| ГОУ Гимназия №1505
«Московская городская педагогическая гимназия-лаборатория»
Реферат
Что такое жизнь с точки зрения физики
Выполняла
ученица 9 класса «А» Береснева Алина
Руководитель
Глебкин В. В.
Москва
2011
Содержание
1. Введение...................................................................................................................3
2. Жизнь с точки зрения физики................................................................................6
2.1. Эксперимент с котом...............................................................................6
2.2. Размер атомов...........................................................................................7
2.3. Развитие организма..................................................................................8
2.4. Особенности и понятие жизни................................................................8
3. Жизнь с точки зрения биологии...........................................................................10
3.1. Роль живых организмов..........................................................................10
3.2. Биосфера...................................................................................................10
3.3. Живое вещество.......................................................................................11
3.4. Роль энергии для живых организмов....................................................11
4. Заключение.............................................................................................................13
5. Список литературы................................................................................................15
Введение
В существующей вокруг нас суете, мы не обращаем внимания на катастрофически мчащуюся жизнь и воспринимаем её как должное, но стоит нам вырваться куда-нибудь в лес, в горы, к реке, оглядеться и сразу в голове возникает множество вопросов: как это все появилось? какое место в природе занимает человек? почему сейчас мир устроен именно так, как мы его видим? И, пожалуй, самый главный вопрос: что такое жизнь? Как легко может выяснить любой думающий и читающий человек, вопрос "Что такое жизнь?" волнует людей с давних пор. Над ним рассуждали и продолжают рассуждать биологи и философы, генетики и врачи, художники и поэты. Мир движется и совершенствуется, и люди думающие, независимо от своей профессиональной принадлежности, всегда старались совершенствоваться и прогрессировать вместе с ним. А знания, процесс их генерирования или получения – это и есть основная часть прогресса. Именно поэтому нас, людей думающих и стремящихся к совершенству, всегда так притягивает что-нибудь неизвестное и загадочное, окутанное тайнами и порой невероятное – то есть то, что мы пока не знаем, что нам еще предстоит узнать, изучить, осмыслить или даже изобрести.
Но вернемся к тому самому главному вопросу, который мы здесь обозначили: "Что такое жизнь?" В ХХ веке вопрос о жизни достиг пика своей популярности, и многие учёные и исследователи начали искать ответ на этот вроде бы лёгкий, с одной стороны, но и очень-очень сложный, с другой стороны, вопрос. Мне кажется, такой всплеск интереса именно в ХХ веке произошел потому, что во многих отраслях науки уже был к тому времени накоплен огромный багаж знаний, который позволял ученым, в том числе и выдающимся ученым того времени, рассуждать о жизни на очень высоком уровне. Многие их труды и постулаты, которые они вывели, мы используем и сейчас. Например, биологи задолго до ХХ века начали исследовать клеточное строение растений и животных, их жизнедеятельность, различные взаимосвязи в живой природе, эволюцию организмов, применяли для этого различные приборы, производили химические анализы, ставили множество экспериментов, вели длительные наблюдения за животными и растениями. И, несмотря на то, что жизнь – понятие, на первый взгляд, больше биологическое, чем какое-либо другое, биологи не были одиноки. Немало и других ученых рассматривало деятельность живых организмов на планете. Географы достаточно давно поняли и признали огромную роль растений и животных на Земле, в том числе и в становлении сегодняшнего понятия "Жизнь", а геологи - в создании некоторых горных пород и минералов. К ХХ веку полностью оформилась наука о следах древней жизни - палеонтология.
Но все же именно великий русский ученый-биолог и мыслитель Владимир Иванович Вернадский первым начал исследовать жизнь, как единое целое, как геологически своеобразное вещество, единую субстанцию. Его идеи сыграли большую роль в становлении современной научной картины мира. Он также первым взглянул на проблему жизни глазами других наук. Ведь один и тот же сложный объект выглядит по-разному, если рассматривать его с разных точек зрения.
Одно из самых интересных альтернативных мнений на тему жизни - мнение австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, тоже жившего и творившего в одно время с Владимиром Ивановичем Вернадским. Интересно оно уже потому, что о жизни рассуждает ученый-физик! Возможно, Эрвин-Шредингер вообще был первым из своих коллег-физиков, который с таким размахом начал рассуждать о жизни. Это очень смелый шаг сам по себе, Шредингер как бы бросил вызов ученым биологам и философам, и самое фантастическое в этом вызове то, что его книга "Что такое жизнь с точки зрения физики" очень известна и популярна и сейчас, спустя многие десятилетия после ее написания!. Это уже означает о полном признании Шредингера как ученого научным сообществом и ХХ, и ХХI веков.
