Модель изображения связей живой и неживой природы: Окружающий мир 2 класс Как изготовить 1-2 модели связей в природе?

ГДЗ по Окружающему миру 2 класс учебник Плешаков 1 часть ответы стр 73


Объясни, о каких невидимых нитях говорится в рассказе. Как ты думаешь, почему дятел летом питается насекомыми, а зимой – семенами хвойных деревьев? Почему дятла называют лесным врачом?

Ответ:

В рассказе говорится о невидимых нитях, которые соединяют живую и неживую природу, а так же природу и человека. В живой природе есть связь между разными представителями живых организмов. Одни звери питаются другими, так, например, дятел питается насекомыми. В холодное время он подстраивается под окружающую среду и ищет себе еду в семенах, которые спрятаны в шишках.

Я думаю, что летом дятел питается насекомыми, потому что все птицы ими питаются. Летом на природе много жучков, поэтому дятел может с легкостью отыскать для себя пищу. Зимой насекомые прячутся в почву. Птице трудно их достать, поэтому они ищут для себя еду в шишках.

Дятла называют лесным врачом, потому что он питается теми насекомыми, которые вредят деревьям. Он извлекает их из-под коры и не позволяет погибнуть дереву.


Подробнее о жизни дятла и о его «кузнице» ты можешь прочитать в книге «Зеленые страницы».

Ответ:

Подробности о жизни дятла

Самцы дятлов легко отличаются от самок. У них есть на туловище красное пятнышко, которого нет у представительниц противоположного пола. В зимнее время дятлы меняют свой образ жизни. Они переходят на семена шишек, которые гораздо проще найти в период зимы. Дятлы очень аккуратно и тщательно вытаскивают все семена из шишек, чтобы не расходовать их зря. Они имеют свою особую «кузницу», найдя трещину в дереве или пеньке. За день дятел успевает обработать до 70 шишек.


С помощью рисунков проследите связи в природе. Расскажите о них. Подумайте, как человек может нарушить эти связи. К каким бедам это приведет?

Ответ:

На первом рисунке показаны божьи коровки и тля. Первые жучки питаются вторыми насекомыми. Если исчезнет тля, то божьим коровкам будет нечего есть. Если же пропадут божьи коровки, то тля расплодится и уничтожит множество растений.

На второй картинке показано, как пчела опыляет цветок и из его нектара делает мед. Если пчел не будет в природе, то цветы не смогут размножаться, потому что именно пчелы их опыляют. Без цветочков пчелки не смогут делать свой мед, и им будет нечем питаться.

На третьей картинке синица кушает гусеницу. Гусеницы вредят деревьям, поедая их листву, поэтому птицы спасают растения от вредителей. Если не будет синичек, то гусеницы навредят большому количеству деревьев. Но и без гусениц птицам будет нечем питаться.


Предложите способ изображения связей с помощью моделей. Изготовьте 1-2 модели.

Ответ:

На слайде показаны три пищевые цепи, которые показывают, как связаны между собой разные животные и растения.

Мы можем заметить, что мышки питаются желудями, поэтому если не будет дубов, то им будет нечего есть. Из-за этого могут исчезнуть грызуны, и тогда лисам будет нечем питаться. Эти же желуди употребляют в пищу кабаны, которые служат едой для волков.

Вопрос 1

Приведите примеры связей в природе, между природой и человеком.


Ответ:

В природе существует множество связей между живыми организмами, а так же живой и неживой природой. Для всех растений и животных нужен солнечный свет и его тепло. Растения преобразуют лучики в питательные вещества, которые необходимы им для жизни. Многие растения человек употребляет в пищу.

Рыбам для жизни нужна вода. Они плавают в ней, растут и развиваются. Затем человек вылавливает рыбу и употребляет ее в пищу.

Вопрос 2

Как по вине человека могут быть нарушены невидимые нити?


Ответ:

Человек может из-за невнимательности разрушить невидимые нити. Он может загрязнить атмосферу, воду и почву совей деятельностью. Из-за этого пострадают растения, животные и сами люди.

Учебник Плешаков 2 класс. 1 часть. Страницы 64, 65, 66, 67

Страницы: 64, 65, 66, 67

Невидимые нити

Вспомни, как связаны между собой неживая и живая природа.

Живая природа не может существовать без неживой природы. Все живые организмы нуждаются в воздухе, солнечном тепле, воде, почве.

Но живая природа оказывает влияние на многие объекты неживой природы, так отмирающие части растений со временем становятся почвой, плодородным перегноем.

О каких невидимых нитях говорится в рассказе? Придумай название рассказа.

В рассказе говорится о невидимых нитях, которые связали между собой деревья. Кустарники, птиц и насекомых — вредителей.

Не стало кустарников, негде стало жить птицам. Улетели птицы, расплодились вредители. Расплодились вредители, из-за чего стали погибать деревья.

Это невидимые связи между объектами живой природы.

Для рассказа «Невидимые нити» можно предложить другое название «Ошибка лесничего».

С помощью рисунков проследите связи В природе. Расскажите о них. Подумайте, как человек может нарушить эти связи. К каким бедам это приведёт?

Божьи коровки поедают тлю, которая питается соками растений. Если человек уничтожит божьих коровок, расплодится тля и растения, нужные человеку, будут погибать.

Пчела опыляет цветок, и собирает мед, который откладывает в улье. Если человек заберет весь отложенный пчелой мед, то пчелы погибнут от голода зимой. Значит следующим летом некому будет опылять цветы, они не дадут плодов, и погибнут.

Синица ест гусениц, которые питаются листьями деревьев. Если человек уничтожит синиц, то некому станет есть гусениц. Гусеницы расплодятся, начнут объедать листья деревьев, и может погибнуть целый сад.

Предложите способ изображения связей с помощью моделей. Изготовьте 1-2 модели.

Модель связей в природе можно представить в виде схемы. На ней можно показать различные объекты живой и неживой природы, и отметить стрелочками связи между ними.

Если уничтожить волков, то лоси размножатся и съедят всю растительность, лишив лесных жителей пропитания и укрытия.

Ответы на вопросы в конце темы:

1) Приведи примеры связей в природе, между природой и человеком.

Человек тесно связан с природой.

Например, человек дышит кислородом который дают растения, питается дарами природы, носит одежду сделанную из шерсти и кожи животных.

2) Как по вине человека могут быть нарушены эти связи?

Человек может загрязнить природу продуктами своей жизнедеятельности. Вода станет грязной и рыба погибнет.

Человек может загрязнить воздух и почву и тогда будут болеть и погибать растения, а человек лишится их плодов.

Если вам понравился сайт, поделитесь страничкой в соцсетях, чтобы не потерять его:

 


Окружающий мир. Невидимые нити

Тема:  « Невидимые нити»  

Цель:  Формирование познавательных, регулятивных, коммуникативных, личностных, рефлексивных  УУД  учащихся 2 класса в предметной области «Окружающий мир» по теме «Невидимые нити».

Планируемые результаты:

— учащиеся научатся находить связи в природе, между природой и человеком, выявлять роль человека в нарушении этих взаимосвязей или сохранении их;

— получат возможность научиться осознавать необходимость сохранения живой и неживой природы;

— читать и обсуждать текст, делать выводы из изученного материала.

Учебные задачи, направленные на достижение личностных результатов обучения:

   —    формирование уважительного отношения к иному мнению;

   — формирование ценностного отношения к природе родного края, понимания необходимости сохранения живой и неживой природы.

Учебные задачи, направленные на достижение предметных результатов обучения:

   — освоение знаний по теме « Невидимые нити».  

Учебные задачи, направленные на достижение метапредметных результатов обучения:

 — формирование умения работать с новой информацией по теме «Невидимые нити» (отбирать, выделять, выстраивать логическую цепочку, делать выводы);   формирование умения устанавливать взаимосвязи в природе и выявлять роль человека в нарушении или сохранении их (познавательные УУД).

 — формирование умения слушать и слышать, выстраивать речевые высказывания;  формирование умений работать в статичных группах (коммуникативные УУД).

 — формирование начальных форм рефлексии (регулятивные УУД).

