временем эксплуатации в сильно окислительной атмосфере до 1000 час.
Для изготовления тормозных дисков авиационных колес необходимы фрикционные материалы прочностью до 150 МПа, с коэффициентом трения до 0,35, с рабочей температурой до 1800° С.
Понятно, что получить такие характеристики материалов невозможно только путем применения существующих углеродных волокон. Можно надеяться, что дальнейший прогресс в области углеродных материалов будет связан с углеродными нанотрубками. Нанотрубки, полученные впервые методом дугового разряда в атмосфере гелия, являются новой формой конденсированного углерода. По данным электронной микроскопии многослойные углеродные нанотрубки (МУН) представляют собой вложенные друг в друга цилиндры, образованные графитовыми слоями. Диаметр многослойной углеродной нанотрубки составляет порядка десятков нанометров, а длина достигает нескольких микрон. Расстояние между слоями составляет ~ 0,34 нм, а азимутальное упорядочение слоев отсутствует. Основные свойства полученных и исследованных в России нанотрубок таковы:
– прочность на разрыв примерно в 1,5–2 раза больше, чем углеродных волокон;
– коэффициент температурного расширения самый низкий среди углеродных материалов, причем анизотропный;
– магнитная восприимчивость уступает только сверхпроводникам, причем при комнатной температуре; удельная поверхность до 1000 м/г;
– реализация прочностных характеристик волокон в композитах для нанотрубок составляет 90%, в то время как для углеродных волокон только до 60–65%.
Благодаря этому комплексу свойств нанотрубки могут стать основой для создания новых поколений материалов с уникальными характеристиками. Если говорить о технологиях получения подобных уникальных материалов, то в России разработана оригинальная, методика роста наноструктур в газостате, позволяющая получать нанотрубки и нановолокна с очень высокой удельной поверхностью, что позволяет вести работы, в частности, по применению таких материалов для накопителей водорода, как перспективного экологически чистого вида топлива ХХI века. Использование накопителей водорода на основе углеродных наноструктур не требует высоких давлений газа в контейнерах, что позволяет решить проблему их безопасности во много раз более эффективно, по сравнению с другими типами структур, способными адсорбировать водород. Например, объем запасаемого водорода на единицу массы для углеродных наноструктур, по имеющимся в научной литературе сведениям, примерно в 20 раз больше, чем в палладиевых накопителях, являющихся наиболее эффективными до настоящего времени.
Развитие технологий изготовления накопителей водорода на основе углеродных наноструктур может стать одним из ключевых направлений в модернизации транспорта в последующие годы.
Проиллюстрировать тезис о том, что химические технологии проникают практически во все сферы реального сектора экономики, можно наиболее наглядно на примере металлургии качественных сплавов. Создание 5-го и 6-го поколений авиационной техники невозможно без использования уникальных материалов. В частности, обеспечение такого важного показателя перспективных газотурбинных двигателей как удельный вес (отношение веса двигателя к его тяге) на уровне 0,05–0,08 кг/кгс вместо 0,15 (то есть повышение этого показателя в 2–3 раза) может быть достигнуто лишь при применении материалов с принципиально новым уровнем свойств.
Это прежде всего материалы на основе керамики, композиционные материалы с полимерной и металлической матрицами, интерметаллиды, жаропрочные сплавы с монокристаллической структурой и др.
К числу значительных достижений России в области создания таких материалов следует отнести:
– алюминий–литиевые сплавы, обеспечивающие снижение веса авиационных конструкций на 15–20% (разработки США только сейчас приблизились к нашим достижениям);
– направленно закристаллизованные жаропрочные эвтектические сплавы, представляющие собой естественные композиционные материалы, в которых впервые в истории развития конструкционных материалов реализована теоретическая прочность волокон нитевидных кристаллов;
– технологии и оборудование высокоградиентной направленной кристаллизации жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой для охлаждаемых рабочих лопаток газовых турбин, обеспечивающие получение ультратонкой дендритной структуры.
Композиционные материалы с интерметаллидной матрицей обладают наиболее высокой удельной прочностью при температурах 900–950° С. Их весовая доля, по прогнозам ведущих авиационных фирм, в двигателях после 2000 года будет составлять около 20%.
Одним из направлений, которому во всех промышленно развитых странах уделяется особое внимание являются “умные” материалы, из которых изготавливаются конструкции с адаптивно изменяющимися свойствами. Разрабатываются “умные” обшивки корпусов морских судов, самоупрочняющихся лопастей вертолетов, звукопоглощающих промышленных конструкций.
В России накопленный опыт позволил выдвинуть новую концепцию создания саморазгружающихся под воздействием нагрузок конструкций за счет реализации эффекта адаптации в композитах с регулируемой анизотропией упруго-деформационных свойств. Наши коллективы уже приступили к расчетно-экспериментальной проверке этой концепции. Ее решение планируется в рамках разрабатываемой “Программы развития гражданской авиационной техники в России на период 2001–2015 г.г.”
В последнее время большие успехи достигнуты в разработке новых видов стеклокристаллических материалов. Создание теоретических основ процесса катализированной направленной кристаллизации позволило синтезировать широкую гамму строительных стеклокристаллических материалов. Высокая химическая стойкость, высокое сопротивление истирающему воздействию, декоративные, оптические и ряд других физико-химических свойств делают эти материалы весьма перспективными в строительной, горнодобывающей, коксохимической, химической и оптоэлектронной промышленности. Новым направлением явилась разработка материалов, обладающих биологической активностью и способностью сращиваться с живой костной тканью (биоситаллов). Создан также принципиально новый класс сегнетоэлектрических материалов со структурой стилвеллита и с рекордным для не монокристаллических материалов уровнем пироэлектрических свойств.
Важнейшей социально значимой областью применения новых материалов является медицина, которая требует новых материалов для медицинского инструмента, оборудования и протезирования. Особенно высоки требования к материалам для эндопртезирования. Это прежде всего биосовместимость (биоинертность, биоактивность), высокий уровень физико-механических характеристик, стабильность свойств, долговечность работы в человеческом организме. Как показала клиническая практика, применение имплантатов из биоинертных углеродных материалов сокращает в 2–2,5 раза сроки послеоперационной реабилитации и исключает повторные операции.
В России разработаны и внедрены в клиническую практику различные химические материалы и изделия нового поколения, в качестве примеров можно упомянуть следующие:
– имплантаты для замены костей свода черепа;
– имплантаты культи глаза из углеродного войлока;
– элементы для замещения межпозвоночного промежутка и элементов коленного сустава;
– однополюсные тазобедренные суставы из углеродных материалов; травматические противоожоговые повязки из углеродной ткани.
В настоящее время ведутся работы по созданию третьего поколения искусственного клапана сердца из углеситалла, механические характеристики которого обеспечат его работоспособность в организме человека в продолжении 80 лет.
Развитие работ в области синтеза и изучения строения биокерамических материалов на основе гидроксиапатита привело к созданию новых биологически активных материалов. Эти материалы абсолютно совместимы с тканями организма человека, не отторгаются организмом и стимулируют рост костной ткани. Их применение приведет к принципиальным изменениям ситуации в реконструктивно-восстановительной хирургии, стоматологии и травматологии.
Пионерами в разработках были лаборатории Японии, затем начали заниматься лаборатории США, Франции, Италии, Великобритании, Португалии и ряда других стран. В России ведутся разработки, проводятся клинические испытания, запатентованы и промышленно выпускаются материалы из гидроксиапатита и коллагена для стоматологии и костной хирургии. Во всем мире ведутся работы по использованию капсул из гидроксиапатита для целевой доставки лекарственных средств в нужный орган живого организма.
Одной из успешно развивающихся областей высоких технологий является техническая сверхпроводимость – применение уникального явления сверхпроводимости в различных областях техники и науки. Химические технологии в освоении сверхпроводимости играют ключевую роль. Общепризнано, что в XXI веке сверхпроводникам предстоит сыграть ту же роль в развитии техники, технологии и науки, которую сыграли полупроводники во 2-ой половине 20-го столетия. Прогноз развития применения сверхпроводящей продукции (медицинские томографы, сепараторы для тонкой очистки, накопители энергии, приборы и установки индустриальной физики, не имеющие альтернативы без применения сверхпроводников) предполагает рост объема рынка для сильноточного применения сверхпроводников от 10 млрд. долларов в 2000 году до 150–200 млрд. в 2020 году.
Нашим ученым принадлежит приоритет в области сверхпроводящих материалов. Сейчас в России выпускаются высокотемпературные сверхпроводники длинами 200 м и более. Идет проработка проекта создания кабелей на таких сверхпроводниках для передачи электроэнергии из Дальневосточного региона в Японию. Ведутся работы по созданию нового класса высокопрочных и высоко–электропроводных проводников на основе Cu–Nb с нанометрическим уровнем микроструктуры. На приведенном кадре Вы видите строение, структуру и основные характеристики таких проводников. Россия, построившая первые в мире токамаки со сверхпроводящими обмотками тороидального поля, может рассчитывать на прорыв в разработках по производству электроэнергии на экологически чистых и безопасных термоядерных установках.
Мембраны и мембранные технологии играют все более важную роль в решении глобальных проблем, стоящих перед человечеством, прежде всего как технологии, позволяющие навести мост через пропасть, разделяющую промышленность и экологию. Экологическая чистота, малая энергоемкость и сравнительная простота технологического решения обусловливают широкое применение мембранных процессов в различных сферах деятельности, прежде всего для эффективного разделения жидких и газообразных сред, выделения ценных продуктов из сточных вод и газовых выбросов, для сепарации ионов в батареях, топливных элементах, для электрохимических процессов. Существуют области, где мембранная технология вообще не имеет конкурентов, например, аппараты “искусственная почка” и “искусственное легкое”, получение сверхчистых веществ и зон в микроэлектронике, выделение термолабильных биологически активных веществ и др. В США, например, уже производятся в лабораторном масштабе био-каталитические мембраны, энерго- и информационно-преобразующие мембраны, использующиеся как биосенсоры в устройствах для мониторинга. Российская наука занимает во многих направлениях развития мембранных технологий ведущие позиции в мире. Ею получен ряд фундаментальных результатов в области физикохимии мембранного разделения, создано производство мембран разных типов, мембранных модулей, установок. Это установки для разделения и очистки жидкостей на базе современных неорганических мембран, аппараты для газоразделения, мембранные аппараты для разделения плазмы крови, мембранные элементы для очистки воды и органических жидкостей и др.
Наиболее перспективные направления исследований в области мембранных технологий:
– Целенаправленное формирование системы канальных наноструктур для трансмембранного переноса молекул и ионов как конструкционных элементов объема мембран.
– Создание барьерных мембранных структур с толщинами порядка 10–30 нм.
– Формирование состояния поверхности мембран с целью контролируемого изменения избирательности переноса.
– Реализация энергозависимого активного транспорта целевых нейтральных компонентов.
– Формирование структуры жидких сред для повышения эффективности выделения растворенных в них целевых компонентов при мембранном разделении.
Реализация технических решений, полученных в результате научной проработки этих направлений, может качественно изменить лицо современных мембранных технологий не только с точки зрения общих показателей – материало- и энергосбережения, повышения экологической безопасности, но и аппаратурного оформления.
Несколько слов о приборном оснащении развития химических технологий. В последние годы во всем мире происходит быстрый рост компьютерных технологий во всех сферах применения. В материаловедческой науке и технологической практике получения новых материалов стремительно развивается новое направление – компьютерное конструирование новых продуктов и технологий их изготовления. В России прогресс в этой области связан с развитием метода физической мезомеханики, описывающей движения мезообъемов в нагруженных материалах. Этот метод позволяет построить компьютерные модели, прогнозирующие поведение материала в различных условиях нагружения, осуществлять диагностику стадии предразрушения конструкций. Для экспериментального обнаружения мезообъемов впервые применены методы технического зрения. Разработан автоматизированный оптико-телевизионный комплекс “TOMSC” предназначенный для выявления картины движения мезообъемов при нагружении и усталостном разрушении материала.
Широкие возможности метода позволяют также осуществлять компьютерное конструирование материала с заданными механическими свойствами. На основе этого метода разработаны: градиентные композиционные материалы, высокопрочная конструкционная керамика с нанокристаллической структурой, технологии нанесения упрочняющих и защитных покрытий на детали ответственного назначения и другие материалы и технологии.
Одним из сдерживающих факторов быстрого распространения новых материалов является их относительно высокая цена. Важнейшим (если не единственным) путем снижения цены новых материалов является совершенствование существующих и разработка новых экономичных, экологически чистых, ресурсосберегающих технологий их производства. Одной из таких эффективных технологий является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). Технологии на основе СВС имеют много привлекательных черт. Это и высокая технологическая производительность, и использование химической энергии реагентов (вместо более дорогой электроэнергии), и значительное упрощение высокотемпературного оборудования, и возможность решения разнообразных технологических задач. В ряде случаев, методом СВС в одну стадию получается как сам материал, так и изделие из него. Все это приводит к значительному снижению затрат на производство продукции и, в случае не очень дорогого сырья, к снижению ее себестоимости.
Сейчас известно много примеров успешного создания на основе СВС различных новых материалов и изделий с хорошими эксплуатационными свойствами. Широко известно использование продукции опытного производства ИСМАН – Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской Академии наук, крупной организации в этой области в нашей стране и мире. Например, композитные порошки титан–хромового карбида с никелем используются в авиационной промышленности для защиты вентиляторных лопаток турбин от высокотемпературной коррозии и износа. Очень привлекательно использование в медицине имплантатов из никелида титана, обладающего памятью формы.
На рубеже веков наступает эра нового технологического прорыва, которая потребует новых материалов с особыми свойствами, работающих в экстремальных и особо экстремальных условиях. Например, в области нефтегазовой индустрии создание морских буровых платформ потребуют применения новых высококачественных сталей, покрытий, технологий сварки и сварочных материалов.
После преодоления кризиса надежности в ХХI веке ожидается бурный рост атомной энергетики, что также связано с ростом потребления материалов с особыми свойствами. Так на одну атомную электростанцию расходуется более 360 тонн специальных сплавов на основе циркония, ниобия, эрбия. Началась реализация международного проекта создания термоядерного реактора, изготовление которого потребует 40 тыс. тонн специальных нержавеющей стали и несколько тысяч тонн сплавов ниобия с оловом.
Ожидается бурный рост оптоволоконной техники, нанотехнологий и микромашин, что также потребует принципиально новых материалов, рынок которых в обозримом будущем будет нарастать. В связи с выше изложенным будет возрастать роль и значение научных коллективов, занятых созданием новых химических материалов и технологий их производства. России удалось сохранить свой научный потенциал в этой области. Однако, учитывая все выше сказанное, недостаточно сохранять то что есть. В условиях стремительного развития материаловедческой науки во всем мире, для того, чтобы хотя бы сохранить позиции, надо стремительно идти вперед. Поэтому, на наш взгляд, необходимо не только уделять повышенное внимание ведущимся уже сейчас работам, поддерживать уже сейчас работающие коллективы, но и, заглядывая вперед, внести коррективы в программы высших учебных заведений. Выпускники всех без исключения технических и естественно–научных ВУЗов должны реально понимать место новых химических материалов в техническом прогрессе человечества.

33. Опишите иерархию организации материи, которая существует в природе.
Авторами теории уровней организации живого являются Браун и Селларс. Они называли эти уровни классами сложности.
 I уровень – молекулярно-генетический. В его состав входят:
3.1. Химические элементы
3.2. Углеводы
3.3. Аминокислоты
3.4. Белки
3.5. Липиды (воски и жиры)
3.6. Нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК)
II уровень – клеточный.
Впервые термин клетка ввел Р.Гук. Клетка – это основная структурная и функциональная единица живого. Причем все клетки делятся на две группы: прокариоты (безядерные) и эукариоты (ядерные).
III уровень – тканевой.
Ткань – это группа физически объединенных клеток и межклеточного вещества для выполнения определенной функции. Виды ткани:
- эпителиальная;
- соединительная;
- мышечная;
- нервная.
IV уровень – органный.
Орган – это относительно крупная функциональная единица, которая объединяет различные ткани в некоторые комплексы. Органы объединяются в системы органов для выполнения определенной функции. Внутренние органы характерны только для животных и человека (у растений отсутствуют).
V уровень – организменный.
Организм – это особая внутренняя среда, существующая во внешней среде в постоянном обмене веществ с ней.
VI уровень – популяционный.
Популяция – это совокупность организмов с единым генофондом, занимающих определенную территорию (ареал).
VII уровень – биоценотический.
Биоценоз – это целостная группа популяций с общей территорией обитания, отличающейся от других соседних территорий химическим составом почвы, воды и рядом других физических показателей: климатом, влажностью и т.д.