Главным вопросом его книги является вопрос о том, как могут точные науки физика и химия описать те явления, которые происходят внутри живого организма. Шредингер не только обнаружил, но и сумел доказать и простым языком донести до широкого круга читателей тот факт, что многие признаки, которыми характеризуются живые системы, встречаются и в системах неживой природы. Более того, по мнению Эрвина Шредингера, в живых организмах не обнаруживается никаких свойств, какими не обладали бы различные неживые объекты. В те годы такое открытие и логичное объяснение этому, данное Шредингером, явилось если не революцией в науке, то уж точно дало мощный толчок развитию таких наук, как биофизика и молекулярная биология. Исследования и труды Шредингера быстро стали близки и понятны физикам и биологам, именно этот факт и послужил толчком к быстрому развитию вышеназванных наук. Вот, например, только один пример в подтверждение этому: в 1953 году была выдвинута теория о двойной структуре ДНК. Эта научная работа и изданная книга основана на лекциях, читаемых Э.Шредингером десятилетием ранее, в Тринити-колледже в Дублине в феврале 1943 года.
В своей работе я попытаюсь сравнить научные взгляды на жизнь В.И. Вернадского и Э.Шредингера. Для этого я возьму по одной работе этих великих ученых: книгу Вернадского "Живая материя" и работу Эрвина Шредингера «Что такое жизнь с точки зрения физика».
Сначала я опишу некоторые положения и мысли Эрвина Шредингера, затем попробую выделить основные моменты в его объяснении жизни и живого у Вернадского. Я просто попробую найти что-то общее в их работах и, наконец, ответить на вопрос: кто ближе приблизился к ответу на вопрос что такое жизнь.
Жизнь с точки зрения физики
Главный вопрос, ответ на который Э. Шредингер дал в своей книге, заключается в следующем: как могут точные науки физика и химия объяснить те биологические явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?
Работа живого организма и процессы, происходящие в мозге каждого индивидуума, подчиняются точным физическим законам, – считает Э. Шредингер. И эти законы вполне сопоставимы с теми строгими физическими законами, согласно которым происходят процессы физического взаимодействия между различными системами. Э. Шредингер доказал, что с определённой степенью точности это верно как для атомных, так и для макроскопических систем. Для этого он использовал мысленный эксперимент с котом, которого теперь так и зовут – Кот Шредингера[1]
.
Суть эксперимента в следующем. В закрытый ящик помещён кот. В ящике есть механизм, со держащий радиоактивное ядро, и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность того, что ядро распадется за 1 час, составляет 1/2. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие, он открывает ёмкость с газом, и кот умирает. Согласно квантовой механике (то есть точной физической науке), если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».
Цель этого эксперимента — показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого.
Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то означает, что это верно и для атомного ядра. Оно обязательно будет либо распавшимся, либо нераспавшимся.
Э. Шредингер на примере этого эксперимента и других опытов утверждает, что физические законы основаны на атомной статистике и поэтому все они только приблизительны, ведь все атомы совершают хаотические движения. Только в соединении огромного числа атомов статистические законы начинают действовать с точностью, возрастающей с увеличением количества атомов.
Один из примеров для иллюстрации, который приводит в своей книге австрийский физик – броуновское движение. Его суть в следующем. Если наполнить нижнюю часть закрытого сосуда туманом, то можно заметить, что верхняя граница тумана будет постепенно понижаться с определённой скоростью, то есть мы увидим, что молекулы воды стремятся опуститься. Но, если проследить за одной из капелек через микроскоп, то можно увидеть, что она не опускается с постоянной скоростью, а выполняет хаотичное движение, только в среднем соответствующее постоянному снижению. Это происходит из-за того, что эти капельки, хоть и не являются атомами, но уже достаточно малы и легки, чтобы чувствовать толчки единичных молекул. В отношении живого организма и жизни в целом данный пример показывает, какие удивительные и беспорядочные впечатления получали бы мы, если бы наши органы чувств были восприимчивы к ударам немногих молекул. И мы можем представить, насколько бесполезны они были бы, если бы стали слишком чувствительны.
Но всё-таки как определить грань, в каких системах физические и другие статистические законы уже действуют, а в каких еще нет, или почему же атомы так малы? На самом деле и тот, и другой вопрос не совсем корректны. Атомы малы относительно наших единиц измерений (например миллиметров, сантиметров, метров). Оба эти вопроса касаются не одного размера, а отношения двух размеров – тела и атома. Э. Шредингер говорит, что для идеальной работы любой системы такая система обязательно должна иметь многоатомную структуру. В особенной степени это касается живого организма. Организмы с огромным количеством протекающих в них биологических процессов должны иметь "многоатомную" структуру, потому что для них необходимо, чтобы случайные "одноатомные" явления не играли в их жизни слишком большой роли. И на самом деле не только тело любого взрослого человека, но и каждая его клетка содержит огромное число атомов.