 — формирование творческих способностей учащихся в процессе создания моделей взаимосвязей в природе (личностные, познавательные УУД).

 

Ход урока

(Слайд 1)

Организационный момент.

Ну-ка, детки, встаньте в ряд.

Готов работать мой отряд?

К гостям красиво повернитесь

И очень дружно поклонитесь.

Все развернулись, раз, и два,

И тихо сели на места.

Глаза проверят: всё ль в порядке?

На парте книжки и тетрадки.

Все улыбнулись. Собрались!

Работать дружно мы взялись!

Минутка синоптика.

Слово учителя:

— Как всегда начинаем урок с минутки синоптика (Слайд 2)

Работа по дневнику погоды.

— Так вот, сегодняшнюю минутку синоптика Марк Ревизский проведёт в роли ведущего программы «Прогноз погоды»

— Добрый день! Сегодня 14 ноября температура воздуха утром составит 9 градусов тепла, днём до 13 градусов тепла.

В Донецке до самого вечера будет держаться пасмурная погода, без осадков. Ветер северо-западный 4 метра в секунду.

Народный прогноз погоды на сегодняшний день:

14 ноября считался началом зимы и первых морозов: «Кузьма-Демьян — кузнец, кует лед на земле и на воде». Если на Кузьму дороги развезет грязью, не стоит ждать мороза до самого декабря. А если в этот день выпадет снег, то будущая весна будет с большим разливом.

— Как вы думаете, зачем вести дневник наблюдений за погодой? (Ответы детей)

Заполняя дневник в течение года, по полученным результатам будет видно, как изменялась погода, в каком направлении, преимущественно, дуетветер в данной местности. По этим данным можно будет впоследствиипредсказывать погоду.

А это уже начальная работа метеорологическихисследований…. III. Эмоциональный настрой.

— Нашими помощниками на уроке как всегда будут: Муравьишка – Вопросик и Мудрая Черепаха (Слайд3)

— Ребята, все мы пользуемся своими правами. Каким вы правом воспользовались, когда пришли в школу? (Правом на образование)- Правильно правом на образование. Так вот, чтобы учиться на уроке, вы должны быть внимательными и должны хорошо работать. Сегодня на уроке вы будете работать в группах.

-Давайте, вспомним правила работы в группах. (Ответы детей)

-А вот какое качество вы еще будете применять при работе в группах, спрятано здесь – это секрет. И отроется этот секрет только в конце нашего урока, при условии, что вы будете с пониманием относиться друг к другу во время работы.- У каждого из вас также есть лист оценки (Слайд 4)

— задание вызвало

затруднения — сомневаюсь — задание выполнил с лёгкостью

Проверка

домашнего задания,

работа в группе, «Какие бывают животные»

Работа по теме урока.

Открытие новых знаний

Первичное закрепление.

Работа в группе «Невидимые нити»

Решение учебной задачи

Итог

1

2

3

4

5

IV. Мотивация к учебной деятельности.

Цель:

1) мотивировать учащихся к учебной деятельности;

2) определить содержательные рамки урока.

Посмотри, мой милый друг,

Что находится вокруг?

Небо светло-голубое,

Солнце светит золотое,

Ветер листьями играет,

Тучка в небе проплывает.

Поле, речка и трава,

Горы, воздух и листва,

Птицы, звери и леса,

Гром, туманы и роса.

Человек и время года-

Это всё вокруг… (Природа)

— Хотелось бы узнать ещё что-то новое об окружающем мире?

— Каким вы хотите, чтобы получился наш  урок? (Интересным, весёлым, познавательным) — Это будет зависеть от того, как мы будем помогать друг другу. Желаю вам сегодня на уроке узнать еще некоторые тайны окружающего мира!

V. Актуализация знаний и фиксация индивидуального затруднения в пробном действии

Цель:

1) актуализировать знания о видах животных.

— С чего мы начнём путь, к открытию новых тайн? (С повторения ранее изученного) (Слайд 5)

–Вспомните, что было на предыдущем уроке. ( Мы изучали тему: «Какие бывают животные».)

-Давайте разделимся на группы. (4 группы, руководителя группы выбирает каждая команда).

Руководители групп, получают от учителя лист с надписью одной из групп животных.

Проходит составление кластера на тему: « Какие бывают животные»:

Примерный ответ руководителя группы по плану: (Слайд 6)

Название группы животных.

Признаки этой группы животных.

Какие животные относятся к этой группе?

Полный и верный ответ приветствуется другими учениками аплодисментами.

1 группа:

2 группа:

3 группа:

4 группа:

     — А теперь, оцените свою работу. Возьмите «лист оценки» (колонка1)

VI. Физкультминутка

VII. Постановка проблемы

Цель:

определение темы и целей урока.

(Слайд 7)

На слайде появляются изображения листьев дуба, гусеницы, птицы.

— Подумайте, как связаны между собой листья дерева, гусеница, птица? (Гусеница питается листьями деревьев, а птица питается гусеницами.) Проверим, верно ли вы ответили.

(Слайд 7)

На слайде появляются стрелки, показывающие связь между изображениями листьев дуба, гусеницы, птицы.

— Что произошло бы в природе, если бы исчезли деревья? гусеницы? птицы?

-Предположите, о чём мы будем говорить на уроке. ( О том, как связаны растения и животные.)

— Давайте, проверим ваши предположения. Прочитайте тему урока на с. 64 учебника.

На слайде появляется тема урока: «Невидимые нити» (Слайд 8)

— Как вы понимание название темы сегодняшнего урока? О каких нитях будет идти речь?

— А теперь, прочитайте на с. 64 какую учебную задачу вам предстоит решить с Муравьишкой – Вопросиком (Слайд 9)

— С помощью «Светофора» оцените своё понимание цели сегодняшнего урока:

— не понял цель урока — сомневаюсь — понял цель урока

— Тема есть, цель есть приступаем к изучению нового материала.

VIII.Поиск решения проблемы и открытие нового знанияЦель: 1) формирование знаний о невидимых нитях.

-Давайте, вспомним, как связаны между собой неживая и живая природа?

(Ответы детей)

Работа по учебнику.

Чтение текста на с. 64, а c. 65 учебника закрыта. Дети, опираясь на свои домыслы дают ответ «Отчего деревья сохнут?» (Слайд 10)

Чтение с.65

— О каких невидимых нитях говорится в тексте? ( О нитях между растениями и животными, между человеком и живой природой.)

— Как бы вы озаглавили этот текст? (Лес и человек)

-Восстановим события, происходившие в тексте (Слайд 11)

Человек вырубил кустарники.         Исчезли птицы, которые гнездились в них.          Расплодились насекомые, стали есть листья и грызть корни деревьев.           Деревья высохли.

-Как вы думаете, чем всё закончилось?  (Ушли животные, так как им негде стало прятаться и нечем питаться.  Лес умер.)

-Кто виноват в этом? (Человек – лесничий.)

— С помощью рисунков (учебник с. 65) проследите связи в природе.

— Предложите способ изображения связей с помощью моделей. (Ответы детей)

Оцените свою работу. (лист оценки, колонка 2)

IX. Физкультминутка (Слайд 12)

X . Первичное закрепление

Цель: формирование умения определять связи в природе

— Какие существуют связи в природе? (Слайд 13) Вам сейчас это предстоит выяснить.

1.Работа в группах. (4 группы)

Каждой группе выдаётся конверт с текстами по теме «Невидимые нити», дети в группах должны составить модель связи, о которой прочитают.

1. Учащиеся читают текст, маркируя его специальными значками:

V — я это знаю;

+ — это новая информация для меня;

— — я думал по-другому, это противоречит тому, что я знал;

2.Защита созданных моделей.  Каждая группа прикрепляет к доске с помощью магнитов свою модель,  руководитель группы называет и показывает  взаимосвязи в природе. На выступление даётся 1 минута. Работа оценивается аплодисментами.

1 группа

— О какой группе связей идет речь?

Текст:

Солнце служит источником тепла и света для живых существ. Также живым существам необходимы воздух, вода.

Ответ:

Связь между неживой и живой природой.

