第二章 自然界的存在方式和演化发展1.ppt

第二章自然界的存在方式和演化发展 第一节自然界的物质形态 一 自然界的物质性 1 自然界物质的客观实在性和可知性 什么是物质 辩证唯物主义的物质范畴 物质范畴的含义 matter 辩证唯物主义自然观认为 物质是不依赖于意识 精神而独立存在的客观实在 物质与意识 2 自然界物质形态的多样性和统一性 1 宇宙万物在化学元素上具有统一性 2 宇宙万物在基本粒子上具有统一性 3 实物和场两种基本物质形态的统一性 二 自然界的系统属性 系统论贝塔朗菲Bertalanffy Ludwigvon 1901 1972 美籍奥地利理论生物学家 一般系统论的创始人 1901年9月19日生于奥地利首都维也纳附近的阿茨格斯多夫 1972年6月12日卒于纽约州布法罗 1926年获维也纳大学哲学博士学位 在该校任教 1937年起 先后在美国芝加哥大学 加拿大渥太华大学 阿尔贝塔大学 纽约州立大学等处任教 1954年 与A 拉波包特等人一起创建一般系统论研究会 出版 行为科学 杂志和 一般系统年鉴 贝塔朗菲的重要贡献之一是建立关于生命组织的机体论 并由此发展成一般系统论 1937年 提出了一般系统论的初步框架 1945年在 德国哲学周刊 18期上发表 关于一般系统论 的文章 但不久毁于战火 未被人们注意 1947年在美国讲学时再次提出系统论思想 1950年发表 物理学和生物学中的开放系统理论 1955年专著 一般系统论 成为该领域的奠基性著作 60 70年代受到人们重视 1972年发表 一般系统论的历史和现状 把一般系统论扩展到系统科学范畴 什么是系统 一般系统论思想认为 系统是指由若干相互联系 相互作用的要素组成的具有一定的结构和功能的有机整体 一 系统方式的基本特点 1 系统是由若干要素组成的 什么是要素 要素是对自然界物体的部分 组分 个体和单一物等共性的概括和抽象 是构成系统的基本单元 是系统的基础和实际载体 系统与要素的关系 系统中要素的性质 状态发生变化 必然引起系统整体功能的变化 但要素又要受到系统的控制 服从系统整体最佳状态的需要 2 系统具有一定的结构 什么是结构 结构是指系统的各要素之间的排列顺序和组合方式 3 系统具有一定的功能 什么是功能 功能是指系统所具有的作用 行为 能力和功效 结构与功能的相互制约一方面表现为结构决定功能另一方面表现为功能对结构的反作用例子 猿的劳动直立行走手的进化尾巴的退化 4 系统处在一定的环境之中 二 系统整体与部分的关系 1 整体与部分的相互制约关系整体由部分组成 整体必须依赖部分 部分是整体的部分 必须受到整体的控制和支配 2 整体与部分的的加和性即系统整体等于部分之和 3 整体与部分的的非加和性 一是系统的整体在质上小于各要素之和 三个和尚没水吃 二是系统整体大于各要素之和 人心齐 泰山移 离开身体的手就不再具有手的功能 黑格尔 人体系统 三 物质系统的层次结构 科学的自然观认为 物质这个整体大系统所包含的具有结构和功能的各个物质系统并不是各自孤立的 而是分为不同层次 相互联接起来 构成了物质世界辩证发展和普遍联系的立体图景 一 自然界是有层次的什么是层次 层次是自然界物质系统的一种存在状态 就是自然界物质系统在发展过程中形成的具有不同尺度 质量和规律的阶梯或关节点 1 非生命界的物质层次 分为三个层次 即宇观层次 宏观层次和微观层次 微观层次 包括夸克 基本粒子 原子核 原子 分子等层次 微观系统的各个层次具有共同的基本属性 波粒二象性 一般说来 它们都服从量于力学规律 分子 原子 包括地球上的物体 卫星 行星 恒星等层次 对宏观系统层次的运动规律则用牛顿力学 麦克斯韦电磁理论以及热力学描述 恒星 宏观层次 包括星团 星系 星系团 超星系团 总星系等层次 它们的运动需要用广义相对论 宇宙电动力学和星系力学进行描述 太阳系 银河系 宇观层次 2 