Алексеев С. И. Концепции современного естествознания Москва 2003 - реферат

Московский международный институт эконометрики,

информатики, финансов и права

Алексеев С.И.

Концепции современного естествознания

Москва 2003

УДК 5

ББК 20

А 474

Алексеев С.И. «Концепции современного естествознания »/ Мос- ковский международный институт эконометрики, информатики, финан- сов и права. –М., 2003. – 52 с.

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образова- нию в области антикризисного управления в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специаль- ности 351000 «Антикризисное управление» и другим экономическим специальностям.

Ó Алексеев С.И., 2003

© Московский международный институт эконометрики, информатики,

финансов и права, 2003

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ........................................................................................................... 4

1. Единство науки и научный метод. ............................................................ 5

2. Естественнонаучный подход к изучению природы................................. 5

3. Дифференциация и интеграция знаний. ................................................... 9

4. Механистическая картина мира .............................................................. 10

5. Электромагнитная картина мира ............................................................. 12

6. Революция в естествознании XIX-XXв.в. ............................................ 14

7. Концепция относительности пространства и времени. ........................ 16

8. Концепция необратимости и термодинамика. ....................................... 17

9. Концепция синергетики............................................................................ 20

10. Концепция атомизма............................................................................... 21

11. Концепции биологических систем. ....................................................... 27

12. Концепции экологии ............................................................................... 39

13. Концепции химических структур.......................................................... 45

14. Основные физические постоянные ....................................................... 46

15. Приставки для образования кратных и дольных единиц.................... 46

16. Вопросы по курсу «Концепции современного естествознания». ..... 47

17. Словарь терминов. .................................................................................. 49

18. Литература. .............................................................................................. 51

18.1 Основная литература ......................................................................... 51

18.2 Дополнительная литература ............................................................. 51

Введение

Курс «Концепции современного естесвознания» имеет важное зна- чение для формирования научного мировоззрения и общей культуры студентов. Современное представление об окружающей среде, фунда- ментальные законы, объясняющие гармоничность картины мира, раз- личные подходы к пониманию явлений природы в их историческом раз- витии, современный системный метод анализа действительности явля- ются предметом курса.

Системный подход , получивший широкое распространение в по-

следнее время, предполагает целостный охват изучаемых процессов и явлений в их взаимосвязи и взаимодействии с другими явлениями. Та- кой подход «стирает» грани между различными науками, способствуя сближению различных точек зрения гуманитариев и естествоиспытате- лей на одни и те же явления; позволяет сделать естественнонаучные ме- тоды общенаучными.

Основой системного метода являются концепции эволюции и само- организации, позволяющих с единых позиций объяснить принципы ор- ганизации всего сущего на Земле, строение и динамику поведения раз- личных систем.

Ключевые термины

- Картина мира

- Системный подход

1. Единство науки и научный метод.

Научный метод представляет собой воплощение единства всех форм знаний. Познание в естественных, технических, социальных и гу- манитарных науках в целом совершается по некоторым общим принци- пам и правилам.Это свидетельствует, во-первых, о единстве всех наук, а

во-вторых - об общем, едином источнике познания, которым служит ок-

ружающий нас объективный реальный мир: природа и общество.

Методы познания

( по степени обоснованности )

Статистические Вероятностные Индуктивные Дедуктивные

Методы познания

( по механизмам обобщения )

Ключевы е термины

- Научный метод

- Единство науки

2. Естественнонаучный подход к изучению природы.

Естественнонаучный подход имеет глубокие исторические корни, основан на многовековом продолжительном наблюдении за явлениями природы, имеющими, как правило, циклический характер.

Основные особенности этого подхода:

a) разработано большое количество измерительных средств, позволяю-

щих оценить состояние окружающей среды;

b) найдены эталоны многих физических величин, благодаря которым появилась возможность измерять и сравнивать;

c) разработан математический аппарат обработки результатов измере-

ний, позволяющий оценивать состояние изучаемых объектов.

Естественнонаучный подход основан на следующихсвойствах из-

меряемых величин и оцениваемых параметров математических моделей:

a) воспроизводимости измеряемых величин;

b) правильности математических моделей и использования статисти-

ческих методов;

c) избыточности данных, допускающей вероятностное оценивание.

К недостаткам естественнонаучного подхода можно отнести то, что

он требует наличия множества однородных по каким-либо признакам явлений (объектов ). Ценность подхода во многом зависит от выбора

признаков, являющихся общими для элементов множества и подлежа-

щих оцениванию. Если признаки являются не существенными, а второ-

степенными, то правдоподобность выводов значительно снижается. Кроме того, качество оценок зависит от объема множества, коррелиро- ванности наблюдений. Широко распространены интервальные оценки в предположении о вероятностном распределении измеряемых величин, отвечающих одному из типовых (стандартных) законов распределения случайных величин. Некоторые из наиболее распространенных законов, приведены ниже.

Пример 1. Типовые законы распределения случайных величин.

y y

x x a) равномерный b) нормальный

y y

x x

с) экспоненциальный d) Ферми- Дирака

Пример 2. Свойства функции распределения

y

x 1 x 2 x

+¥

ò y ( x ) dx

- ¥

= 1;

Условие нормирования функции распределения

< x <

y ( x )dx ;

p ( x =

x 1 ) =

p ( x =

x 2 ) = 0

В ряде гуманитарных наук, например в истории, трудно подвести отдельные события под какой-либо общий закон или теорию (т.e. не имеется возможности набрать статистику однородных событий). Поэто-

му многие историки возражают против переноса естественнонаучных методов для анализа исторических процессов. Для объяснения событий ими предлагаются методы телеологии , опирающиеся не на причинные

законы и направленные на раскрытие целей, намерений, поведения, дея-

тельности людей.

Многие считают, что методы объяснения вообще бесполезны, а ва-

жен метод понимания , позволяющий раскрыть смысл события, особен-

но, если оно уникально и неповторимо. Теоретически понимание осно-

вывается на интерпретации то есть истолковании целей, мотивации смысла действий и поступков людей и поэтому сходно с телеологиче-

ским объяснением. Так нередко понимание текста сводится лишь к рас-

крытию и усвоению смысла, который вложил в него автор. Однако, если

бы переводчики разных эпох раскрывали бы только авторский смысл произведения, то все переводы были бы тавтологией . Исторические события также обычно интерпретируются с позиций своего времени.