2 группа

— О какой группе связей идет речь?

Текст:

Стремительно летали, рассеивая воздух длинными крыльями, ласточки и стрижи. На лету они ловили насекомых: мух, комаров, мошек. Разгуливал важный грач. Он глотал все, что подбирал съедобное: улитку, жука, гусеницу, разные плоды и семена. Цапля, стоя у воды, ловила лягушек, небольших рыбок, водных насекомых.

Ответ:

Связь между различными животными.

3 группа

— О какой группе связей идет речь?

Текст:

Человек с давних пор использует богатство земных кладовых. Одни — в строительстве, другие — для изготовления украшений.

Ответ:

Связь между природой и человеком.

4 группа

— О какой группе связей идет речь?

Текст:

Растения не только основная пища, но и убежище для многих животных. В чаще леса скрываются от врагов и выводят свое потомство крупные звери – кабаны, лоси. Лес помогает существовать и размножаться многим животным.

Ответ:

Связь между растениями и животными.

     Оцените, каждый, свою работу в группе. (лист оценки, колонка 3)                                    

Вывод:

Вот такие связи в природе между растениями и животными, живой и неживой природой называются невидимыми.

Работа по учебнику с. 66 – 67

Чтение учителем стихотворения Б. Заходера «Про всех на свете»

Эти нити на первый взгляд не видны, но существуют, есть в природе повсюду. Все действительно связано друг с другом как бы нитью. Но эта нить рвется, когда в природе что-то нарушается. И очень часто человек сам нарушает эти связи. Что человек может сделать для того, чтобы «невидимые нити» сохранялись?

               

XI. Рефлексия. Итоговая самооценка

Цель1) зафиксировать новое содержание, изученное на уроке;

           2) формирование навыка самооценки;

1. Подведём итог урока.

—  Какие перед нами стояли учебные задачи? Цели урока? (Слайд 14)

-Справились мы с ними? (Узнали… , научились…)

узнали, что такое НЕВИДИМЫЕ НИТИ,

научились находить связи в природе, между природой и человеком,

научились изображать изученные связи с помощью моделей.

Оцените, каждый, свою работу в группе. Справились ли вы с поставленной задачей? ( колонка 4)

— Ребята, вы очень хорошо работали, все старались. Интересно, что за слово спрятано у меня в секрете?

А вот какое качество вы еще будете применять при работе в группах, спрятано здесь – это секрет.

Это слово Сотрудничество (Слайд 15) Этосовместная деятельность, для достижения поставленной цели.- Это очень хорошее качество, которое необходимо применять при работе в группе. 

— Возьмите лист — оценки, оцените атмосферу сегодняшнего урока. На сколько он вам понравился, было ли вам интересно? (колонка 5)

Встаньте те, у кого все круги зеленого цвета, значит, вы потрудились на славу. — Есть у кого-то другие цвета в самооценке, значит нужно дома ещё раз внимательно прочитать с.64-67 – это ваше дом. заданиеIX. Домашнее задание.

— Что бы вы могли предложить в качестве домашнего задания? А вот мне хотелось бы предложить вам поработать в рабочих тетрадях с. 64-67(Слайд 16)

(Слайд 17)

1 группа

Прочитайте текст. О какой группе связей идет речь? Составьте модель

Солнце служит источником тепла и света для живых существ. Также живым существам необходимы воздух, вода.

2 группа

Прочитайте текст. О какой группе связей идет речь?

Стремительно летали, рассеивая воздух длинными крыльями, ласточки и стрижи. На лету они ловили насекомых: мух, комаров, мошек. Разгуливал важный грач. Он глотал все, что подбирал съедобное: улитку, жука, гусеницу, разные плоды и семена. Цапля, стоя у воды, ловила лягушек, небольших рыбок, водных насекомых.

3 группа

Прочитайте текст. О какой группе связей идет речь?

Человек с давних пор использует богатство земных кладовых. Одни — в строительстве, другие — для изготовления украшений.

4 группа

Прочитайте текст. О какой группе связей идет речь?

Растения не только основная пища, но и убежище для многих животных. В чаще леса скрываются от врагов и выводят свое потомство крупные звери – кабаны, лоси. Лес помогает существовать и размножаться многим животным.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/294758-okruzhajuschij-mir-nevidimye-niti

Конспект к уроку окружающего мира.2 класс. Тема.Невидимые нити.

Урок окружающего мира

Тема: « Невидимые нити» слайд 1

Цель: Формирование познавательных, регулятивных, коммуникативных, личностных, рефлексивных УУД учащихся 2 класса в предметной области «Окружающий мир» по теме «Невидимые нити».

Планируемые результаты:

учащиеся научатся находить связи в природе, между природой и человеком, выявлять роль человека в нарушении этих взаимосвязей или сохранении их;

— получат возможность научиться осознавать необходимость сохранения живой и неживой природы;

— читать и обсуждать текст, делать выводы из изученного материала.

Ход урока

1. Вызов слайд 2

Чтоб урок наш стал светлее, Мы поделимся добром.

Вы ладони протяните, В них любовь свою вложите,

Ей с друзьями поделитесь, и друг другу улыбнитесь.

2.Самоопределение к деятельности. Цель:1) мотивировать учащихся к учебной деятельности; 2) определить содержательные рамки урока. слайд 3

Когда ты идешь по тропинке лесной,

Вопросы тебя обгоняют гурьбой.

Одно «почему» меж деревьями мчится,

Летит по пятам за неведомой птицей.

Другое – пчелой забралось на цветок,

А третье – лягушкою скок в ручеек.

«Что» мышкой шныряет под листьями в норах,

«Кто» ищет в кустах притаившийся шорох,

Сидит «отчего» на зеленом листке,

«Куда» полетело верхом на жуке,

«Зачем» вслед за ящеркой влезло на пень…

Вопрос за вопросом, и так – целый день.

Пойдем-ка, дружок, по тропинке вдвоем

Ответы искать под зеленым шатром.

Прием « Микрофон»

-Что такое природа? Что мы называем « рукотворным миром»?

— Как делится природа? Что относится к живой природе? К неживой?

— Какие явления природы ты знаешь?

Характеристика сегодняшнего дня.23 ноября. Если в этот день появится иней — зима будет снежной, а если день начался большим туманом — жди оттепели.

— Какой сегодня день? (Ответ дежурного)

— А как вы думаете, все ли сведения об окружающем мире вы узнали?

— Хотелось бы узнать ещё что-то новое об окружающем мире?

-Каким вы хотите, чтобы получился наш  урок? (Интересным, весёлым, познавательным)
— Это будет зависеть от того, как мы будем помогать друг другу. Желаю вам сегодня на уроке узнать еще некоторые тайны окружающего мира!

3. Актуализация знаний. Цель:1) актуализировать знания о видах животных.

— С чего мы начнём путь, к открытию новых тайн?

(С повторения ранее изученного)

–Вспомните, что было на предыдущем уроке. (Мы изучали тему: «Какие бывают животные».)

Проходит составление кластера на тему: « Какие бывают животные»:

-Давайте разделимся на группы. Кто сегодня хочет быть руководителем группы?

Ученики, пожелавшие быть руководителями групп, снимают с доски лист с изображением животных.

Примерный ответ руководителя группы по плану:

  1. Название группы животных.

  2. Признаки этой группы животных.

  3. Примеры представителей группы.

Также у доски работают учащиеся индивидуально.

1задание: соедини группу животных с их признаками. (Карточки)

2 задание: напиши части строения растений. (Подписать рисунок)

Рубрика « Это интересно». Сообщения о животных.

4. Постановка проблемы. Цель:

1) определение темы и целей урока. слайд 4

1.На экране появляются изображения листьев дуба, гусеницы, птицы.

— Подумайте, как связаны между собой листья дерева, гусеница, птица? (Гусеница питается листьями деревьев, а птица питается гусеницами.) Проверим, верно ли вы ответили. На экране появляются стрелки, показывающие связь между изображениями листьев дуба, гусеницы, птицы.

— Что произошло бы в природе, если бы исчезли деревья? гусеницы? птицы?

