Реферат: Пространственная симметрия у живых организмов
Реферат: Пространственная симметрия у живых организмов
Министерство образования и науки
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
Алтайский государственный технический
университет им. И.И. Ползунова
Кафедра естествознания
и системного анализа
Реферат
по теме
Пространственная
симметрия у живых организмов
Барнаул 2007
Оглавление
Глава 1. Понятие симметрии
Глава 2. Методологическая
роль симметрии в науке. Симметрия у живых организмов
Глава 3. Симметрия ДНК
Список литературы
Глава 1. Понятие симметрии
Симметрия
представляет такую особенность природы, про которую принято говорить, что она
фундаментальна, охватывает все формы движения и организации материи. Истоки
понятия симметрии уходят в глубокую древность. В.И. Вернадский писал:
"...представление о симметрии слагалось в течение десятков, сотен, тысяч
поколений. Правильность его проверена реальным коллективным опытом и
наблюдением, бытом человечества в разнообразнейших природных земных условиях.
Этот опыт многих тысяч поколений ясно указывает на глубокую эмпирическую основу
этого понятия и ее существования в той материальной среде, в которой жил
человек, в биосфере... Переходя к историческому времени, мы видим, что понятие
"симметрия" выросло на изучении живых организмов и живого вещества, в
первую очередь человека". Само понятие "симметрия", связанное с
понятием красоты или гармонии, произошло из Древней Греции (5 в. до н.э.).
Греческое слово simmmetria
означает нечто гармоничное, однородное, соразмерное, пропорциональное в
объекте, т.е. тот способ согласования многих частей, с помощью которого они
объединяются в целое. Пифагору принадлежит бессмертная идея о всеобщей
гармонии, лежащей в основе мироздания. Заложенная Пифагором вера в красоту и
гармонию природы, в простоту и целесообразность ее законов, построенных на
единых математических принципах, окрыляла творчество величайших ученых от И.
Кеплера (1571-1630) до А. Эйнштейна (1879-1953). Это и есть путеводная звезда
современного естествознания, тот вечный кладезь мудрости, который открыл
человечеству Пифагор.
Существуют
два представления о симметрии. Одно из них, идущее от античной культуры,
связано с пропорциями; здесь "симметрия обозначает тот вид согласованности
отдельных частей, которая объединяет их в единое целое". Это наиболее
древнее представление до 19 века оставалось и наиболее распространенным в
описании гармонии естественных систем и систем, созданных человеком. Второе
представление о симметрии ведет начало с 1872 года, когда немецкий математик
Ф.Клейн провозгласил знаменитую "Эрлангенскую программу". По
современному определению "симметрия - понятие, характеризующее переход
объектов в самих себя или друг в друга при осуществлении над ними определенных
преобразований (преобразований симметрии); в широком плане - свойство
неизменности (инвариантности) некоторых сторон, процессов и отношений объектов
относительно некоторых преобразований".
Глава 2. Методологическая роль симметрии в науке. Симметрия у живых
организмов
Использование
принципа симметрии на границе 19-20 вв. позволило получить выдающиеся
достижения в различных областях науки. Немецкий математик Ф. Клейн,
рассмотревший различные геометрии как категории инвариантов определенных групп
преобразований внес существенный вклад в формирование современного понятия
симметрии, тесно связанного с инвариантностью и теорией групп. Русские
кристаллографы А.В. Гадолин и Е.С. Федоров создали учение о пространственной
симметрии. В физике теоремы Э. Нетер позволили связать пространственно-временную
симметрию (инвариантность) уравнений физики с сохранением фундаментальных
величин - энергии, импульса, количества движения. Новые аспекты физического
содержания симметрии в рамках теоретико-группового подхода были вскрыты
специальной (СТО) и общей (ОТО) теориями относительности, а также квантовой
механикой и квантовой теорией поля. Помимо получения ряда выдающихся конкретных
результатов в физике, концепция симметрии привела к перевороту в философских
основаниях физики, изменив представление о том, что следует считать исходными
законами физики.
В
наши дни идея симметрии выполняет важную методологическую роль не только в
математике и физике, в технике и искусстве, но начинает проникать в химию и
биологию.