Итак, человеческий организм – высокоупорядоченная система, подобная твердому телу, но лишенная периодичности в расположении клеток, молекул, атомов. Вот что доказал нам Э. Шредингер.
Очень интересны рассуждения Эрвина Шредингера на тему развития организма. Весь процесс развития организма определяется структурой всего одной клетки. Этой клеткой является оплодотворённое яйцо, точнее, речь идет даже не о целой клетке, а только об одной небольшой части этой клетки, её ядре. Рост организма осуществляется последовательными клеточными делениями (митозом). В митозе хромосомы удваиваются. При этом две дочерние клетки получают два набора хромосом, сходных с родительской клеткой.
Этот процесс Э. Шредингер сравнивает с образование кристалла. Небольшую молекулу можно назвать "зародышем твердого тела". Этот "зародыш" может строиться "путём повторения снова и снова одной и той же структуры в трёх направлениях, именно так растет кристалл"[2]
. Если периодичность установилась, то уже нет определенного предела для размера такого агрегата. Другой путь — построение все более и более увеличивающегося агрегата без механизма повторения. Это случай все более и более сложной органической молекулы, в которой каждый атом и группа атомов играет индивидуальную роль. Это можно назвать образованием апериодического кристалла или твердого тела. Из этого Э. Шредингер делает вывод, что "ген или, возможно, целая хромосомная нить представляет собой апериодическое твердое тело."[3]
Характерной особенностью жизни является стремление не перейти в состояние равновесия (энтропии). Ведь материю мы считаем живой, когда она продолжает что-то делать (двигаться, участвовать в обмене веществ с окружающей средой и т.д.) в течение более длительного отрезка времени, чем могла бы делать неодушевленная материя в подобных условиях. Опираясь на эти размышления, Э. Шредингер заключил, что жизнь — это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время.
И всё-таки, хоть деятельность живой материи и основана на законах физики, установленных к настоящему времени, но, по-видимому, подчиняется до сих пор другим неизвестным законам физики.
Жизнь с точки зрения биологии
Владимир Иванович Вернадский был одним из выдающихся академиков-естествоиспытателей, который посвятил себя изучению протекающих в биосфере процессов. Он стал основоположником научного направления - биогеохимии, которое легло в основу современного учения о биосфере.
До появления работ В. И. Вернадского большинство учёных считали, что роль живых организмов на Земле очень мала. Действительно, казалось бы, какая может быть связь между последствиями их жизнедеятельности и мощью внутренних сил планеты, образующих высочайшие горы и перемещающих целые континенты.
В. И. Вернадский доказал, что все организмы, вместе взятые, на протяжении длительного отрезка времени выступают как мощный геологический фактор, играющий огромную роль в жизни нашей планеты. Геологическая деятельность живых организмов проявляется в следствии некоторых из их особенностей: во-первых, они теснейшим образом связаны с окружающей средой и взаимодействуют с ней в процессе обмена энергией. В итоге суммарный эффект результатов деятельности организмов проявляется на протяжении очень длительных отрезков времени (в сотни миллионов лет).
В. И. Вернадский впервые показал, что химическое состояние наружной коры нашей планеты полностью находится под влиянием живых организмов, с деятельностью которых связано перемещение химических элементов в биосфере.
Биосфера представляет собой сложнейшую оболочку жизни, населенную организмами, составляющими живое вещество. Это самая крупная экосистема Земли – область взаимодействия живого и косного вещества на планете. В. И. Вернадский отмечал, что "пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни[4]
". Биосфера является результатом сложнейшего механизма геологического и биологического развития косного и живого вещества. С одной стороны, это среда жизни, а с другой – результат жизнедеятельности.
Разрабатывая учение о биосфере, В. И. Вернадский пришел к выводу, что зеленое вещество растений является главным преобразователем солнечной энергии. Только они способны поглощать эту энергию и синтезировать органические соединения.
В. И. Вернадский попытался дать главные исчерпывающие признаки каждого царства живого. И, занимаясь этим вопросом, он заметил и рассмотрел несходство живого и неживого в физическом, химическом и термодинамическом смысле. Поэтому в природе нет никаких переходов от неживого к живому: они настолько противоречивы, что живое ни при каких условиях не может происходить от неживого.