VIII уровень – биогеоценотический.
Биогеоценоз – единство биоценоза с неживой природой, т.е. живых существ со средой обитания: с температурными, географическими, атмосферными условиями.
IX уровень – биосферный.
34. Выделите основные структурные уровни организации материи в микромире и раскройте их взаимосвязь.
Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы — мир предельно малых, непосредственно не наблю¬даемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни — от бесконечно¬сти до 10-24 с.
35. Соотношение порядка и беспорядка в природе. Каковы современные дополнения к традиционным взглядам на проблему порядка и хаоса?
В химии, как и в физике, все естественные изменения вызваны бесцельной “деятельностью” хаоса. Мы познакомились с двумя важнейшими достижениями Больцмана: он установил, каким образом хаос  определяет направление изменений и как он устанавливает скорость этих изменений. Мы убедились также в том, что именно непреднамеренная и бесцельная деятельность хаоса переводит мир в состояния, характеризующиеся все большей вероятностью. На этой основе можно объяснить не только простые физические изменения (скажем, охлаждение куска металла), но и сложные изменения, происходящие при превращениях вещества. Но вместе с тем мы обнаружили, что хаос может приводить к порядку. Если дело касается физических изменений, то под этим понимается совершение работы, в результате которой в свою очередь могут возникать сложные структуры, иногда огромного масштаба. При химических изменениях порядок также рождается из хаоса; в этом случае, однако, под порядком понимается такое расположение атомов, которое осуществляется на микроскопическом уровне. Но при любом масштабе порядок может возникать за счет хаоса; точнее говоря, он создается локально за счет возникновения неупорядоченности где-то в ином месте. Таковы причины и движущие силы происходящих в природе изменений.

36. Определение категории симметрии. Основные виды симметрии.
Симме;три;я — (др.-греч. ;;;;;;;;;), в широком смысле — неизменность при каких-либо преобразованиях. Так, например, сферическая симметрия тела означает, что вид тела не изменится, если его вращать в пространстве на произвольные углы (сохраняя одну точку на месте). Двусторонняя симметрия означает, что правая и левая сторона относительно какой-либо плоскости выглядят одинаково.
Отсутствие или нарушение симметрии называется асимме;три;ей.
В математике симметрийные свойства описываются с помощью теории групп.
Типы симметрий, встречающиеся в математике и в естественных науках
• двусторонняя симметрия — симметричность относительно зеркального отражения.
• симметрия n-го порядка — симметричность относительно поворотов на угол 360°/n вокруг какой-либо оси. Описывается группой Zn.
• аксиальная симметрия (радиальная симметрия, лучевая симметрия) — симметричность относительно поворотов на произвольный угол вокруг какой-либо оси. Описывается группой SO(2).
• сферическая симметрия — симметричность относительно вращений в трёхмерном пространстве на произвольные углы. Описывается группой SO(3).
• вращательная симметрия — обобщение предыдущих двух симметрий.
• трансляционная симметрия — симметричность относительно сдвигов пространства в каком-либо направлении на некоторое расстояние.
• лоренц-инвариантность — симметричность относительно произвольных вращений в пространстве-времени Минковского.
• калибровочная инвариантность — независимость вида уравнений калибровочных теорий в квантовой теории поля (в частности, теорий Янга — Миллса) при калибровочных преобразованиях.
• суперсимметрия — симметрия теории относительно замены бозонов на фермионы.

37. Что включает в себя понятие состояния физической системы? Какими параметрами задается состояние системы? Как определяется состояние системы в динамических и статистических теориях и законах?
38. Законы сохранения физических величин, их роль в отражении объективных процессов природы.
Законы сохранения - фундаментальные физические законы, согласно которым при определенных условиях некоторые физические величины не изменяются с течением времени.
Закон сохранения и превращения энергии - общий закон природы, согласно которому:
- Энергия любой замкнутой системы при всех процессах, происходящих в системе, остается постоянной.
- Энергия может только превращаться из одной формы в другую и перераспределяться между частями системы. Для незамкнутой системы увеличение/уменьшение ее энергии равно убыли/возрастанию энергии взаимодействующих с ней тел и физических полей.
Закон сохранения импульса - закон механики, в соответствии с которым: Векторная сумма импульсов тел в замкнутой системе остается постоянной при любых взаимодействиях этих тел между собой и может только перераспределяться между частями системы.
Закон сохранения массы - закон классической механики, в соответствии с которым при любых процессах, происходящих в системе тел, ее масса остается неизменной.
Закон сохранения механической энергии - физический закон, в соответствии с которым: В замкнутой системе, в которой не действуют силы трения и сопротивления, сумма кинетической и потенциальной энергии всех тел системы остается величиной постоянной.
Закон сохранения момента импульса - физический закон, в соответствии с которым момент импульса замкнутой системы относительно любой неподвижной точки не изменяется со временем. Закон сохранения момента импульса есть проявление изотропности пространства.
Закон сохранения электрического заряда - физический закон, в соответствии с которым в замкнутой системе взаимодействующих тел алгебраическая сумма электрических зарядов (полный электрический заряд) остается неизменной при всех взаимодействиях.
Закон сохранения энергии - физический закон, в соответствии с которым: Полная механическая энергия системы тел сохраняется в процессе их движения, если внешние и внутренние силы, действующие на систему тел, являются потенциальными.
Фундаментальные физические законы - это наиболее полное на сегодняшний день, но приближенное отражение объективных процессов в природе.
39. Современные представления о структуре Вселенной.
40. Дайте краткую характеристику основных концепций космологии.
41. Каков предполагаемый механизм образования объектов Вселенной? Что характеризует реликтовое излучение? Проблемы поиска жизни во Вселенной и внеземных цивилизаций.
Механизм. Подробно рассмотрим качественную картину образования сверхядра, которое является прародителем Вселенной и ее главных составных частей - галактик и их скоплений. На основе этой картины появится возможность математического описания каждой стадии процесса с той или иной точностью. Очевидно, что описать образование Вселенной и галактик только гравитационным взаимодействием без привлечения формирования и распада сверхядер невозможно.
1. Электрически нейтральное вещество постепенно собирается в массивное единое тело. При достижении массы тела сравнимой с массой Юпитера или немного выше, внутри тела начинаются ядерные реакции, происходит вспышка и образование новой звезды. Если вещества в окружающем пространстве недостаточно для дальнейшего интенсивного роста, то звезда переходит в относительно стационарное состояние и медленно эволюционирует. Далее мы рассмотрим вариант конденсации вещества, имеющего ядра средней части таблицы Менделеева, чтобы не усложнять картину ядерными реакциями.
2. Если масса тела продолжает интенсивно расти, то при некоторой критической массе происходит необратимый коллапс. Если тело вращается, то при коллапсе возможны два варианта: в первом варианте скорость вращения становится такой, что тело разрывается под действием центробежных сил, образуя огромное газо-пылевое облако, во втором варианте вступает в действие гравидинамическое сжатие, ускоряющее коллапс. Тот или иной вариант реализуется в зависимости от плотности и начальной скорости вращения тела. Если тело не вращается, то коллапс необратим на этой стадии. На конечной стадии коллапса электронные оболочки у атомов исчезают, и образуется сверхплотная электронно-ядерная плазма.
3. Далее происходит нейтронизация вещества. Электроны теряют момент импульса и образуют с протонами нейтроны. Ядра атомов постепенно "растворяются" до тех пор, пока не будет образовано гомогенное тело из нейтронного газа. При гравитационном уплотнении и достижении плотности, близкой к ядерной, выделяется энергия:  , которая расходуется на "растворение" ядер атомов и образование сверхплотного нейтронного газа (кристаллизоваться этот газ не может, т.к. невозможно образование ядер из одних только нейтронов):
                (29.7.1),
 где k – постоянная Больцмана, M/mn - число нейтронов в нейтронном газе.
 Из (29.7.1):
                (29.7.2),
если M подставлять в граммах. Для Солнца в рассматриваемом состоянии T=1012 градусов. Каждый нейтрон при такой температуре обладает энергией 130 Мэв и этого с большим запасом достаточного для полного "растворения" существующих в сверхплотном теле ядер и образования гомогенного нейтронного газа. Если учесть магнитное взаимодействие между нейтронами, то правильнее говорить о нейтронной жидкости.
 В пространство излучаются электронные нейтрино. Эти процессы сопровождаются поглощением тепла, выделившегося при коллапсе. Нейтронное тело обладает ферромагнитными свойствами, в нем нейтроны спонтанно ориентируются в одном направлении, и возникает мощное магнитное поле. Если тело вращается, то его гравидинамический момент провоцирует и стабилизирует ориентацию нейтронов (пульсар). Нейтронное тело принципиально неустойчиво и продолжительность его существования обусловлена временем, за которое энергия нейтронов за счет потерь станет менее 8 Мэв. Очевидно, что нейтроны не могут "кристаллизоваться" с образованием сверхядра, состоящего из одних нейтронов и остаются в теле в  виде сверхплотного газа.
4. Когда нейтронное тело достаточно остынет, начинается кристаллизация сверхядра. В зоне кристаллизации половина нейтронов превращается в протоны. Одновременно излучаются релятивистские электроны и электронные антинейтрино. Поскольку поверхность нейтронного тела охлаждается быстрей, кристаллизация сверхядра на поверхности происходит практически постоянно. При этом релятивистские электроны за счет магнитного поля излучаются в виде двух противоположно направленных струй. Внутри нейтронного тела постепенно формируется сверхядро значительно большей массы, чем сверхядерная оболочка на поверхности из-за гравитационного удержания оболочки.
Если m – масса сверхядерной оболочки, M – масса общая сверхплотного тела с плотностью близкой к ядерной плотности, а R – его радиус. Число протонов в оболочке примерно равно m/2mp, где mp – масса протона, т.к. в сверхядре число протонов равно числу нейтронов (a-частицы). Из условия равенства сил, действующих на массу m за счет электростатического отталкивания и гравитационного притяжения в случае кристаллизации с поверхности, найдем:  , откуда найдем критерий устойчивости сверхплотного тела:
                (29.7.3).
 Если левая часть (29.7.3) окажется больше правой, то произойдет сброс сверхядерной оболочки. Подставив в (29.7.3) численные значения мировых постоянных, найдем:
 m ; 1,30;10-35M                (29.7.4).
Из (29.7.4) видно, что сверхядро в сверхплотном теле составляет незначительную долю общей массы. Например, для Солнца массой 2;1033 г масса сверхядра достаточна всего 26 мг, чтобы оно было сброшено в виде оболочки.
Если сверхядро образуется в центре сверхплотного тела, то потенциальная энергия расталкивания сверхядра равна или меньше потенциальной энергии гравитационного притяжения всей массы:  , где r – радиус сверхядра, откуда, учитывая, что плотность сверхядра и сверхплотного тела практически одинакова:
                (29.7.5).
 Подставляя в (29.7.5) мировые постоянные, найдем:
 R ; 1,25;107r                (29.7.6).
Вместо радиусов, вычислим в (29.7.6) массы:
 m ; 5,10;10-22M                (29.7.7).
Сравнивая (29.7.7) с массой сверхядра образующегося на поверхности, мы видим, что в случае кристаллизации сверхядра внутри сверхплотного тела масса сверхядра может быть на 13 порядков больше. В этом случае внутри Солнца достаточно массы сверхядра 1012 г, чтобы разорвать тело Солнца изнутри. Радиус такого сверхядра составляет 0,3 мм.
При образовании гравидинамического объекта (например, пульсар) масса его может быть мала, но гравидинамические силы сжатия – это ядерные силы, поэтому они способны сжать тело до ядерной плотности, при которой образуется сверхядро и достаточно долго удерживать его от разрыва. При меньшей скорости вращения и сравнительно небольшой массе гравидинамическое притяжение может оказаться недостаточным для образования сверхядра, при этом образуется сверхплотный гравидинамический объект. Гравидинамический объект не может существовать длительное время. Из-за интенсивных потерь энергии сверхплотный гравидинамический объект разрушится под действием центробежных сил, а содержащий сверхядро взорвется с огромным выделением энергии. Подобные объекты весьма вероятны в активных ядрах спиральных галактик.
5. Высокая температура недр обеспечивает большое противодавление и также способствует интенсивной конвекции. Это препятствует образованию сверхядра внутри. Сопротивление образованию сверхядра пропорционально массе тела и зависит от скорости роста массы.
Если масса тела не очень велика и скорость ее роста незначительна, то наружная нейтральная "скорлупа" при некоторой критической массе сверхядра уже не может противодействовать электростатическому отталкиванию протонов в сверхядре и происходит вспышка Сверхновой звезды. Подобное явление должно наблюдаться и в ядрах сферических и эллиптических галактик. Процесс очень похож на взрыв котла с перегретым паром, когда его стенки не способны сдержать растущее давление внутри.
Если масса тела значительна, что возможно при интенсивном ее росте, т.к. уплотнение тела весьма длительно по времени, то нейтральное вещество в "скорлупе" наращивается гораздо быстрее, чем растет сверхядро и способно удерживать тело от разрыва при любой массе тела.
Если поступление нового вещества прекращается, то постепенное уплотнение тела приводит к росту сверхядра, достигается критическое состояние и происходит грандиозный взрыв. Этот случай можно отнести как к взрыву целой галактики, так и к Большому Взрыву всей Вселенной в целом. В последнем случае внутри сверхядра возможно достижение нуклонной плотности вещества. При этом нейтрино становятся "свободными" по сценарию большого коллапса и испаряются из тела Вселенной до тех пор, пока не вынесут такую энергию, что состояние нуклонной плотности вещества исчезнет. Этот процесс должен сопровождаться излучением нейтрино в соотношении: на 2 мюонных антинейтрино 2 электронных нейтрино и 1 электронное антинейтрино или (при распаде мюонных антинейтрино) на 5 электронных антинейтрино 4 электронных нейтрино. При ядерной плотности Вселенная соберется в шар радиусом 4,5 а.е. Это расстояние почти соответствует радиусу орбиты Юпитера (5,2 а.е.).
6. Осталось рассмотреть механизм взрыва сверхядра, чтобы замкнуть цикл эволюции Вселенной и ее составных частей. Очевидно, что взрыв сверхядра произойдет тогда, когда электростатическое отталкивание его частей превысит сжатие от нейтральной "скорлупы". Если тело быстро вращается, то к сжатию "скорлупы" прибавляется гравидинамическое сжатие.
Реликтовое излучение. Электромагнитное излучение, приходящее с одинаковой интенсивностью со всех областей неба и имеющее спектр, соответствующий тепловому излучению при температуре 2.73 К. Поскольку источник реликтового излучения лежит дальше всех известных объектов, а максимум в спектре приходится на длину волны 1 мм, его называют также микроволновым фоновым излучением. Существование теплового излучения с температурой в несколько кельвинов было предсказано в 1946 г. Георгием Гамовым при разработке модели горячей Вселенной, а открыли его в 1965 г. радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вилсон (США). Реликтовое излучение родилось более 10 миллиардов лет назад, когда Вселенная в целом была значительно плотнее и горячее, чем в нынешнюю эпоху. Тогда это было оптическое излучение горячего газа с температурой в несколько тысяч кельвинов, однородно заполнявшего всю Вселенную. В ходе расширения Вселенной температура реликтового излучения уменьшилась примерно в тысячу раз. Реликтовое излучение характеризуется очень высокой степенью изотропии, т.е. одинаковой интенсивностью по различным направлениям. Термин "реликтовое излучение" ввел советский астрофизик И.С.Шкловский (1916-1985).
Происхождение гипотезы
Идея внеземных цивилизаций появилась в XVII веке в связи с появлением гелиоцентрической системы мира Коперника и изобретением телескопа Галилеем. На Луне были обнаружены горы и долины, и было сделано предположение о существовании лунных аборигенов — «селенитов». Позже было высказано предположение о существовании марсиан. По мере исследования Солнечной системы предполагаемое местоположение внеземных цивилизаций переносилось вглубь космоса.
Гипотеза о существовании внеземных цивилизаций следует из представлений о естественном происхождении жизни на Земле и её эволюции. Если возникновение жизни, а затем и разумной жизни — естественный процесс, то подобное могло произойти и в любом другом месте, где есть подходящие условия. Хотя, по современным представлениям, остальные планеты нашей системы, скорее всего, безжизненны, Солнечная система не единственная: Солнце — одна из сотен миллиардов звёзд нашей галактики. Исследования показывают, что вокруг многих других её звёзд также обращаются планеты (которые называют экзопланетами). Сама наша галактика — также не единственная. В телескопы наблюдаются миллиарды галактик, многие из которых очень похожи на нашу.