Несомненно,
что использование методов симметрии неоценимо для познания биологических
явлений, для нахождения сути и простоты в этом сложнейшем классе природных
явлений. Существует мнение, что использование симметрии и теории групп в
биологии позволит получить даже более выдающиеся результаты, чем в физике. К
сожалению, симметрийный подход к биологическим объектам как методологический
прием стал развиваться только в последние десятилетия 20 века. Наиболее
глубокое и обобщающее развитие идей биосимметрии и исчерпывающее изложение
общих задач и следствий дано в работах Ю.А. Урманцева. Во многом благодаря
работам Урманцева в биологии сформировалось новое научное направление -
биосимметрика, изучающая вопросы симметрии, их нарушение, симметризацию и
десимметризацию в живой природе, биологические инварианты, биологические законы
сохранения и соответствующие группы преобразований. Ю.А. Урманцев внес огромный
вклад в развитие почти всех сторон биосимметрики, особенно в создание теорий
дисфакторов и биологической изомерии, на основе которых им была развита
универсальная ОТС. В объяснении природы левого и правого в симметрии был сделан
крупный шаг с введением понятия диссимметрирующих факторов (сокращенно
называемых дисфакторами), т.е. таких отличительных особенностей и признаков у
объектов, которые делают их правыми или левыми Положение теории биологической
изомерии Ю.А. Урманцева и его ОТС принципиально важны для правильного понимания
деятельности живых систем. Значительный вклад в биосимметрику сделал А.П. Дубров,
разработавший важное направление в биологии и медицине - функциональную
биосимметрику. Функциональная биосимметрика обосновывает вариабельность
медико-биологических свойств, параметров и показателей жизнедеятельности
человека, животных, растений и микроорганизмов. Следует отметить, что интерес к
симметрии среди ученых, занимающихся проблемами организации биосистем,
неуклонно возрастает. В последние годы появился ряд работ, посвященных общим
проблемам симметрии живых систем и выявлению симметрии в конкретных
биообъектах. В некоторых из этих исследований представлена роль особых чисел и
безразмерных отношений в организации живого и симметрийных преобразованиях
живых систем.
Под
симметрией в биологии часто понимают повторение частей у животных или растений
в определенном порядке, соотношение частей тела в размере, форме и
относительном расположении, на противоположных сторонах от линии деления или
распределенных вокруг центральной точки или оси. За исключением радиальной
симметрии, внешняя форма имеет мало отношения к внутренней анатомии, так как
животные, очень различные по анатомической конструкции, могут иметь один тип
симметрии.
Некоторые
животные, в частности большинство губок и амебовидные протозоа, лишены
симметрии, имеют или нерегулярную форму, различную у разных особей, или вообще
не имеют определенной формы. Однако большинство животных представляют собой
различные формы симметрий – сферическую, радиальную, бирадиальную и
билатеральную.
При
сферической симметрии, которая имеется только у некоторых групп протозоа
(радиолярии, гелиозоа), тело имеет сферическую форму, и части тела расположены
концентрически или радиально от центра сферы. У таких животных нет концов или
сторон тела и любая плоскость, проходящая через центр, поделит его на
эквивалентные половины. Сферический тип симметрии возможен только у очень мелких
животных с простой внутренней конструкцией, так как для сферы внутренняя масса,
с увеличением внешней поверхности и сложности, растет слишком быстро для
эффективного функционирования.
Тело
с радиальной симметрией имеет общую форму цилиндра или шара, с центральной
осью, от которой расходятся части тела или вдоль которой они расположены
регулярно. Основная ось гетерополярна, т.е. с неодинаковыми концами, один из
которых несет ротовое отверстие и называется оральным концом (антериор) и
другой, называемый аборальным концом (постериор), формирует заднюю часть
животного и может нести анус. За исключением животных, имеющих нечетное число
частей тела, расположенных в циркулярном порядке (морские звезды), любая
плоскость, проходящая через ось, делит его на две симметричные части. Животные
с тремя, пятью, семью и т.д. частями по кругу имеют симметрию, которую можно
называть, соответственно, 3-лучевой, 5-лучевой, 7-лучевой и т.д. (или
поворотной). Только определенные плоскости, проходящие через ось, могут поделить
такое животное на симметричные половины. Радиальную симметрию находят у
кишечнополостных и иглокожих. Однако она не обязательно присуща животному в
течение всей его жизни. Личинки офиур, например, имеют зеркальную симметрию, а
взрослые особи – симметрию пятого порядка. Надо отметить, что поворотная
симметрия пятого порядка особенно часто встречается в органическом мире. У
кристаллов имеются поворотные симметрии только 2-го, 3-го, 4-го и 6-го
порядков.
При
бирадиальной симметрии, в дополнение к оси антериор-постериор, существуют две
других оси симметрии с правильными углами к ней и друг к другу: саггитальная,
или срединная вертикально-продольная, и трансверзальная, или поперечная, оси.
Такие животные, следовательно, имеют не только два конца, но также и две пары
симметричных сторон. У них имеется две плоскости симметрии, одна проходит через
оси антериор-постериор и саггитальную, другая – через оси антериор-постериор и
трансверзальную. Такая бирадиальная симметрия наблюдается у медуз-гребешков.
Страницы: 1, 2, 3 |