С другой стороны, иные исследователи истории с неменьшим упор-

ством отстаивают мнение о возможности применения общих методов и теорий, однако, по их мнению, невозможность объединения отдельных событий в однородную группу свидетельствует о недостаточной прора- ботке материала, малой информационной емкости событий.

В целом, понимание- более сложный, противоречивый и запутан-

ный процесс, чем объяснение.Различие между ними состоит в том, что если объяснение сводится к логическому выводу, то понимание- к ин-

терпретации.И если объяснение относится к событиям прошедшим и на-

стоящим, то к будущим событиям относится предвидение ( предсказа-

ние, прогноз ).

Предвидение и объяснение сходны по своей логической структуре и представляют собой логический вывод ( умозаключение ). Структура одного из простейших умозаключений приведена ниже.

Приме р 3. Простой категорический силлогизм

( дедуктивное умозаключение ).

Здесь С- субъект, П- предикат суждения.

Так из посылки: «Все студенты первого курса изучают КСЕ» и посылки:«Иванов учится на первом курсе» cледует логический вывод:

«Иванов изучает КСЕ».

Предвидени е как способ отражения действительности имеет ог- ромное практическое значение, обеспечивая возможность прогнозиро- вания событий и явлений. Статистические выводы ( заключения ) имеют вероятностный характер ( а не достоверный ), в них используют-

ся интервальные ( а не точечные ) оценки, что прежде всего объясняет-

ся отсутствием общих фундаментальных законов в гуманитарных нау-

ках ( подобных законам Ньютона в механике ), а также влиянием субъ-

ективного фактора на исследуемые процессы.

Ключевы е термины

- Эталон - Множество

- Воспроизводимость - Суждение

- Распределение величин - Силлогизм

3. Дифференциация и интеграция знаний.

В прошлом считалось, что развитие некоторой научной дисципли-

ны идет путем непрерывного накопления все новых и новых научных истин ( такой процесс называется кумуляцией ). При этом возрастают

точность и глубина знаний в этой дисциплине. Однако, одновременно ослабевают связи с другими научными дисциплинами и дело доходит до того, что специалисты разных отраслей одной и той же науки нередко не

понимают ни постановок задач, ни методов исследований, ни конечных результатов друг друга.

Дифференциаци я знаний - это процесс, связанный с более тща- тельным и глубоким изучением определенной области действительности (так называемый дисциплинарный подход). Однако необходим и меж- дисциплинарный интегративный подход, обеспечивающий единство и целостность представлений.

Интеграци я знаний - это процесс, связанный с использованием по-

нятий, теорий и методов одной науки в смежных науках.

В результате интеграции возникают новые научные направления (например, биофизика, геохимия и пр.). Из смежных наук могут быть заимствованы тактика ( приемы и методы ) и стратегия (общие принци- пы) исследований, методология (способы получения новых знаний, ана- лиза и оценки результатов исследований), порядок выполнения измере- ний и проведения экспериментов, математические модели и методы оценки их параметров.

Особое значение приобретает системный метод, позволяющий рас-

сматривать с единых позиций предметы и явления в их взаимосвязи и целостности. Смежные науки позволяют в этом случае выделить эле-

менты исследуемой системы, определить ее структуру. Поэтому систем- ный метод является эффективным средством интегративных исследова- ний.

Ключевы е термины

- Дифференциация знаний

- Интеграция знаний

- Кумуляция знаний

4. Механистическая картина мира.

Основные законы (принципы) механики, сформулированные И.Ньютоном в своем главном труде «Математические начала натураль- ной философии» в 1687 году, заложили основу механистической карти-

ны мира ( макромира ).

Открытие принципов ознаменовало революционный переворот в познании Вселенной, который связан с переходом от натурфилософских догадок и гипотез о “скрытых” качествах и спекулятивных измышлений

о происходящих в природе процессах к точному экспериментальному

естествознанию, в котором все предположения, гипотезы и теоретиче-

ские модели проверялись исключительно наблюдениями и опытом.

Механическое движение было сведено к точному математическо-

му описанию: для этого необходимо и достаточно было задать началь- ные координаты тела, его скорость (или импульс ) и уравнение движе- ния. Все последующие состояния движущегося тела точно и однозначно определялись в любой момент времени как в будущем, так и в прошлом, поскольку в поставленной таким образом задаче в уравнениях знак вре- мени можно было менять на обратный ( концепция обратимости вре- мени ).

Приме р 4. Математическое описание механического движения те-

ла

( по И.Ньютону ).

Постановк а задачи.

X ¢¢(t ) = C

X (0) = X 0

(1) Уравнение движения тела

(2) Начальная координата тела

X ¢(0)

= V 0

(3) Начальная скорость тела

Требуетс я определить: зависимость x=x (t)

Решени е задачи.

Интегрируем правую и левую часть уравнения (1) по времени:

Левая часть:

ò X ¢¢(t )d t =

X ¢(t )

Правая часть:

ò Cdt

= C t

ство

Очевидно, что с точностью до константы

C 1 выполняется равен-

X ¢(t )

= C t

+ C 1 (4)

лить

Используя уравнение (4) и начальное условие (2), можно опреде-

C 1 :

X ¢(0)

= V 0

= C 1

Тогда уравнение (4) примет вид

X ¢(t )

= V 0

+ C t

(5)

Аналогично, интегрируем правую и левую часть уравнения (5) по времени:

Левая часть:

ò X ¢(t )dt =

X (t )

2

Правая часть:

ò (V 0

+ C t )d t

= V 0 t + C t 2

Очевидно, что с точностью до константы C 2

во

выполняется равенст-

+ C 2

(6)

лить

Используя уравнение (6) и начальное условие (3), можно опреде-

C 2 :

X (0) =

X 0 = C 2

Тогда уравнение (6) примет окончательный вид

X + V t + C t 2

2 (7)

Выво д - найденное решение (7) задачи позволяет однозначно

определить координату движущегося тела в любой момент времени ( в

том числе при

t < 0 ).

Этот вывод, полученный в результате решения частной задачи,

положен в основу детерминистского подхода к описанию механических процесссов ( и не только механических ) и является одним из основных принципов построения классической ( механистической ) картины мира.