生命界的物质层次 生物大分子层次细胞层次生物个体层次群体层次生态系统层次 二 层次结构关系的基本规律 1 层次结构的结合能与层次尺度成反比的规律层次尺度越小 层次越低 结合能越大 其要素间结合的密度就越大 反之 层次尺度越大 层次越高 结合能越小 其要素间结合的密度就越小 意义 层次越低 越难认识 为此采用黑箱方法 控制论的方法 加以认识 黑箱方法 含义 所谓黑箱 又称黑系统 是指人们对其内部要素和结构尚不清楚的系统 许多系统的内部组成和结构我们无法理解或不便于直接了解 这样的系统通常被称为黑箱 特点 1 我们只能通过信息输入和输出的变化对其考察 而不知其内部要素和结构 2 黑箱是相对于一定的认识主体而言的 一个系统对于不同的人来说 可能是黑箱也可能是灰箱 内部要素 构造和机制部分被认识的系统 黑箱随着科学技术的进步和人们认识能力的提高 会逐步地在人们面前转化为灰箱和白箱 黑箱方法 是指在不打开黑箱的条件下 利用外部观测 试验 通过考察黑系统的信息输入和输出的动态过程 研究其特性 功能或行为方式 以推测或探求系统内部结构和运动规律的科学方法 如医生诊治疾病就是通过量体温 测血压 望 闻 问 切 触 叩 听及相关的生理 生化试验收集信息 给病人使用试探性药物或其它相应措施 再根据病人的反应来综合作出诊断的 这是较典型的黑箱方法 根据 黑箱方法的根据是结构与功能的辩证联系 结构深藏于内 功能表现于外 结构是功能的基础 功能是结构的表现 功能对结构也有反作用 我们通过研究系统的功能就可以推测和认识其结构 黑箱方法有重要意义和作用 1 它提供了研究复杂系统和不能打开或不便打开的黑系统的研究方法 2 科学面对的原初系统 一般都是黑箱 如早期的人体 人脑 细胞 原子 地球等 随着使用黑箱方法对这些黑系统的研究 使许多研究对象逐步转化为灰系统或白系统 人们的认识就是一个不断地接触黑箱 研究黑箱 转化黑箱的过程 黑箱方法的局限性 它只研究系统的功能和行为方式 进而推测内部的结构及机制 却不能真正理解其功能的结构基础 特别是由于系统的功能与系统的结构之间并非总是单值对应关系 还存在着异构同功的情况 因而运用黑箱方法对系统的内部要素 结构和机制的推测结论具有或然性 2 高层次系统和底层次系统具有双向因果关系的规律低层次系统是高层次系统的基础和根源 上向因果关系 高层次系统对低层次系统的控制和支配作为原因 在低层次系统中引起某些结果 下向因果关系 意义 上向因果关系的存在 为科学研究提供了从低层次系统的规律入手阐明高层次现象的可能性 下向因果关系的存在 保证了从高层次系统的规律出发 对组成高层次系统的低层次系统的规律和现象做出解释和预言的可能性 第二节自然界的演化发展 现代自然科学证明 自然界是一个历史过程 是一个永恒发展着的物质世界 整个自然界 从最小的东西到最大的东西 从沙粒到太阳 从原生生物到人 都处于永恒的产生和消灭中 处于不断的流动中 处于无休止的运动和变化中 一 天体的起源和地球的演化 一 天体的起源什么是天体 宇宙间各种星体 例如 星云 恒星 卫星 彗星和流星等 包括地球在内统称天体 天体演化和物质结构 生命起源属于自然科学的三大基本问题 太阳系的起源 什么是太阳系 太阳系是太阳 行星 卫星 小行星 流星体及星际物质组成的天体系统 关于太阳系的起源有两个基本问题 一是行星的物质来源 二是行星的形成方式 关于行星物质来源的假说不下数十种之多 择其要者不外四大类 一是分出说 包括各种灾变说 爆发说和抛出说 二是俘获说 代表人物 施密特 前苏联 三是大爆炸宇宙说 这是西方比较流行的一种假说 主要观点来自伽莫夫等 他们认为宇宙始于一次大爆炸 整个范围出现一种热平衡 物质成分由平衡条件而定 四是原始星云说 这一假说的创始人是康德及其后的拉普拉斯又为近代学者所修正补充 包括苏联的施密特和中国的戴文赛在内 对原始星云作出过贡献 原始星云说是更广泛地被学者接受的假说 