Одним из центральных звеньев понимания биосферы является учение о живом веществе. "Живое вещество биосферы есть совокупность ее живых организмов… Я буду называть совокупность организмов, сведенных к их весу, химическому составу и энергии, живым веществом"[5]
. Главное его функция – накопление свободной энергии в биосфере. В. И. Вернадский писал, что между косной (безжизненной) частью биосферы и живыми организмами, ее населяющими, идет непрерывный обмен энергии. Так же оно выполняет светообразующую функцию. Исследуя процессы миграции атомов в биосфере, В. И. Вернадский задумался над вопросом о происхождении химических элементов в земной коре, а после этого и к необходимости объяснить устойчивость соединений, из которых состоят организмы. Затем он пришел к выводу, что "нигде не существуют органические соединения, независимые от живого вещества".
Для живого вещества характерно наличие эволюции и то, что составляющие его химические соединения устойчивы только в живых организмах. После смерти организма исходные живые органические вещества разлагаются до химических составных частей.
Первичным звеном поглощения солнечной энергии являются растения. Они преобразуют ее в энергию химических связей, или энергию пищи. Без этого процесса накопления и передачи энергии живым веществом невозможно было бы развитие жизни на Земле и образование современной биосферы. Каждый последующий этап развития жизни сопровождался все более интенсивным поглощением солнечной энергии. Энергия любого живого организма также может быть рассеяна в тепловой форме, из-за чего достигается состояние термодинамического равновесия, при этом дальнейшие энергетические процессы становятся невозможными. Чтобы не наступило это состояние, организм или система должны постоянно извлекать энергию из окружающей среды и стремиться к нарушению термодинамического равновесия. Иначе организм погибнет.
Таким образом, жизнь сводится к непрерывной последовательности роста, самовоспроизведения и синтеза сложных химических соединений. Без переноса энергии невозможно было бы существование самой жизни. Если бы солнечная энергия на планете только рассеивалась, то жизнь на Земле была бы невозможной. Чтобы биосфера существовала, она должна получать и накапливать энергию извне. И эта работа выполняется организмами.
Заключение
Итак, что же такое жизнь? Этот вопрос неоднократно обсуждался на всех уровнях науки и ответы в соответствии с существующими представлениями были разными. Мне кажется, и сейчас современная наука не может дать окончательного ответа на вопрос, что такое жизнь. Это вовсе не означает, что не существует возможных вариантов ответов. Они, безусловно, есть, и я попыталась дать ответ на этот вопрос в своем реферате словами и взглядами на жизнь великого австрийского физика Эрвина Шредингера и великого русского биолога – естествоиспытателя Владимира Ивановича Вернадского, живших в ХХ веке.
В своих работах оба ученых использовали энергетический подход к объяснению жизненных процессов. Э. Шредингер представляет, что "жизнь — это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время[6]
" . Это понятие схоже с точкой зрения Владимира Ивановича Вернадского, который утверждал, что для того, чтобы не наступило состояние максимальной энтропии, организм или система должны постоянно извлекать энергию извне и стремиться к нарушению термодинамического равновесия. В противном случае происходит гибель организма.
Итак, "жизнь, с точки зрения физики – это борьба живого с энтропией"[7]
. Но Э. Шредингер утверждает, что многие жизненные процессы не полностью подчиняются законам физики, точнее к физическим законам нужны поправки, чтобы точно описать жизненные процессы. Вернадский, в свою очередь, для описания жизненных процессов, как мы видим, тоже использовал не только биологические принципы. Он нередко обращался к термодинамике и другим разделам физических наук.
И, тем не менее, мне кажется, что мы уже получили главный ответ на вопрос что же такое жизнь с точки зрения современной науки. Ответ заключается в следующем: на этот вопрос самостоятельно и обособленно от других наук не может ответить ни физика, ни биология, ни один другой раздел науки. Это слишком сложное понятие, глубинный вопрос, и очень здорово, что будет сделано еще немало открытий в разных отраслях науки в поиске ответа на этот вопрос.
Использованная литература
Литература:
1. Вернадский И.В. Живое вещество – Наука, 1978
2. Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики?– Римис, 2009
Интернет источники:
1. Интернет энциклопедия "Википедия"
http://ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница
2. Статья об эксперименте с котом Шредингера. http://www.uralweb.ru/pages/article.php?id=2470
3. Образовательный портал МГУП
http://www.hi-edu.ru
[1]
Статья об эксперименте с котом Шредингера http://www.uralweb.ru/pages/article.php?id=2470
[2]
Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики?– Римис, 2009, с. 108
[3]
Там же
[4]
Вернадский И.В. Живое вещество – Наука, 1978
[5]
Вернадский И.В. Живое вещество – Наука, 1978
[6]
Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики?– Римис, 2009, с. 120
[7]
Горбачев В.В. Концепции современного естествознания http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook131/01/part-010.htm
|