Характерны е особенности механистической картины мира:

a ) Bсе состояния механического движения по отношению ко времени одинаковы ( следствие обратимости времени ).

b ) Все механические процессы являются детерминированными, т.е.точно и однозначно определенными предыдущим состоянием (слу- чайность при этом полностью исключается).

c) Пространство и время независимы, имеют абсолютный характер и

н е связаны с движением тел.

Использование принципов механистической теории в других нау- ках привело к появлению фатализма- концепции неизбежности, пред- решенности всех событий в будущем.

Ключевы е термины

- Обратимость времени

- Детерминированный процесс

- Независимый процесс

- Инерциальные системы

- Макромир

- Механистическая картина мира

- Концепция фатализма

5. Электромагнитная картина мира

Создателем электромагнитной теории является английский физик

Д.Максвелл (1831-1879). Основой теории является понятие поля (ранее

в ньютоновской механике рассматривались лишь вещества в виде тел ). Теория Максвелла явилась обобщением важнейших законов, описы- вающих электрические и электромагнитные явления: теоремы Остро- градского- Гаусса, закона полного тока, закона элетромагнитной индук- ции Фарадея.

I-ое уравнение Максвелла является обобщением закона электро-

магнитной индукции Фарадея:

ò E d l

L

= - d F

d t .

Это уравнение показывает, что переменное магнитное поле неиз-

бежно порождает вихревое индуктированное электрическое поле.

II- ое уравнение Максвелла является обобщением закона полно-

го тока :

L k

Это уравнение показывает, что циркуляция вектора напряженно- сти магнитного поля по произвольному замкнутому контуру L равно ал- гебраической сумме макротоков и тока смещения сквозь поверхность, натянутую на этот контур.

III- ье уравнение Максвелла является обобщением теоремы Ост-

роградского- Гаусса для электрического поля:

ò D d S

S

= å q k .

k

Это уравнение показывает, что поток электрического смещения электростатического поля сквозь любую замкнутую поверхность равен сумме свободных зарядов, охватываемых этой поверхностью.

Заряды могут быть свободными и связанными. Cвязанными назы-

ваются заряды, входящие в состав атомов и молекул, заряды ионов в кристаллических диэлектриках. Свободными зарядами являются заряды

носителей тока в проводящих средах ( электроны проводимости, дырки,

ионы ) или избыточные заряды, сообщенные телу извне и нарушающие его электронейтральность ( например, статическое электричество ).

IV- ое уравнение Максвелла является обобщением теоремы Ост-

роградского- Гаусса для магнитного поля:

ò B d S = 0 .

S

Это уравнение показывает, что поток ветора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность S равен нулю.

Теория Максвелла позволила создать единую связанную электро- магнитную картину мира. Электрические и магнитные свойства среды в теории характеризуются тремя величинами: относительной диэлектри- чес-кой проницаемостью, относительной магнитной проницаемостью, удель-ной электрической проводимостью, которые предполагаются из- вестными из опыта.

Теория Максвелла- макроскопическая, т.е. в ней изучаются элек-

тромагнитные поля таких систем покоящихся и движущихся электриче- ских зарядов, пространственная протяженность которых на много по- рядков больше размеров атомов и молекул ( так называемые макроско- пические поля ).

Макроскопические заряды и токи являются совокупностями микро- скопических зарядов и токов, создающих свои электрические и магнит- ные микрополя, непрерывно изменяющиеся в каждой точке пространст-

ва с течением времени. Макроскопические поля, рассматриваемые в теории Максвелла, являются усредненными микрополями. Усреднение микрополей производится по интервалам времени, значительно боль-

шим, чем периоды внутриатомных процессов, и по объемам полей, во много раз превосходящим объемы атомов и молекул. Электрические и магнитные взаимодействия, осуществляемые посредством электромаг-

нитного поля, распространяются с конечной скоростью, равной скорости света в данной среде ( принци п близкодействия ).

И, наконец, сравнивая вещество и поле, следует отметить их прин- ципиальные отличия: вещество дискретно, имеет конечное число степе- ней свободы; поле же непрерывно, число его степеней свободы беско- нечно.

Ключевые термины

- Микрополе - Макрополе

проницаемость среды

- Проводимость - Магнитная проницаемость среды

6. Революция в естествознании XIX-XXв.в.

Революционными считаются открытия, связанные со строением вещества и его взаимосвяхзи с энергией.

Планетарна я модель атома , построенная английским ученым Э.Резерфордом и усовершенствованная датским физиком Н.Бором раз- рушила миф о неделимости атома. Было введено понятие кванта энер-

гии, излучаемой или поглощаемой электронами при переходе с одной орбиты на другую.

Явлени е квантово- волнового дуализма , открытое французским

ученым Луи де Бройлем в 1924 году, согласно которому каждой матери-

альной частице независимо от ее природы следует поставить в соответ-

ствие волну, длина которой l = h p . Согласно принципу де Бройля вещество и поле заимосвязаны: в определенных условиях вещество проявляет волновые свойства, а частицы поля- свойства корпускул.

Н.Бор в 1927 году сформулировал принцип дополнительности ,

согласно которому при рассмотрении корпускулярных явлений кванто-

вая теория должна быть дополнена волновой и наоборот.

Н.Бор является также основоположником принципа соответст-

вия : выводы и результаты квантовой механики при больших квантовых числах должны соответствовать классическим результатам. Обобщая

этот принцип следует признать, что между любой новой теорией и предшествующей ей теорией существует закономерная связь: в опреде-

ленных предельных случаях новая теория должна переходить в старую. Например, формулы кинематики и динамики специальной теории отно- сительности переходят в формулы механики Ньютона при условии

v c ® 0 . Геометрическая оптика является предельным случаем вол-

новой оптики, если можно пренебречь величиной длины волны ( l ® 0

).

Квантовая механика, объясняющая процессы, происходящие в мире элементарных частиц ( микромире ) была создана в 1925-1927г.г. В ос-

нове квантовой механики лежит принцип неопределенностей , сформу-

лированный немецким физиком В.Гейзенбергом:

Dx × Dp ³ h .

Согласно этому принципу невозможно достоверно определить и координату и импульс микрочастицы. Произведение их неточностей не может быть меньше постоянной Планка. Из принципа также следует, что вполне возможно провести эксперимент, с помощью которого мож-

но с большой точность определить положение микрочастицы, но при этом ее импульс будет определен неточно, либо наоборот.