根据这一假说 恩格斯指出 形成我们宇宙岛的太阳系的炽热原料 是按自然的途径 即通过运动的转化产生出来的 而这种转化是运动着的物质本来具有的 从而转化的条件也必然要被物质再生产出来 恩格斯还把天体起源归结为天体物质的收缩和膨胀 凝聚和扩散的相互转化 随着宇宙学的发展 康德 拉普拉斯星云假说中暴露了不少缺点 一些天文学家提出的关于天体起源的其它假说 对天体的演化和发展作了进一步的说明 恩格斯关于天体起源是物质自身演化过程的思想对现代宇宙学的研究仍具有指导意义 恒星的起源和演化 恒星的起源有两种假说 一是超密说 认为宇宙起源于一种高温 超密的物质 温度高达150亿度 密度为水的1亿亿倍 这种超密物质猛烈爆炸 方向相同和速度相等地扩散物质 最后便集聚成恒星 此说实际是大爆炸宇宙说 二是弥漫说认为恒星也是由星云形成的 恒星的原始材料是星际弥漫物质 由于星际物质的密度不均匀 各部分的湍动速度也不均匀 密度大的部分成为吸引中心 形成星云 星云在旋转中互相碰撞 发展为团块 一部分团块吸引周围的微粒越来越大 形成一个球体 恒星的形成经历了星际物质 星云 球状体的阶段 恒星的演化经历了幼年 壮年 老年阶段 幼年期 即引力收缩阶段 成年期 即主序星阶段 中年期 即红巨星阶段 老年期 即高密恒星阶段 二 地球的演化 地球的历史大概是46亿年的历史 这些圈层包括地核 地幔 地壳 水圈 气圈 1 地球内部圈层的形成和演化 在天文时期 由于地球内部温度上升 以铁 镍等重金属元素组成的物质向地心沉聚 形成地核 以硅酸盐等组成的比较轻的物质上升 形成具有可塑性的地幔 随着地幔的冷却 表层凝聚形成了坚硬的原始地壳 在原始地壳分化过程中 由于高温作用 氢 氦 氖等物质蒸发 形成了原始地球的大气圈 以后 大气圈中的一部分水蒸汽随着温度的下降 变成液态水 落到地球表面形成水圈 2 地球外部圈层的形成和演化 在地质时期 地球上发生了造山运动和海陆分化 发生了三次剧烈的气候变化 即三次大冰期 在三次大冰期之间有两次间冰期 第三次冰期发生在距今200万年前 一直延续到今天 地球表面的造山运动和海陆分化是地壳运动的结果 3 地壳运动和海陆变迁 三 生命的起源和生物的进化 1 生命的起源生命起源是现代自然科学研究的一大基本问题 我从哪里来 恩格斯在总结十九世纪自然科学成就的基础上 对生命的本质 作了精辟的论述 他指出 生命是蛋白体的存在方式 这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新 恩格斯指出 生命起源必然是通过化学的途径实现的 这一演化过程经历过五个大的阶段 第一阶段 从无机物到有机物 形成机体的有两类物质 即致生元素和致生分子 致生元素有氢 碳 氮 磷 硫以及少量的钙 镁和铁等 在元素演化过程中又是最早生成的 致生分子有氮 甲烷 二氧化碳 甲醛和水蒸气 第二阶段 从简单的有机物到复杂的有机物 月球岩石可分离出多种氨基酸 殒石中可分离出二 三十种氨基酸 而氨基酸又是蛋白质的基本单位 第三阶段 从复杂的有机物到生命的基础物质 氨基酸和核酸 第四阶段 从生物大分子 核酸分子和蛋白质分子 到有代谢机能的团聚体或类蛋白微球体 这是原始生命的过渡形态 第五阶段 从过渡型的团聚体到原始生命 这是前细胞形态的生物 它在结构上比团聚体复杂 在化学成分上可能跟病毒接近 生命起源的化学进化阶段 经历了十几亿年之久 原始生命诞生之后 就进入了生物进化阶段 生命的演化分为两大支 一支沿着植物的途径 从原始的单细胞植物发展成了庞大的植物体系 一支沿着动物的途径 从原始的单细胞动物发展成了庞大的动物体系 2 生物的进化 生命演化的历史就是 从一个简单的细胞开始 怎样由于遗传和适应的不断斗争而一步一步地前进 一方面进化到最复杂的植物 另一方面进化到人 的历史 生命起源于35 40亿年前 在生物史经历了细菌和蓝藻时代 