Научно-технический прогресс
Представления о научно-техническом прогрессе дают возможность предположить, что внеземные цивилизации могут быть гораздо более развитыми, чем наша, поскольку человек появился достаточно поздно по меркам возраста Вселенной. Этой точке зрения во многом способствует связывание с ними феномена НЛО. Не исключено, однако, что наша цивилизация, наоборот, является первой и самой развитой во Вселенной. Наше Солнце - звезда третьего поколения, сформировавшаяся из остатков образовавшихся после взрывов сверхновых второго поколения, которые, в свою очередь, образовались из звёзд первого поколения, которые появились непосредственно после Большого взрыва. Планеты вокруг звёзд первого поколения не могли содержать тяжёлые элементы, поэтому на них жизнь не могла возникнуть. Звёзды второго поколения также не были достаточно богаты тяжёлыми элементами. Для развития звёзд первого и второго поколения, вплоть до их превращения в сверхновые, в недрах которых и образуются тяжёлые элементы, необходимо было порядка нескольких миллиардов лет. Солнечная система существует 4,6 млрд. лет, из которых примерно 4 млрд. ушло на возникновение и эволюцию жизни до человека. С учётом того, что Вселенной «всего» 13,7 млрд. лет, получается, что наша цивилизация сформировалась довольно рано..
Проблема контакта
Причины поиска контакта и возможные следствия
Многие люди с воодушевлением относятся к мысли о контакте между нашей и иной цивилизациями, возлагая на внеземные цивилизации надежды на разрешение наших извечных проблем — нужды, болезней, смерти, перенаселённости Земли и др. Контакты между разными цивилизациями в земной истории часто давали толчок развитию торговли, экономики и культуры. Но довольно часто народы, стоящие на более низкой ступени развития, либо порабощались, либо уничтожались вообще (стоит только вспомнить геноцид индейцев в Америке, обращение в рабство негров Африки, разграбление колоний, эксплуатацию коренного населения). Хотя можно предположить, что некоторый уровень развития предполагает недопустимым военное разрешение противоречий, всё же полностью исключать этот вариант нельзя. В любом случае, влияние более развитых цивилизаций очень велико, хотя подчастую оно приводит к деградации и забвению собственного культурного наследия.
Принципиальная возможность контакта
Непосредственный контакт при текущем уровне научно-технического прогресса невозможен из-за огромных межзвёздных расстояний, если только иные цивилизации не владеют гиперпространственными технологиями. Даже ближайшая к нам звезда находится на расстоянии примерно 40 трлн. км, и чтобы долететь до неё, даже с максимально возможной скоростью - скоростью света, космическим аппаратам потребовалось бы около четырех световых лет . При этом совсем не обязательно, что в окрестностях самой близкой звезды присутствуют живые организмы. Расстояния же до других звёзд — в тысячи и десятки тысяч раз больше, не говоря уж о других галактиках.
Тем не менее, в принципе, возможен контакт на расстоянии. Уже неоднократно производились попытки посылать в космос сигналы, которые могли бы быть приняты и расшифрованы внеземными цивилизациями. Наиболее известный из таких проектов — СЕТИ. Однако, даже если предполагаемые «братья по разуму» смогут принять наш сигнал, есть опасность, что они настолько отличаются от нас, что не смогут понять его.
Парадокс «Великого Молчания»
Основная статья: Парадокс Ферми
К настоящему времени нет точного научного подтверждения существования внеземных цивилизаций, что, в сочетании со статистическими выводами о широком распространении разумной жизни во Вселенной, создаёт так называемый парадокс «Великого молчания Вселенной» Ферми.
Среди возможных разрешений парадокса можно выделить следующие:
• внеземных цивилизаций просто не существует: по каким-то причинам человечество — уникальное явление; либо по каким-то причинам цивилизации достаточно быстро гибнут сами собой — например, в результате войн, природных, экологических или социальных катастроф;
• внеземные цивилизации существуют, но расположены в удалённых частях Вселенной, и из-за огромных расстояний контакт с ними невозможен;
• внеземные цивилизации существуют, их уровень близок к нашему, и они более склонны наблюдать, выискивая чужие сигналы, чем подавать свои.
• внеземные цивилизации существуют, однако уровень их развития слишком низок, чтобы связаться с нашей цивилизацией.
• внеземные цивилизации существуют, однако уровень их развития слишком высок, чтобы связываться с Земной цивилизацией.
• внеземная цивилизация не контактирует с Земной по причине отсутствия интереса к нашей цивилизации, вследствие отсталости наших принципов дальней космической связи (другими словами — будете ли вы разговаривать с муравьём?), или по причине проводимой политики невмешательства. (Данная теория хорошо описана братьями Стругацкими в научно-фантастической повести «Пикник на обочине»).
• внеземные цивилизации существуют, контакт возможен и состоялся, однако заинтересованные влиятельные силы внутри нашей цивилизации скрывают факт контакта. Эта теория заговора активно эксплуатируется в фантастической литературе и кинематографе.
Палеоконтакт
Основная статья: палеоконтакт
Широко распространено убеждение, что контакты происходили в прошлом, но мы забыли о них, либо не воспринимаем их именно как контакт с внеземными цивилизациями. Спектр гипотез варьируется от объяснения контактом отдельных необычных явлений в прошлом (например, строительство циклопических сооружений людьми прошлого без соответствующего технического развития) до объявления контактом всех действительных или мнимых столкновений со сверхъестественным, описанных, например, в религиозных книгах.
Наличие следов жизни в метеоритах
Основная статья: Метеорит
При исследовании некоторых метеоритов в их составе обнаруживают вещества (в основном углеродосодержащие), которые в земных условиях являются продуктами жизнедеятельности.
Также в больших количествах обнаруживаются микроскопические окаменелости, имеющие структуру, подобную земным живым организмам: двойные стенки у клеток, шипы, отростки, поры.
Уфология
Основные статьи: уфология, НЛОнавты
Уфология оказала сильное влияние на представления о внеземных цивилизациях: с полётами НЛО большинство людей увязывает деятельность инопланетян. Исходя из постулата, что НЛО являются инопланетными космическими кораблями, многие приходят к выводу, что инопланетяне уже тайно присутствуют на Земле или на околоземной орбите.
На самом деле не имеется никаких оснований для уверенности, что неопознанные летающие объекты имеют отношение к внеземным цивилизациям. Некоторые уфологи, не отрицающие существование НЛО (вроде Дональда Мензела, Жака Валле, Джона Киля), категорически отвергают какую бы то ни было их причастность к инопланетным цивилизациям (см. тж. НЛО#Гипотезы о происхождении НЛО).
42. Происхождение и структура  Солнечной системы.
43. Происхождение и строение Земли.
44. Кибернетика: метод исследования и исходные понятия. Информация: количественная и качественная характеристика.
45. Концепция самоорганизации. Концепция синергетики. Идея, основные понятия и закономерности синергетики.
46. Концепция А.И. Опарина и её роль в решении проблемы происхождении жизни на Земле.
47. Генная инженерия как новый этап биологической эволюции (новые возможности и проблемы).
Генная инженерия - это…
Генная инженерия -- это метод биотехнологии, который занимается исследованиями по перестройке генотипов. Генотип является не просто механическая сумма генов, а сложная, сложившаяся в процессе эволюции организмов система. Генная инженерия позволяет путем операций в пробирке переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Перенос генов дает возможность преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим.
Носителями материальных основ генов служат хромосомы, в состав которых входят ДНК и белки. Но гены образования не химические, а функциональные. С функциональной точки зрения ДНК состоит из множества блоков, хранящих определенный объем информации -- генов. В основе действия гена лежат его способность через посредство РНК определять синтез белков. В молекуле ДНК как бы записана информация, определяющая химическую структуру белковых молекул. Ген -- участок молекулы ДНК, в котором находится информация о первичной структуре какого-либо одного белка (один ген -- один белок). Поскольку в организмах присутствуют десятки тысяч белков, существуют и десятки тысяч генов. Совокупность всех генов клетки составляет ее геном. Все клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой из них реализуется различная часть хранимой информации. Поэтому, например, нервные клетки и по структурно-функциональным, и по биологическим особенностям отличаются от клеток печени.
Перестройка генотипов, при выполнении задач генной инженерии, представляет собой качественные изменения генов не связанные с видимыми в микроскопе изменениями строения хромосом. Изменения генов прежде всего связано с преобразованием химической структуры ДНК. Информация о структуре белка, записанная в виде последовательности нуклеотидов, реализуется в виде последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка. Изменение последовательности нуклеотидов в хромосомной ДНК, выпадение одних и включение других нуклеотидов меняют состав образующихся на ДНК молекулы РНК, а это, в свою очередь, обуславливает новую последовательность аминокислот при синтезе. В результате в клетке начинает синтезироваться новый белок, что приводит к появлению у организма новых свойств. Сущность методов генной инженерии заключается в том, что в генотип организма встраиваются или исключаются из него отдельные гены или группы генов. В результате встраивания в генотип ранее отсутствующего гена можно заставить клетку синтезировать белки, которые ранее она не синтезировала.
Наиболее распространенным методом генной инженерии является метод получения рекомбинантных, т.е. содержащих чужеродный ген, плазмид. Плазмиды представляют собой кольцевые двухцепочные молекулы ДНК, состоящие из нескольких тысяч пар нуклеотидов. Этот процесс состоит из нескольких этапов.
Рестрикция -- разрезание ДНК, например, человека на фрагменты.
Лигирование -- фрагмент с нужным геном включают в плазмиды и сшивают их.
Трансформация --введение рекомбинантных плазмид в бактериальные клетки. Трансформированные бактерии при этом приобретают определенные свойства. Каждая из трансформированных бактерий размножается и образует колонию из многих тысяч потомков -- клон.
Скрининг -- отбор среди клонов трансформированных бактерий тех, которые плазмиды, несущие нужный ген человека.
Весь этот процесс называется клонированием. С помощью клонирования можно получить более миллиона копий любого фрагмента ДНК человека или другого организма. Если клонированный фрагмент кодирует белок, то экспериментально можно изучить механизм, регулирующий транскрипцию этого гена, а также наработать этот белок в нужном количестве. Кроме того, клонированный фрагмент ДНК одного организма можно ввести в клетки другого организма. Этим можно добиться, например, высокие и устойчивые урожаи благодаря введенному гену, обеспечивающему устойчивость к ряду болезней. Если ввести в генотип почвенных бактерий гены других бактерий, обладающих способностью связывать атмосферный азот, то почвенные бактерии смогут переводить этот азот в связанный азот почвы. Введя в генотип бактерии кишечной палочки ген из генотипа человека, контролирующий синтез инсулина, ученые добились получения инсулина при посредстве такой кишечной палочки. При дальнейшем развитии науки станет возможным введение в зародыш человека недостающих генов, и тем самым позволит избежать генетических болезней.
Эксперименты по клонированию животных ведутся давно. Достаточно убрать из яйцеклетки ядро, имплантировать в нее ядро другой клетки, взятой из эмбриональной ткани, и вырастить ее -- либо в пробирке, либо в чреве приемной матери. Клонированная овечка Доли была создана нетрадиционным путем. Ядро из клетки вымени 6-летней взрослой овцы одной породы пересадили в безъядерное яйцо овцы другой породы. Развивающийся зародыш поместили в овцу третей породы. Так как родившаяся овечка получила все гены от первой овцы -- донора, то является ее точной генетической копией. Этот эксперимент открывает массу новых возможностей для клонирования элитных пород, взамен многолетней селекции.
Ученые Техасского университета смогли продлить жизнь нескольких типов человеческих клеток. Обычно клетка умирает, пережив около 7-10 процессов деления, а они добились сто делений клетки. Старение, по мнению ученых, происходит из-за того, что клетки при каждом делении теряют теломеры, молекулярные структуры, которые располагаются на концах всех хромосом. Ученые имплантировали в клетки открытый ими ген, отвечающий за выработку теломеразы и тем самым сделали их бессмертными. Возможно это будущий путь к бессмертию.
Еще с 80-х годов появились программы по изучению генома человека. В процессе выполнения этих программ уже прочитано около 5 тысяч генов (полный геном человека содержит 50-100 тысяч). Обнаружен ряд новых генов человека. Генная инженерия приобретает все большее значение в генотерапии. Потому, что многие болезни заложены на генетическом уровне. Именно в геноме заложена предрасположенность ко многим болезням или стойкость к ним. Многие ученые считают, что в XXI веке будет функционировать геномная медицина и генная инженерия.
Возможности генной инженерии
Значительный прогресс достигнут в практической области создания новых продуктов для медицинской промышленности и лечения болезней человека
В настоящее время фармацевтическая промышленность завоевала лидирующие позиции в мире, что нашло отражение не только в объёмах промышленного производства, но и в финансовых средствах, вкладываемых в эту промышленность (по оценкам экономистов, она вошла в лидирующую группу по объёму купли-продажи акций на рынках ценных бумаг). Важной новинкой стало и то, что фармацевтические компании включили в свою сферу выведение новых сортов сельскохозяйственных растений и животных, и тратят на это десятки миллионов долларов в год, они же мобилизировали выпуск химических веществ для быта. Добавок к продукции строительной индустрии и так далее. Уже не десятки тысяч, а возможно, несколько сот тысяч высококвалифицированных специалистов заняты в исследовательских и промышленных секторах фарминдустрии,и именно в этих областях интерес к геномным и генно-инженерным исследованиям исключительно высок. Очевидно поэтому любой прогресс биотехнологий растений будет зависеть от разработки генетических систем и инструментов, которые позволят более эффективно управлять трансгенами. Для чистого вырезания трансгенного ДНК в растительный геном, всё больше применяют заимствованные из микробной генетики системы гомологичной рекомбинации, такие как системы Cre-lox и Flp-frt. Будущее, очевидно, будет за управляемым переносом генов от сорта к сорту, основанного на применении предварительно подготовленного растительного материала, который уже содержит в нужных хромосомах участки гомологии, необходимого для гомологичного встраивания трангена. Помимо интегративных систем экспрессии, будут опробованы автономно реплицирующиеся векторы.осбый интерес представляют `скусственные хромосомы растений, которые теоретически не накладывают никаких ограничений на объём вносимой теоретической информации.
Кроме этого учёные занимаются поиском генов, кодирующих новые полезные признаки. Ситуация в этой области меняется радикальным образом, прежде всего, существованию публичных баз данных, которые содержат информацию о большинстве генов, бактерий, дрожжей, человека и растений, а также в следствии разработки методов, позволяющих одновременно анализировать экспрессию большого количества генов с очень высокой пропускной способностью. Применяемые на практике методы можно разделить на две категории:
Методы, позволяющие вести экспрессионное профилирование: субстракционная гибридизация, электронное сравнение EST-библиотек, «генные чипы» и так далее. Они позволяют устанавливать корреляцию между тем или иным фенотипическим признаком и активностью конкретных генов.
Позиционное клонирование, заключается в создании за счет инсерционного мутагенеза мутантов с нарушениями в интересующем нас признаке или свойстве, с последующим клонированием соответствующего гена как такового, который заведомо содержит известную последовательность (инсерция).
Вышеназванные методы не предполагают ни каких изначальных сведений о генах, контролирующих тот или иной признак. Отсутствие рационального компонента в данном случае является положительным обстоятельством, поскольку неограничен нашими сегодняшними представлениями о природе и генном контроле конкретного интересующего нас признака.
Кроме всего этого группа ученых, таких как Марк Адам (ведущий сотрудник института геномных исследований в штате Мэриленд - США, частной исследовательской компании, занимающейся исключительной работой в области картирования генов), Крэйк Вентер (директор этого института) и соавторами, разрабатывается проект «Геном человека». Цель этого проекта заключается в выяснении последовательности оснований во всех молекулах ДНК в клетках человека. Одновременно должна быть установлена локализация всех генов, что помогло бы выяснить причину многих наследственных заболеваний и этим открыть пути к их лечению. Что бы последовательно приближаться к решению проблемы картирование генов человека, было сформулировано пять основных целей:
Завершить составление детальной генетической карты, на которой были бы помечены гены, отстоящие друг от друга на расстоянии не превышающем в среднем 2 млн. оснований (1 млн. оснований принято называть мегобазой);
составить физические карты каждой хромосомы (разрешение 0.1 Мб);
получить карту всего генома в виде охарактеризованных клонов (5 тыс. оснований в клоне или 5 Кб);
завершить к 2004 году полное секвенирование ДНК (разрешение одного основание);
нанести на полностью завершенную секвенсовую карту все гены человека (к 2005 году).
Ожидалось, что, когда все указанные цели будут постигнуты, исследователи определят все функции генов и разработают методы биологического и медицинского применения полученных данных.
