3 Концепции совреме ...

Уровни организации материи

1.     Структурная и системная организация материи

2.     Понятие микромира, макромира и мегамира

3.     Иерархические отношения в биологических системах

Общая схема иерархического ступенчатого строения материи, связанная с признанием существования относительно самостоятельных и устойчивых уровней, узловых точек в ряду делений материи. дискретные объекты определенного уровня материи, вступая в специфические взаимодействия, служат исходными при образовании и развитии принципиально новых типов объектов с иными свойствами и формами взаимодействия. При этом большая устойчивость и самостоятельность исходных, относительно элементарных объектов обусловливает повторяющиеся и сохраняющиеся свойства, отношения и закономерности объектов более высокого уровня. Это положение едино для систем различной природы.
Структурность и системная организация материи относятся к числу ее важнейших атрибутов, выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется

Под структурой материи обычно понимают ее строение в макромире, т.е. существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т.д. Это связано с тем, что человек является макроскопическим существом и для него привычными являются макроскопические масштабы, поэтому понятие структуры ассоциируется обычно с различными микрообъектами.
Если рассматривать материю в целом, то понятие структуры материи будет охватывать также макроскопические тела, все космические системы мегамира, причем в любых сколь угодно больших пространственно-временных масштабах. С этой точки зрения, понятие «структура» проявляется в том, что она существует в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно взаимосвязанных между собой, а также в упорядоченности строения каждой системы. Такая структура бесконечна в количественном и качественном отношениях

В современном естествознании эта структурированность материи оформилась в научно обоснованную концепцию системной организации мира. Критериями для выделения различных структурных уровней служат следующие признаки:

1. пространственно-временные масштабы;

2. совокупность важнейших свойств и законов изменения

3. степень относительной сложности, возникшей в процессе исторического развития материи в данной области мира.

Количество материальных систем, изучаемых естествознанием, огромно. В иерархической структуре Вселенной основным квалификационным признаком является размер объекта и его масса, а также их соотношение с человеком. В современной научно обоснованной концепции системной организации материи на основе этого критерия в естествознании выделяют три основных структурных уровня материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир – мир атомов и элементарных частиц, где неприменим принцип «состоит из». Это область предельно малых, непосредственно нена­блюдаемых материальных микрообъектов, размер которых исчисляет­ся в диапазоне от 10-8 до 10-16  см, а время жизни — от бесконечности до 10 -24 с. Это мир от атомов до элементарных частиц. Все они обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами.  Микромир — это Вселенная, рассматриваемая в масштабе столь мелком, что он несоизмерим с размерами человеческого тела. Микромир описывается законами квантовой механики. Поведение микроскопических объектов определяется в основном квантовыми и тепловыми флуктуациями (нарушения симметрии).

Макромир -  мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин (а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов, т.е. макроскопические тела 10^-6 – 10⁷ см). На этом уровне пространственные величины измеряются от миллиметров до километров, а время - от секунд до лет. Макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности. Поведение макроскопических объектов хорошо описывается законами классической механики и электродинамики.

Мегамир – мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики и неограниченные масштабы до 10²⁸ см); сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами (1 а. е. = = 8,3 световых минуты), световыми годами (1 световой год = 10 трлн км) и парсеками (1нк = 30 трлн км), а время существования космических объектов ~ миллионами и миллиардами лет. К этому уровню относятся наиболее крупные материальные объекты: планеты и их системы, звезды, галактики и их скопления, образующие метагалактики. Мегамир — это Вселенная, рассматриваемая в масштабе столь крупном, что он несоизмерим с размерами человеческого тела. В мегамире преобладает гравитационное взаимодействие. В его масштабах существенными становятся законы общей теории относительности. Основными структурными элементами являются галактики и их скопления. Галактики - огромные звездные системы, состоящие из миллиардов звезд. Каждая звезда относится к какой-нибудь галактике; в межгалактическом пространстве звезд нет.

 

 

 

Разные уровни материи характеризуются разными типами связей:

1. в масштабах 10^-13 см – сильные взаимодействия, целостность ядра обеспечивается ядерными силами.

2. целостность атомов, молекул, макротел обеспечивается электромагнитными силами.

3. в космических масштабах – гравитационными силами.

С увеличением размеров уменьшается энергия взаимодействия. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы. Эмпирически доступна для человека лишь конечная область материального мира: в масштабах от 10^-15 до 10²⁸ см.

При оценке грандиозности масштабов Вселенной всегда возникает классический философский вопрос: конечна или бесконечна Вселенная? Понятием бесконечности оперируют в основном математики и философы. Физики-экспериментаторы, владеющие экспериментальными методами и техникой измерений, получают всегда конечные значения измеренных величин. Огромное значение науки и в особенности современной физики заключается в том, что к настоящему времени уже получены многие количественные характеристики объектов не только макро- и микромира, но и мегамира.