-Предположите, о чём мы будем говорить на уроке. (О том, как связаны растения и животные.)

На экране появляется тема урока: «Невидимые нити». слайд 5

-Прочитайте тему урока. Понятна ли она вам?

-Какая учебная задача стоит перед нами на уроке? (Выяснить, что называют НЕВИДИМЫМИ НИТЯМИ.)

— Какие средства помогут нам открыть новые знания на уроке? Кто и что нам помогает? Откуда вы сможете получить эту информацию? слайд 6

— Откройте учебник на стр 64. Прочитайте, какие цели ставит перед нами Муравьишка. (будем учиться находить связи в природе, между природой и человеком; научимся изображать изученные связи с помощью моделей)

– Что такое МОДЕЛЬ? (МОДЕЛЬ – любой образ, изображение, схема какого-либо объекта, процесса или явления) слайд 7

5.Открытие нового знания. Цель: 1) формирование знаний о невидимых нитях.

— Как связаны между собой неживая и живая природа? (Живая природа не может существовать без неживой) слайд 8

Стратегия «Инсерт».Чтение текста на с. 64-65 учебника сильными учащимися. Во время чтения текста, ученики карандашом делают пометки, знаком ! выделяют новую информацию.

— О каких невидимых нитях говорится в тексте? (О нитях между растениями и животными, между человеком и живой природой.)

— Как бы вы озаглавили этот текст? (Лес и человек)

-Восстановим события, происходившие в тексте, в виде словесной цепочки.

Человек вырубил кустарники. Исчезли птицы, которые гнездились в них. Расплодились насекомые, стали есть листья и грызть корни деревьев. Деревья высохли. слайд 9

-Как вы думаете, чем всё закончилось? (Ушли животные, так как им негде стало прятаться и нечем питаться. Лес умер.)

-Кто виноват в этом? (Человек – лесничий.) слайд 10

ФИЗКУЛЬМИНУТКА слайд 11

Наши тонкие цветки распускают лепестки.

Ветерок чуть дышит, лепестки колышет.

Наши алые цветки закрывают лепестки,

Тихо засыпают, головой качают.

Весной бабочка проснулась, улыбнулась, потянулась.

Раз – росой она умылась, два – изящно покружилась,

Три – качнулась и присела и к цветочкам полетела.

6.Первичное закрепление Цель: формирование умения определять связи в природе

— Какие существуют связи в природе? Вам сейчас это предстоит выяснить.

1.Работа в группах. слайд 12

Каждой группе выдаётся конверт с текстами по теме «Невидимые нити», дети в группах должны составить модель связи, о которой прочитают.

2.Защита созданных моделей.

Каждая группа прикрепляет к доске с помощью магнитов свою модель, руководитель группы называет и показывает взаимосвязи в природе. На выступление даётся 1 минута. Работа оценивается аплодисментами.

1 группа — О какой группе связей идет речь?

Текст: Солнце служит источником тепла и света для живых существ. Также живым существам необходимы воздух, вода.

Ответ: Связь между неживой и живой природой.

2 группа — О какой группе связей идет речь?

Текст: Стремительно летали ласточки и стрижи. На лету они ловили насекомых. Разгуливал важный грач. Он глотал все, что подбирал съедобное: улитку, жука, гусеницу, разные плоды и семена. Цапля, стоя у воды, ловила лягушек, небольших рыбок, водных насекомых.

Ответ: Связь между различными животными.

3 группа — О какой группе связей идет речь?

Текст: Человек с давних пор использует богатство земных кладовых. Одни — в строительстве, другие — для изготовления украшений.

Ответ: Связь между природой и человеком.

4 группа — О какой группе связей идет речь?

Текст:

Растения не только основная пища, но и убежище для многих животных. В чаще леса скрываются от врагов и выводят свое потомство крупные звери – кабаны, лоси. Лес помогает существовать и размножаться многим животным.

Ответ: Связь между растениями и животными.

природа

живая неживая

природа человек Невидимые нити растения животные

животные животные

Вывод: слайд 13

Вот такие связи в природе между растениями и животными, живой и неживой природой называются невидимыми. Они на первый взгляд не видны, но существуют, есть в природе повсюду. Все действительно связано друг с другом как бы нитью. Но эта нить рвется, когда в природе что-то нарушается. И очень часто человек сам нарушает эти связи. Что человек может сделать для того, чтобы «невидимые нити» сохранялись?

просмотр фильма « Взаимосвязи в природе»

слайд 14

7.Рефлексия. Цель: 1) зафиксировать новое содержание, изученное на уроке; 2) формирование навыка самооценки;

1. Подведём итог урока. Чтение наизусть заранее подготовленными учениками стихотворения Б. Заходера «Все-все, все на свете, на свете нужны!»

-Справились мы с заданиями? (Узнали… , научились…)

  • узнали, что такое НЕВИДИМЫЕ НИТИ,

  • научились находить связи в природе, между природой и человеком,

  • научились изображать изученные связи с помощью моделей.

— Оцените свою работу на уроке, показав соответствующую карточку: зелёный – урок понравился; жёлтый – я узнал что-то новое; красный – буду читать книги о природе.

– Спасибо за плодотворную и активную  работу на уроке!

8.Домашнее задание. Нарисуйте плакат на тему « Невидимые нити» слайд 15

1 группа

Прочитайте текст. О какой группе связей идет речь?

Солнце служит источником тепла и света для живых существ. Также живым существам необходимы воздух, вода.

2 группа

Прочитайте текст. О какой группе связей идет речь?

Стремительно летали ласточки и стрижи. На лету они ловили насекомых. Разгуливал важный грач. Он глотал все, что подбирал съедобное: улитку, жука, гусеницу, разные плоды и семена. Цапля, стоя у воды, ловила лягушек, небольших рыбок, водных насекомых.

3 группа

Прочитайте текст. О какой группе связей идет речь?

Человек с давних пор использует богатство земных кладовых. Одни — в строительстве, другие — для изготовления украшений.

4 группа

Прочитайте текст. О какой группе связей идет речь?

Растения не только основная пища, но и убежище для многих животных. В чаще леса скрываются от врагов и выводят свое потомство крупные звери – кабаны, лоси. Лес помогает существовать и размножаться многим животным.

Компоненты экосистемы. Пример связи живой и неживой природы.

Мир живой и неживой природы всегда находится в тесном взаимодействии. Растения и животные являются живыми существами. Растениям для выживания нужен воздух, вода, свет, питательные вещества, пространство и оптимальная температура. Животные нуждаются в воздухе, пище, воде, укрытии и пространстве. Все живое на Земле способно размножаться и создавать себе подобных. Неживые природные объекты, такие как солнце, камни, вода и земля, не растут и не размножаются. Несмотря на очевидные отличия, живая и неживая природа (картинки ниже) тесным образом связаны между собой.

Живая и неживая природа

Земля наполнена биологическим разнообразием огромного количества форм жизни. Сюда относятся все живые организмы: растения, животные, люди. Мир также наполнен неживыми объектами. Неживые вещи не состоят из живых клеток, как правило, они не растут и не могут создавать себе подобных. Солнечный свет, воздух, горные породы, вода и формы рельефа (холмы, долины, горы) — все это примеры неживых объектов природы. Однако то, что они неживые, вовсе не означает, что они не важны для выживания других организмов.

Можно встретить следующий пример связи живой и неживой природы. Организмы нуждаются в почве, которая состоит из крошечных каменных кусочков и небольших фрагментов мертвых растений и животных. Живущие в почве существа чаще всего слишком малы, чтобы увидеть их без микроскопа.

Свойства живых организмов

Все живые организмы могут совершать движения, некоторые из них могут двигаться активно, бегать, ходить, плавать, летать (животные), а некоторые показывают незначительные перемещения в пространстве (растения). Все живое обменивается газами с окружающей их средой. Животные потребляют кислород и выдыхают углекислый газ. Этот процесс называется дыханием. Еще одним признаком, отличающим живую природу от неживой, является экскреция, или удаление продуктов обмена из организма. Если эти отходы будут долгое время оставаться в организме, они могут постепенно отравить его.