В квантовой механике любое состояние системы описывается с по-

мощью «волновой функции», которая определяет параметры состояния

не достоверно (не абсолютно точно), а с некоторой степенью вероятно-

сти. Причина неопределенности заключается в самой природе явления и

не может быть уменьшена за счет совершенствования средств измере-

ния.

Согласно квантовой механике любые измерения, на основе которых делаются различного рода прогнозы, являются недостоверными ( то есть определяются с некоторой погрешностью ), поэтому абсолютно точное предсказание осуществить невозможно. После возникновения квантовой механики стали говорить о господстве случайного в мире и отсутствии в нем детерминизма.

Ключевы е термины

- Квант - Квантово- волновой дуализм

- Квантовые числа - Концепция случайности

7. Концепция относительности пространства и времени.

В классической механике справедлив механический принцип отно- сительности Галилея: законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета . Это значит, что в разных инерциальных системах отсчета все механические процессы при одних и тех же условиях проте- кают одинаково. Следовательно, с помощью любых механических экс- периментов, проведенных в замкнутой системе тел, нельзя установить покоится эта система или движется равномерно и прямолинейно относи- тельно какой- либо инерциальной системы отсчета. Поэтому механиче- ский принцип относительности свидетельствует о равноправности всех инерциальных систем и отсутствии какой-то особой инерциальной сис- темы, относительно которой можно было бы рассматривать механиче- ское движение как «абсолютное движение». Во всех подобных системах движения являются ковариантными и выражаются одной и той же мате- матической формулой. Пространство и время в классической механике обособлены от движения материальных тел.

В специальной теории относительности, созданной американским физиком А.Эйнштейном было установлено:

a) Всякое движение может определяться только по отношению к дру-

гим телам, взятым за системы отсчета .

b) Пространство и время взаимосвязаны, время является четвертой координатой для описания движения.

c) В любой инерциальной системе отсчета скорость света в вакууме имеет одну и ту же величину для любого направления.

d) Переход от одной инерциальной системы к другой при очень больших скоростях их относительного движения осуществляется с помощью преобразований Лоренца:

t - bx

x ¢ =

x - v t

1 - b 2 ,

y ¢ = y ,

z ¢ = z ,

t ¢ =

c

1 - b 2 ,

где x , y , z , t - координаты системы S ;

x ¢, y ¢, z ¢, t ¢ - координаты системы

S ¢;

v - скорость системы

S ¢ в направлении оси x ,

лея

измеренная в системе S ;

С - cкорость света в вакууме; b = v c .

При b ® 0 преобразования переходят в преобразования Гали-

(имеющими место в классической механике):

x ¢ =

x - v t ,

y ¢ = y ,

z ¢ = z ,

t ¢ = t .

В таких системах отсчета время течет одинаково (является инвариант-

ной величиной ).

В релятивисткой механике справедливы соотношения:

m

l ¢ = l 1 - b 2

, Dt ¢ =

Dt

,

1 - b 2

m ¢ =

1 - b 2 ,

E ¢ =

E

1 - b 2

, т.е.

движение со скоростью близкой к скорости света в вакууме приводит к

замедлению времени t , cокращению длины

l , возрастанию массы m

и энергии E .

Движение со скоростью больше c

стают быть действительными ).

невозможно ( выражения пере-

При b ® 0 величины l , Dt , m , E

являются инвариантными.

Ключевы е термины

- Инерциальные системы - Принцип относительности

8. Концепция необратимости и термодинамика.

Термодинамика как наука возникла из обобщения фактов,

описы-

вающих явление передачи, распространения и превращения тепла,т.е. тепло, возникшее в результате механической работы, нельзя снова пре- вратить в энергию для выполнения новой работы. С другой стороны, из- вестно, что часть тепловой энергии превращается в механическую рабо-

ту. Все эти факты нашли объяснение в законах термодинамики.

1 закон термодинамики. Тепло Q , полученное замкнутой систе- мой, идет на увеличение внутренней энергии D U системы и выполнение работы W , производимую системой против внешних сил:

Q = D U+ W ,

где Q>0 - если тепло подводится к системе;

Q<0 - если тепло отводится от системы;

W>0 - если система производит работу;

W<0 - если над системой внешними силами совершается работа.

Классификация систем ( термодинамических ).

Закрытая термодинамическая система - это система, которая не

может обмениваться веществом с внешней средой. ( например, космиче-

ский корабль).

Открыта я термодинамическая система - это система, которая может обмениваться веществом с внешней средой ( например, живые

организмы).

Замкнутая (изолированная) термодинамическая система - это система, которая не может обмениваться ни веществом, ни энергией с

внешней средой. (идеализированные системы).

Согласно 1 закону термодинамики в определенных термодинами- ческих системах могут протекать такие процессы, при которых полная энергия системы остается неизменной. Превращение тепловой энергии целиком в механическую работу не нарушает этот закон, однако, такой прцесс невозможен. Второй закон термодинамики еще больше ограни- чивает возможные процессы превращения.

2 закон термодинамики. Теплоту можно превратить в работу только при условии, что часть этой теплоты одновременно перейдет от горячего тепла к холодному( принцип действия тепловых двигателей). Чтобы теплота могла перейти от холодного тепла к горячему, необходи-

мо затратить механическую работу ( принцип действия холодильных машин ).

Согласно 2 закону термодинамики в замкнутой системе в отсутст-

вии каких-либо процессов теплота не может самопроизвольно перейти

от более холодных частей системы к более горячим.

Концепци я “ тепловой смерти “ . Выдвинута немецким физиком

Р.Клаузиусом (1822-1888), исходя из следующих постулатов:

1) Энергия Вселенной всегда постоянна.

2) Энтропия Вселенной всегда возрастает.

Энтропией называют параметр состояния системы, дифференциал которой равен

dS =

dQобр

T

,

где

dQобр - количество теплоты, полученное (или отданное) системой;

Т- температура теплоотдающего тела.

тает

При получении тепла системой ( dQ>0 ) энтропия системы возрас-

( dS>0 ), а если система отдает тепло ( dQ<0 ) , то ее энтропия убывает

( dS<0 ).

Поскольку понятие энтропии вводится в дифференциальном виде,

то ее значение может быть определено только с точностью до константы

(абсолютное значение определить невозможно).

В статистической физике энтропия связывается с вероятностью термодинамического состояния системы и является мерой упорядочен-

ности системы:

S ~ 1

P ,

где P- термодинамическая вероятность состояния системы.

