Два примера из биологии и физики

ЛЕКЦИЯ 11 Два примера из биологии и физики 2-ой закон Менделя – закон расщепления Расщепление признаков у гибридов второго поколения. В потомстве, полученном от скрещивания гибридов первого поколения наблюдается явление расщепления: четверть особей из второго поколения несут рецессивный признак, три четверти – доминантный. Расщепление 3:1 Цвет семян гороха – желтый (доминантный) и зеленый (рецессивный) Кварк имеет спин 1/2 Образуем пару кварков 1/2 X 1/2 = 1 + 0 триплет и синглет (теория групп) qq = – четыре состояния (3 пиона и эта мезон) Кварк имеет два отличительных признака – проекция спина на ось oz Вероятностный или статистический характер квантовой физики и генетики Законы квантовой механики имеют вероятностный характер. Это означает, что при проведении измерений, получаемые результаты носят статистический характер. Законы Менделя также носят статистический характер: 2001- зеленых и 6022 – желтых семян. Р и С четности Закон сохранения энергии и цвет крови Закон сохранения энергии в наиболее четкой форме сформулировал в 1842 году немецкий врач и естествоиспытатель Ю.Майер. В 1840 году Майер, в качестве судового врача, отплыл на о.Ява. В то время кровопускание из вены было очень распространенным методом лечения воспаления легких. Врачи хорошо знали цвет венозной крови. Майер заметил, что цвет венозной крови становился более красным при приближении к экватору. Отметим, что цвет крови зависит от концентрации кислорода. Вывод. Человек в условиях холодного климата потребляет больше кислорода. Значит, для поддержания той же температуры тела кислорода требуется больше для окисления пищевых продуктов кислородом. Майер понимал, что энергия, выделяющаяся при окислении продуктов расходуется, как на поддержание температуры тела, так и на совершение им механической работы. Значит должно существовать определенное соотношение между количеством теплоты, образующемся в организме, и механической работы, которую человек совершает. Майер заключает, что определенному количеству теплоты соответствует определенное количество совершаемой работы Человек похож на тепловую машину. Тепло в организме возникает в результате горения – реакции окисления кислорода в крови человека. Кислород – это топливо. Сгоревшие остатки – углекислый газ – кровь отвозит обратно в легкие. Кровь, наполняясь дымом – сгоревшими остатками и темнеет. В жарком климате тепла надо мало, горение идет слабо и кровь почти не темнеет. Главное в этой картине, что тепло выделяется в результате химической реакции. 1-ое начало термодинамики = закон сохранения энергии. U = Q + A Дискретная математика ЕДИНСТВО ПРОЦЕССА РАЗВИТИЯ В основе учения В.И.Вернадского о биосфере и о ее переходе в ноосферу – сферу разума, лежит представление о взаимозависимости процессов, протекающих на Земле в живой и неживой природе. «Жизнь является не случайным явлением в мировой эволюции». Жизнь влияет на планету, являясь своеобразным буфером между космосом и неживым веществом Земли. Чтобы получить единое, синтетическое, спекулятивное, теоретическое описание процесса развития или самоорганизации материи, необходимо взять за основу некоторое фундаментальное предположение. Например, это может быть гипотеза Большого взрыва или нечто эквивалентное этому. Открытия ХХ века, лежащие в основе учения о биосфере. 1. Обнаружены следы жизни на Земле, датируемы 3,5 млрд. лет назад. По космическим масштабам это почти одновременно с возникновением Земли около 5 млрд. лет назад. 2. Доказано существования на Земле генетического кода (ДНК, РНК), единого для всего живого, которое кодируется нуклеиновыми кислотами. Единство генетического кода трудно объяснить, отрицая, что жизнь возникла на Земле и является естественным этапом ее эволюции. 3. Предположение, что земная жизнь имеет земное происхождение наиболее естественно опирается на то, что аминокислоты, из которых состоят все живые организмы, обладают общей асимметрией, левые молекулы, и способностью поляризовать свет. 4. Данные об эволюции органических макромолекул. А именно, имеются данные, что на стадии предбиологической эволюции, биологические макромолекулы способны к редупликации то есть размножения и метаболизма, или обмена веществ (превращения). Эти факты в контексте учения о биосфере позволяю считать возникновение жизни естественным этапом саморазвития материи, одной из форм ее самоорганизации. Отсюда можно сделать вывод, что между живым и неживым, может быть и не существует столь резкого рубежа, который предполагался до сих пор. Эта граница, наверное, размыта и эта граница включает в себя образования, которые трудно отнести только к живой или только к неживой материи. Лишь отойдя достаточно далеко от этой границы мы можем уверенно говорить о том. что является живым, и сформулировать для него знаменитый эмпирический принцип Пастера-Реди: живое – это только то, что происходит от живого. При исследовании живого мы должны использовать целостный подход. В самом деле, только условно можно говорить о частях живого организма как о живых. Не может быть живой руки или живой головы независимо от организма., которому они принадлежат. Пример разрубленного на части червяка, является исключением, подтверждающим правило. Становится более понятным, что единый мировой процесс развития охватывает неживую природу, жизнь и, наконец, общество. Задача науки описать весь процесс развития на одном языке, в рамках единой схемы, используя общую терминологию. Выбрать ключевые понятия. В качестве таких ключевых понятий Н.