Когда живые существа питаются, они получают энергию. Часть этой энергии используется для роста. Организмы становятся крупнее и имеют более сложную организацию по мере своего взросления. Яркий пример связи живой и неживой природы демонстрирует зависимость животных и растений от окружающей их среды. Они реагируют на солнечный свет, тепло, холод и различные звуки, производимые неживой природой. Среди свойств живой природы важное место занимает способность к размножению. Причем этот признак характерен как для животных, так и для растений.

Компоненты экосистемы

Что такое экосистема? Это сообщество организмов, взаимодействующих друг с другом, а также с неживыми компонентами природы с целью устойчивого развития и адаптации к меняющимся условиям окружающей среды. Живая, неживая природа (2 класс в школе — время для изучения этой темы по природоведению) — все это компоненты экосистемы. Все живое в экосистеме является либо производителями, либо потребителями. Они называются еще биотическими компонентами.

Производители могут производить органические компоненты, например, растения с помощью фотосинтеза могут производить крахмал, углеводы, целлюлозу. Потребителями являются компоненты, которые зависят от производителей в зависимости от способа питания. Среди неживых объектов природы выделяются физические и химические факторы, которые непосредственно или косвенно влияют на живые организмы, например, воздух, вода, земля, камень и другие. Их еще называют абиотическими компонентами. Физические факторы включают в себя солнечный свет, воду, огонь, почву, воздух, температуру и другие. Химические факторы включают влажность, соленость воды, минералы, химические элементы и так далее.

Классификация экосистем

Можно привести такой пример связи живой и неживой природы, где благодаря абиотическим факторам различные экосистемы развиваются по-разному. Эти факторы, их взаимодействие друг с другом и с биотическими составляющими привели к формированию различных типов экосистем. Среди них есть наземная (леса, луга, тундра, пустыня), почвенная и водная (море, океан, реки, озера и так далее) экосистемы.

Мир неживой природы

В мире природы любой объект, который не обладает всеми характеристиками живых существ, является неживым компонентом экосистемы. Живая клетка состоит из ряда органических и неорганических химических веществ, которые сами по себе неживые, но в живом организме они становятся жизненно важными составляющими. Важнейшей характеристикой неживых вещей является отсутствие протоплазмы, которая является фундаментальной основой жизни.

Основные характеристики неживой природы

Неживая природа не состоит из клеток, для нее не свойственна структурная организация тканей, органов или систем органов. Как таковых размеров неживая природа также не имеет. Жидкости принимают форму емкости или контейнера, в котором они находятся. Вода при нагревании переходит в газообразное состояние или может быть даже заморожена до твердого состояния.

Движение никогда не происходит само по себе, оно возможно только при внешнем воздействии. Рост возможен только путем добавления материалов извне. Например, кристалл в растворе или снежинка может увеличиваться в размере за счет накопления частиц собственного блока на наружной поверхности исходного тела.

Отсутствие питания, выделения, дыхания, размножения, чувствительность и адаптация являются характеристиками неживых объектов. Одним из главных свойств является неограниченный срок существования, иначе говоря, бессмертие. Все неживое на Земле можно разделить на два основных типа:

  • Неживые вещи, которые никогда не были частью живого существа. Например, стекло, камень, золото, любые химические элементы и другие подобные примеры.
  • Неживые вещи, которые когда-то были частью живого существа. Лучший тому пример – уголь, который образовался в результате гибели и разложения живых растений. Бумага сама по себе не живое существо, но она также сделана из деревьев. Этот пример связи живой и неживой природы наглядно показывает, что при наличии определенных обстоятельств и времени возможен постепенный переход от живого к неживому.

Экосистема представляет собой богатый природный мир. Живая и неживая природа, картинки и примеры связи которых можно встретить повсюду, находятся в сложных отношениях. Эта активность показывает взаимосвязь всех элементов экосистемы. Например, незначительное загрязнение воздуха может повлиять на амфибий, которые очень чувствительны к внешним воздействиям, так как они дышат через кожу. Это может привести к увеличению числа насекомых в пищевой цепи. Повышенная популяция насекомых может изменить состояние растений, вплоть до тотального уничтожения определенных разновидностей, и так далее. Таким образом, одно небольшое изменение в экосистеме может вызвать настоящую экологическую проблему. В здоровой экосистеме всегда имеется достаточное биоразнообразие растений, животных и мест их обитания, а также существует баланс между живыми и неживыми ее компонентами.

Плешаков. 3 класс. Учебник №1, с. 24 – 28

Что такое экология

Ответы к стр. 24 — 28

1. Что такое окружающая среда? Опиши окружающую среду природных объектов, изображённых на схеме.

Всё, что окружает живое существо и с чем оно связано, называют окружающей средой.

Окружающая среда для растения — солнце, воздух, земля, вода, животные, человек. Окружающая среда для животного — солнце, воздух, земля, вода, растения, человек.

2. Что изучает наука экология? 

Экология – это наука о связях между живыми существами и окружающей их средой. Слово «экология» образовалось из двух греческих слов: «экос» – дом и «логос» – наука, значит, экология — наука о нашем общем доме, о Земле, и о законах, по которым мы должны в нём жить. Любое живое существо множеством невидимых нитей связано с окружающим миром: с неживой природой, с живой природой и с тем, что создано руками человека. Все эти невидимые нити изучает наука экология.

КУПИТЕ ПРОДУКТЫ ИЛИ ТОВАРЫ С ДОСТАВКОЙ (НЕ ДЛЯ ВСЕХ РЕГИОНОВ) НА ДОМ

3. Какое значение для людей имеет экология?

От состояния окружающей среды зависит будущее всего человечества: будет ли человек пить чистую воду, дышать чистым воздухом, употреблять в пищу экологически чистые продукты питания, наслаждаться красотой природы и т. д.

4. Как можно показать экологические связи с помощью модели?

Растение → кузнечик → скворец → сокол 

Человек → природа. (Человек охраняет природу.)

Ответы по окружающему миру. Учебник. 3 класс. Часть 1. Плешаков А. А.

Окружающий мир. 3 класс

Плешаков. 3 класс. Учебник №1, с. 24 – 28

4.1 (81.8%) от 100 голосующих

Технологическая карта «Живая и неживая природа» 2 класс

Технологическая карта урока по окружающему миру

Цель: формирование представления о живой и неживой природе.

-Обучающие: дать обучающимся первоначальное представление о живой и неживой природе; определить связи между живой и неживой природой.

-Развивающие: развивать умение анализировать полученную информацию; развивать наблюдательность, внимание, кругозор.

-Воспитательные: воспитывать интерес и бережное отношение к природе.

Средства обучения: экранно-звуковые, технологические средства обучения, вербальные.

Дидактический материал: картинки с изображением живой и неживой природы.

Методы: поисковый, наглядный, беседа, игра.

Этапы урока

Дидактические задачи этапа урока

Методы и приемы

Деятельность

учителя

Деятельность обучающихся

Формы организации деятельности

Дидактические средства, интерактивные средства обучения

Результат обучения

предметный

метапредметный

личностный

Организационный момент. Мотивационный этап.

Мотивировать на открытие нового знания о живой и неживой природе.

Беседа

Приветствует учащихся.

-Громко прозвенел звонок.

Начинается урок.

Наши ушки – на макушке,

Глазки широко открыты,

Слушаем, запоминаем,

Ни минуты не теряем.

Приветствуют учителя.

Фронтальная

Презентация

Волевая саморегуляция.

Актуализация знаний

Актуализировать имеющиеся знания о живой и неживой природе

Беседа

Наглядный метод

Читает стихотворение:

-Подумай и ответь:

-Посмотри, мой милый друг,

Что находится вокруг?

Небо светло-голубое,

Солнце светит золотое,

Ветер листьями играет,

В небе тучка проплывает.

Поле, речка и трава,

Горы, воздух и листва,

Птицы, звери и леса,

Гром, туманы и роса.

Человек и время года –

Это все вокруг …(природа).

Совершенно верно, природа – это все существующее во вселенной.

Слушают стихотворение, говорят пропущенное слово «природа».

