Реферат: Методы научного познания мира
8
МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ МИРА.
Научный метод как таковой подразделяется на методы, используемые на
каждом уровне исследований. Выделяются, таким образом, эмпирические и
теоретические методы.
К эмпирическим методам относятся:
v наблюдение целенаправленное восприятие явлений объективной
действительности;
v описание фиксация средствами естественного или искусственного языка
сведений об объектах;
v измерение сравнение объектов по каким-либо сходным свойствам или
сторонам;
v эксперимент наблюдение в специально создаваемых и контролируемых
условиях, что позволяет восстановить ход явления при повторении условий.
К теоретическим методам относятся:
v формализация построение абстрактно-математических моделей,
раскрывающих сущность изучаемых процессов действительности;
v аксиоматизация построение теорий на основе аксиом (утверждений,
доказательства истинности которых не требуется);
v гипотетико-дедуктивный метод создание системы дедуктивно связанных
между собой гипотез, из которых выводятся утверждения об эмпирических
фактах.
Другим принципом классификации является сфера использования метода:
применение не только в науке, но и в других отраслях человеческой
деятельности; применение во всех областях науки, применение в отдельных
разделах науки (специфические методы). Соответственно, всеобщие,
общенаучные и конкретно-научные методы.
К всеобщим методам относятся:
АНАЛИЗ расчленение целостного предмета на составные части (стороны,
признаки, свойства или отношения) с целью их всестороннего изучения;
СИНТЕЗ соединение ранее выделенных частей предмета в единое целое;
АБСТРАГИРОВАНИЕ отвлечение от ряда несущественных для данного
исследования свойств и отношений изучаемого явления с одновременным
выделением интересующих нас свойств и отношений;
ОБОБЩЕНИЕ прием мышления, в результате которого устанавливаются общие
свойства и признаки объектов;
ИНДУКЦИЯ метод исследования и способ рассуждения, в котором общий вывод
строится на основе частных посылок;
ДЕДУКЦИЯ способ рассуждения, посредством которого из общих посылок с
необходимостью следует заключение частного характера;
АНАЛОГИЯ прием познания, при котором на основе сходства объектов в
одних признаках заключают об их сходстве и в других признаках;
МОДЕЛИРОВАНИЕ изучение объекта (оригинала) путем создания и
исследования его копии (модели), замещающей оригинал с определенных
сторон, интересующих исследователя;
КЛАССИФИКАЦИЯ разделение всех изучаемых предметов на отдельные группы в
соответствии с каким-либо важным для исследователя признаком (особенно
часто используется в описательных науках многих разделах биологии,
геологии, географии, кристаллографии и т.п.).
Большое значение в современной науке приобрели СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ,
позволяющие определять средние значения. характеризующие всю
совокупность изучаемых предметов. “Применяя статистический метод, мы не
можем предсказать поведение отдельного индивидуума совокупности. Мы
можем только предсказать вероятность того, что он будет вести себя
некоторым определенным образом...Статистические законы можно применять
только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам,
образующим эти совокупности” (А.Эйнштейн, Л.Инфельд).
Характерной особенностью современного естествознания является также то,
что методы исследования все в большей степени влияют на его результат.
Методы изучения биологии.
Для изучения живой природы биологи применяют различные методы.
Наблюдение позволяет выявить объекты и явления. Сравнение дает
возможность установить закономерности, общие для разных явлений в живой
природе. В эксперименте или в опыте создается ситуация, помогающая
выявить те или иные свойства биологических объектов. Исторический метод
позволяет на основе данных о современном органическом мире и его прошлом
познавать процессы развития живой природы. Кроме этих основных методов
применяется много других.
При изучении биологических объектов используется самая различная
техника: микроскопы, ультрацентрифуги, разнообразные химические
анализаторы, компьютеры и множество других приборов, позволяющих
раскрыть тайны живой материи. Свой вклад в изучение биологии вносят
специалисты, казалось бы, далекие от биологии: химики, физики,
математики, инженеры и многие другие.
УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ.
По современным представлениям жизнь это процесс существования сложных
биологических систем, состоящих из крупных органических молекул и
способных самовоспроизводиться и поддерживать свое существование в
результате обмена энергией и веществом с окружающей средой.
Каждая клетка в организм в целом представляют собой совокупность
упорядоченно взаимодействующих структур (органеллы, клетки, ткани,
органы), т. е. являются системами.
В настоящее время различают несколько структурно-функциональных уровней
организации живой материи: молекулярный, клеточный, тканевый, органный,
организменный, популяционно-видовой и биосферно-биогеоценотический.