Если Т=0, то P=1 , а если Т>0 , то Р<1 .

Таким образом, при повышении температуры термодинамическая вероятность состояния уменьшается, увеличивается хаотичность систе-

мы, энтропия возрастает.

Используя понятие энтропии, формулировка II закона термоди-

намики упрощается:

Энтропия замкнутой системы постоянно возрастает ( “стре-

ла времени” в замкнутых термодинамических системах ).Это означает,

что такие системы эволюционизируют в сторону увеличения в них хао-

са, беспорядка, пока не достигнут точки термодинамического равнове-

сия, в которой всякое производство работы оказывается невозможным.

Гипотеза Клаузиуса, основанная на представлении Вселенной за-

крытой системой, является абстракцией, не отражающей реальный ха- рактер природных систем, которые способны обмениваться энергией , веществом и информацией с окружающей средой, т.е. являются откры- тыми системами. В открытых системах также производится энтропия, т.к. имеют место необратимые процессы, но в отличие от закрытых сис- тем она не накапливается,а выводится в окружающую среду. Открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней cреды.

Ключевы е термины

- Энтропия - Абсолютная температура

- Вероятность - Внутренняя энергия

- Порядок - Замкнутая система

- “тепловая смерть” - Термодинамика

- Тепло - Стрела времени

9. Концепция синергетики

Немецкий физик Г. Хакен ( род. 1927г. ) назвал синергетикой процессы самоорганизации, происходящие в лазере (в переводе с древ- негреческого cинергетика означает совместное действие или взаимодей- ствие ).

Условия протекания процессов самоорганизации в

системах

1) Процессы самоорганизации идут только в открытых систе-

мах , т.к. закрытые системы в соответствии с законами термодинамики имеют конечным итогом хаос (максимальный беспорядок ) или дезорга- низацию.

2) Система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия (в этой точке система имеет макси- мальный беспорядок ), из которой выход затруднен.

3) Упорядочивание структуры системы (организация нового по-

рядка ) происходит засчет незначительных отклонений ( флуктуаций ) от первоначального состояния, возрастанию амплитуды флуктуаций с те- чением времени, постепенного расшатывания прежнего порядка и в ре- зультате установлению нового порядка (принцип образования порядка через флуктуации ). Такой процесс методичной раскачки системы, со- провождающийся возрастанием амплитуды флуктуаций, свидетельству-

ет о наличии в системе положительных обратных связей.

4) Отличительная черта математических моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации- их существенная не-

линейност ь . Нелинейные математические уравнения являются более адекватными реальным системам.

Ключевы е термины

10. Концепция атомизма.

Объяснения, при которых свойства сложных веществ или тел пы- таются свести к свойствам более простых элементов или составных час- тей, называют редукционистскими.

Атомизмом принято считать подход к объяснению процессов,

происходящих во Вселенной, связанный с поиском мельчайших недели-

мых частиц, определяющих состав, свойства и структуру всего сущего.

Долгое время такой частицей считался атом ( в переводе с грече-

ского неделимый ), однако в начале ХХ века английские физики

Э.Резерфорд и Ф.Содди, исследуя радиоактивные превращения химиче-

ских элементов, доказали, что атом не является неделимым.

Поиск первичных фундаментальных частиц, названных впоследст-

вии элементарными , привел к открытию электрона (1897), протона (1919), фотона (1900 ), нейтрона (1932), позитрона (1932 ), нейтрино (1932 ), антипротона

(1955 ), антинейтрона (1956), промежуточных бозонов (1983). В

1970-80г.г. речь идет уже о семействах «странных», «очарованных»,

«красивых» элементарных частиц.

Общие сведения об элементарных частицах.

Ядерная физика изучает структуру и свойства атомных ядер. Она исследует также взаимопревращения атомных ядер происходящие в ре- зультате как радиоактивных распадов, так и различных ядерных реак-

ций. К ядерной физике тесно примыкают физика элементарных частиц,

физика и техника ускорителей заряженных частиц, ядерная энергетика.

Ядерно-физические исследования имеют огромное чисто научное значение, позволяя продвигаться в понимании строения материи, и в то

же время чрезвычайно важны в практическом отношении (в энергетике,

медицине и т. д.).

Элементарные частицы - первичные, неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В современной физи-

ке этот термин обычно употребляется не в своём точном значении, а в

менее строгом - для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона. К элементарным частицам относятся: протоны, нейтроны, электроны, фотоны, пи-мезоны, мюоны, тяжёлые лептоны, нейтрино трёх типов, странные частицы (К-мезоны), гипероны), разнообразные резонансы, мезоны со скрытым очарованием,

«очарованные» частицы, промежуточные векторные бозоны и т. п. - все-

го более 350 частиц, в основном нестабильных. Их число продолжает расти по мере расширения наших знаний. Большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, по- скольку являются составными системами. Общее свойство всех этих частиц заключается в том, что они представляют собой специфические формы существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы.

Массы большинства элементарных частиц имеют порядок величи-

ны массы протона, равной ~1,7*10 -24 г. Размеры протона, нейтрона, пи- мезона, и других адронов - порядка 10 -13 см, а электрона и мюона не определены, но меньше ~10 -16 см. Микроскопические массы и размеры

элементарных частиц обуславливают квантовую специфику их поведе- ния. Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - способность испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами.

Характеристики элементарных частиц. В зависимости от време-

ни жизни частицы делятся на стабильные (электрон, протон, фотон и нейтрино), квазистабильные (распадающиеся при электромагнитном и слабом взаимодействиях, время их жизни больше 10 -29 с) и резонансы (частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия, типичное время жизни ~10 -22-10 –24 с).

Общими для всех элементарных частиц характеристиками явля-

ются масса, время жизни, электрический заряд, спин и др.

Элементарные частицы - характеризуются моментом импульса. Согласно квантовой механике, момент импульса системы может прини- мать не любые, а дискретные значения, его скачки равняются постоян- ной Планка, поэтому его измеряют в единицах этой постоянной (дис- кретность возможных значений момента совершенно незаметна в обыч- ной жизни, поскольку постоянная Планка очень мала). Момент, изме- ренный в таких единицах, называется спином. Спин может принимать целые или полуцелые значения. В соответствии опять же с квантовой механикой проекция момента на какую-либо ось тоже имеет дискретные значения. Разумеется такая дискретность находится далеко за пределами измерительных возможностей обычной механики. Иное дело -объекты микромира, для них дискретность значений вектора момента и его про- екций играет существенную роль.