Фронтальная

Презентация

Принимают и сохраняют учебную цель и задачу..

Постановка учебной задачи

Беседа

Наглядный метод

Поисковый метод

-Вспомните, когда вы сегодня шли в школу, что вы видели?

-А все ли эти объекты относятся к природе? (нет)

-Верно! Давайте сформулируем определение слова «Природа»

-Подумайте, на какие 2 группы мы можем разделить оставшиеся объекты природы? (живые и неживые)

-О чем мы будем говорить сегодня на уроке?

-Сформулируйте цель и задачи нашего урока.

-Откроем учебник на странице 24, прочитаем тему урока, учебные задачи.

-Правильно ли мы сформулировали тему урока и задачи?

Задает проблемный вопрос:

-Что относится к живой, а что к неживой природе?

Слушают учителя, отвечают на вопросы (Видели: солнце, небо, деревья, здания, машины и тд.).

Отвечают, что природа – все то, что окружает человека и не сделано его руками.

Формулируют тему, цель, задачи урока.

В учебнике читают тему, учебные задачи урока, сравнивают правильность сформулированной темы.

Фронтальная

Презентация

Анализируют информацию

Открытие нового знания

Открыть новое знание о живой и неживой природе.

Беседа

-Давайте обсудим, какие признаки есть у объектов живой природы? Кого мы можем отнести к живой природе?

-Какие признаки есть у объектов неживой природы? Что относится к неживой природе?

Слушают учителя, отвечают на вопросы.

Фронтальная

Презентация

Физ.минутка

Снять мышечное напряжение.

Физические упражнения.

Организует выполнение физических упражнений

Выполняют физические упражнения

Фронтальная

Музыкальное сопровождение, видеоряд.

Волевая саморегуляция. готовность вести ЗОЖ.

Включение нового знания в систему знаний

Совершенствование знаний о живой и неживой природе.

Игра

Наглядный метод

-Сейчас я предлагаю вам поиграть в игру. Если я называю объект живой природы, вы громко хлопаете, а если объект неживой природы – громко топаете.

Учитель называет 10-15 объектов живой и неживой природы.

-Разделимся на пары. Каждой паре я раздам картинки с объектами живой и неживой природы. Вы друг другу по очереди называете предмет с картинки и говорите к живой или неживой природе он относится.

Слушают задание, выполняют нужное действие.

Делятся на пары. Рассматривают картинки, называют предмет с картинки, определяют к живой или неживой природе он относится.

Фронтальная

Работа в парах

Картинки с объектами живой и неживой природы.

Отрабатывают способ.

Рефлексия

Анализ результатов учебной деятельности

Продолжают предложения:

Узнал…

Научился…

Было трудно…

Сумел…

Актуализирует внимание на пройденном материале,  побуждает к высказыванию своего мнения

Соотносят достигнутые цели с поставленным результатом

Фронтальная

Предложения для рефлексии на экране ИД.

Рефлексия своих действий.

Самоконтроль и саморегуляция.

Домашнее задание

-вашим домашним заданием будет в рабочей тетради заполнить страницу 17. Повторить, что такое живая и неживая природа, и что к ним относится.

Индивидуальная

%PDF-1.7 % 291 0 объект > эндообъект внешняя ссылка 291 147 0000000016 00000 н 0000004329 00000 н 0000004565 00000 н 0000004592 00000 н 0000004641 00000 н 0000004677 00000 н 0000005127 00000 н 0000005237 00000 н 0000005345 00000 н 0000005455 00000 н 0000005565 00000 н 0000005675 00000 н 0000005785 00000 н 0000005894 00000 н 0000006004 00000 н 0000006113 00000 н 0000006224 00000 н 0000006335 00000 н 0000006446 00000 н 0000006557 00000 н 0000006719 00000 н 0000006856 00000 н 0000007001 00000 н 0000007140 00000 н 0000007306 00000 н 0000007474 00000 н 0000007629 00000 н 0000007709 00000 н 0000007789 00000 н 0000007870 00000 н 0000007950 00000 н 0000008030 00000 н 0000008110 00000 н 0000008189 00000 н 0000008269 00000 н 0000008348 00000 н 0000008428 00000 н 0000008509 00000 н 0000008590 00000 н 0000008670 00000 н 0000008750 00000 н 0000008829 00000 н 0000008908 00000 н 0000008988 00000 н 0000009068 00000 н 0000009146 00000 н 0000009225 00000 н 0000009304 00000 н 0000009384 00000 н 0000009462 00000 н 0000009541 00000 н 0000009621 00000 н 0000009700 00000 н 0000009779 00000 н 0000009858 00000 н 0000009936 00000 н 0000010015 00000 н 0000010094 00000 н 0000010172 00000 н 0000010252 00000 н 0000010332 00000 н 0000010412 00000 н 0000010493 00000 н 0000010573 00000 н 0000010819 00000 н 0000011388 00000 н 0000011556 00000 н 0000012038 00000 н 0000012268 00000 н 0000012716 00000 н 0000019170 00000 н 0000019744 00000 н 0000020118 00000 н 0000020196 00000 н 0000025858 00000 н 0000026277 00000 н 0000026640 00000 н 0000026924 00000 н 0000027752 00000 н 0000028736 00000 н 0000028886 00000 н 0000029268 00000 н 0000032269 00000 н 0000032582 00000 н 0000032949 00000 н 0000033137 00000 н 0000033507 00000 н 0000033728 00000 н 0000033789 00000 н 0000034779 00000 н 0000035449 00000 н 0000035721 00000 н 0000036049 00000 н 0000036180 00000 н 0000037274 00000 н 0000038297 00000 н 0000039326 00000 н 0000040379 00000 н 0000040738 00000 н 0000041837 00000 н 0000042751 00000 н 0000065584 00000 н 0000092320 00000 н 0000092784 00000 н 0000092981 00000 н 0000093265 00000 н 0000093327 00000 н 0000094553 00000 н 0000094788 00000 н 0000095123 00000 н 0000095219 00000 н 0000096810 00000 н 0000097088 00000 н 0000097615 00000 н 0000097724 00000 н 0000166748 00000 н 0000166787 00000 н 0000166845 00000 н 0000167041 00000 н 0000167146 00000 н 0000167247 00000 н 0000167366 00000 н 0000167518 00000 н 0000167655 00000 н 0000167802 00000 н 0000167950 00000 н 0000168070 00000 н 0000168249 00000 н 0000168397 00000 н 0000168505 00000 н 0000168628 00000 н 0000168777 00000 н 0000168954 00000 н 0000169117 00000 н 0000169263 00000 н 0000169409 00000 н 0000169583 00000 н 0000169710 00000 н 0000169842 00000 н 0000169961 00000 н 0000170086 00000 н 0000170212 00000 н 0000170326 00000 н 0000170501 00000 н 0000170646 00000 н 0000004158 00000 н 0000003304 00000 н трейлер ]>> startxref 0 %%EOF 437 0 объект >поток xڜKLQϝiK()NAČT04Y* 1QĘcRH5DpaB 1±i)″ ιs̙

МЭГ-сенсорные паттерны отражают перцептивное, но не категориальное сходство живых и неживых объектов

https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2019.03.028Получить права и контент

Основные моменты

Сходство шаблонов датчиков МЭГ отражало перцептивное сходство объектов.

Контур объекта и текстура независимо объясняют шаблоны MEG.

Живые и неодушевленные объекты вызывали неразличимые паттерны МЭГ-сенсора.

Анимационная организация перцептивно совпадающих объектов была сильнее в фМРТ, чем в МЭГ.

Декодирование анимации в предыдущих исследованиях МЭГ, вероятно, отражало различия в восприятии.