Рассмотрев темпы ускорения работы в рамках проекта «Геном человека», руководители этого проекта объявили 23 октября 1998г., что программа будет полностью завершена гораздо раньше, чем планировалось, и сформулировали «Новые задачи проекта «Геном человека»:
полностью завершить в декабре 1998 года работу по секвенирование генома «Круглого червя» c. Elegans (это было сделано в срок);
закончить предварительный анализ последовательности ДНК человека к 2001 году, а полную последовательность к 2003 году;
картировать к 2002 году геном плодовой мухи;
начать секвенирование генома мыши с использованием методов ДНК искусственных хромосом дрожжей (завершить этот проект к 2005 году).
Помимо этих целей, официально включен в поддерживаемый правительством США и рядом других правительств проект, некоторые исследовательские центры объявили о задачах, которые будут решаться в основном за счет частных фондов и пожертвователей. Так, ученые калифорнийского университета (Беркли), Орегонского университета и Ракового исследовательского центра имени Фрейда Хатчинсона начали программу «Геном собаки».
Международное общество секвенирование в феврале 1996 года приняло решение о том, что любая последовательность нуклиотидов размером 1-2 Кб должна быть обнародована в течение 24 часов после ее установления.

48. Биосфера и предельные возможности Земли. Проблема оптимизации биосферы. Технологическое общество и его проблемы.
49. В чем состоит двуединая задача химии? Роль химии в сохранении окружающей среды и успехи в области исследований перспективных химических процессов и создания новых материалов.
1.Получение веществ с заданными свойствами - производственная задача.
2. Выявление способов управления свойствами вещества - задача научного исследования.
50. Охарактеризуйте роль исследований Лавуазье в крушении теории флогистона.
51. Что в настоящее время понимается под химическим соединением? Дайте определение химическая связь и охарактеризуйте основные типы химической связи.
Под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой - молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат.
52. Что следует понимать под атомной и молекулярной структурой?
53. Что представляет собой явление катализа и в чем состоит природа биохимических катализаторов.
Катализ представляет собой наиболее общий распространенный способ проведения химических реакций, особенность которого состоит в активации молекул реагента при их контакте с катализатором. При этом происходит как бы "расслабление" химических связей в исходном веществе,"растаскивание" его на отдельные части, которые затем легче вступают во взаимодействие друг с другом.
54. В чем сущность химической теории и биогенеза.
Химическая эволюция или пребиотическая эволюция — первый этап эволюции жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми бесспорно являются все углерод-содержащие молекулы.
Также этими терминами обозначается теория возникновения и развития тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества.
Всё, что известно о химизме вещества, позволяет ограничить проблему Х.Э. рамками так наз. "водно-углеродного шовинизма", постулирующего, что жизнь в нашей Вселенной представлена в единственно возможном варианте: в качестве "способа существования белковых тел", осуществимого благодаря уникальному сочетанию полимеризационных свойств углерода и деполяризующих свойств жидко-фазной водной среды, как совместно необходимых и|или достаточных(?) условий для возникновения и развития всех известных нам форм жизни. При этом подразумевается, что, по крайней мере, в пределах одной сформировавшейся биосферы может существовать только один, общий для всех живых существ данной биоты код наследственности, но пока остается открытым вопрос, существуют ли иные биосферы вне Земли и возможны ли иные варианты генетического аппарата.
Также неизвестно, когда и где началась химическая эволюция. Возможны любые сроки по окончанию второго цикла звёздообразования, наступившего после конденсации продуктов взрывов первичных сверхновых звезд, поставляющих в межзвездное пространство тяжелые элементы (с атомной массой более 26). Второе поколение звёзд , уже с планетными системами, обогащенными тяжёлыми элементами, которые необходимы для реализации Х.Э. появилось через 0,5-1,2 млрд. лет после Большого взрыва. При выполнении некоторых вполне вероятных условий, для запуска Х.Э. может быть пригодна практически любая среда: глубины океанов, недра планет, их поверхности, протопланетные образования и даже облака межзвёздного газа, что подтверждается повсеместным обнаружением в космосе методами астрофизики многих видов органических веществ - альдегидов, спиртов, сахаров и даже аминокислоты глицина, которые вместе могут служить исходным материалом для Х.Э., имеющей своим конечным результатом возникновение жизни.

55. Укажите основные направления развития биологии. Назовите объект изучения современной биологии.
Объектом изучения традиционной биологии всегда была и остается живая природа в ее естественном состоянии.
Биология как бы существует в трех лицах, развивается в трех основных направлениях.
1.Традиционная (натуралистическая ) биология.
2.Физико-химическая.
3.Эволюционная биология.
56. Структурные уровни организации живых систем.
57. Суть главных проблем исследований на молекулярном уровне.
Объектом исследований на молекулярно-генетическом уровне стали три главные проблемы:
происхождение жизни;
молекулярно-генетический подход к изучению эволюции;
молекулярные основы генетической репродукции и процессов обмена веществ.
Все три проблемы объединяет одно: они перестали быть чисто биологическими, став проблемами всего естествознания.
58. Охарактеризуйте основные гипотезы происхождения жизни на Земле.
59. Охарактеризуйте типы изменчивости и приведите примеры её проявления.
60. Охарактеризуйте сущность современного эволюционизма и сформулируйте основные отличия синтетической теории эволюции от теории Ч. Дарвина.
Теория эволюции Ч. Р. Дарвина

Если до Дарвина биология делала акцент на устойчивости биологических организмов и смогла выявить определенные структурные закономерности, например связи органов и целостности живых организмов, то теория эволюции принципиально изменила саму постановку вопросов в теоретической биологии. Исходным пунктом теории эволюции стала проблема изменчивости, а вопрос об устойчивости изменений стал рассматриваться как механизм отбора изменений, их стабилизации.
Дарвин проанализировал явления индивидуальной изменчивости организмов, подчеркивая, что источником изменений является влияние измененных условий существования. Механизмом, обеспечивающим накопление индивидуальных различий, является естественный отбор, обусловленный борьбой за существование. Благодаря этой борьбе незначительные, неопределенные различия способствуют сохранению особей и наследуются их потомством.
Таким образом, теория Дарвина зиждется на определённых предпосылках и принципах, ряд из которых не принят в современных теориях эволюции: 1) принцип, согласно которому вид стремится к беспредельному размножению (геометрическая прогрессия размножения); 2) принцип изменчивости, согласно которому индивидуальные различия и отклонения, обеспечивающие приспособляемость особей к изменчивым условиям среды, возникают постоянно; 3) наследственность полезных индивидуальных изменений; 4) отбор наиболее приспособленных особей. Хотя Дарвин абсолютизировал постепенность изменений, подчеркивая, что природа не делает скачков, по замыслу эволюционной биологии возникновение новых видов объясняется качественным скачком – расхождением признаков и превращением разновидностей в виды. 
В наши дни целый ряд слабых пунктов эволюционной теории Дарвина и, прежде всего присущая ей идея селектогенеза, подвергнуты критике.
Одно из возражений состояло в том, что она не могла объяснить причин появления у организмов структур, кажущихся бесполезными. Однако, как выяснилось впоследствии, многие морфологические различия между видами, не имеющие значения для выживания, представляют собой просто побочные эффекты действия генов, обуславливающих незаметные, но очень важные для выживания физиологические признаки.
Слабым местом в теории Дарвина также были представления о наследственности. Действительно, если эволюция связана со случайным появлением изменением и наследственной передачей приобретенных признаков потомству, то каким образом они могут сохраниться и усилиться?
В дальнейшем были выявлены и некоторые другие недостатки теории Дарвина. Теория нуждалась в дальнейшей разработке и обосновании с учетом последующих достижений всех биологических дисциплин.

1.4 Синтетическая теория эволюции

Особую роль в становлении новых представлений о развитии сыграла генетика, которая составила основу неодарвинизма – теории органической революции путём естественного отбора признаков, детерминированных генетические. Другое общепринятое название неодарвинизма – синтетическая, или общая, теория эволюции (СТЭ), которая представляет собой синтез эволюционных идей Дарвина с новыми результатами исследований в области наследственности и изменчивости. Началом разработки СТЭ принято считать работы русского генетика С.С. Четверикова по популяционной генетике. Затем к этой работе подключились около 50 учёных из восьми стран.
Основные положение СТЭ можно свести к четырем утверждениям:
1) главным фактором эволюции считается естественный отбор, интегрирующий и регулирующий действие всех остальных факторов (мутагенеза, гибридизации, миграции, изоляции и т.д.);
2) эволюция протекает постепенно, посредством отбора случайных мутаций, а новые формы образуются через наследственные изменения;
3) эволюционные изменения случайные и ненаправленны. Исходные организации популяции и изменения внешних условий ограничивают и направляют наследственные изменения;
4) макроэволюция, ведущая к образованию надвидовых групп, осуществляется только посредством процессов микроэволюции. Каких либо специфических механизмов возникновения новых форм жизни не существует.
Однако и синтетическая теория эволюции имеет ряд трудностей, что ставит эволюционистов  в трудное положение, и на которых основываются недарвиновские концепции эволюции.
________________
Важным новым результатом синтетической теории было ясное установление тех исходньк объектов, которые служат предметом исследования эволюционной теории. Ч.Дарвин в своей теории говорит об эволюции в рамках вида, о чем свидетельствует уже заголовок его книги «Происхождение видов». В синтетической теории элементарной единицей эволюции служит популяция, поскольку именно в ее рамках происходят наследственные изменения генофонда.
Другое существенное отличие синтетической теории эволюции от дарвиновской состоит в четком разграничении областей исследования: микроэволюции и макроэволюции. Эти термины впервые были введены в 1927г. отечественным генетиком Юрием Александровичем Филипченко (1882—1930) для характеристики разных масштабов эволюции. Дальнейшее уточнение они получили в работах известного российского генетика Николая Владимировича Тимофеева-Ресовского (1900—1981).
61. Перечислите наиболее важные открытия, сделанные в области молекулярной биологии и молекулярной генетики.
Важнейшие достижения молекулярной биологии. Стремительность, размах и глубину влияния Молекулярная биология на успехи в познании коренных проблем изучения живой природы справедливо сравнивают, например, с влиянием квантовой теории на развитие атомной физики. Два внутренне связанных условия определили это революционизирующее воздействие. С одной стороны, решающую роль сыграло обнаружение возможности изучения важнейших проявлений жизнедеятельности в простейших условиях, приближающихся к типу химических и физических экспериментов. С другой стороны, как следствие указанного обстоятельства, имело место быстрое включение значительного числа представителей точных наук — физиков, химиков, кристаллографов, а затем и математиков — в разработку биологических проблем. В своей совокупности эти обстоятельства и обусловили необычайно быстрый темп развития Молекулярная биология, число и значимость её успехов, достигнутых всего за два десятилетия. Вот далеко не полный перечень этих достижений: раскрытие структуры и механизма биологической функции ДНК, всех типов РНК и рибосом, раскрытие генетического кода; открытие обратной транскрипции, т. е. синтеза ДНК на матрице РНК; изучение механизмов функционирования дыхательных пигментов; открытие трёхмерной структуры и её функциональной роли в действии ферментов, принципа матричного синтеза и механизмов биосинтеза белков; раскрытие структуры вирусов и механизмов их репликации, первичной и, частично, пространственной структуры антител; изолирование индивидуальных генов, химический, а затем биологический (ферментативный) синтез гена, в том числе человеческого, вне клетки (in vitro); перенос генов из одного организма в другой, в том числе в клетки человека; стремительно идущая расшифровка химической структуры возрастающего числа индивидуальных белков, главным образом ферментов, а также нуклеиновых кислот; обнаружение явлений «самосборки» некоторых биологических объектов всё возрастающей сложности, начиная от молекул нуклеиновых кислот и переходя к многокомпонентным ферментам, вирусам, рибосомам и т. д.; выяснение аллостерических и других основных принципов регулирования биологических функций и процессов.
Молекулярная генетика значительно углубила  наши представления о сущности жизни,  эволюции живой природы,  структурно-функциональных механизмов регуляции индивидуального развития. Благодаря ее успехам начато решение глобальных проблем человечества, связанных с охраной его генофонда.
Первые экспериментальные данные о химич. природе «наследственных молекул» появились в середине 40-х — начале 50-х гг. 20 в. В частности, было обнаружено, что добавление препаратов дезоксирибонуклеиновой к-ты, или ДНК (см. Нуклеиновые кислоты), выделенных от одних бактерий другим, сообщает последним наследственные признаки первых и что при заражении вирусами именно их ДНК проникает в клетку и вызывает там синтез новых вирусных частиц. Дальнейшими исследованиями было установлено, что каждая хромосома содержит одну гигантскую двухнитевую молекулу ДНК, отрезки к-рой и являются генами, что' основная функция генов состоит в кодировании структуры ферментных белков (см. Ферменты), управляющих всеми процессами жизнедеятельности, что реализация наследственной информации в соответствующие признаки организма протекает с помощью другого типа нуклеиновых к-т — рибонуклеиновых, или РНК, синтезируемых на ДНК и играющих в клетках роль функциональных копий генов. В 1953 г. было выяснено строение ДНК, а в 1961— 1964 гг.— точная структура генетического кода. Эти открытия стали основой для бурного развития исследований по широкому кругу проблем, связанных с изучением закономерностей развертывания генетической информации в живых клетках на молекулярном уровне. В частности, были получены принципиально новые и важные сведения об узловых процессах хранения и реализации наследственной информации: удвоении генетической информации перед делением клеток (процесс репликации ДНК), считывании генетической информации с молекул ДНК в их копии — молекулы информационной РНК (процесс транскрипции), синтезе белков под контролем молекул РНК (процесс трансляции), изменении генетического материала (мутагенез, рекомбинация — см. Ген, обмен генами), а также о роли внешней и внутренней среды клеток в управлении синтезом белков под контролем генов (процесс регуляции генной активности).
Важнейшим достижением молекулярной генетики явилась расшифровка структуры хромосомной ДНК. В 1968 г. было установлено, что имеется два типа участков хромосомной ДНК, отличающихся друг от друга последовательностью расположения нуклеотидов (основных звеньев ДНК). Каждый участок первого типа состоит из своеобразной, присущей только ему последовательности расположения нуклеотидов. Такие последовательности были названы уникальными. Участки второго типа содержали различное количество повторяющихся последовательностей нуклеотидов, к-рые были названы повторами. В 1973— 1975 гг. было установлено, что в ДНК участки повторов чередуются с участками уникальных последовательностей т. о., что каждая уникальная зона отделена от другой отрезками повторов. Оказалось, что повторы бывают двух видов — короткие (содержащие в среднем ок. 300 нуклеотидных пар) и длинные (до 5000 нуклеотидных пар). Число коротких повторов в ДНК в несколько раз больше, чем длинных. В последнее время высказано предположение, что длинные повторы равномерно распределены по ДНК. Роль повторов пока не выяснена, хотя были высказаны предположения, что они играют роль в упаковке ДНК в хромосоме, в процессах транскрипции и трансляции, а также в осуществлении обмена генами между хромосомами.
Благодаря развитию молекулярной генетики было открыто универсальное свойство живой материи, ранее неизвестное ученым,— способность восстанавливать повреждения в молекулах ДНК, возникающие под влиянием различных неблагоприятных воздействий (процесс репарации — см. Репарация генетическая). Высказываются достаточно обоснованные надежды на возможность использования метода М. г. для выделения генов из клеток, синтеза искусственных генов и соединения их с генетическим аппаратом организмов с целью устранения различных наследственных дефектов (см. Инженерия генетическая).
Процесс репликации. Сохранение неизменности генетической записи в молекулах ДНК обеспечивается точным воспроизведением ее структуры при делении клеток. Механизм этого процесса был подробно изучен. Оказалось, что перед делением клеток происходит удвоение (репликация) ДНК, сопровождающееся точным копированием исходных молекул.   Структурной основой такого копирования является правило комплементарности, открытое в 1953 г. амер. ученым Д. Уотсоном и англ. ученым Ф. Криком. Известно, что в составе ДНК имеется четыре типа нуклеотидов: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Согласно правилу комплементарности, в структуре двойной спирали ДНК тимидило-вому нуклеотиду в одной цепи должен соответствовать адениловый нуклеотид в другой цепи, цитидиловому — гуани-ловый и т. д. При репликации осуществление правил комплементарности приводит к точному копированию каждой из цепей ДНК ( 1).
В 50-е гг. биохимикам удалось изучить свойства спец. фермента (его назвали ДНК-полимеразой), присутствующего во всех клетках и  осуществляющего удвоение (репликацию) молекул ДНК. В 70-х гг. было установлено, что процесс репликации — многостадийный процесс и что в синтезе новых молекул ДНК участвует несколько типов ДНК-полимераз   и   ряд   других   ферментов.