Деление материи на структурные уровни носит относительный характер. В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимодействующих систем от элементарных частиц до Метагалактики.

 В области биологических систем возникают параллельные иерархические отношения. Например, организм может одновременно выступать в ипостасях индивида и особи. Индивид как генетическая единица входит в репродуктивную группу, в которой осуществляет программу размножения, а в ее составе — в популяцию как генетическое образование. Особь, организменная целостность со всеми ее симбионтами и паразитами, входит в состав семьи, противостоящей другим семьям, и вместе с ними образует экологическую популяцию. Наличие таких параллелей показывает, что взаимоотношения между структурными элементами материи, особенно на биологическом уровне, могут быть весьма многообразными и не сводимыми к простой линейной иерархии. Недаром один из законов экологии гласит: «Всё связано со всем».

Органика как тип материальной системы тоже имеет несколько уровней своей организации:

1. доклеточный уровень включает в себя ДНК, РНК, нуклеиновые кислоты, белки;

2. клеточный – самостоятельно существующие одноклеточные организмы;

3. многоклеточный – органы и ткани, функциональные системы (нервная, кровеносная), организмы (растения и животные);

4. организм в целом;

5. популяции (биотоп) – сообщества особей одного вида, которые связаны общим генофондом (могут скрещиваться и производить себе подобных) стая волков в лесу, стая рыб в озере, муравейник, кустарник; биоценоз – совокупность популяций организмов, при которых продукты жизнедеятельности одних становятся условиями жизни и существования других, населяющих участок суши или воды. Например, в лесу популяции живущих в нем растений, а также животных, грибов, лишайников и микроорганизмов взаимодействуют между собой, образуя целостную систему;

6. биосфера – глобальная система жизни, та часть географической среды (нижняя часть атмосферы, верхняя часть литосферы и гидросферы), которая является средой обитания живых организмов, обеспечивая необходимые для их выживания условия (температуру, почву и т.п.) образованная в результате взаимодействия биоценозов.

Существует некая иерархия знаний, когда сложные явления и процессы описываются с точки зрения более простых и знакомых. Вспомните еще раз уже известную вам схему связей физических, химических и биологических наук:

 

ФИЗИКА ———> ХИМИЯ ————> БИОЛОГИЯ 

Эта связь не является чисто механической, она отражает иерархию организации материи, которая действительно существует в природе:

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ ———> АТОМ ——> МОЛЕКУЛА —> МАКРОМОЛЕКУЛА ——> НАДМОЛЕКУЛЯРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ —-> ОРГАНЕЛЛЫ КЛЕТКИ —————> ЖИВАЯ КЛЕТКА

 

Общая основа жизни на биологическом уровне — органический метаболизм (обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой) — проявляется на любом из выделенных подуровней: – на уровне организмов обмен веществ означает ассимиляцию и диссимиляцию при посредстве внутриклеточных превращений; – на уровне экосистем (биоценоза) он состоит из цепи превращений вещества, первоначально ассимилированного организмами-производителями при посредстве организмов-потребителей и организмов-разрушителей, относящихся к разным видам; – на уровне биосферы происходит глобальный круговорот вещества и энергии при непосредственном участи факторов космического масштаба.

На определенном этапе развития биосферы возникают особые популяции живых существ, которые, благодаря своей способности к труду образовали своеобразный уровень — социальный. Социальная действительность в структурном аспекте разделяется на подуровни: индивидов, семьи, различных коллективов (производственных), социальных групп.

Структурный уровень социальной деятельности находится в неоднозначно-линейных связях между собой (например, уровень наций и уровень государств). Переплетение разных уровней в рамках общества порождает представление о господстве случайности и хаотичности в социальной деятельности. Внимательный анализ обнаруживает наличие в нем фундаментальных структур — главных сфер общественной жизни, которыми являются материально-производственная, социальная, политическая, духовная сферы, имеющие свои законы и структуры. Все они в определенном смысле субординированы в составе общественно-экономической формации, глубоко структурированы и обуславливают генетическое единство общественного развития в целом. Таким образом, любая из трех областей материальной действительности образуется из ряда специфических структурных уровней, которые находятся в строгой упорядоченности в составе той или иной области действительности. Переход от одной области к другой связан с усложнением и увеличением множества образованных факторов, обеспечивающих целостность систем. Внутри каждого из структурных уровней существуют отношения субординации (молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот). Закономерности новых уровней несводимы к закономерностям уровней, на базе которых они возникли, и являются ведущими для данного уровня организации материи. Структурная организация, т.е. системность, является способом существования материи.