Общая биология изучает законы, характерные для всех уровней организации
жизни.
На молекулярном уровне исследуется роль биологически важных молекул
(белки, нуклеиновый кислоты, липиды, полисахариды и др.) в росте и
развитии организмов, хранении и передачи наследственной информации, в
обмене веществ и превращении энергии в живых клетках и других явлениях.
Клеточный уровень предусматривает изучение структурной организации
клетки. Учение о клетке, или цитология, включающая цитоморфологию,
цитофизиологию, цитогенетику и цитохимию, позволяет установить
физиолого-биохимические и структурно-функциональные связи между клетками
в различных тканях и органах.
Тканевый и органный уровни позволяют изучить строение, функции, механизм
действия, происхождение, эволюцию и индивидуальное развитие тканей и
органов растений и животных.
На организменном уровне изучаются процессы и явления, происходящие в
особи (индивидууме), и механизмы согласованного функционирования её
органов и жизнедеятельности организма, приспособительные изменения и
поведение организмов в различных экологических условиях.
Популяционно-видовой уровень живого принципиально отличается от
организменного. Если продолжительность жизни особей любого живого
организма определена генетически, и они неизбежно умирают, исчерпав
запрограммированные возможности своего развития, то популяция способна
при подходящих условиях среды развиваться неограниченно долго. Состав и
динамика популяций, т.е. совокупностей особей одного вида, имеющих общий
генофонд и населяющих определенное пространство с относительно
однородными условиями обитания, являются предметом изучения генетики,
морфологии, экологии и других разделов биологии.
На самом высоком, биосферно-биогенетическом, или экосистемном, уровне
изучаются взаимоотношения организма и среды, миграция живого вещества,
пути и закономерности протекания энергетических круговоротов и другие
процессы, происходящие в экосистемах.
КОНЦЕПЦИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ.
Существует пять концепций возникновения жизни:
v креационизм божественное сотворение живого;
v концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из
неживого вещества (ее придерживался еще Аристотель, который считал, что
живое может возникать и в результате разложения почвы);
v концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь
существовала всегда;
v концепция панспермии внеземного происхождения жизни;
v концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в
результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.
Первая концепция является религиозной и к науке прямого отношения не
имеет. Вторую опроверг изучающий деятельность бактерий французский
микробиолог XIX в. Луи Пастер (знакомый нам по слову "пастеризация").
Третья из-за своей оригинальности и умозрительности всегда имела немного
сторонников.
К началу XX в. в науке господствовали две последние концепции. Концепция
панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю извне,
опиралась на обнаружение при изучении метеоритов и комет
“предшественников живого” органических соединений, которые, возможно,
сыграли роль “семян”.
У концепции появления жизни на Земле в историческом прошлом два
варианта. Согласно одному, происхождение жизни результат случайного
образования единичной “живой молекулы”, в строении которой был заложен
весь план дальнейшего развития живого. Французский биолог Ж. Моно пишет,
что “жизнь не следует из законов физики, но совместима с ними. Жизнь
событие, исключительность которого необходимо сознавать”. Согласно
другой точке зрения, происхождение жизни результат закономерной
эволюции материи.
Вещественная основа жизни.
XX век привёл к созданию первых научных моделей происхождения жизни. В
1924г. в книге Александра Ивановича Опарина “Происхождение жизни” была
впервые сформулирована естественнонаучная концепция, согласно которой
возникновение жизни результат длительной эволюции на Земле, сначала
химической, затем биохимической. Эта концепция получила наибольшее
признание в научной среде.
Можно выделить следующие этапы развития живых систем, начиная с самых
простейших и затем идя по пути постепенного усложнения. В вещественном
плане для становления жизни нужен прежде всего углерод. Жизнь на Земле
основана на этом элементе, хотя в принципе можно предположить
существование жизни и на кремниевой основе. Возможно, где-то во
Вселенной существует и “кремниевая цивилизация”, но на Земле основой
жизни является углерод.
Чем это обусловлено? Атомы углерода вырабатываются в недрах больших
звезд в необходимом для образования жизни количестве. Углерод способен
создавать разнообразные (несколько десятков миллионов) подвижные,
низкоэлектропроводные, студенистые, насыщенные водой, длинные скрученные
цепеобразные структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом,
азотом, фосфором, серой, железом обладают замечательными
каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными
свойствами.
Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к “кирпичикам”
живого. Клетка состоит на 70% из кислорода, 17% углерода, 10% водорода,
3% азота. Все кирпичики живого принадлежат к наиболее устойчивым и
распространенным во Вселенной химическим элементам. Они легко
соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным
весом. Их соединения легко растворяются в воде.
По радиоастрономическим данным органические вещества возникали не только
до появления жизни, но и до формирования нашей планеты. Следовательно,
органические вещества абиогенного происхождения присутствовали на Земле
уже при ее образовали.
При образовании Земли из космической пыли (частиц железа и силикатов
веществ, в состав которых входит кремний) и газа весьма вероятно, что на
внешних участках Солнечной системы газы могли конденсироваться.
Органические соединения могли синтезироваться и на поверхности пылинок.
Химические и палеонтологические исследования древнейших докембрийских
отложений и особенно многочисленные модельные эксперименты,
воспроизводящие условия, которые господствовали на поверхности
первобытной Земли, позволяют понять, как в этих условиях происходило
образование все более сложных органических веществ.
Жизнь возможна только при определенных физических и химических условиях
(температура, присутствие воды, солей и т.д.). Прекращение жизненных
процессов, например, при высушивании семян или глубоком замораживании
мелких организмов, не ведет к потере жизнеспособности. Если структура
сохраняется неповрежденной, то она при возвращении к нормальным условиям
обеспечивает восстановление жизненных процессов.
Также и для возникновения жизни нужны определенные диапазоны
температуры, влажности, давления, уровня радиации, определенная
направленность развития Вселенной и время. Взаимное удаление галактик
приводит к тому, что их электромагнитное излучение приходит к нам сильно
ослабленным. Если бы галактики сближались, то плотность радиации во
Вселенной была бы столь велика, что жизнь не могла бы существовать.
Углерод синтезирован в звездах-гигантах несколько миллиардов лет назад.
Если бы возраст Вселенной был меньше, то жизнь также не могла бы
возникнуть. Планеты должны иметь определенную массу для того, чтобы
удержать атмосферу.
Земля в период возникновения жизни.
Наша планета “золотая середина” в Солнечной системе, которая наиболее
подходит для зарождения жизни. Возраст Земли около 5 млрд. лет.
Температура поверхности в начальный период была 4000-8000 °С и по мере
того как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы
конденсировались и образовали земную кору. Атмосфера была совершенно
иной. Легкие газы водород, гелий, азот, кислород уходили из атмосферы,
так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не
могло их удержать. Однако простые соединения, содержащие эти элементы,
удерживались.
Первичная атмосфера содержала водород и соединения углерода (метан) и
азота (аммиак). Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно,
необходимым условием возникновения жизни: (лабораторные опыты
показывают, что органические вещества гораздо легче создаются в
восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом. О том, что
атмосфера была именно такой, свидетельствуют самые древние горные породы
на Земле. Существуют разные точки зрения на проблему жизни на Земле. По
мнению В.И. Вернадского, жизнь появилась одновременно с образованием
Земли. А.И. Опарин считал, что периоду развития жизни предшествовал
длительный период химической эволюции Земли, во время которого (35 млрд.
лет тому назад) образовались сложные органические вещества и
протоклетки. Возникновение протоклетки положило начало биохимической
эволюции. Известны три способа синтеза природных органических веществ.
Содержащие углерод и азот вещества могли возникать в расплавленных
глубинах Земли и выноситься на поверхность при вулканической
деятельности, попадая далее в океан.
А.И. Опарин полагал, что органические вещества могли создаваться и в
океане из более простых соединений. Энергию для этих реакций синтеза,
вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом
ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовался слой
озона, который стал задерживать большую ее часть. Разнообразие
находящихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли,
доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в
океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот
“первичный бульон”, в котором могла возникнуть жизнь.
Наконец, органические соединения могли образоваться во Вселенной из
неорганического космического “сырья”.
Для построения любого сложного органического соединения, входящего в
состав живых тел, нужен небольшой набор блоков-мономеров
(низкомолекулярных соединений): 29 мономеров (из них 20 аминокислот, 5
азотистых оснований) описывают биохимическое строение любого живого
организма. Оно состоит из аминокислот (из которых построены все белки),
азотистых соединений (составные части нуклеиновых кислот), глюкозы
источника энергии, жиров структурного материала, идущего на построение
в клетке мембран и запасающего энергию.
