Симметрия в природе

Сибирский институт – филиал

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

 высшего профессионального  образования 

«Российская академия народного  хозяйства и государственной

службы при Президенте Российской Федерации»

 

Факультет государственного и муниципального управления

Контрольная работа(РЕФЕРАТ)

на тему: Симметрия в природе

 

 

 

Проверил:

//////////////////////

Выполнил:

//////////////////////

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новосибирск  
2012

"Симметрия, как бы  широко или узко мы не понимали  это слово, есть идея, с помощью  которой человек пытался объяснить  и создать порядок, красоту  и совершенство".

 

Что же такое "симметрия"? Когда мы смотрим в зеркало, мы наблюдаем в нем свое отражение - это пример "зеркальной" симметрии. Зеркальное отражение - это пример так  называемого "ортогонального" преобразования, изменяющего ориентацию.

Нельзя забывать при этом, что симметрия ясно представляется в строении человеческого тела, в  форме плоскостей симметрии и  зеркальных плоскостях симметрии: в  правых и левых кистях рук, в ступнях  ног и т.д. Она же проявляется  в гармонии человеческих движений, как в танцах, так и в технической  работе, где проявляется геометрическая закономерность.

Переходя к историческому  времени, мы видим, что понятие «симметрия»  выросло на изучении живых организмов и живого вещества, в первую очередь  человека. Само понятие, связанное с  понятием красоты или гармонии, было дано великими греческими ваятелями, и  слово «симметрия» этому явлению  отвечающее, приписывается скульптуру Пифагору из Регнума (Южная Италия, тогда Великая Греция), жившему в V веке до нашей эры».

Существует множество  определений симметрии:

Значение слова Симметрия  по Ефремовой:

 Симметрия - Соразмерное,  пропорциональное расположение  частей чего-л. по отношению  к центру, середине.

Значение слова Симметрия  по Ожегову:

 Симметрия - Соразмерность,  одинаковость в расположении  частей чего-нибудь по противоположным  сторонам от точки, прямой или  плоскости 

Симметрия в Энциклопедическом словаре:

 Симметрия - (от греч. symmetria - соразмерность) - в широком смысле -инвариантность (неизменность) структуры, свойств, формы материальногообъекта относительно его преобразований (т. е. изменений ряда физическихусловий). Симметрия лежит в основе законов сохранения.

Но наиболее полным и обобщающим все вышеперечисленные определения  мне кажется мнение Ю.А. Урманцева: «Симметрией называется всякая фигура, которая может совмещаться сама с собой в результате одного или нескольких последовательно произведенных отражений в плоскостях. Другими словами про симметричную фигуру можно сказать: «Eadem mutate resurgo» - «Измененная, я воскресаю той же самой» - надпись под очаровавшей Якоба Бернулли (1654-1705) логарифмической спиралью».

 

 

 

 

Симметрия и асимметрия в природе 

Симметрия и асимметрия являются объективными свойствами природы, одними из фундаментальных в современном естествознании. Симметрия и асимметрия имеют универсальный, общий характер как свойство материального мира.

Симметрия (от греч. symmetria – соразмерность, порядок, гармония) является всеобщим свойством природы. Представление о симметрии у человека складывалось тысячелетиями. Термин «симметрия» фигурирует в представлениях человека как элемент чего-то «правильного», прекрасного и совершенного. В своих раздумьях над картиной мироздания человек определял симметрию как магическое качество природы, ее целесообразность, совершенство и старался отразить эти свойства в музыке, поэзии, архитектуре. В определенной мере симметрия выражает степень упорядоченности системы. В связи с этим имеется тесная корреляционная связь энтропии как меры неупорядоченности с симметрией: чем выше степень организованности вещества, тем выше симметрия и ниже энтропия.

Степень симметрии природных систем отражается в симметрии математических уравнений, законов, отображающих их состояние, в неизменности каких-либо их свойств  по отношению к преобразованиям  симметрии.

Симметрия – это понятие, отражающее существующий в природе порядок, пропорциональность и соразмерность  между элементами какой-либо системы  или объекта природы, упорядоченность, равновесие системы, устойчивость, то есть некий элемент гармонии.

Асимметрия  – понятие, противоположное симметрии, отражающее разупорядочение системы, нарушение равновесия, что связано с изменением и развитием системы.

Из определений симметрии и  асимметрии следует, что развивающаяся  динамическая система должна быть обязательно  несимметричной и неравновесной.

Современное естествознание представлено целой иерархией симметрий, которая  отражает свойства иерархии уровней  организации материи. Выделяют различные  формы симметрий: калибровочные, пространственно-временные, изотопические, перестановочные, зеркальные и т. д. Все эти виды симметрий подразделяются на внешние и внутренние.

Внутреннюю симметрию невозможно наблюдать, она скрыта в математических уравнениях и законах, выражающих состояние  исследуемой системы. Пример тому –  уравнение Максвелла, описывающее  взаимосвязь электрических и  магнитных явлений, или теория гравитации Эйнштейна, связывающая свойства пространства, времени и тяготения.

Внешняя симметрия (пространственная или геометрическая) представлена в  природе большим многообразием. Это симметрия кристаллов, молекул, живых организмов.

Для чего нужна симметрия живому и как она возникла?