Сведения, полученные при изучении генетических процессов, связанных с точным воспроизведением информации во время деления клеток и репликации их ДНК, широко используются в мед. практике. Изученные закономерности характерны как для развития организмов в нормальных условиях, так и в случае заболеваний. В частности, установлено, что излечение многих заболеваний может быть достигнуто путем воздействия на процессы репликации и деления клеток в организме. Так, при ряде заболеваний (напр., нарушения фосфорного обмена, рахит, нек-рые болезни крови) процессы репликации и деления клеток угнетены. Использование лекарственных препаратов, стимулирующих репликацию ДНК, способствует восстановлению нарушенных болезнью процессов.
Существует большая группа заболеваний, при к-рых, напротив, леч. эффект достигается подавлением процессов репликации и клеточного деления. Прежде всего к ним относятся различные инф. заболевания, обусловленные быстрым размножением в пораженном органе и в целом организме болезнетворных микроорганизмов, а также болезни, связанные с перерождением тканей и развитием опухолевых новообразований. Большое число лекарственных средств (в т. ч. синтезированных советскими учеными), широко применяемых в мед. практике, предназначено именно для подавления репликации. К ним относятся, напр., противотуберкулезные препараты, нек-рые антибиотики, подавляющие репликацию ДНК болезнетворных микроорганизмов и тем самым обеспечивающие леч. эффект при многих острых инф. заболеваниях. Особенно широкое применение препараты, препятствующие репликации ДНК и делению клеток, нашли при лечении опухолей.
Как известно, при возникновении опухолеродных клеток наблюдается их быстрое и неконтролируемое организмом деление, являющееся результатом интенсивной репликации ДНК. Изучение молекулярных механизмов этих процессов позволило разработать методы целенаправленного поиска веществ, избирательно подавляющих оба процесса и благодаря этому угнетающих развитие опухолей. Все без исключения лекарственные средства, применяющиеся в настоящее время для лечения злокачественных новообразований, принадлежат либо к группе веществ, подавляющих деление клеток, либо к группе веществ, избирательно угнетающих процесс репликации   ДНК.
Процессы транскрипции и трансляции. После установления генетической роли ДНК и функции генов как матриц для синтеза белков первое время высказывались идеи о том, что аминокислоты могут собираться в молекулы белков прямо на участках генов в ДНК. Однако довольно скоро была доказана неверность этой точки зрения и было установлено, что процесс белкового синтеза протекает гораздо сложнее. Сначала с участков структурных генов снимаются их копии в виде молекул РНК, названных информационными, или и-РНК. Молекулы и-РНК затем соединяются с особыми структурами клеток — рибосомами и программируют там синтез белков. Процесс синтеза копий генов в виде молекул и-РНК был назван транскрипцией, а синтеза белков под контролем этих копий генов — трансляцией. Оказалось, что во время транскрипции на ДНК строятся молекулы РНК в соответствии с правилами комплементарности. Синтез копий генов ведется лишь по одной из двух нитей ДНК в участке генов, и поэтому молекулы и-РНК одноцепочечные
Структуры нуклеиновых кислот изображены горизонтальными линиями с отходящими основаниями, обозначенными буквами (Г, Ц, Т, А, У — урацил). На участке гена молекулы ДНК (начало и конец которого обозначены стрелками) синтезируется информационная РНК: благодаря этому генетическая информация, записанная в ДНК в виде последовательности нуклеотн-дов, «переписывается» в структуру информационной РНК, которая определяет порядок подстановки аминокислот в молекулы строящихся белков. Транскрипция начинается со строго определенной начальной точки и происходит в соответствии с правилами комплементарности, лишь вместо ти-мина в РНК стоит похожее на него основание — урацил, а все сахара — рибозы. Таким образом, при синтезе РНК на ДНК образуются   пары   оснований:   АУ   и   ГЦ.
вляется под контролем спец. ферментов, названных РНК-полимеразами, и подобно тому, как это имеет место при репликации ДНК, требует осуществления ряда подготовительных этапов, напр, подготовки веществ, из к-рых будет строиться цепь РНК, подготовки самой молекулы ДНК для считывания и т. д.
Копии генов (молекулы и-РНК) соединяются с рибосомами, а в это время другие молекулы РНК, так наз. транспортные, пли т-РНК, «подвозят» к рибосомам соответствующие аминокислоты и «выстраивают» их в том порядке, к-рый определен структурой и-РНК. Такое выстраивание обеспечивается тем, что в каждой т-РНК есть участок, содержащий «зеркальное отражение» тройки нуклеотидов, соответствующей той аминокислоте, к-рая соединяется с данным типом т-РНК. Зеркальность определяется тем, что одна из троек нуклеотидов в п-РНК оказывается комплементарной тройке в т-РНК (3). Т. о., в клетке существ\тет по крайней мере по одному типу т-РНК на каждый вид аминокислот. Взаимодействие т-РНК с и-РНК в структуре рибосом обеспечивает правильную расстановку аминокислот, и, продвигаясь по длине молекулы и-РНК, рибосомы «подставляют» все новые тройки нуклеотидов и-РНК  для взаимодействия  с т-РНК, причем каждая из т-РНК несет нужную аминокислоту, соответствующую данной генетической записи. Выстраиваемые аминокислоты соединяются в цепи молекул белков, к-рые затем и приступают к выполнению своих функции.
В последние годы стало очевидно, что детальное исследование механизмов транскрипции и трансляции имеет исключительно важное значение для целей здравоохранения. При развитии практически любого заболевания имеет место интенсивный синтез вредных для организма белков. Это либо синтез, протекающий под контролем генов, в норме неактивных на данной стадии развития (напр., при болезнях обмена веществ), либо так наз. наведенный синтез в органах и тканях, зараженных болезнетворными микроорганизмами или вирусами, либо синтез белка в активно развивающихся опухолях. Познание тончайших механизмов транскрипции оказалось исключительно важным для выявления способов борьбы с конкретными заболеваниями. В частности, многие широко используемые антибиотики, такие лекарственные средства, как акрихин и аминоакрихин, хинин и др., проявляют свое действие как раз в отношении транскрипции, подавляя связывание с ДНК ферментов, ведущих транскрипцию, или же извращая этот процесс. В последнем случае синтезируемые белки, необходимые для развития болезненного процесса, оказываются неактивными. Ряд лекарственных средств может соединяться с самим ферментом РНК-полимеразой и ингп-бировать (снижать, подавлять) ее активность. К числу таких соединений относятся различные производные антибиотика рифамицина, применяемые при трудно вылечиваемых формах воспаления легких, абсцесса легких, сепсиса, гонореи, остеомиелита, холецистита и других тяжелых заболеваний.
Ингибируя процессы трансляции в организме в целом пли в тех или иных его органах, добиваются подавления воспалительных процессов. На этом принципе основано действие многих антибиотиков (в частности, антибиотиков стрептомицинового и тетрациклинового ряда). Все они избирательно ингиби-руют процесс трансляции. Леч. эффект при многих воспалительных заболеваниях может быть получен также путем подавления процессов, предшествующих трансляции. Так, известно, что один из этапов трансляции связан с работой т-РНК, соединенных с молекулами аминокислот. Такие «заряженные» т-РНК подвозят аминокислоты к рибосомам, где и происходит их встройка в образуемые под контролем копий генов молекулы белков. Однако, если в момент острого воспалительного заболевания не дать образоваться комплексу транспортная РНК — аминокислота, процесс трансляции будет автоматически подавлен и течение болезни приостановлено. Оказалось, что именно этот процесс лежит в основе леч. действия давно применяемых на практике противовоспалительных препаратов — производных салициловой к-ты.
Процесс регуляции генной активности. В 1961 г. было обнаружено, что в хромосомах имеется два типа генов: структурные, контролирующие   синтез   ферментных белков, и регуляторные, управляющие активностью структурных. Механизм регуляции активности структурных генов показан на рисунке 4. Под контролем регу-ляторных генов (оперонов) синтезируются особые вещества белковой природы, получившие название репрессоров.
Немаловажное значение для целей здравоохранения имеет также исследование процессов генетической рекомбинации, в результате к-рой происходит обмен генами и участками хромосом (5). Эти процессы лежат в основе внедрения генетического материала ряда вирусов и их копий в хромосомы живых организмов, включая человека. Поэтому их изучение необходимо при разработке методов борьбы с вирусными заболеваниями. Кроме того, знание процессов генетической рекомбинации существенно для выяснения способов обмена генами между разными организмами, а также для построения генетических карт, в т. ч. у человека.
Значение молекулярной генетики для биологии и медицины. Открытия в области М. г. оказали решающее влияние на прогресс бполошч. наук и связанных с биологией ДИСЦИПЛИН, в т. ч., медицины. Успехи этой науки позволили понять многие -«загадочные» процессы жизнедеятельности, наследования и индивидуального развития. Но значение М. г. не ограничивается разрешением теоретич. проблем. Зародившись как чисто теоретич. наука, изучающая интимные процессы жизнедеятельности организма, М. г. в короткий срок стала весьма важной для практического здравоохранения. Познание молекулярно-генетических закономерностей явилось базой для углубленного понимания многих процессов, происходящих в организме здорового и больного человека, послужило основой для учения о наследственных болезнях, для дальнейшего развития таких важнейших для медицины наук, как микробиология, вирусология, эндокринология, иммунология,   фармакологи?..
Данные М. г. все шире используются для понимания причин и механизмов развития многих заболеваний, становятся необходимыми для поиска новых лекарственных средств и более углубленного понимания механизма действия традиционно применяемых леч. препаратов. На основе исследований М. г. удается создавать новые высокоэффективные лекарственные средства. С другой стороны, именно данные М. г. позволяют осознать то пагубное влияние, к-рое может оказать самолечение и бесконтрольное, неправильное применение медикаментов, особенно в наше время, когда развитие мед. науки и мед. промышленности предоставляет в распоряжение медицины чрезвычайно сильно действующие лекарственные средства. Применение таких средств должно быть тщательно продумано, дозировка строго индивидуальна для каждого больного, лечение" должно сопровождаться постоянным врачебным контролем,  ибо сам  факт воздействия тех или иных лекарственных средств на генетич. аппарат при их бесконтрольном применении таит серьезные опасности, к-рые не всегда можно предсказать.
Широкое использование на практике достижений М. г. наглядно демонстрирует справедливость того, что успехи любых сугубо теоретич. наук исключительно важны для научно-технического прогресса и практич. деятельности человечества.

62. Охарактеризуйте вклад Менделя в формировании генетики как науки.
63. Опишите историю изучения, структуру и функции ДНК в живом организме.
ДНК являясь "хранительницей" материальной основы генетической информации, контролирует биосинтез белка в клетках и отвечает за изменчивость клеток. Именно молекула ДНК отвечает за передачу наследственной информации от одной клетки к другой.
СТРУКТУРА ДНК.

    Еще в 1869 году швейцарский биохимик Фридрих  Мишер  обнаружил  в  ядре
клеток соединения с кислотными  свойствами  и  с  еще  большей  молекулярной
массой, чем белки. Альтман назвал их нуклеиновыми кислотами,  от  латинского
слова «нуклеус» - ядро. Так же, как и белки,  нуклеиновые  кислоты  являются
полимерами. Мономерами их служат  нуклеотиды,  в  связи  с  чем  нуклеиновые
кислоты можно еще назвать полинуклеотидами.
    Нуклеиновые кислоты были найдены в клетках всех организмов, начиная  от
простейших и кончая высшими.  Самое  удивительное,  что  химический  состав,
структура  и  основные  свойства   этих   веществ   оказались   сходными   у
разнообразных живых  организмов.  Но  если  в  построении  белков  принимают
участие около 20  видов  аминокислот,  то  разных  нуклеотидов,  входящих  в
состав нуклеиновых кислот, всего четыре.
    В  живых  клетках   содержится   два    типа   нуклеиновых   кислот   –
дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Как  ДНК,  так  и  РНК
несут  в  себе  нуклеотиды,  состоящие  из  трех   компонентов:   азотистого
основания, углевода,  остатка  фосфорной  кислоты.  Однако  комбинация  этих
компонентов в ДНК и РНК несколько различны.
    Фосфорная кислота в молекулах ДНК и РНК одинакова. Углевод же имеется в
двух вариантах: у нуклеотидов ДНК – дезоксирибоза, а  у  нуклеотидов  РНК  –
рибоза.  И  рибоза,  и   дезоксирибоза   –   пятичленные,   пятиуглеродистые
соединения – пентозы. У дезоксирибозы, в отличие от  рибозы,  лишь  на  один
атом кислорода меньше, что и определяет ее название, так  как  дезоксирибоза
в  переводе  с  латинского  означает  лишенная  кислорода  рибоза.   Строгая
локализация дезоксирибозы в ДНК, а  рибозы  в  РНК,  как  раз  и  определяет
название этих двух видов нуклеиновых кислот.
    Третий компонент нуклеотидов ДНК и РНК – азотистые соединения, то  есть
вещества, содержащие азот и обладающие щелочными свойствами.  В  нуклеиновые
кислоты входят две группы  азотистых оснований.  Одни  из  них  относятся  к
группе пиримидинов, основу строения которых составляет шестичленное  кольцо,
а другие к группе пуринов, у которых к пиримидинову кольцу присоединено  еще
и пятичленное кольцо.
    В состав молекул ДНК и РНК  входят  два  разных  пурина  и  два  разных
пиримидина. В ДНК имеются пурины – аденин, гуанин и  пиримидины  –  цитозин,
тимин. В молекулах РНК те же самые пурины, но из  пиримидинов  –  цитозин  и
вместо  тимина  –  урацил.  В  зависимости  от  содержания  того  или  иного
азотистого  основания   нуклеотиды   называются   адениловыми,   тимиловыми,
цитозиловыми, урациловыми, гуаниловыми.
    Как же соединяются между собой нуклеотиды  в  длинные  полинуклеотидные
цепи? Оказывается, что такое соединение  осуществляется  путем  установления
связи  между  остатком  молекулы  фосфорной  кислоты  одного  нуклеотида   и
углеводом   другого.    Образуется    сахаро-фосфорный    скелет    молекулы
полинуклеотида, к которому сбоку один  за  другим  присоединяются  азотистые
основания.
    Если учесть, что в каждой нуклеиновой кислоте по четыре вида  азотистых
оснований, то можно представить себе множество способов  расположения  их  в
цепи, подобно тому, как можно в самой разной последовательности нанизать  на
нитку  бусинки  четырех  цветов   –   красные,   белые,   желтые.   Зеленые.
Последовательность расположения  нуклеотидов  в  цепях  молекул  нуклеиновых
кислот  так же, как и аминокислот в молекулах белков, строго специфична  для
клеток разных организмов, то есть носит видовой характер.
    ДНК представляет свою двойную спираль.
    Полинуклеидные цепи достигают гигантских размеров. Вполне понятно,  что
в связи с этим они так же, как и белки,  определенным  образом  упакованы  в
клетке.
    Модель  структуры   молекулы   ДНК   впервые   создали   биохимики   из
Кембриджского университета в Англии  Джеймс  Уотсон  и  Френсис  Крик.  Было
показано,  что  молекула  ДНК  состоит  из  двух   полинуклеотидных   цепей,
закрученных одна вокруг  другой,  с  образованием  двойной  спирали.  Причем
контакты существуют между обеими  полинуклеотидными  цепями,  точнее,  между
пурином одного нуклеотида и пиримидином другого.  Так  что  внешне  молекулу
ДНК можно представить как своего рода перекрученную веревочную лестницу.
    Образование связей  в  молекуле  ДНК  –  процесс  строго  закономерный.
Адениловый  нуклеотид   может  образовывать  связи  лишь  с   тимиловым,   а
гуаниловый  только  с  цитозиловым.  Эта  закономерность  получила  название
принципа комплиментарности, то есть дополнительности. В  самом  деле,  такая
строгая последовательность  в выборе пары наводит на мысль,  что  в  двойной
молекуле  ДНК  аденин  как  бы  дополняет  тимин  и   наоборот,   а   гуанин
соответственно – цитозин, как две половинки разбитого зеркала.
    Принцип  комплиментарности  позволяет   понять   механизм   уникального
свойства молекул ДНК  –  их  способность  самовоспроизводиться.  ДНК  –  это
единственное  вещество  в  живых  клетках,  обладающее  подобным  свойством.
Процесс самовоспроизведения молекул  ДНК  происходит  при  активном  участии
ферментов. Особые расплетающие белки последовательно как бы  проходят  вдоль
системы   водородных   связей,   соединяющих   азотистые   основания   обеих
полинуклеотидных  цепей,  и  разрывают  их.  Образовавшиеся   в   результате
одиночные  полинуклеотидные  цепи  ДНК   достраиваются   согласно   принципу
комплиментарности с помощью фермента за счет свободных  нуклеотидов,  всегда
находящихся  в  цитоплазме   и   ядре.   Напротив   гуанилового   нуклеотида
становится свободный цитозиловый нуклеотид, а напротив цитозилового, в  свою
очередь, гуаниловый и так далее.  Во  вновь  образовавшейся  цепи  возникают
углеводно-фосфатные   и   водородные   связи.   Таким   образом,   в    ходе
самовоспроизведения ДНК из одной молекулы синтезируются две новые.