Н.Моисеев предлагает выбрать дарвиновскую триаду: • Изменчивость • Наследственность • Естественный отбор Уточним эти понятия в контексте микромира и макромира. ИЗМЕНЧИВОСТЬ. Назовем изменчивостью любые проявления стохастичности (случайности) и неопределенности. Эти понятия определяют явления в микромире и проявляются в макромире. Стохастичность и неопределенность лежат в основе всех механизмов нашего мира. Однако причины стохастичности и неопределенности нам не известны. Но изменчивость является фактом эмпирического обобщения, механизм которого неизвестен. Классическим примером стохастичности является турбулентность в газах и жидкостях. Возникновение турбулентности объясняется случайностями. Все развитие нашего мира можно представить моделью турбулентного движения материи. – как непрерывного образования новых форм организации материи. Одни и те же факторы изменчивости стимулируют и созидание и разрушение. НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ. Этот термин отражает влияние прошлого на будущее. Часто, не зная хорошо прошлого, мы относим многие наблюдаемые факты к числу случайных, т.е. к изменчивости. В известных условиях наследственность может трактоваться как изменчивость и наоборот. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР. Это самое трудное понятие дарвиновской триады. Биологи трактуют его так – выживает сильнейший, наиболее приспособившийся, т.е. выживает тот, кто выжил. Внутривидовой отбор отбирает те признаки, которые, возникнут в результате действия случайных факторов, затем передаются в будущее за счет действия механизмов наследственности. Подобная интерпретация понятия отбор для математика и физика недостаточна. Необходима более широкая трактовка. Не так давно было открыто и изучено явление странного аттрактора. Суть этого явления в том, что малым причинам отвечают большие следствия. Такие особенности движения систем порождают неустойчивости. В математике они называются некорректностями. Это порождает множество вопросов, которые связаны с еще более глубоким вопросом: ЧТО ТАКОЕ ЗАКОН ПРИРОДЫ ? Наш опыт показывает, что кажущийся хаос случайностей рождает нечто определенное и закономерное. Вот почему законами природы мы не можем назвать что-либо иное, кроме тех связей между явлениями и событиями, которые мы можем установить эмпирически или средствами логического мышления. Эти связи мы и называем законами. Уже в XVIII веке было понято, что изменчивость, или стохастичность, предоставляет природе целое поле возможностей, из которых отбирается т.е. реализуется, лишь некоторая исключительная совокупность, удовлетворяющая специальным условиям – принципам отбора. В механике XVIII века появились понятия виртуальных перемещений и соответствующие принципы Мопертью и Гамильтона. ОТБОР совершает природа, а разум лишь фиксирует этот факт. Было установлено, что реальные движения из множества виртуальных отбираются с помощью законов Ньютона, которые являются простейшими правилами отбора. О принципе наименьшего действия Гамильтона и об интеграле по траекториям Р.Фейнмана. Уравнение Лапласа и функционал. Набор принципов отбора очень велик. И законы Ньютона только один из них. Внутривидовая борьба, порождающая отбор в живом мире, установленная Ч.Дарвином – другой подобный принцип. Особую роль в мировом эволюционном процессе играет принцип минимума диссипации энергии. Вот его суть: если допустимо не единственное состояние (процесса), а целая совокупность, то реализуется то ее состояние, которому отвечает минимальное рассеяние энергии, или минимальный рост энтропии. В природе возникают структуры, в которых энтропия не только не растет, но и локально уменьшается. Этим свойством обладают многие открытые системы, в том числе и живые, которые поглощают извне энергию и вещество. Математические модели поведения биосферы при катастрофах, типа ядерной войны, приводили к таким состояниям как ядерная зима. Но самое важное состояло в том, что биосфера, не возвращалась в то исходное состояние, которое было до катастрофы. Возникает вопрос, что будет с человечеством после ядерной зимы. Сможет ли человек жить в новой биосфере. Именно поэтому динозавры, вымершие 65 млн. лет назад, в результате катастрофы (падение метеорита), не возникли вновь, так как биосфера стала иной, чем во времена динозавров. В 1972 году на конференции ЮНЕСКО в Венеции, посвященной глобальным вопросам, прозвучал доклад Д. Медоуза «ПРЕДЕЛЫ РОСТА». В 70 годах А.М.Тарко впервые рассчитал изменение продуктивности биоты при удвоении концентрации углекислоты в атмосфере. Возникла уверенность, что современная наука способна установить ту систему запретов, которые бы гарантировали стабильность развития человечества. Отсюда следует наиболее трудный вопрос: сможет ли человечество принять те ограничения, которые установит наука. Судьба человечества зависит от того, сумеет ли оно принять новую нравственность, способную сохранить человека на Земле. Ответы следует искать в гуманитарной сфере. Так, естественные науки становятся ключом к решению проблем чисто гуманитарных.