真核藻类和无脊椎动物时代 鱼类时代 两栖类时代 植物和爬行类 恐龙类 时代 被子植物和哺乳类时代 大约300万年前 才开始了人类时代 地质史说明 太古代的末期是细菌和兰藻的世界 古生代初期 三叶虫是海洋的主人 中期是鱼类极盛的时代 晚期是两栖类极盛时代 古生代是恐龙的世界 新生代是哺乳类和鸟类的世界 恐龙绝灭了 人类的历史不过300多万年 人类是生物长期进化发展的结果 从单细胞动物到人 其中经历了从单细胞到多细胞 从二胚层到三胚层 从无脊椎到有脊椎 从水生到陆生的漫长发展演化过程 在动物界进化的同时 植物界也经历着从单细胞到多细胞 从简单到复杂 从水生到陆生 从低等到高等的发展 自然界从天体到人类的起源和发展说明 自然界 不是一成不变的事物的集合体 而是过程的集合体 其中各个似平稳定的事物以及它们在我们头脑中的思想映象即概念 都处在生成和灭亡的不断变化中 自然规律的根本属性是它的客观性 列宁说过 当我们不知道自然规律的时俟 自然规律是在我们的意识之外独立地存在着并起着作用 使我们成为 盲目的必然性 的奴隶 一经我们认识了这种不依赖于我们的意志和我们的意识而起着作用的规律 我们就成为自然界的主人 3 自然界演化的不可逆性 可逆与不可逆即钟表世界的和演化世界的两分图景 4 自然界演化的方向性 方向性是自然界变化的一种内在本质属性 自然界的演化是具有众多方向的 同时以概率大的方向为主 三 自然界演化的自组织机制及规律性 组织和自组织 他组织组织自组织 一个系统的要素是按照内部彼此的相干性 协调性或某种默契而形成的特定结构和功能的过程 系统自组织规律 1 协调规律2 突变规律3 对称性破缺规律 四 自然界演化发展的规律性 一 矛盾是自然界演化发展的根本动力 二 自然界运动转化的守恒性1 转化和守恒的含义转化性是说 转化为一切自然物体所具有 任何物体都从他物转化而来 又要向他物转化而去 概莫能外 说的是转化的变动性 守恒性说的是自然界运动中的不变性 这种不变性同自然界的变化直接相联系 2 转化守恒的普遍性质量守恒 能量守恒 动量守恒 角动量守恒 电荷守恒等定律从不同的角度描述了自然界各种物体之间的转化守恒关系 3 认识自然界物质转化守恒的意义 有助于正确研究方向的确定 有助于在科学研究中作出新的发现和发明 三 自然界演化发展的周期性及其无限性 三 自然界的循环发展 一 循环发展的含义循环发展作为自然界物质运动的基本趋向 有着特定的内容 自然界的运动既是循环 又是发展 既前进 又后退 既上升 又下降 既进化 又退化 既趋向复杂 又趋向简单 既趋向有序 又趋向无序 既有从低级向高级的发展 又有从高级向低级的发展 从而形成了自然界纷繁复杂的永恒发展图景 自然界循环发展的一个重要表现是周期性 自然界的循环发展是有序和无序的统一自然界物质运动的循环发展还是可逆和不可逆 进化和退化的统一 自然界物质循环发展中还存在着进化和退化的矛盾 二 循环发展的普遍性 在天体系统中在宏观领域 在微观领域 在生命运动中 三 循环发展的多样性 首先 循环发展有质上的多样性其次 循环发展周期长短的多样性再次 周期环节与阶段的多样性 最后 呈现周期所需的特定条件也是多种多样的 四 循环发展的有限性和无限性 恩格斯说 无限时间内宇宙的永远重复的连续更替 不过是无限空间内无数宇宙同时生存的逻辑补充 恩格斯说 物质的任何有限的存在方式 不论是太阳或星云 个别的动物或动物种属 化学的化合或分解 都同样是暂时的 五 认识自然界物质循环发展的意义 1 有助于对自然界发展的整体统一性的认识 2 有助于科学上的发现和发明 生命系统的复杂性 从最一般的意义上来讲 生命系统的复杂性包括四个方面 构成要素的多元性 多样性和层次性 行为的随机性 不确定性和非周期性 属性 状态的多样性和奇异性 运动的不稳定性和不可逆性 第一节生命概念的演化发展 一 古代目的论的生命现二 近代自然科学对生命的认识三 