Характеристики элементарных частиц, принимающие дискретные значения, принято называть квантовыми числами. Различают спиновое,

орбитальное, магнитное и другие квантовые числа.

Помимо указанных величин, элементарные частицы дополнитель-

но характеризуются ещё рядом квантовых чисел, которые называются внутренними. Это барионный и лептонный заряды, чётность, а также кварковые ароматы - характеристики, определяющие тип кварка, такие как изоспин, странность, «очарование», «красота», цвет. Внутренние квантовые числа вводятся для того, чтобы формализовать закономерно- сти, экспериментально наблюдаемы в процессах, происходящих в мик- ромире.

Истинно элементарные частицы. На сегодняшний день с теоре- тической точки зрения известны следующие истинно элементарные час- тицы (на данном этапе развития науки считающиеся неразложимыми)_ частицы: кварки и лептоны (эти разновидности относятся к частицам

вещества), кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны), а также частицы Хиггса.

Каждая из пар лептонов объединяется с соответствующей парой кварков в четвёрку, которая называется поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение, отличаются лишь массы: второе

тяжелее первого, третье тяжелее второго. Предполагается, что в природе встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные можно создать искусственно на

ускорителях заряженных частиц или при взаимодействии космических

лучей в атмосфере.

Кроме имеющих половинный спин частиц вещества, к истинно элементарным частицам относятся частицы со спином 1. Это кванты по-

лей, создаваемых частицами вещества. Массивные W-бозоны являются переносчиками слабых взаимодействий между кварками и лептонами. Глюоны - переносчики сильных взаимодействий между кварками. Как и

сами кварки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но проявляются

на промежуточных стадиях некоторых реакций. Теория кварков и глюо-

нов называется квантовой хромодинамикой.

Частица с предполагаемым спином 2 - это гравитон, его существо- вание предсказано теоретически, но обнаружить его будет чрезвычайно трудно, так как он очень слабо взаимодействует с веществом.

Наконец, к истинно элементарным частицам относятся частицы

Хиггса, или Н-мезоны, и гравитино, они не обнаружены нба опыте, но

их существование предполагается во многих современных теоретиче-

ских моделях.

Антивещество. У многих частиц существуют двойники в виде ан-

тичастиц, с теми же массой, временем жизни, спином, но отличающиеся

знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т. д. (электрон-позитрон, протон-антипротон и др.). Существование античас-

тиц было впервые предсказано

в 1928 г. английским физиком-

теоретиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского дви-

жения электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего

ту же массу, но положительный электрический заряд.

Характерная особенность поведения частиц и античастиц - их ан-

нигиляция при столкновении. Типичный пример -взаимоуничтожение электрона и позитрона с выделением энергии при рождении двух фото- нов.

В сильных и электромагнитных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами и античастицами - все процессы, проте- кающие с первыми, возможны и аналогично для вторых. Подобно про- тонам и нейтронам их античастицы могут образовывать антиядра. В принципе можно представить себе и антиатомы, и даже большие скоп- ления антивещества.

Классификация условно элементарных частиц. В соответствии с четырьмя видами фундаментальных взаимодействий различают соответ-

ственно четыре вида элементарных частиц: адроны, участвующие во всех взаимодействиях, лептоны, не участвующие только в сильном (а нейтрино в электромагнитном), фотон, участвующий только в электромагнитном взаи- модействии, и гипотетический гравитон - переносчик гравитационного взаи- модействия.

Адрон ы - общее название для частиц, наиболее активно участвую- щих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы - барионы и мезоны.

Барионы - это адроны с полуцелым спином. Самые известные их них - протон и нейтрон. Одним из свойств барионов, отличающим их от других частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барион- ного разряда, введённого для описания опытного факты постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антиба- рионов.

Мезоны - адроны с целым спином. Их барионный заряд равен ну- лю. Адронов насчитывается около 350. Большинство их них крайне не- стабильны и распадаются за время порядка 10 -23 с. Столь короткоживу- щие частицы не могут оставить следов в детекторах. Обычно их рожде- ние обнаруживают по косвенным признакам. Например, изучают реак- цию ааннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения, обнаруживают, что при каком-

то её значении выход адронов резко увеличился. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица. По- том она мгновенно распадается на другие адроны, которые и регистри- руются. Такие короткоживущие частицы называются резонансами. Большинство барионов и мезонов - резонансы.

Особенност и элементарных частиц:

1 ) малые размеры и масса;

2) cпособность рождаться и уничтожаться ( аннигилировать ) при взаимодействии с другими частицами.

Вид ы взаимодействий между элементарными частицами:

1) cильные;

2 ) электромагнитные;

3 ) слабые;

4 ) гравитационные.

Выделены две большие группы элементарных частиц: адроны , ко- торые могут участвовать в сильном, электромагнитном и слабом взаи- модействии; и лептоны , участвующие только в электромагнитном и

слабом взаимодействии. В эти группы попадают все элементарные час-

тицы за исключением фотона.

Кроме того у элементарных частиц выделяют индивидуальные характеристики:

1 ) массу частицы;

2 ) время жизни;

3 ) спин;

4 ) электрический заряд;

5 ) магнитный момент.

По современным представлениям все адроны состоят из кварков -

дробнозаряженных фундаментальных частиц и антикварков. У всех эле- ментарных частиц существуют античастицы , которые обладают проти- воположным электрическим зарядом и магнитным моментом по сравне- нию с соответствующей элементарной частицей.

Современный подход к изучению строения материи основывается

не на поиске последних, неделимых частиц, а на выявление их внутрен-

них связей для объяснения целостных свойств макрообразований. Даль-

нейший прогресс в познании фундаментальных свойств материи следует

по-видимому ожидать в результате объединения концепций атомизма

( дискретности ), целостности ( системности ) и системного анализа.

Строение атома

А то м

А том н о е ядро Атомная оболочка

нуклоны ( A )

эле к тро н ы

п ротоны нейтроны ( A )

( Z ) ( A-Z )

A K

Обозначение атома: Z

, где K - символ элемента;

Z - заряд ядра ( число протонов в ядре);

А - массовое число ( число нуклонов в ядре). Изотопы - разновидности атомов одного элемента, ядра которых содер- жат различное число нейтронов.