Abstract

Высокоуровневая зрительная кора головного мозга человека показывает различие между живыми и неживыми объектами, как показывает фМРТ. Недавние исследования показали, что анимацию объекта можно аналогичным образом декодировать по шаблонам датчиков МЭГ. Какие свойства объекта управляют этим декодированием? Здесь мы распутали влияние перцептивных и категориальных свойств объекта, представив перцептивно совпадающие объекты (т.г., змея и веревка), которые, тем не менее, легко распознавались как одушевленные или неодушевленные. В серии поведенческих экспериментов были количественно определены три аспекта несходства восприятия этих объектов: общее несходство, несходство контуров и несходство текстуры. Нейронное несходство сенсорных паттернов МЭГ было смоделировано с использованием регрессионного анализа, в котором перцептивное несходство (из поведенческих экспериментов) и категориальное несходство служили предикторами нейронного несходства.Мы обнаружили, что различия в восприятии сильно отражались в паттернах датчиков МЭГ через 80 мс после начала действия стимула, с отдельными вкладами несхожести контуров и текстур. Удивительно, но при контроле несходства восприятия паттерны МЭГ не несли информации о категории объекта (одушевленный или неодушевленный) в любой момент времени. Почти идентичные результаты были получены во втором эксперименте с МЭГ, который требовал распознавания объектов на базовом уровне. Это контрастирует с результатами, полученными в фМРТ с использованием тех же стимулов, задач и подхода к анализу: воксельные паттерны фМРТ в объектно-селективной коре показали очень надежное категориальное различие даже при контроле несхожести восприятия.Эти результаты показывают, что шаблоны датчиков МЭГ не фиксируют одушевленность объекта независимо от различий в восприятии между живыми и неодушевленными объектами.

Рекомендуемые статьи

© 2019 Авторы. Опубликовано Elsevier Inc.

Роль лиц животных в различии между живыми и неодушевленными в вентральной височной коре

Реферат

Живые и неодушевленные объекты вызывают различные паттерны реакции в вентральной височной коре (ВТК) человека, но точные характеристики движущие силы этого различия до сих пор плохо изучены.Одна заметная черта, которая отличает типичных животных от неодушевленных объектов и которая потенциально может объяснить различие между живыми и неодушевленными в VTC, — это наличие лица. В текущем исследовании фМРТ мы исследовали эту возможность, создав набор стимулов, в который вошли животные с лицами, безликие животные и неодушевленные предметы, тщательно подобранные, чтобы свести к минимуму другие визуальные различия. Мы использовали анализ репрезентативного сходства (RSA) как на основе прожектора, так и на основе ROI, чтобы проверить, объясняет ли наличие лица различие между живыми и неодушевленными в VTC.Прожекторный анализ показал, что, когда из анализа были исключены животные с лицами, различие между одушевленными и неодушевленными практически исчезло. RSA на основе ROI выявил аналогичную картину результатов, но также показал, что даже при отсутствии лиц информация о влиянии (комбинация способности животного двигаться и думать) присутствует в частях VTC, которые чувствительны к анимации. . Вместе эти анализы показали, что животные с лицами действительно вызывают более сильную одушевленную/неодушевленную реакцию в VTC, но этот эффект обусловлен не лицами как таковыми или визуальными особенностями лиц, а другими факторами, которые коррелируют с присутствием лица. такие как способность к самодвижению и мысли.Короче говоря, VTC, кажется, рассматривает лицо как заменитель свободы действий, повсеместную черту знакомых животных.

Заявление о значимости Многие исследования показали, что изображения животных обрабатываются иначе, чем изображения неодушевленных объектов в человеческом мозгу, особенно в вентральной височной коре (VTC). Однако какие особенности определяют это различие, остается неясным. Одним из важных признаков, отличающих многих животных от неодушевленных предметов, является лицо. Здесь мы использовали фМРТ, чтобы проверить, обусловлено ли различие между живым и неодушевленным наличием лиц.Мы обнаружили, что присутствие лиц действительно повышало активность, связанную с анимацией в ВТК. Более подробный анализ, однако, показал, что именно связь между лицами и другими атрибутами, такими как способность к самодвижению и мышлению, а не лица как таковые , приводила к активности, которую мы наблюдали.

Введение

Многочисленные исследования показали, что различие между одушевленными и неодушевленными предметами является основным фактором в организации репрезентации объектов в вентральной височной коре головного мозга человека (VTC) (Kriegeskorte et al., 2008; Браччи и Оп де Бек, 2016 г.; Проклова и др., 2016). Анимация, однако, связана с различными атрибутами, от визуальных особенностей до семантических понятий, таких как агентность (Пилен и Даунинг, 2017), и до сих пор неясно, что движет различием между одушевленным и неодушевленным в ВТК. Некоторые исследования предполагают, что это можно объяснить только визуальными особенностями (Long et al., 2018; Coggan et al., 2016). Другие предположили, что различие между одушевленным и неодушевленным не основано исключительно на визуальных признаках, но также определяется концептуальной информацией, связанной с одушевленностью (Thorat et al., 2019; Проклова и др., 2016; Ша и др., 2016).

Стимулы, которые не соответствуют строгой дихотомии одушевленного/неодушевленного, недавно позволили по-новому взглянуть на организацию одушевленности в ВТК. Недавнее исследование фМРТ показало, что неодушевленные объекты, имеющие общие черты с животными (например, морды в форме коровы), представлены так же, как и живые объекты (Bracci et al., 2018). В другом исследовании, в котором использовались «пограничные» стимулы, такие как роботы, вместе с более типичными живыми или неодушевленными объектами, были получены аналогичные результаты с использованием МЭГ (Contini et al., 2019). Это говорит о том, что для VTC важно сходство с людьми (визуальное или семантическое), а не анимация как таковая (Contini et al., 2019; Sha et al., 2016; Gobbini et al., 2011; Thorat et al. др., 2019). Другая возможность заключается в том, что VTC настроен на диагностические признаки одушевленности, общие для животных и животных подобных стимулов (например, лица или тела; Bracci et al., 2018).

Хотя есть доказательства того, что форма тела не может полностью объяснить репрезентацию одушевленности в ВТК (Proklova et al., 2016, Bracci et al., 2016), несколько предыдущих исследований контролировали наличие лица. Лица являются чрезвычайно биологически значимыми стимулами. Они играют важную роль в определении того, является ли что-то одушевленным, а животные, с которыми люди больше всего знакомы, как правило, имеют лица. Подобные животным объекты, такие как роботы и игрушки, часто разделяют эту важную особенность с животными, что может объяснить, почему они представлены так же, как животные в VTC.

Сеть областей опосредует восприятие лица, в первую очередь веретенообразная область лица (FFA) в VTC (Grill-Spector et al., 2018). Интересно, что в исследовании Proklova et al. (2016), веретенообразная извилина была одной из областей, в которых присутствовала анимационная информация после учета большинства визуальных особенностей. Поскольку у всех одушевленных стимулов в этом исследовании были лица, возможно, этот эффект был обусловлен присутствием лиц, а не одушевленностью как таковой .

Ряд исследований нейровизуализации показал, что лица не являются необходимыми для выявления типичных различий между живыми и неживыми животными в ВТК с помощью изображений животных с закрытыми лицами (Chao et al., 1999), геометрические фигуры, движущиеся характерным образом одушевленными (или неживыми) способами (Martin and Weisberg, 2004), или синтетические стимулы ( texforms ), которые сохраняют черты стимулов среднего уровня, но не мелкие детали, такие как лица ( Лонг и др., 2018). Однако, насколько нам известно, ни в одном из предыдущих исследований не проводилось прямого сравнения паттернов активации мозга, генерируемых изображениями реальных животных с лицами и без лиц. В настоящем исследовании фМРТ мы устранили этот пробел, используя набор стимулов, который включал изображения реальных животных с лицом и без лица, а также неодушевленные объекты, все из которых имели схожие визуальные характеристики.Таким образом, мы сделали анимацию ортогональной присутствию лица, что позволило нам напрямую изучить роль лиц в представлениях ВТК. Мы обнаружили, что когда животные с лицами были исключены из анализа, различие между одушевленными и неодушевленными в значительной степени исчезло. Тем не менее, дополнительные анализы показали, что этот эффект был вызван не лицами как таковыми , а другими чертами, которые обычно коррелируют с наличием лица, такими как подвижность и задумчивость.