19世纪科学革命对生命认识的深化四 20世纪生命科学的发展及复杂性生命观的建立 第二节自组织理论与生命的进化 一 超循环与生命的起源生命存在的必要条件是 自复制 以保持物种的存在 变异和选择 以放大和完善物种的可性 代谢 以补偿熵的产生 德国生物化学家艾根建立了一种循环耦合的模型 可以通过物理和化学的机制来实现这些条件 循环包括三个不同的层次 反应循环催化循环超循环 在反应循环中 某一步反应的产物正好是先前某一步反应的底物 例如在太阳中氢聚变为氦的碳 氮循环中 碳原子既是反应物又是生成物 整个反应循环所构成的有序活动结构相当于一种催化剂 其产物的增长是线性的 催化剂在循环中再生出自己 以反应循环作为子系统 彼此联结起来 构成一个由反应循环构成的循环系统 这就是催化循环 催化循环是反应循环的耦合 是比反应循环高一级的结构 这种由低级循环形成高级循环的过程称为会聚 在催化循环中 由多个反应循环构成一个环路 每一个反应循环的产物都是下一步反应循环的催化剂 这样就形成了一个自催化的系统 自催化剂被不断地产生出来或复制出来 因此整个系统具有自复制能力 其产物也呈指数增长 生化反应中也有许多自复制的催化循环 例如单链RNA的自复制 双链DNA的自复制都是催化循环 每一种生物大分子都是一个自催化的体系 如果以这些体系为子系统 按照彼此不同的功能协同联结 形成一个环路 就会会聚成更高一级的循环组织 超循环 生物大分子体系就是超循环结构 在超循环中 每个子系统既能指导自己的复制 又能对下一个中间物 子系统 的产生提供催化支持 超循环显著的特点是具有整合性 允许相互竞争的子系统之间形成协同作用 更重要的是 超循环产物理论上按双曲线增长 这是一种比指数增长更为迅速的增长方式 它使超循环系统一旦形成 其产物能够在很短时间内取得支配地位 以突变的形式实现进化过程 生命现象 哪怕是最简单的生命现象 也是跟超循环相联系的 例如 Q 噬菌体感染细菌细胞的过程 就是一个简单的超循环形式 Q 噬菌体是现在所了解的一种最简单的细菌病毒 它包含了一个由4000个核苷酸组成的单链RNA分子 当它感染细菌细胞时 RNA 正链 进入宿主细胞 利用宿主内的翻译机制和原料合成RNA复制酶 然后在复制酶的帮助下复制出RNA 负链 以该负链为模板再复制出RNA正链 在整个过程中 RNA的翻译和复制都是催化循环 而它们一旦联结成一个整体 就能使噬菌体这个物种延续下去 反应循环 催化循环和超循环的联系在于 反应循环加速反应速度 提供了物理运动向化学运动转化的条件 催化循环可以使一定量的信息在亲代与子代之间的逐代传递中保持稳定不变 而超循环则不仅能使单元信息保持不变 还能使不同功能单元的联合稳定保持 使系统呈现出复制 代谢 变异和选择等生命的基本特征 二 生命进化过程中的信息增长 三 非线性与生物的进化 第三节生命系统结构与功能的复杂性 一 生命结构的复杂性二 细胞分裂与凋亡 三 生命系统在不同层次上所发生的调控过程 当抗原物质进入人体时 刺激人体产生第一抗体 第一抗体上的独特型决定簇 ld 被还原成抗原 诱发产生与独特型决定簇结合的第二抗体 Anti ld 生物体对抗原的免疫应答就是通过ld与Anti ld调节的 当抗原物质入侵机体时 受抗原刺激 B和T细胞增殖 抗体水平升高 ld随之升高 进而引起携带Anti ld受体的细胞增殖 Anti ld产生又可引起Anti anti ld产生 如此循环往复 形成免疫网络 总之 生命系统的识别和调控过程是系统不同层次之间上下向因果联系的实例 生物分子层次的识别是调控作用的具体体现 但它又受到细胞层次调控作用的导引 同理 细胞层次的调控是器官和系统层次调控的基础 但同时也要受到器官和系统调控的支配 这种支配由被称为细胞通讯的相互作用组织起来使器官和系统的活动表现出特定的生命功能 生命整体的调控是最高层次的调控它把各个器官和系统组织起来体现出生命高度有序的整