    ДНК в  клетке  локализована  в  основном  в  ядре,  в  его  структурных
компонентах – хромосомах.
Ее величество ДНК
Многие, кто интересуется наукой, а также историей, как нашей общей, так и историей отечественной несчастной биологии, читали, наверное, «Зубр» Д. Гранина. И помнят как Н.В. Тимофеев-Ресовский не очень-то любезно отзывался о «ДНКаке». Это тем более удивительно, что сам он стоял, можно сказать, у колыбели рождения этого одного из величайших открытий XX в. Но расскажем все по порядку.
Началось все еще в прошлом веке, когда никому не известный швейцарский врач Ф. Мишер опубликовал в 1871 г. в берлинском «Журнале медицинской химии» свою знаменитую статью о выделении нуклеина из белых клеток крови больных. Слово это образовано от латинского «нукс» – ядро ореха, а окончание «-ин» подразумевало, что он содержит азот, то есть относился к азотистым веществам, подобно белкам.
В 1879 г. на нуклеин Мишера обратил внимание крупный немецкий химик К. Альбрехт Коссель, которого было бы вернее назвать биохимиком. Коссель выяснил причину подагры («боли в ногах» в дословном переводе), которая возникает в результате отложения в суставах нуклеина. Он открыл в нуклеине вещество желтого цвета, производное мочевой кислоты. Оказалось, что это гуанин, впервые выделенный в 1858 г. А. Штрекером из перуанского гуано – помета птиц, ценного азотного удобрения.
Коссель также выделил из клеток тимусной железы тимин и аденин. Названия эти образованы от греческих слов, поэтому имеет смысл пояснить их. Железу греки называли «аден», что означало «плотный», «твердый» (обычно речь идет о лимфатических железках, которые при воспалении вспухают и твердеют; многим, наверное, приходилось слышать об операции удаления аденоидов, то есть ненормально разросшихся железок в носоглотке).
Обычно нуклеин выделяли из тимусной железы бычков. Тимус, или зобная железа, представляет собой огромное скопление лимфоцитов. Поэтому тимус называют еще главной железой иммунной системы, поскольку лимфоциты защищают нас от инфекционных болезней. Тимус называют еще и вилочковой железой, потому что он очень похож по форме на «вилочку» соцветия тимьяна, или чебреца. Так тимин получил свое название.
Потом из клеток тимусной железы выделили четвертое соединение. Поскольку по-гречески клетка «цитос», то оно получило название «цитозин». Так завершилось выделение четырех азотсодержащих веществ, входящих в состав нуклеина. В 1910 г. Косселу за его открытия вручили Нобелевскую премию по медицине.
Коссель считал, что нуклеин построен из четырех выделенных им веществ – тетрады: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц) и тимина (Т). Кроме многих упомянутых выше открытий у Коссела было еще одно, не менее важное. В Берне он «открыл» русского химика, тоже занимавшегося нуклеином. Левен установил, что нуклеин, кроме тетрады А, Г, Ц и Т, содержит вдобавок к фосфорной кислоте еще и сахар дезоксирибозу, то есть «рибозу без кислорода».
Рибозу поначалу получил синтетическим путем немецкий химик Э. Фишер, удостоенный за изучение сахаров Нобелевской премии по химии в 1902 г. Когда Фишер исследовал строение рибозы, он увидел, что она очень похожа на сахар арабинозу, выделенный из гуммиарабика («арабской смолки», добываемой из эфироносов Арабского Востока). «Переделав» несколько название арабинозы, Фишер получил рибозу.
Рибоза представляет собой 5-членный сахар, в состав молекулы которого входит пять атомов углерода. В 1909 г. Ф. Левену удалось выделить рибозу при изучении нуклеина. На выделение дезоксирибозы у него ушло еще двадцать лет! Так он впервые установил строение мономерок, из сочетания которых построен нуклеин, или, как уже тогда стали говорить, нуклеиновые кислоты. На первом месте в нуклеотиде стоит азотистое основание А, Г, Ц, Т, за ним следует сахар дезоксирибоза, и все это замыкается фосфорной кислотой, которая и придает нуклеину кислотные свойства.
К тому времени уже научились выделять две нуклеиновые кислоты: тимусную и дрожжевую. В первой, выделяемой из ядер лимфоцитов тимуса, нуклеотиды имели описанное выше строение, например: А – дезоксирибоза – фосфорная кислота.
Вместо А могли быть также Г, Ц и Т. Но была также и дрожжевая нуклеиновая кислота, которую выделяли из клеток дрожжей,. имеющих обширную цитоплазму и маленькое ядро. У этой нуклеиновой кислоты были свои отличиям вместо Т был урацил (у), производное мочевой кислоты «уреи», а вместо дезоксирибозы просто рибоза: У – рибоза – фосфорная кислота.
Левен придерживался тетрадной точки зрения Коссела на строение нуклеиновой кислоты. Он считал, что четверки нуклеотидов монотонно повторяются по ходу нуклеиновой кислоты, и это ни о чем не говорит. К сожалению, такой взгляд значительно затормозил весь ход последующих событий. Авторитет Коссела и Левена оказал в данном случае плохую услугу развитию науки.
С ними обоими был категорически не согласен Роберт Фельген (он родился в 1884 г. в семье рабочего-текстильщика и сызмальства был приобщен, таким образом, к миру красок). В 1905 г. Фельген окончил медицинский факультет университета в г. Фрайбурге (там в свое время учился наш Ломоносов), после чего работал в госпитале приморского Киля, где написал диссертацию, посвященную лечению подагры, развивающейся, как уже говорилось, в результате отложения нуклеина в суставах ног. Затем он перебирается в Физиологический институт в Берлине, где работает в отделе, руководимом известным химиком Г. Штойделем.
Здесь Фельген улучшает метод шефа по выделению тимусной нуклеиновой кислоты, в которой больше не остается следов белка. После этого он сделал самое большое свое открытие: в 1914 г. он научился красить тимусную нуклеиновую кислоту с помощью особого красителя. При этом ядерная нуклеиновая кислота окрашивалась в интенсивно розовый цвет.. Дрожжевая, или цитоплазмическая, нуклеиновая кислота не окрашивалась методом Фельгена, поэтому он назвал свой метод нуклеарной, или ядерной, реакцией. Такая избирательность происходила из-за различия химического строения рибозы и дезоксирибозы.
Таким образом, Фельгену удалось выделить действительно только нуклеиновую, или ядерную кислоту, о чем он и доложил участникам Физиологического конгресса в Тюбингене. Но это его сообщение было встречено со скепсисом. Только А. Коссель поддержал молодого исследователя. В 1937 г. Фельген усовершенствовал свой метод и провел «нуклеарную» реакцию в проростках ржи. Тем самым он опроверг деление нуклеиновых кислот на тимусные и дрожжевые, или животные и растительные. Но опять же никто не обратил внимания на это его открытие. Время нуклеиновых кислот еще не наступило. Хотя вполне могло бы...
Дальнейшие события в этой полувековой драме разворачивались в Германии, Англии и Америке. В 1928 г. увидела свет небольшая работа Ф. Гриффита, микробиолога из Оксфорда. Он описал явление «трансформации» – преображения пневмококков, вызывающих пневмонию, или воспаление легких (тогда в отсутствие антибиотиков пневмония была смертельно опасным заболеванием). Пневмококки при выращивании в культуре образуют два типа колоний – с «оболочкой» и без оной. Первые оказались смертельными для мышек, а вторые безвредны.
Гриффит установил, что если «оболочечные» микроорганизмы убить путем прогревания, а потом смешать с безвредными, то некоторые ранее безвредные станут опасными. На семь лет раньше такое же явление обнаружил у брюшнотифозной палочки молодой советский исследователь Л.А. Зильбер.
Но ведь мы знаем, что нагревание «выключает» белки – попробуйте вылить белок яйца на разогретую сковородку. Он «коагулирует», то есть свернется и станет из прозрачного белым (вспомните так» же пастеризацию). Ферментативную и генетическую роль коагулированный белок выполнять уже не может.
Простите, скажет читатель, а при чем тут «генетическая» роль? Мы знаем, что белок выполняет роль фермента, ускоряя протекание реакций в миллиарды раз, но при чем тут ген? В том-то и дело! В то время полагали, что белок выполняет также и функцию носителя наследственной информации. Это всеобщее заблуждение очень сильно тормозило развитие науки о живом, мешало осознать тот вклад, который сделал Фельген, ну и многое другое. Достаточно вспомнить Н.К. Кольцова, учителя Тимофеева-Ресовского, который в 1927 г. постулировал наличие в клетках «гигантских наследственных молекул» и так называемого матричного синтеза, но белкового! Он считал – а вместе с ним и все остальные, – что ген представляет собой гигантскую белковую молекулу, на которой, как на матрице в типографии, «печатается» другая белковая молекула. И никого не волновало, что эта красивая гипотеза не соответствовала постепенно накапливавшимся фактам, противоречившим ей. Если факты не соответствуют нашим домыслам, то тем хуже для фактов.
В 1926 г., как, наверное, помнит читатель «Зубра», Кольцов посылает Тимофеева-Ресовского в Германию, где тот начинает в Берлине заниматься изучением генетики дрозофилы. К тому времени была уже сформулирована хромосомная теория наследственности Т.Х. Моргана. Он был зоологом морских беспозвоночных и поначалу исследовал процессы их размножения. Но постепенно увлекся вопросами наследования тех или иных признаков и поставил себе целью узнать, где покоятся «факторы» наследственности, как назвал их монах из Брно Г. Мендель, изучавший в 60-х годах прошлого века наследование признаков у гороха.
В 1910 г. Морган переключился на мушку дрозофилу. Ее научное название переводится на русский язык как «любительница винограда», потому что она очень хорошо размножается на винограде и в виноградном сиропе в лаборатории. Уникальной особенностью дрозофилы является то, что у нее всего четыре хромосомы (вернее, четыре пары, но для нас важно именно число 4). Хромосомы представляют особые X-образные тельца в ядрах клеток, которые могут быть окрашены специальными красителями – от греческих «хромое» – краска и «сома» – тело. Именно в хромосомах содержится нуклеиновая кислота, которая окрашивается в красный цвет при реакции Фельгена.
Сотрудник лаборатории Моргана У. Саттон показал под микроскопом, что поведение хромосом при делении клеток дрозофилы подобно «факторам» Менделя, и это лишний раз убедило Моргана в правильности избранного пути. Так родилась хромосомная теория наследственности, которая гласит, что гены, или наследственные факторы, как упорно продолжал называть их Морган, локализуются в хромосомах, передаваясь от поколения к поколению с половыми клетками – спермиями и яйцеклетками. В 1933 г. Моргану присудили Нобелевскую премию по медицине – первую, которую получал в этой области американский исследователь. Это потом Нобелевские премии посыпались на американцев как из рога изобилия. За год до триумфа в Стокгольме по предложению Н.И. Вавилова Морган был избран почетным иностранным членом АН СССР.
Хромосомная теория Моргана поставила перед наукой неразрешимую для того времени задачу. Действительно, Морган утверждал, что гены постоянны и неизменны, но биология говорила об обратном. Все в живом мире находится в постоянном изменении. Мы не можем отрицать того факта, что биосфера эволюционирует, то есть изменяется. Достаточно взглянуть на птиц и рептилий, млекопитающих и приматов. Другой вопрос: как, за счет чего происходят эти изменения? Гуго де Фриз, крупный голландский исследователь начала века, открыл мутации (от «мутаре» – изменяюсь) – наследуемые изменения, передающиеся от поколения к поколению.
Но, возражал Морган, посмотрите на менделевские признаки. Они вроде бы «пропадают» у гибридов первого поколения, но потом проявляются вновь – у четверти числа потомков – у внучатого поколения. То же свидетельствовал и открытый Вавиловым закон гомологических (одинаковых) рядов изменчивости, согласно которому признаки у сходных видов изменяются одинаково, или гомологичным образом гомологичны, например, наша рука и ласт кита, но нельзя говорить о гомологии ласта кита и плавника акулы – это аналогия, сходное приспособление к одинаковой водной среде обитания.
О стабильности генов знали и другие. К.А. Тимирязев писал, например: «Я указывал на нос Бурбонов, сохранившийся у герцога Немурского, несмотря на то, что в его жилах течет всего 1/128 крови Генриха IV». То же потом отметит в своей книге «Что такое жизнь?» известный австрийский физик-теоретик Э. Шредингер, который писал:
«У некоторых членов габсбургской династии нижняя губа имела особую форму (габсбургская губа). Наследование этого признака было изучено очень тщательно, и результаты опубликованы Императорской академией в Вене. Признак оказался настоящим менделевским аллелем (в данном случае «геном»; от греч. «аллелос» – часть гена) по отношению к нормальной губе. Присмотревшись к портретам членов семьи, живших в XVI...XIX столетиях, мы можем уверенно заявить, что материальная генная структура, ответственная за эту ненормальную черту, передавалась из поколения в поколение в течение столетий. Более того, число атомов, заключающихся в этой структуре, вероятно, должно быть того же порядка, как и в случаях, проверенных с помощью рентгеновских лучей. Как понять, что ген остался неизменным в течение столетий, несмотря на стремление теплового движения нарушить порядок в структуре?»
Вопрос, как видим, не праздный, если над ним ломают голову нобелевские лауреаты. Проще всего было бы объяснить все действием пресловутого «отбора», но такое упрощенное объяснение не проходит. Да к тому же, если мы скажем: за это ответствен отбор, это все равно ничего не объясняет, поскольку тут же. необходимо начинать исследование тех механизмов, которые лежат в основе отбора. То есть мы еще больше осложняем себе жизнь.
Но все же мы знаем, что мутации – пусть и крайне редко, с частотой порядка 10–6...10–8, то есть один раз на миллион или даже на сто миллионов, – все-таки происходят. Но такое крайне редкое событие очень трудно уловить. Представьте себе, что какое-то событие происходит один раз в сто миллионов минут, тогда нам, чтобы его дождаться, надо запастись терпением на как минимум громадное время – 250 лет.
Но как разобрать хромосомы и гены, да к тому» же, чтобы не погиб весь организм? Для этого необходимо выбрать такой тонкий инструмент, который «бил» бы только по одному гену. Но где же взять такой тончайший инструмент, который попадал бы только в один ген?
Такой тончайшей иглой оказался рентгеновский луч. Его можно легко фокусировать, определять интенсивность и дозу, делать более «мягким» и «жестким», в результате чего будет повреждаться меньшее или большее количество генов.
Этим и занялись Тимофеев-Ресовский и К. Циммер в Берлине. Они получили множество самых различных мутаций у дрозофилы, которые было легко определить и подсчитать. Генетика и на молекулярном уровне становилась количественной. Так они благополучно и занимались радиобиологическими исследованиями, не ведая о том, на пороге каких бурных событий они стоят.
Бури и революции в это время гремели совсем в другой области. Под грохот жарких споров и дискуссий рождалась новая физика – квантовая. В 1921 г. Нобелевскую премию по физике получил А. Эйнштейн, провозгласивший, что все относительно не только в нашей жизни, но и во Вселенной. За три года до этого премию в Стокгольме получил М. Планк, который придумал само слово «квант». Через год поехал в шведскую столицу Н. Бор, провозгласивший, что электрон никогда не упадет на ядро. Десятилетие, прошедшее с той поры, прошло под триумфальными знаменами нового революционного мышления в физике.
В начале 30-х годов физика уже почувствовала в себе достаточно сил для вторжения в ранее заповедную область, какой была жизнь. После первой мировой войны успехи органического синтеза позволили человеку соперничать с продуктами естественными. В 1922 г. был получен первый синтетический каучук, по своим свойствам мало отличавшийся от природного. Немецкий ученый Г. Штаудингер написал в том году статью, в которой говорил о «макромолекулярной ассоциации», то есть соединении молекул в большие, или «макро», комплексы, с которыми постоянно приходится сталкиваться в живых клетках. Еще через два года он дает новое определение макромолекул: «Это такие комплексы, в которых огромная молекула идентична первичным частицам-мономерам, другими словами, мы предлагаем термин «макромолекула» для обозначения молекулы, в которой одиночные атомы связаны вместе нормальными валентными связями».