Живые организмы формировали свою симметрию в процессе эволюции. Зародившиеся в водах океана, первые живые организмы  имели правильную сферическую форму. Внедрение организмов в другие среды  заставляло их адаптироваться к новым  специфическим условиям. Один из способов такой адаптации – симметрия  на уровне физической формы. Симметричное расположение частей органов тела обеспечивает живым организмам равновесие при  движении и функционировании, жизнестойкость и адаптацию. Довольно симметричны  внешние формы крупных животных, человека. Растительный мир организмов также наделен симметрией, что  связано с борьбой за свет, физической устойчивостью к полеганию (закон всемирного тяготения). Например, конусообразная крона ели имеет строго вертикальную ось симметрии – вертикальный ствол, утолщенный книзу для устойчивости. Отдельные ветви симметрично расположены по отношению к стволу, а форма конуса способствует рациональному использованию кроной светового потока солнечной энергии, увеличивает устойчивость. Таким образом, благодаря притяжению и законам естественного отбора ель выглядит эстетически красиво и «построена» рационально. Внешняя симметрия насекомых и животных помогает им держать равновесие при движении, извлекать максимум энергии из окружающей среды и рационально ее использовать.

В физических и химических системах симметрия приобретает еще более  глубокий смысл. Так, наиболее устойчивы  молекулы, обладающие высокой симметрией (инертные газы). Симметрия молекул  определяет характер молекулярных спектров. Высокая симметрия характерна для  кристаллов. Кристаллы – это симметричные тела, их структура определяется периодическим  повторением в трех измерениях элементарного  атомного мотива.

Асимметрия также широко распространена в мире.

Внутреннее расположение отдельных  органов в живых организмах часто  асимметрично. Например, сердце расположено  слева у человека, печень – справа и т. д. Л. Пастер, французский микробиолог и иммунолог, выделил левые и правые кристаллы винной кислоты. Молекула ДНК асимметрична – ее спираль всегда закручена вправо. Все аминокислоты и белки, входящие в состав живых организмов, способны отклонять поляризованный луч света влево.

В отличие от молекул неживой  природы, где левые и правые молекулы встречаются часто, то есть носят  в основном симметричный характер, молекулы органических веществ характеризуются  ярко выраженной асимметрией. Придавая большое значение асимметрии живого, В. И. Вернадский предполагал, что именно здесь проходит тонкая граница между  химией живого и неживого. Л. Пастер также, основываясь на этих признаках, провел границу между живым и  неживым. Следует также отметить, что живые организмы (растения) в процессе жизнедеятельности поглощают из окружающей среды (почвы) в значительной степени химические соединения минеральной пищи, молекулы которой симметричны и в своем организме превращают их в асимметричные органические вещества: крахмал, белки глюкозу и т. д. Симметрия молекул пищевых веществ живого организма согласуется с симметрией молекул самого организма. В противном случае пища будет несовместимой (ядовитой).

Структура компонентов клетки также  асимметрична, что имеет большое  значение для ее обмена веществ, энергетической обеспеченности, а также способствует более высокой скорости протекания биохимических реакций.

Симметрия и асимметрия – это  две полярные характеристики объективного мира. Фактически в природе нет  чистой (абсолютной) симметрии или  асимметрии. Эти категории – противоположности, которые всегда находятся в единстве и борьбе. Там, где ослабевает симметрия, возрастает асимметрия, и наоборот. На разных уровнях развития материи  ей свойственна то симметрия, то асимметрия. Однако эти две тенденции едины, а их борьба носит абсолютный характер. Эти категории тесно связаны  с понятиями устойчивости и неустойчивости систем, порядка и беспорядка, организации  и дезорганизации, отражающими свойства систем и динамику развития, а также  взаимосвязь между динамическими  и статическими законами.

Полагая, что равновесие есть состояние  покоя и симметрии, а асимметрия приводит к движению и неравновесному состоянию, можно считать, что понятие  равновесия играет в биологии не менее  важную роль, чем в физике. Принцип  устойчивости термодинамического равновесия живых систем характеризует специфику  биологической формы движения материи. Именно устойчивое динамическое равновесие (асимметрия) является ключевым принципом  постановки и решения проблемы происхождения  жизни.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Симметрия, проявляясь в  самых различных объектах материального  мира, несомненно, отражает наиболее общие, наиболее фундаментальные его свойства. Поэтому исследование симметрии  разнообразных природных объектов и сопоставление его результатов  является удобным и надежным инструментом познания основных закономерностей  существования материи.

Ю.А. Урманцев вообще полагал, что «на основе биологических законов сохранения, разнообразных инвариантов, симметрии законов живой природы относительно тех или иных преобразований рано или поздно удастся глубже проникнуть в сущность живого, объяснить ход эволюции, ее вершины, тупики, предсказать неизвестные сейчас законы, теоретически возможные и действительные числа типов, классов, семейств… организмов».

И ведь это вполне возможно, так как при всем многообразии живых организмов, принцип симметрии  действует всегда, устанавливая связь  между самыми разными объектами, как это верно заметил известный  ученый Дж. Ньюмен: «Симметрия устанавливает забавное и удивительное родство между предметами, явлениями и теориями, внешне, казалось бы, ничем не связанными: земным магнетизмом, женской вуалью, поляризованным светом, естественным отбором, теорией групп, инвариантами и преобразованиями, рабочими привычками пчел в улье, строением пространства, рисунками ваз, квантовой физикой, лепестками цветов, интерференционной картиной рентгеновских лучей, делением клеток морских ежей, равновесными конфигурациями кристаллов, романскими соборами, снежинками, музыкой, теорией относительности...".

 

Использованная  литература

 

 

1. . А.В. Шубников. Симметрия. М., 1940.
2. Концепции современного естествознания_под ред Михайлова Л.А_Учебник_2008
3. Урманцев Ю.А. Симметрия природы и природа симметрии — М.: Мысль, 1974г
4. Современный словарь иностранных слов. — М.: Русский язык, 1993г.