Изучение иерархии структурных уровней природы связано с решением сложнейшей проблемы определения границ этой иерархии как в мегамире, так и в микромире. Объекты каждой последующей ступени возникают и развиваются в результате объединения и дифференциации определенных множеств объектов предыдущей ступени. Системы становятся все более многоуровневыми. Наблюдаемые человеком уровни организации материи осваиваются с учетом естественных условий обитания людей, т.е. с учётом наших земных закономерностей. Однако это не исключает предположения о том, что на достаточно удаленных от нас уровнях могут существовать формы и состояния материи, характеризующиеся совсем другими свойствами. В связи с этим ученые стали выделять геоцентрические и негеоцентрические материальные системы.

Геоцентрический мир – эталонный и базисный мир ньютонова времени и эвклидова пространства, описывается совокупностью теорий, относящихся к объектам земного масштаба. Негеоцентрические системы – особый тип объективной реальности, характеризующийся иными типами атрибутов, иным пространством, временем, движением, нежели земные. Существует предположение о том, что микромир и Мегамир – это окна в негеоцентрические миры, а значит, их закономерности хотя бы в отдаленной степени позволяют представить иной тип взаимодействий, чем в макромире или геоцентрическом типе реальности.

Элементарные частицы, атомы и молекулы составляют особую материальную систему. Она получила название «микромир». Наименьшими известными сегодня являются так называемые элементарные частицы, но все чаще можно встретить термин «фундаментальные частицы». Долгое время науке была известна только одна элементарная частица – электрон. На сегодняшний день их открыты уже десятки. В качестве простейшего классификационного признака была выбрана масса элементарных частиц. По массе элементарные частицы подразделяют на пять классов: фотоны, лептоны, мезоны, барионы и гипероны. Сегодня они представляют интерес в основном для специалистов в области физики высоких энергий. Следующий за элементарными частицами структурный уровень занимают атомные ядра. Атомы представляют собой основные структурные элементы, рассматриваемые современной химией. Они известны под названием химических элементов. Атомы объединяются в материальные системы следующего уровня, именуемые молекулами. Мир молекул весьма многообразен и не имеет чётких границ. Сюда относятся как простейшие неорганические молекулы, так и органические макромолекулы. Микромир, будучи подуровнем макромиров и мегамиров, обладает совершенно уникальными особенностями и поэтому не может быть описан теориями, имеющими отношение к другим уровням природы. В частности, этот мир изначально парадоксален. Для него не применим принцип «состоит из». Так, при соударении двух элементарных частиц никаких меньших частиц не образуется. После столкновения двух протонов возникает много других элементарных частиц – в том числе протонов, мезонов, гиперонов. Микромир активно изучается. Если еще совсем недавно было известно всего лишь 3 типа элементарных частиц (электрон и протон как мельчайшие частицы вещества и фотон как минимальная порция энергии), то сейчас открыто около 400 частиц. Второе парадоксальное свойство микромира связано с двойственной природой микрочастицы, которая одновременно является волной и корпускулой, т.е. обладает как свойством волны, так и свойством вещества. Другим общим свойством является наличие почти у всех частиц своих античастиц. Нет ни в макро-, ни в Мегамире и такого важнейшего свойства элементарных частиц, как их универсальная взаимопревращаемость.

Макромир – мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабам с человеком и его физическими параметрами. На этом уровне пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах, днях и годах. В практической деятельности макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности. Центральным понятием макромира является понятие вещества, которое отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающей массой покоя. Оно существует у нас в виде физических тел, обладающих общими параметрами – удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, магнитными свойствами. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий. Тело человека является частью макромира. Сознанием же он в состоянии охватить все три мира от ничтожной частицы до величественной Галактики. В этом смысле можно уверенно сказать, что человек живёт одновременно в трёх мирах.

Внутри макромира также можно выделить несколько материальных систем. В основном их изучает биология и социальные науки.

Отдельные планеты в силу их относительной обособленности также можно считать материальными системами. Более высокий уровень имеют планетные и звездные системы. Они объединяются в системы более высокого уровня – галактики. И, наконец, известные нам галактики принято считать частями материальной системы наивысшего уровня – метагалактики. Мир планет, звёзд, галактик получил название «Мегамир». Мегамир – охватывает собой доступную для нас часть Вселенной. Это мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояния в котором измеряются астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов- миллиардами и миллионами лет. Это объекты изучения не только современной астрономии, но и недавно возникших естественных наук – астрофизики, астробиологии, космологии и физики высоких энергий.

Опорной точкой начала мегамира может служить Земля. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» – тот же мир, но с точки зрения его структуры – как упорядоченную систему га­лактик. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15–20 млрд световых лет. Метагалактика– представляет собой совокупность звездных систем – галактик. По современным данным, возраст Метагалактики оценивается в 13,7 млрд лет. Существуют огромные объёмы пространства (порядка миллиона кубических мегапарсек), в которых галактик пока не обнаружено.