После того, как углеродистые соединения образовали “первичный бульон”,
могли уже организовываться биополимеры белки и нуклеиновые кислоты,
обладающие свойством самовоспроизводства себе подобных. Необходимая
концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в
результате осаждения органических соединений на минеральных частицах,
например, на глине или гидроокиси железа, образующих ил прогреваемого
Солнцем мелководья. Кроме того, органические вещества могли образовать
на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к
берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен также
процесс объединения родственных молекул в разбавленных растворах.
В начальный период формирования Земли воды, пропитывающие земной грунт,
непрерывно перемещали растворенные в них вещества из мест их образования
в места накопления. Там формировались пробионты системы органических
веществ, способных взаимодействовать с окружающей средой, т.е. расти и
развиваться за счет поглощения из окружающей среды разнообразных богатых
энергией веществ.
Здесь же возможен примитивный “отбор”, ведущий к постепенному усложнению
и упорядоченности как обеспечивающих преимущество в выживании. Механизм
отбора действовал на самых ранних стадиях зарождения органических
веществ из множества образующихся веществ сохранялись устойчивые к
дальнейшему усложнению.
Затем образуются микросферы шаровидные тела, возникающие при
растворении и конденсации абиогенно полученных белковоподобных веществ.
В подтверждение возможности абиогенного синтеза были проведены следующие
опыты. Воздействуя на смесь газов электрическими зарядами, имитирующими
молнию, и ультрафиолетовым излучением, ученые получали сложные
органические вещества, входящие в состав живых белков. Органические
соединения, играющие большую роль в обмене веществ, были искусственно
получены при облучении водных растворов углекислоты. Американский ученый
С. Миллер в 1953 г. синтезировал ряд аминокислот при пропускании
электрического заряда через смесь газов, предположительно составлявших
первичную земную атмосферу. Были синтезированы и простые нуклеиновые
кислоты. Этими экспериментами было доказано, что абиогенное образование
органических соединений во Вселенной могло происходить в результате
воздействия тепловой энергии, ионизирующего и ультрафиолетового
излучений и электрических разрядов. Первичным источником этих форм
энергии служат термоядерные процессы, протекающие в недрах Земли.
Как показывает синергетика, энергия имела для возникновения жизни не
меньшее значение, чем вещество. Разумно предположить, считает И.
Пригожий, что некоторые из первых стадий эволюции жизни были связаны с
возникновением механизмов, способных поглощать и трансформировать
химическую энергию, как бы выталкивая систему в сильно неравновесные
условия. Неравновесные структуры переход к живому, но еще нет
воспроизводства. Итак, в образовании органических соединений большую
роль играло не только вещество космического пространства, но и энергия
звезд.
Начало жизни на Земле.
Начало жизни на Земле появление нуклеиновых кислот, способных к
воспроизводству белков. Переход от сложных органических веществ к
простым живым организмам пока неясен. Теория биохимической эволюции
предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней на границе между
коацерватами сгустками органических веществ могли выстраиваться
молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной
клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В
результате включения в коацерват молекулы, способной к
самовоспроизведению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к
росту.
Самое трудное для этой гипотезы объяснить способность живых систем к
самовоспроизведению, т.е. сам переход от сложных неживых систем к
простым живым организмам. Несомненно, в модели происхождения жизни будут
включаться новые знания, и они будут все более обоснованными. Но
повторимся, что чем более качественно новое отличается от старого, тем
труднее объяснить его возникновение. Поэтому здесь и говорят о моделях и
гипотезах, а не о теориях.
Так или иначе, следующим шагом в организации живого должно было быть
образование мембран, которые отграничивали смеси органических веществ от
окружающей среды. С их появлением и получается клетка “единица жизни”,
главное структурное отличие живого от неживого. Все основные процессы,
определяющие поведение живого организма, протекают в клетках. Тысячи
химических реакций происходят одновременно для того, чтобы клетка могла
получить необходимые питательные вещества, синтезировать специальные
биомолекулы и удалить отходы. Огромное значение для биологических
процессов в клетке имеют ферменты. Они обладают часто высокой
специализированностью и могут влиять только на одну реакцию. Принцип их
действия в том, что молекулы других веществ стремятся присоединиться к
активным участкам молекулы фермента. Тем самым повышается вероятность их
столкновения, а, следовательно, скорость химической реакции.
Синтез белка осуществляется в цитоплазме клетки. Почти в каждой из
клеток человека синтезируется свыше 10000 разных белков. Величина клеток
от микрометра до более 1 м (у нервных клеток, имеющих отростки). Клетки
могут быть дифференцированными (нервные, мышечные и т.д.) Большинство из
них обладает способностью восстанавливаться, но некоторые, например,
нервные нет или почти нет.
|
