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第三专题自然界的演化图景 自然界演化的历史性自然界演化的规律性自然界演化的方向性自然界演化的机制 一 自然界演化的历史性 一 宇宙的演化1 有关宇宙的认识 20世纪前 静态宇宙 思辨和猜测 亚里思多德 布鲁诺 牛顿 康德 克劳修斯 爱因斯坦 20世纪以来 动态宇宙 弗里德曼 哈勃定律 伽莫夫 霍金 2 宇宙动态演化的理论基础 伽莫夫的大爆炸理论及随后发展的暴胀宇宙论 3 演化过程 宇宙开端 奇点 宇宙时为零 超大统一力场支配的阶段 宇宙时0 10 43秒 温度为1030k 混沌场及量子力学真空涨落阶段 宇宙时为10 43 10 35秒 温度为1028k 宇宙的暴胀阶段 宇宙时为10 35 10 32秒 此时 每隔10 34秒宇宙体积便增大一倍 到宇宙时10 10秒时 温度为1015k 暴胀的结果产生大量的基本粒子和四种力 从此 宇宙进入形成阶段 基本粒子形成阶段 宇宙时为1秒 各类正反强子的成对生成 湮灭 光子 辐射阶段或核合成阶段 宇宙时1 3分钟 特点 辐射占优势 实物占次要地位 温度为109k时 开始核反应形成化学元素 实物阶段 宇宙演化时为104年 温度为105k 此时自由电子被原子核俘获形成原子 进入实物阶段 70万年时 形成原始星系 50亿年时 形成第一代恒星 4 支持大爆炸理论的事实根据 河外星系的普遍红移宇宙中普遍存在的氦丰度约为30 3k微波背景辐射被证明是大爆炸的遗迹 二 恒星的起源和演化 1 理论基础 弥漫说2 过程 引力收缩阶段 幼年期 时间大约几万年到几亿年 主要能源是引力势能 主序性阶段 成年期 几百万年至上百亿年 辐射压力与引力均衡 红巨星阶段 老年期 几千万年至10多亿年 高密恒星阶段 衰亡期 核反应停止 能源枯竭 3 恒星归宿 质量小于太阳8倍及与太阳相当的恒星的变为白矮星质量大于太阳8倍的变为超新星质量比太阳8倍更大的恒星塌缩为黑洞还有一些转化为星云物质 开始新一轮的演化 三 地球的起源和演化 1 演化观点 弥漫说赫顿 地球理论 隆起说 鲍曼 收缩说 放射性元素大陆漂移学说 海底扩张学说 板块构造学说 2 地球形成的两大阶段 天文时期 包括从地球诞生到原始地壳的形成 形成自身圈层结构 大气圈 水圈 地质时期 包括从原始地壳的形成到现在 此时 发生了地壳运动 海陆变迁 气候冷暖交替 出现生物生存的条件 四 生命的起源和生物的进化 1 理论基础 达尔文进化论 米勒实验 得克萨斯大学实验 超循环理论2 演化阶段 从无机分子到有机分子从有机小分子到生物大分子从生物大分子到原始生命从非细胞到细胞从单细胞到多细胞从低等生物到高等生物 五 思考 到目前为止 自然界演化经历了四代 第一代 宇宙的进化 第二代 物能系统的进化 第三代 生物系统的进化 第四代 人类的进化 那么 没有外环境的宇宙靠什么动力进化 物能系统和生物系统进化有统一的机制吗 如何实现从物能系统到生物系统的突变式进化 二 自然界演化的规律性 一 演化的不可逆性1 三种时间观 牛顿不变时间观 热力学退化时间观 达尔文进化时间观 2 两种冲突 可逆与不可逆冲突 进化与退化冲突 3 自组织理论解决了进化与退化的矛盾 1 自组织概念 理论 耗散结构理论 I Prigogine 协同学 H Haken 突变论 R Thom 超循环理论 M Eigen 等 自组织定义 如果一个系统在获得空间的 时间的或功能的结构过程中 没有外界的特定干涉 我们便说该系统是自组织的 自组织理论解决了物理 化学的退化与生物的进化矛盾 自组织现象是世界的一种的普遍现象 2 自组织的条件 开放系统 与环境交换物质 能量 信息的系统 系统熵变公式 ds dis des 其中 ds表示系统的总熵 dis表示系统内部所产生的熵 叫做熵产生 根据热力学第二定律dis 0 des表示系统与环境交换的熵 叫做熵流 可正可负 系统状态分析图表 注意 系统的开放度系统与环境的边界 远离平衡态 平衡态处处均匀 无序 近平衡态有一定的差异 最终会趋向无序 趋使系统远离平衡状态依靠开放及内在因素 正反馈 起着放大系统内部差异的作用 非线性作用 恩格斯 相互作用是事物的真正的终极原因 相互作用有线性和非线性之分 应该说非线性是事物发展的终极原因普里高津 对于耗散结构所必须的另一个基本特征是在系统的各个元素中存在着一种非线性机制 非线性三个特点 相干性 非加和性 多重选择性 巨涨落 孤立系统和开放系统中的涨落其表现不同 孤立系统 忽略不计 开放系统 巨涨落 分叉点上系统有序结构的重新形成取决于在外部环境影响下系统内部快速增长的巨涨落 涨落导致有序 普利高津 举例 贝纳德对流 激光系统意义 自组织理论揭示了自然界系统演化的统一性 4 自组织规律 协同规律 突变规律 对称性破缺规律 二 自然界演化发展的周期性1 普遍性2 多样性 质的多样性 长短多样性 环节与阶段多样性 3 开放性 三 自然界演化发展的动力 1 非生命界演化发展的动力是吸引与排斥的矛盾2 生物进化的动力是动物与环境的相互作用3 协同学对自然界矛盾动力的丰富和深化 三 自然界演化的方向性 一 两种方向 进化和退化进化指物质系统在演化中从无序到有序 从低序到高序的过程 退化指物质系统在演化中从有序到无序 从高序到低序的过程 进化与退化非简单对立 而是相互依存 相互渗透 相互交替的关系 二 进化与退化的特点自发性特点 稳定性重建特点 离散性特点 四 自然界演化的自组织机制 一 热寂说 麦克斯韦妖 自组织理论 二 自组织现象的基本特征 动态性或微观可变性 适宜的开放性或非平衡约束 长程相干或非线性 内随机性或自主不确定性 内反馈 复杂性 三 自然界演化的自组织机制1 开放性与封闭性机制图示 输入信息 自然界 输出 开放性 引入熵流 驱使系统走向不稳定 封闭性 稳定对系统进化有利的组分 通过开放与封闭实现自然界系统的有序化发展 2 对象性组合机制非对象的存在物 是世界上根本不可能有的怪物 马克思 对象性指此存在物对彼存在物的倾向性 通过对象性寻找 识别 结合进化的对象形成高一层次的进化系统 3 系统调控机制自然的