Радиоактивный распад - превращение атомов в атомы других эле-

ментов, сопровождающееся излучением

1. Условие стабильности ядер элементов:

N » 1 + 0.015 * A 2/3 , A < 250

Z

4 He

2. a - излучени е: излучаются положительно заряженные ядра 2 ,

которые могут отклоняться электрическим и магнитным полем.

A K ® A -4K

+4 a

Закон a - распада: Z 1

Z -2 2 2

226 R a ®

222 R n + 4 a

Пример: 88

86 2

3. b - - излучени е: излучаются электроны, которые могут отклоняться

электрическим и магнитным полем.

A K ®

A K + 0e

Закон

b - - распада: Z 1

Пример: 82

214 B i + 0

4. b + - излучени е: излучаются позитроны, которые могут отклоняться

электрическим и магнитным полем.

A K ®

A K + 0

Закон

b + - распада: Z 1

+1e

30 B i + 0

5. g - излучени е: излучаются g - кванты, которые не могут отклонять-

ся электрическим и магнитным полем. При этом ядро атома из возбуж-

денного состояния переходит в состояние с меньшей энергией, заряд яд-

ра и массовое число не меняются. g - излучение сопутствует a - и

b - распадам

Ключевы е термины

- Атомизм - Элементарные частицы

- Аннигиляция - Типы фундаментальных взаимодействий

11. Концепции биологических систем.

Термин «биосфера» введен в 1875 году австрийским геологом и па- леонтологом Э.Зюссом для обозначения сферы жизни на Земле. Пред- шествующие естествоиспытатели использовали понятия «картина при- роды» ,«пространство жизни» ,«живая оболочка Земли», схожие с поня- тием «биосфера» по содержанию.

По-разному трактовалась учеными роль живых организмов в био-

сфере: в основном отмечалась зависимость живых организмов от окру- жающей среды, от сил и веществ неживой природы; обратному же влиянию живых организмов на окружающую среду, на ее состав и свой- ства, как правило, не придавалось значения. ЖБ.Ламарк первым отметил огромную роль живых организмов в образовании земной коры, высказав мысль о том, что все вещества на Земле сформировались в результате деятельности живых организмов.

По современным представлениям биосфера являет собой единство живой и неживой природы, в котором существуют и взаимодействуют живые организмы с физическими, химическими, геологическими факто-

рами окружающей среды; между живой и неживой природой существу-

ют обратные связи, как положительные, так и отрицательные, которые влияют на состояние природных систем Земли. Положительные обрат-

ные связи играют важную роль при разрушении сложившихся связей в природных системах в процессе их эволюции и образовании новых свя- зей, определяющих новое состояние природных систем . Отрицательные

связи, напротив, способствуют устойчивости природных систем, обере- гая их от разрушения и восстанавливая прежние кондиции природных систем Земли. Именно благодаря отрицательным обратным связям при-

родные системы способны гасить антропогенное давление на окружаю-

щую среду и поддерживать системы в квазиустойчивом состоянии.

тем

Влияни е обратных связей в системах на характеристики сис-

1. Система без обратных связей

x (t) y(t)

k y(t)=kx(t)

где х(t)- воздействие на систему ;

у(t)- отклик ( реакция системы );

k - коэффициент передачи системы.

Если система линейна, то формы y(t) и x(t) одинаковы,- система функционирует как преобразователь воздействия без искажения его формы. При этом понятие формы может быть отнесено как к временной зависимости воздействия и отклика системы, так и к их законам распре- деления. В нелинейных системах формы y(t) и x(t) неодинаковы.

2. Система с положительной обратной связью ( ПОС ).

x(t) e(t) к y(t)

y(t) = k + x(t)

+

z(t) m

где х(t)- воздействие на систему- «входной сигнал » системы;

у(t)- отклик ( реакция системы )- «выходной сигнал» системы;

k - коэффициент передачи системы ( без обратной связи );

m -коэффициент обратной связи;

z (t )- отклик системы по каналу обратной связи- «сигнал обратной связи» системы;

k + - коэффициент передачи системы, охваченной положительной обратной связью .

Определим связь коэффициентов передачи в системе без обратной

связи и в системе с положительной обратной связью.

В системе c ПОС выполняются следующие соотношения:

e(t)=x(t)+z(t) ; y(t)=ke(t) ; z(t)=my(t),

откуда следует, что k + =

y (t )

x (t )

k

= 1 - m k .

Полученное соотношение показывает, что в системах с положительной обратной связью коэффициент передачи системы возрастает по сравне- нию с коэффициентом передачи системы без обратной связи. Кроме того

k + в предельном переходе ( m ® 0

) обращается в

k . ( Принцип до-

полнительност и в системах с обратными связями ).

Пример положительной обратной связи в природных системах

y(t)

Единичный случай заболевания гриппом воздушно- капельным способом

( y(t)- количество заболевших, чел. )

t

y(t)

Рост заболеваемости

2 1 - быстрый рост засчет наличия в системе ПОС;

2 - насыщение

1 ( y(t) - количество заболевших , чел. )

t

В системах с положительной обратной связью даже незначи- тельное воздействие на систему усиливается по каналу обратной связи и в дальнейшем ведет ко все большему увеличению отклика системы, неограниченный рост которого может привести систему к распаду. Реальные природные системы спасает от распада их сущест- венная нелинейность, благодаря которой имеет место насыщение откли-

ка, то есть такое состояние системы, при котором дальнейшее увеличе-

ние входного сигнала не сопровождается изменением выходного сигна-

ла и система переходит в квазиустойчивое состояние.

В системах с ПОС преобладает разрушительная тенденция перехо-

да системы в новое состояние, предшествующее воздействию на систе-

му.

3. Система с отрицательной обратной связью ( ООС ).

x(t) e(t) к y(t)

y(t) = k - x(t)

-

z(t) m

где х(t)- воздействие на систему ( «входной сигнал » системы );

у(t)- отклик ( реакция системы )- «выходной сигнал» системы;

k -коэффициент передачи системы ( без обратной связи );

m -коэффициент обратной связи;

z (t )- отклик системы по каналу обратной связи-«сигнал обратной связи» системы;

k - - коэффициент передачи системы, охваченной отрицательной обратной связью.