Штаудингеру никто не поверил. Доказывая свою правоту, он пытался рассмотреть макромолекулы сначала под ультрафиолетовым светом, а затем и в электронный микроскоп. Он тоща еще не знал, что для того, чтобы увидеть молекулы белков и нуклеиновых кислот, которые относятся к макромолекулам, необходимы увеличения, тогда еще недостижимые. Тем не менее в своей лекции, прочитанной в 1936 г. в Мюнхене, Штаудингер впервые говорит о «макромолекулярной химии» и дает определение гена, звучащее следующим образом:
«Каждая генная макромолекула обладает четко определенным структурным планом, который и предопределяет его жизненную функцию».
Сейчас бы под таким определением гена подписался любой молекулярный биолог. В 1943 г. Штаудингер основал журнал «Макромолекулярная химия», а в 1951-м – Институт под тем же названием. Еще через два года ему за исследования в области макромолекул присудили Нобелевскую премию по химии. Но мы забежали несколько вперед.
В Копенгагене в своем Институте теоретической физики Н. Бор тоже задумывался над проблемой жизни. В 1932 г. он прочитал перед своими учениками, среди которых были такие выдающиеся ученые, как Г. Гамов, Л. Ландау, В. Паули и В. Гейзенберг, лекцию «Свет и жизнь». В этой лекции Бор говорил, что в конечном итоге жизнь, вернее ее изучение, сведется к «элементарным актам» квантовой физики.
Лекцию Н. Бора внимательно слушал молодой 26-летний немец, ученик известных радиохимиков О. Гана и Л. Мейтнера. Его звали Макс Дельбрюк. Поначалу в университете он занимался астрономией, но потом его захватила молодая и бурно развивающаяся квантовая физика, в результате чего он и попал на лекцию Н. Бора. Вернувшись в Берлин, Дельбрюк решил заняться изучением «элементарных актов». Вечерами, приходя с работы, он стал разбираться в том, что такое жизнь. Но быстро запутался в противоречивых теориях и обратился к Н.В. Тимофееву-Ресовскому и К. Циммеру. Собираясь втроем и обсуждая интересующие их проблемы, они попытались ответить на вопрос, каков объем гена, способного мутировать?
Задача была не из простых, особенно если учесть, что никто не знал, что такое ген. Знали только, что ген – это единица наследственности, но кроме этих весьма общих рассуждений дело дальше не шло. Согласно Моргану гены локализуются в хромосоме, но как их увидеть, если и сами хромосомы-то не всегда можно было различить даже в мощнейшие микроскопы.
Ученые рассуждали примерно так. «Известно, что для вызывания мутации необходимо воздействие рентгеновских лучей, которые представляют собой поток квантов электромагнитного излучения довольно большой энергии. Энергию квантов может рассчитать Делюбрюк – на то он у нас и физик-теоретик, увлекающийся к тому же квантовой физикой. А мы со своей стороны определим дозу облучения, количество и качество мутаций...»
Так в 1935 г. на свет появилась знаменитая «статья тройки», в которой делался удивительный вывод: объем гена, вернее его изменяющейся в ходе мутации части, не превышает куба со стороной грани не больше размера десяти атомов! То есть все мутационные события на молекулярном и квантовом уровне ограничены кубом, в пространстве которого умещается не более 1000 атомов. А то и меньше. Это был эпохальный результат. Ведь к тому времени уже было известно, что молекула белка, из которого, как думали, состоит ген, имеет значительно большие размеры.
Но если ген не из белка, тогда из чего же? На это «статья тройки» ответить не могла. Да исследователи и не ставили перед собой такой цели. К тому же их временный коллектив практически туг же распался.
На «статью тройки» обратил внимание «селекционер талантов» Уоррен Вивер, директор отдела естественных наук Рокфеллеровского фонда. Он был захвачен той же идеей, что и Бор: приспособить новейшие открытия в области физики и химии, чтобы приступить к решению вечной загадки жизни. Именно Вивер запустил в обиход в 1938 г. термин «молекулярная биология» – наука, которая с той поры посвятила себя изучению молекул жизни.
М. Дельбрюк получил стипендию Рокфеллеровского фонда и уехал в США, где поначалу оказался недалеко от Моргана в Пасадене, штат Калифорния (в этой лаборатории был тогда и Н.И. Вавилов). Там Дельбрюк встретился с Л. Полингом, занимавшимся рентгеноструктурным анализом нитей шелка, чтобы понять, как устроена молекула белка. Через некоторое время он откроет свою знаменитую альфаспираль, образуемую в пространстве молекулой белка, из которого состоит шелк.
В 1940 г. М. Дельбрюк опубликовал в соавторстве с Полингом статью о принципе комплементарности живых молекул. Вся наука бредила тогда этим принципом, открытым Н. Бором (у нас его переводят еще как принцип дополнительности; «комплементом», или «комплиментом», в средние века называли дань, которую вассалы выплачивали своим сюзеренам; в науке утвердилось написание этого слова с корневым «е»). В биологии имеется очень много примеров комплементарности. Комплементарны, например, две ладони, древнекитайские символы «инь» и «ян», гнезда штепселя и штырьки вилки. Менее известно о комплементарности молекул антигена и антитела, что очень важно для иммунитета.
Антигеном называются молекулы или их части, с помощью которых болезнетворные организмы оказывают свое пагубное действие на наши клетки. Само слово «антиген» переводится дословно как «порождающий против (себя)». Поступая в организм, антиген порождает против себя антитела, представляющие специальные белки, синтезируемые особыми лимфоцитами, «сидящими» в лимфатических узлах. Природа так уж устроила, что эти белки-антитела подходят к молекулам антигенов и нейтрализуют их, соединяясь комплементарно. В этом отношении антитела можно сравнить с ножнами, которые комплементарны ножу или мечу и которые делают режущую часть безопасной, «нейтрализуют» лезвие.
Потом Дельбрюк перебрался в Нью-Йорк, а точнее на остров Лонг-Айленд, лежащий в океане неподалеку от Манхэттена. На этом. острове есть бухта. Холодного ключа. (Колд-Спринг-Харбор), на берегу которой располагалась некогда нью-йоркская биостанция, где одно время работал Морган. Со временем, правда, биостанция «переориентировалась» и стала лабораторией, в которой все больше интересовались вопросами, касающимися микроскопических форм живого.
К Дельбрюку присоединился молодой итальянский врач-рентгенолог С. Лурия. В тридцатых годах он учился в Римском университете и довольно часто захаживал к своему приятелю, работавшему в лаборатории всемирно известного Энрико Ферми. В декабре 1938 г. Ферми поехал в Стокгольм на торжества, посвященные вручению ему Нобелевской премии, и в Италию Муссолини уже не вернулся. Лурия понял, что ему тоже нечего делать вместе с фашистским диктатором, и перебрался в Париж. Но вскоре Париж пал, и Лурия, который принимал активное участие в антифашистской борьбе, был вынужден уехать в США, где и обратился к Дельбрюку за помощью. Дельбрюка он знал по «статье тройки», которую ему показал в лаборатории Ферми его друг.
Вместе с Дельбрюком Лурия организовали знаменитую «фаговую школу» на Лонг-Айленде в Колд-Спринг-Харборе. Фагами, а вернее бактериофагами, называют вирусы – враги бактерий. Атакуя бактерию, вирус проникает в нее, размножается и убивает клетку, как бы «поедает» ее (название фага образовано от греческого «фагейн» – поедать, пожирать). В 1942 г. Дельбрюк и Т. Андерсон впервые увидели фаги в совершенно новый для того времени электронный микроскоп. Лурия часть работы проводил в Рокфеллеровском институте в Нью-Йорке, где встречался с Левеном. Тот продолжал уверять всех, что нуклеиновая кислота имеет очень монотонную структуру, нуклеотиды ее повторяют раз за разом А – Г – Т – Ц, А – Г – Т – Ц и т.д. Что может быть интересного в такой монотонно повторяющейся последовательности?
А в это время по другую сторону Атлантического океана в Европе бушевала кровопролитная война. На британских островах появлялось все больше беженцев, пытавшихся спастись от фашистов. Среди них был Э. Шредингер, поэт и физик-теоретик, получивший Нобелевскую премию в 1933 г. Он преподавал в колледже ирландской столицы (г. Дублин). Летом 1943 г. он прочитал курс лекций физикам, который затем вылился в книжку «Что такое жизнь? С точки зрения физика». Название книжки говорит само за себя.
В этой книге он, помимо примера с «габсбургской губой», о которой мы уже говорили выше, рассказал и о статье Тимофеева-Ресовского, Циммера и Дельбрюка. Авторитет Шредингера был настолько велик, что многие физики обратили внимание на эту статью, которую бы иначе они просто не заметили. Среди этих физиков был и Ф. Крик из Кембриджа. Он потом писал, что книжка Шредингера оказала большое влияние на «многих, кто пришел в биологию из физики сразу же после войны».
В Америке книжку прочитал молодой аспирант С. Лурии – самый первый и самый любимый ученик римлянина. Это был талантливый биолог из «глубинки» Америки, который закончил университет штата Индиана в 18 лет, занимался изучением птиц, а потом, услышав лекции Лурии по фагам, круто изменил область интересов и применения своих сил и пришел в «фаговую школу». Звали этого бывшего орнитолога Джеймс Уотсон. Он тоже потом вспоминал, что, прочитав книжку Шредингера, «загорелся мечтой узнать, что такое ген!»
В 1943 г. произошло эпохальное событие – была определена химическая природа гена! «Здесь выделен ген в чистом виде», писал в 1943 г. из Рокфеллеровского института к себе на родину в Австралию М. Бёрнет, будущий нобелевский лауреат в области медицины за 1960 г. В какой же лаборатории это произошло? А произошло это в лаборатории пневмонии, руководителем которой был Освальд Эйвери. Эйвери занимался пневмококком в 1917 г.! В 1928 г. он прочитал статью Ф. Гриффита и тут же поручил своим сотрудникам проверить данные англичанина. Данные были совершенно точные, более того, трансформацию пневмококков можно было осуществлять даже в пробирке, что сразу же облегчило задачу изучения этого молекулярного явления. А в том, что это было молекулярное явление, Эйвери не сомневался. С М. Маккарти и К. Маклеодом они в конце концов доказали, что за трансформацию ответственна «кислота дезоксирибозного типа», о чем они и написали в статье, вышедшей в свет 4 февраля 1944 г. Этот день можно считать днем рождения дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) в биологическом смысле слова. Стало ясно, что ген – это ДНК!
Однако это величайшее открытие, ставящее многое в биологии с головы на ноги, прошло незамеченным. С. Лурия писал потом, что «мне до сих пор мучительно вспоминать о том, как в статье 1951 г. (то есть через более чем шесть лет (!) после опубликования эпохальной статьи Эйвери, Маккарти и Маклеода) я выдвигал предположение, что генетическим материалом у бактериофагов служит белок. И это за несколько месяцев до того, как А. Херши и М. Чейз сообщили о своих блестящих экспериментах, доказавших, что геном (совокупность генов) фага представляет собой ДНК!» Что же это были за блестящие эксперименты?
К тому времени физики снабдили биологов радиоактивными изотопами – сейчас по новой моде их называют «радионуклиды», то есть элементы с радиоактивными ядрами, здесь физика и в терминологии состыковалась с нуклеиновыми кислотами,. – в частности фосфора и, серы. Для проведения решающих экспериментов и окончательного выяснения роли ДНК и белка удобно пользоваться изотопами фосфора и серы: в ДНК нет серы, а в белках – фосфора.
Уже упоминалось о том, что М. Дельбрюк и Т. Андерсон впервые увидели фаги на новом, незадолго до того построенном физиками электронном микроскопе, который по сравнению со световым микроскопом дает увеличения в сотни раз большие, – фаги, облепившие бактериальную клетку (Э. Руска получит премию за свой электронный микроскоп только в 1986 г. – через 55 лет после его создания!). В науке увидеть означает очень многое. Сразу становится ясно, что делать дальше.
И вот Херши и его сотрудница Марта Чейз решили посмотреть, что будет, если с помощью радиоактивных серы и фосфора пометить белки и ДНК фага. Оказалось, что в клетку микроорганизма проникает только ДНК вируса, а вся его белковая оболочка остается снаружи! Потом, правда, выяснилось, что вместе с ДНК в клетку входит и небольшое количество белка, необходимое для размножения ДНК, но для того времени это было несущественно. Главное было то, что этот блестящий эксперимент доказал справедливость вывода Эйвери: генетическим материалом является ДНК, а не белок! Это была революция в биологии.
И ее знаменосцем в Европе стал Дж. Уотсон, которого С. Лурия послал в Кембридж в знаменитую Лабораторию молекулярной биологии, где сейчас работает почти десяток нобелевских лауреатов. Тогда они, конечно же, лауреатами не были, но все стремились познать тайны жизни. Одни занимались белками, другие – их было значительно меньше – ДНК. «Прибытие Уотсона, – вспоминал потом нобелевский лауреат М. Перутц, – оказало большое влияние не только на Ф. Крика, который во многом думал так же, как и он, но и на всех нас, которые больше интересовались структурой и функцией белков, нежели тем, откуда эти белки возникают».
В отделе М. Уилкинса кристаллы ДНК «рассматривали» под рентгеном, чтобы понять, как она устроена. К тому времени было известно, что она может иметь молекулярный вес до миллиона, то есть это был макромолекулярный природный полимер, мономером которого был нуклеотид, «разобранный» на части Левеном. Э. Чаргафф из Колумбийского университета в Нью-Йорке установил поразительный факт: в ДНК всегда число А равнялось числу Т, а Г – Ц! Было такое впечатление, что А и Т, Г и Ц «ходят парами»! Сам Чаргафф то время описал довольно юмористически:
«После первой встречи в Кембридже я был озадачен при виде двух энтузиастов (имеются в виду Уотсон и Крик), которые пытаются уложить нуклеотиды в спираль (двойной эта спираль стала после того, как я рассказал им о наших результатах), не потрудившись узнать строение соединений, из которых эта спираль должна состоять».
Была еще в лаборатории Розалии Франклин, которая нетерпеливому Уотсону казалась «синим чулком», что он ей и высказывал. На самом же деле она была символом женщины в науке, где доминируют мужчины – недооцененная, эксплуатируемая, вынужденная постоянно доказывать, что она не глупее коллег. Р. Франклин бросила раскованную академическую жизнь в Париже и перебралась в Кембридж, чтобы исследовать ДНК под рентгеном. Она и Уилкинс взаимно не переносили друг друга, Уилкинс говорил всем, что, по его данным, ДНК представляет собой спираль, а она утверждала обратное.
Тем не менее именно результат, полученный Р. Франклин, сыграл решающую роль в прозрении. Уотсона. В этот момент они с Криком «сражались» с незадолго до того предложенной Л. Полингом трехцепочечной моделью ДНК. И вот из разговора с Уилкинсом Уотсон узнает о другой, не A-, а B-форме ДНК, которую получила на своих рентгенограммах Р. Франклин. Это стало последней каплей: «И вдруг я заметил, что пара аденин-тимин, соединенная водородными связями, имеет точно такую же форму, как и пара гуанин-цитозин (то есть они друг другу комплементарны, добавим от себя)».
«Мы предлагаем вашему вниманию структуру ДНК, имеющую некоторые новые свойства, которые представляют значительный биологический интерес...» Так начиналась статья Уотсона и Крика в номере международного научного журнала «Нейчер» от 27 апреля 1953 г. В этой статье они предлагали модель двухцепочечной спирали ДНК, похожей на винтовую лестницу, ступеньками которой являются комплементарные пары А – Т, Г – Ц. «Перилами» лестницы служат молекулы сахара дезоксирибозы, а соединяются нуклеотиды в цепочку при помощи фосфорной кислоты. Схематически это выглядит следующим образом, где Ф – остаток фосфорной кислоты.
 
Рис. 1. Схема двуцепочной молекулы ДНК
1 – Адениновый нуклеотид ДНК; 2 – Урациловый нуклеотид РНК; 3 – Сахарофосфатный остов нуклеиной кислоты (ДНК) с присоединенными к нему азотистыми основаниями А, Г, Ц и Т
В 1962 г. Уотсон, Крик и Уилкинс за свое открытие были удостоены Нобелевской премии по медицине. Р. Франклин, к сожалению, к этому времени умерла от рака. Если бы этого не произошло, то впервые в истории Нобелевских премий ее надо было бы давать четверым...
«Здесь в Кембридже произошло, быть может, самое выдающееся после книги Дарвина событие в биологии – Уотсон и Крик раскрыли структуру гена!», писал в Копенгаген Нильсу Бору его бывший ученик М. Дельбрюк.
Круг замкнулся. Для этого понадобилось всего двадцать лет интенсивного мозгового штурма, предпринятого физиками. Теперь очередь была за биологами...
Впервые ДНК была выделена в 1869 году Фридрихом Мишером, но этому
веществу не было придано должного значения. В 1928 году Грифитс проводил
опыты на пневмококке и пришел к странным выводам: он обнаружил, что
непатогенных бактерий можно превратить в патогенных посредством введения
какого-то вещества, которое содержится в клетках и его можно оттуда
извлечь. Решение этому курьезу было найдено только через 15 лет.
    В то время, когда на планете бушевала вторая мировая война, и на полях
ее сражений решались судьбы человеческой цивилизации, в тиши лабораторий
Эвери и Мак Карти решали судьбу самого человечества. Естественно, они об
этом даже не подозревали. Но именно ими тогда было показано, что
полимерными молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты, т. е. химически
очищенным веществом, впервые полученным еще в конце прошлого столетия
Мишером, можно передавать наследственные признаки. Вещество является
материальным носителем наследственности!!!
    Тогда это было сделано на микроорганизмах. Но иллюзий, что такое
возможно только для них, уже не питал никто. И когда Уотсон и Крик выбрали
для расшифровки пространственной структуры именно ДНК – они знали что
делали.
    В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали пространственную модель
молекулы ДНК (показать модель). За эту самую модель они получили
Нобелевскую премию.
64. Что является основной функцией генов? Каковы свойства генетического кода?
Основная функция генома – адаптационная. Гены являются хранилищем информации, в котором происходит сложный биохимический процесс обмена полученной информации, состоящий из множества частей, взаимодействующих в трехмерном пространстве, а не осуществляет передачу мертвого и одинакового текста от родителей детям. В организме человека всего 2% белок-кодирующих генов, которые последние 50 лет считались главными носителями наследственных признаков. Если сложить воедино многообразные выводы всех работ, публикуемых в тысячах научных журналов, получается что, человеческий организм, как и любой другой биологический организм, тонко реагируя на внешние и внутренние стимулы, адаптируется к тем условиям, в которых существует путем синетезации белков и биологически активных веществ, изменяя состав генов. 
Основная функция гена – кодировать первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомной РНК.
65. Изменчивость, классификация форм изменчивости. Мутация, мутационная изменчивость, её роль в эволюции органического мира.
Мута;ция — это изменения генотипа, происходящие под влиянием внешней или внутренней среды. Процесс возникновения мутации получил название мутагенеза.
Естественный темп появления мутаций часто очень мал, поэтому обычно мутация происходит в одной клетке и затрагивает один ген. Бо;льшая часть мутаций абсолютно безопасна, потому что совсем не затрагивает фенотип. Относительная небольшая фракция мутаций вызывает изменения в строении РНК и/или белка, и тогда есть шанс, что мутация повлияет на функционирование клетки. Мутации, которые ухудшают деятельность клетки в многоклеточном организме, часто приводят к уничтожению клетки. Если внутри- и вне- клеточные защитные механизмы не распознали мутацию, то мутантный ген передаётся всем потомкам клетки и, чаще всего, приводит к тому, что все эти клетки начинают функционировать иначе. Мутации появляются постоянно в ходе процессов, происходящих в живой клетке, но существуют факторы, способные заметно увеличить частоту мутаций. Наиболее распространённые из них — воздействие на клетку вредных веществ, микроорганизмов или излучения, в том числе естественного радиационного фона.
Мутация в соматической клетке сложного многоклеточного организма может привести к злокачественным или доброкачественным новообразованиям. Мутация в половой клетке — к изменению свойств всего организма-потомка.
В большинстве случаев мутации, которые проявляются на уровне фенотипа, имеют пагубные последствия, и мутантный организм погибает либо сам собой, либо под влиянием окружающей среды. Однако в очень редких случаях мутация может случайно привести к появлению у организма новых полезных признаков, и тогда последствия мутации оказываются положительными. Таким образом, мутации являются двигателем естественного отбора.
Также известно, что высшие организмы используют целенаправленные мутации в механизмах иммунитета. Такие мутации называются соматическими. С их помощью создаётся разнообразие популяций лимфоцитов, среди которых, в результате, всегда находятся единицы, способные дать иммунный ответ на новую, неизвестную для организма болезнь. Подходящие лимфоциты подвергаются положительной селекции, в результате возникает иммунологическая память.
Если мутация затрагивает «молчащие» участки ДНК, либо приводит к замене одного элемента генетического кода на синонимичный, то она никак не проявляется внешне, в фенотипе. Однако, методами генного анализа такие мутации можно обнаружить. Поскольку чаще всего мутации происходят в результате естественных причин, то в предположении, что основные свойства внешней среды не менялись, получается, что частота мутаций должна быть примерно постоянной. Этот факт можно использовать для исследования происхождения той или иной особи, в том числе, и человека. Таким образом, мутации в молчащих генах служат для исследователей своеобразными «генетическими часами».
Спонтанные повреждения ДНК встречаются довольно часто, такие события имеют место в каждой клетке. Для устранения последствий подобных повреждений имеется специальный репарационный механизм (например, ошибочный участок ДНК вырезается и на этом месте восстанавливается исходный). Мутации возникают лишь тогда, когда репарационный механизм по каким-то причинам не работает или не справляется с устранением повреждений.
ДНК в клетках высших животных присутствует в ядре клетки, где имеется Y-хромосома, передающаяся только по отцовской линии. Кроме того, ДНК имеется в митохондриях, которые передаются только по материнской линии. Исследования мутаций в этих ДНК позволяют реконструировать историю биологического развития человечества, происхождение отдельных рас и народностей.
Различают несколько типов изменчивости:
• Наследственную (генотипическую) и ненаследственную (фенотипическую).
• Индивидуальную (различие между отдельными особями) и групповую (между группами особей, например, различными популяциями данного вида). Групповая изменчивость является производной от индивидуальной.
• Качественную и количественную
• Направленную и ненаправленную.

66. Развитие живых систем: оплодотворение, воспроизводство, деление клеток. Понятие о гомеостазе.
Гомеоста;з (др.-греч. ;;;;;;;;;;; от ;;;;;; — одинаковый, подобный и ;;;;;; — стояние, неподвижность) — способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. (Не путать с гемостазом!)
Американский физиолог Уолтер Брэдфорд Кэннон (Walter B. Cannon) в 1932 году в своей книге «The Wisdom of the Body» («Мудрость тела») предложил этот термин как название для «координированных физиологических процессов, которое поддерживают большинство устойчивых состояний организма». В дальнейшем этот термин распространился на способность динамически сохранять постоянство своего внутреннего состояния любой открытой системы.
Слово «гомеостазис» можно перевести как «сила устойчивости».
67. Экология и культура. Основные понятия и законы экологии.
68. Каковы общие черты мирового эволюционного процесса? Охарактеризуйте учение Вернадского о биосфере.
Факторы и главные направления эволюционного процесса
В качестве основных факторов эволюционного процесса СТЭ, вслед за Ч. Дарвином, рассматривает наследственную изменчивость, борьбу за существование и естественный отбор. Эти основополагающие понятия дарвинизма были творчески развиты и получили веские доказательства благодаря интенсивному развитию в ХХ веке таких наук, как генетика, экология, молекулярная биология и другие.
Достижения генетики и популяционной биологии способствовали формированию представлений об элементарном эволюционном событии - возникновении различий в генофондах разных популяций одного вида, что происходит в результате мутаций, миграции особей, изоляции и случайного дрейфа генов. Мутационный процесс и другие названные факторы создают генетическую неоднородность внутри вида. Но их действие ненаправленно. Существует лишь один направленный фактор эволюционного процесса - естественный отбор, который действует в пределах популяции. Естественный отбор представляет собой единственный эволюционный процесс, приводящий к повышению приспособленности организмов. Только естественным отбором можно рационально объяснить адаптивную природу эволюции; многообразие живых организмов, обусловленное адаптацией к разным условиям обитания. Действие естественного отбора основано на статистических закономерностях. Оно сводится к дифференциальному размножению особей, а это фактически означает, что носители одних генотипов имеют больше шансов выжить и оставить потомство, чем носители других генотипов. При этом эволюционную роль играет не выживание особей, а вклад каждой особи в генофонд популяции. СТЭ выделяет три основные формы естественного отбора, имеющих разный эволюционный результат - движущий, дизруптивный и стабилизирующий. Движущий отбор вызывает прогрессивное и направленное изменение признака или свойства, переставшего соответствовать новым условиям среды. Изменение признака может происходить как в сторону
его усиления, так и в сторону ослабления. В результате действия движущей формы отбора может происходить приобретение нового признака (возникшего, например, в результате мутации и "подхваченного" отбором), или его утрата. Движущий отбор действует при изменении условий внешней среды, или когда популяция находится в процессе приспособления к новой среде (например, при миграции и заселении новых пространств).
Дизруптивный отбор благоприятствует сохранению крайних форм и элиминирует промежуточные. Это приводит к разделению популяции (по данному признаку) на две или несколько групп. Дизруптивный отбор проявляется в тех случаях, когда популяция занимает гетерогенное местообитание, и уклоняющиеся формы приспосабливаются к различным экологическим условиям.
Движущий и дизруптивный типы естественного отбора лежат в основе видообразования, процесса появления новых видов.
При стабилизирующей форме отбора преимущество в размножении имеют особи со средним выражением признака. Сохранение " стандартных" форм и элиминация уклонений обуславливают "стабильное" существование вида на протяжении длительных исторических периодов (например, "живые ископаемые" - латимерия, гаттерия и многие другие виды живых организмов). Стабилизирующий отбор происходит при постоянных условиях среды, когда "заурядные" особи оказываются более приспособленными, чем уклоняющиеся.
Рассматривая выше основные положения теории Ч. Дарвина, мы уже обсуждали вопрос о прогрессивном характере эволюции, заключающемся в поступательном процессе повышения уровня организации живых организмов. Но еще сам Ч. Дарвин отмечал, что естественный отбор и эволюция ряда групп живых существ не обязательно ведут к повышению организации. Разработке проблемы о главных направлениях эволюционного процесса были посвящены исследования таких выдающихся отечественных эволюционистов, как А.Н. Северцов и И.И. Шмальгаузен. В результате этих исследований впервые были разграничены понятия морфофизиологического и биологического прогресса.
Согласно новой концепции о главных направлениях эволюционного процесса под биологическим прогрессом следует понимать возрастание приспособленности потомков по сравнению с предками. Критерии биологического прогресса относятся не к организму, а к виду и подвидовым таксонам. Вот эти критерии:
1) увеличение численности;
2) расширение ареала;
3) прогрессивная дифференциация - увеличение числа систематических групп, составляющих данный таксон (видов в роде, родов в семействе, семейств в отряде и т.д.).
Антитезу биологического прогресса представляет собой биологический регресс, приводящий таксоны к вымиранию. Критерии биологического регресса диаметрально противоположны критериям биологического прогресса.
Путей достижения биологического прогресса (главных направлений эволюционного процесса по А.Н. Северцову) может быть три:
1. Ароморфоз иди морфофизиологический прогресс - возникновение новых жизненных форм, в результате повышения уровня организации, обеспечивающего повышение жизнеспособности, расширения среды обитания и т.д. Ароморфозы лежат в основе эволюции жизненных форм от простых к сложным (например, от прокариот к эукариотам, от одноклеточных организмов к многоклеточным) и приводят к возникновению новых крупных систематических групп - классов, типов.
2. Идиоадаптация - возникновение частных приспособлений, обеспечивающих существование организмов в конкретных условиях внешней среды. Сопровождается какими-то морфофизиологическими изменениями, не затрагивающими уровня организации. Хорошим примером могут служить разнообразные виды насекомых, приспособленных к обитанию в различных условиях - в воде, почве, воздухе; питающихся самой разной пищей, обитающих в лесах, степях, тундре и т.д.
3. Общая дегенерация или морфофизиологический регресс - упрощение организации, чаще всего в результате редукции каких-либо органов и частей тела. Сужая "сферу жизнедеятельности", регресс ведет к резкой специализации, способности существовать в узком диапазоне условий среды. Наиболее типичными примерами морфофизиологического регресса служат явления перехода от свободного образа жизни к паразитическому, от активного движения к сидячему, прикрепленному существованию.
69. Что такое техносфера? Какова её роль в эволюции биосферы?
Масштабы созданной человечеством материальной культуры поистине огромны. И темпы ее развития постоянно увеличиваются. В наши дни так называемая техномасса (все созданное человеком за год) уже на порядок превышает биомассу (вес диких живых организмов). Это тревожный сигнал, он требует вдумчивого отношения к балансу составляющих системы природа-биосфера-человек.
Уровень воздействия человека на окружающую среду зависит в первую очередь от технической вооруженности общества. Она была крайне мала на начальных этапах развития человечества. Однако с развитием общества, ростом его производительных сил ситуация изменилась кардинальным образом. XX столетие - век научно-технического прогресса. Связанный с качественно новым взаимоотношением науки, техники и технологии, он колоссально увеличил масштабы воздействия общества на природу и поставил перед человеком целый ряд новых, чрезвычайно острых проблем.
Изучение влияния техники на биосферу и природу в целом нуждается не только в прикладном, но и в глубоком теоретическом осмыслении. Техника все менее остается только вспомогательной силой для человека. Все больше проявляется ее автономность.
Понятие "совокупность техники и технические системы" лишь начинает обретать право на существование в науке. По аналогии с живым веществом, лежащим в основе биосферы, мы можем говорить о техновеществе как совокупность всех существующих технических устройств и систем (своеобразных техноценозов). В его состав, в частности, включают технические устройства, добывающие полезные ископаемые и вырабатывающие энергию подобно зеленым растениям в биосфере. Выделяется также технический блок по переработке полученного сырья и производству средств производства. Далее идет техника, производящая средства потребления. Затем - технические системы по передаче, использованию и хранению средств информации. В особый блок выделяют автономные многофункциональные системы (роботы, автоматические межпланетные станции и др.). В последнее время появляются также техносистемы по переработке и утилизации отходов, включенные в непрерывный цикл безотходной технологии. Это своего рода "технические санитары", действующие подобно биологическим, природным подсистемам. Таким образом, структура техновещества все больше воспроизводит аналогичную организацию естественных природных живых систем.
Другой подход к пониманию структуры и роли техновещества предлагает швейцарский экономист и географ Г. Беш. Он выделяет в мировом хозяйстве три крупнейшие отрасли: первичная (добыча природных ресурсов), вторичная (обработка добытой продукции) и третичная (обслуживание производства: наука, управление).
По силе своего воздействия на планету техновещество в виде системы техноценозов в состоянии, как минимум на равных, спорить с живым веществом. Дальнейшее развитие техники со всей очевидностью требует просчета оптимальных вариантов взаимодействия составных подсистем техновещества и последствия их влияния на природу, и в первую очередь на биосферу.
В результате преобразования человеком естественной среды обитания можно говорить уже о реальном существовании нового ее состояния - о техносфере. Понятие "техносфера" выражает совокупность технических устройств и систем вместе с областью технической деятельности человека. Ее структура достаточно сложна, так как включает в себя техногенное вещество, технические системы, живое вещество, верхнюю часть земной коры, атмосферу, гидросферу. Более того, с началом эры космических полетов техносфера вышла далеко за пределы биосферы и охватывает уже околоземный космос.
Нет смысла современному человеку подробно говорить о роли и значении техносферы в жизни общества и природы. Техносфера все больше преобразует природу, изменяя прежние и создавая новые ландшафты, активно влияя на другие сферы и оболочки Земли, и прежде всего опять-таки на биосферу.
Говоря о важнейшем значении техники в жизни человека, нельзя не отметить обостряющуюся сегодня проблему г у м а н и з а ц и и техносферы. Пока что наука и техника нацелены главным образом на максимальную эксплуатацию природных ресурсов, удоволетворение нужд человека и общества любой ценой. Последствия непродуманного, некомплексного и, как следствие, антигуманного воздействия на природу удручают. Технические ландшафты из отходов производства, уничтожение признаков жизни в целых регионах, загнанная в резервации природа - вот реальные плоды отрицательного влияния человека, вооруженного техникой, на окружающую среду. Все это также является следствием недостаточного взаимодействия естественных и общественных наук в осмыслении данной проблемы.
70. Происхождение и эволюция человека и его отличия от животных.
71. Как современная наука определяет природу и сущность человека? Истоки человеческой этики и морали. Сравните социальные структуры и социальное поведение животных и человека.
72. Человек как часть природы. Физиологические особенности человека. Проблемы здоровья и болезней в общебиологическом плане.
73. Мозг как орган сознания. Сознание, бессознательное.
74. Характеристика современной естественнонаучной картины мира.
75. Перспективы развития науки. Этические принципы науки и социальные факторы.
76. Основные проблемы современного человечества. Возможные модели развития биосферы.
(с)