В системе c ООС выполняются следующие соотношения:

e(t)=x(t)-z(t) ; y(t)=ke(t) ; z(t)=my(t),

откуда следует, что k - = y (t ) = k .

x (t )

1 + mk

Полученное соотношение показывает, что в системах с отрицатель- ной обратной связью коэффициент передачи системы убывает по срав- нению с коэффициентом передачи системы без обратной связи. Кроме того это соотношение также подтверждает принцип дополнительности,

согласно которому k - в предельном переходе ( m ® 0

) обращается в k.

В системах с ООС преобладает стабилизирующая тенденция со- хранения состояния системы, предшествующего воздействию на систе- му.

Пример отрицательной обратной связи в природных системах

x(t)

Разовый выброс загрязняющих веществ в атмосферу

t

y(t)

Компенсация загрязнения в биосфере ( гомеостаз )

( y(t)- концентрация загрязняющих веществ

t

В системах с отрицательной обратной связью воздействие на

систем у ослабляется по каналам обратной связи и ведет к стабили- зации отклика системы . Реальные природные системы благодаря от- рицательным обратным связям способны компенсировать возмущаю- щие воздействия биотической и абиотической природы.

В.И.Вернадский ввел понятие живого вещества, как совокупности живых организмов, считая, что «живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней свя- заны, являются огромной геологической силой ее определяющей». Все вещества В.И.Вернадский разделяет на живые, косные (атмосфера, горные породы, минералы ) и биокосные ( почвы, поверхностные воды). Доля живого вещества составляет в биосфере около 1%. По образному выражению другого естествоиспытателя - немецкого ученого Юлиуса Майера ( 1817-1878 ), живое вещество есть создание солнечного луча.

C oлнце является основным источником энергии биосферы и ре-

гулятором всех геологических, химических и биологических процессов

н а Земле. Оно обеспечивает возможность протекания жизненных процессов, поставляя высококачественную энергию организмам, ко-

торые преобразуют солнечную энергию в другие виды энергии, в ча-

стност и , в тепловую энергию.

Другим важным процессом, обеспечивающим возможность жизни

на Земле, являются биогеохимические круговороты веществ в биосфе-

ре, происходящие между атмосферой,земной корой, гидросферой и жи-

выми организмами ( био- жизнь, гео- земля).

Существует два типа геохимических круговоротов: круговороты га-

зообразных веществ ( 1 тип ) и осадочные цицлы ( 2 тип ).

Тип ы геохимических круговоротов

Круговороты Осадочные циклы газообразных ( 2 тип ) веществ ( 1 тип )

атмос ф ер а живое Земная кора вещество

гидросфера

Особенности биогеохимических круговоротов веществ 1 типа:

перемещени е и преобразование веществ происходит между живыми организмами, атмосферой и гидросферой; процессы быстротечны ( несколько часов, дней ). Основными являются круговороты следую- щих веществ: C,O,H,N.

Особенности биогеохимических круговоротов веществ 2 типа: перемещение и преобразование веществ происходит между живыми организмами, земной корой и гидросферой; процессы медленные (не- сколько сотен, миллионов лет). Основными являются круговороты следующих веществ: S, P.

Отличи я живого вещества от косного:

- процессы в живом веществе протекают значительно быстрее;

- живые организмы изменяютcя при изменении условий окружающей среды ( адаптируются к изменениям окружающей среды );

- в живом веществе могут происходить качественные изменения.

Высокая скорость протекания процессов в живом веществе обу- словлена присутствием в них ферментов - биологических катализато- ров, ускоряющих на несколько порядков скорости химических реакций в процессе обмена веществ организма с внешней средой. Особая роль в живом организме принадлежит аминокислотам и белкам .

Роль аминокислот в живом организме.

Аминокислотами называются карбоновые кислоты, в углеводород- ном радикале которых один или несколько атомов водорода замещены аминогруппами. Аминокислоты делятся на алифатические, ароматиче- ские и гетероциклические (см. Таблицу. «Aминокислоты, входящие в состав белков», стр.29).

В клетках и тканях встречаются свыше 170 аминокислот, но в со- став белков входят только 20 из них; из элементов - таких, как углерод, кислород, водород и азот. Аминокислоты играют в белках роль мономе- ров. У каждой аминокислоты есть карбоксильная группа (-СООН) и аминогруппа (-NH2), присоединенные к одному атому углерода. К од- ному же атому присоединена и одна из многих возможных белковых групп. Все 20 аминокислот и отличаются этими белковыми группами. В организме человека 12 аминокислот могут синтезироваться, а остав- шиеся 8 должны поступать с пищей. Разные белки образуются при со- единении аминокислот в разной последовательности.

Растения могут синтезировать все аминокислоты из более простых веществ, а животные - только часть из них. Оставшиеся аминокислоты, которые называют "незаменимыми", организм животного должен полу- чать с пищей. Обычно аминокислоты представляют из себя бесцветные кристаллические вещества, которые растворяются в воде, но нераство- римы в органических растворителях. В нейтральных водных растворах они ведут себя, как амфотерные соединения (проявляют свойства и ки- слот, и оснований), и существуют в виде биполярных ионов. Каждая аминокислота характеризуется своим значением рН, при которой амино- кислота электрически нейтральна (в электрическом поле не перемещает-

ся ни к аноду, ни к катоду), называемым изоэлектрической точкой ами-

нокислоты. Амфотерная природа аминокислот дает им способность пре- пятствовать в растворах изменению рН: при увеличении рН среды они выступают как доноры положительных ионов водорода, при понижении

- как их акцепторы.

Аминокислоты связаны пептидной связью, поэтому длинную цепь из аминокислот называют полипептидом. Они содержат от 100 до 300 аминокислот. Молекулы гемоглобина состоят из четырех полипептид- ных цепей, состоящих из 145 аминокислот каждая.

Для правильного функционирования такие цепи должны быть опре- деленным образом ориентированы в пространстве и поэтому они скру- чены и флуктуируют во времени: в них происходят повороты вокруг разных связей. Но эта внутренняя свобода является ограниченной, по- скольку структура белков строго упорядочена.

Между положительно и отрицательно заряженными боковыми группами аминокислот устанавливается ионная связь, между атомами, несущими частично положительные и частично отрицательные заряды, - водородная связь, между атомами серы и двумя молекулами аминокис- лоты цистеина - ковалентная связь.

Таблиц а . Aминокислоты, входящие в состав белков.

Неполярные боковые цепи стремятся объединиться друг с другом и