Материалы и методы

Участники

Двадцать четыре добровольца (18 женщин, средний возраст 26 лет.7 лет, SD = 3,3) участвовали в эксперименте с поведенческими рейтингами. В их число вошли 14 человек, которые также приняли участие в эксперименте с фМРТ, описанном ниже (оценка животных после сеанса фМРТ), и десять человек, которые не участвовали. Десять других добровольцев, которые не участвовали в поведенческих рейтингах или экспериментах с фМРТ (4 женщины, средний возраст = 25 лет, SD = 4,6), участвовали в эксперименте по поведенческому визуальному поиску. В исследовании фМРТ приняли участие 20 добровольцев (14 женщин, средний возраст 26,1 года, SD = 4). Двое были исключены из дальнейшего анализа из-за чрезмерных движений головы.Все участники дали информированное согласие, и протокол был одобрен Советом по этике Университета Западного Онтарио.

Стимулы

Набор стимулов (рис. 1) состоял из 18 уникальных стимулов, разделенных на 3 группы: 6 животных с четкими лицами (например, змея), 6 животных без четкого лица (например, морская звезда) и 6 неодушевленных предметов. . Кроме того, мы использовали три разных экземпляра каждого стимула, в результате чего получилось 54 стимула. Важно отметить, что для минимизации эффектов сходства визуальных признаков стимулы были организованы в шесть триплетов (животное с лицом — безликое животное — объект) на основе общего сходства формы, так что все три стимула в каждом триплете имели одинаковую общую форму (e .г., змея – червь – веревка).

Рис. 1. Набор стимулов.

Набор стимулов включал изображения животных с лицами (3 столбца слева), без лиц (3 столбца посередине) и неодушевленных предметов (3 столбца справа). Было по три экземпляра каждого уникального животного/предмета. Чтобы свести к минимуму визуальные различия между стимулами из разных категорий, стимулы в каждом ряду имели одинаковую форму.

Эксперимент по оценке поведения

Участников попросили оценить 12 представленных стимулов животных по набору из 6 характеристик: (1) Есть ли у этого животного лицо? (2) Как быстро может двигаться это животное? (3) Способно ли это животное мыслить? (4) Есть ли у этого животного голова? (5) Есть ли у этого животного глаза? (6) Насколько вам знакомо это животное? На каждый из 6 вопросов был отдельный блок.Вопрос появился в начале блока, после чего последовала презентация всех двенадцати животных, использованных в эксперименте. В каждом испытании участникам были представлены все 3 версии данного животного и непрерывная полоса оценок на экране компьютера (рис. 2C). Используя мышь, участники могли щелкнуть в любом месте полосы, чтобы дать свой ответ, в диапазоне от 0 (например, «это животное совсем не знакомо») до 100 («Я очень хорошо знаком с этим животным»). В этом и всех последующих экспериментах, включая фМРТ, стимулы предъявлялись с помощью Psychtoolbox for Matlab (Brainard, 1997).

Рисунок 2. План эксперимента и анализ поведенческих рейтингов.

A , экспериментальный дизайн фМРТ. Стимулы появлялись по одному, и участников просили нажимать кнопку всякий раз, когда одно и то же животное или объект появлялось в двух последовательных испытаниях. B , Пробный пример из эксперимента по поведенческому визуальному поиску, используемого для количественной оценки попарного визуального несходства между стимулами. Участники должны были как можно быстрее найти чудаковатую картинку среди дистракторов и нажатием кнопки указать, находится ли она слева или справа от центральной линии. C , Пробный пример в эксперименте по оценке поведения. Участники должны были указать свой ответ, щелкнув мышью в любой точке непрерывной шкалы оценок. D , Разница между оценками наличия лица (верхняя панель) и знакомости (нижняя панель) для каждой из 6 пар животных. Значения выше нуля указывают на то, что из двух животных одинаковой формы животное с лицом получило более высокую оценку, чем животное без отчетливого лица. E , Анимированные стимулы, отсортированные на основе усредненных групповых оценок поведения, от самого низкого до самого высокого.

Поведенческий зрительно-поисковой эксперимент

Зрительно-поисковый эксперимент был аналогичен описанному Proklova et al. (2016) и на основе подхода Мохана и Аруна (2012). В каждом испытании участники видели набор из 16 стимулов, 15 из которых были идентичными дистракторами, а один был странной мишенью (см. рис. 2B для пробного примера). Мы измерили время реакции участников (RT), чтобы найти цель, и использовали RT в качестве показателя визуального сходства между целью и отвлекающим фактором.Более быстрые RT предполагают, что цель «выскочила» больше, потому что она была визуально более отличной от дистракторов, а более медленные RT указывают на то, что поиск был сложнее, потому что цель была очень похожа визуально на дистракторы. Каждый из стимулов (рис. 1) появлялся в ходе эксперимента и как мишень, и как дистрактор, что давало нам оценку визуального сходства для каждой пары стимулов. Это исключало сравнения между 3 версиями одного и того же животного или объекта, поскольку ответы для 3 версий были усреднены в эксперименте фМРТ и не анализировались отдельно в анализе репрезентативного сходства.Мы отсылаем читателя к Proklova et al. (2016) для получения дополнительной информации об эксперименте визуального поиска.

Получение данных фМРТ

Данные фМРТ были получены с использованием МРТ-сканера всего тела Siemens MAGNETOM Prisma Fit 3 Тесла с 32-канальной головной катушкой в ​​Центре функционального и метаболического картирования Западного университета, Лондон, Онтарио. Стимулы обратно проецировались на полупрозрачный экран, помещенный внутри отверстия сканера (частота обновления 60 Гц, пространственное разрешение 1024 × 768). Участники просматривали стимулы через зеркало, прикрепленное к головной катушке.Функциональные изображения были получены с помощью последовательности эхо-планарных изображений (время эха 30 мс, время повторения 2000 мс, поле зрения 196 × 196 мм 2 , матрица 64 × 64, угол переворота 90°, толщина среза, 3 мм, зазор 0 мм, количество слоев 36, осевая ориентация слоев). Трехмерное структурное Т1-взвешенное сканирование с высоким разрешением было получено в начале сеанса с использованием подготовленной намагничиванием быстрой градиентной эхо-последовательности (MPRAGE) с изотропным размером вокселя 1 мм.

Задание фМРТ

Находясь в сканере, участники выполнили 8 прогонов основного эксперимента и 2 прогона функционального локализатора.В каждом функциональном прогоне каждый из 54 стимулов появлялся по крайней мере один раз в рандомизированном порядке. Некоторые стимулы появлялись дважды, чтобы ввести однократное повторение (по 10 на блок). Задача участников заключалась в том, чтобы каждый раз нажимать кнопку при появлении изображения одного и того же животного или объекта (например, двух змей, но не обязательно одной и той же фотографии). змеи) появлялся в двух последовательных испытаниях. Испытания с нажатием кнопки далее не анализировались. Стимулы находились на экране в течение 500 мс, после чего следовал межстимульный интервал 3500 мс (рис.2А). Каждый запуск длился 256 с. В прогонах функционального локализатора участники видели изображения из 4 категорий (лица, тела, животные, предметы) в заблокированном дизайне, нажимая кнопку при появлении одного и того же изображения два раза подряд. Процедура локализации подробно описана Proklova et al. (2016).

Предварительная обработка фМРТ

Данные нейровизуализации были проанализированы с использованием Matlab и SPM12. Предварительная обработка включала повторное выравнивание функциональных объемов, сопоставление их со структурным изображением, повторную выборку в сетку 2 × 2 × 2 мм и пространственную нормализацию в соответствии с шаблоном 305 Монреальского неврологического института, включенным в SPM12.Для одномерного анализа данных локализатора функциональные изображения были сглажены с помощью ядра 6 мм FWHM. Изображения не были сглажены для многомерного анализа основных данных эксперимента. Для основного эксперимента ЖИРНЫЙ сигнал каждого воксела у каждого участника моделировался с использованием 24 регрессоров в общей линейной модели, с 18 регрессорами для каждого из объектов (например, один регрессор для всех змей) и шестью регрессорами для полученных параметров движения. от процедуры переоформления.

Определение ROI

Четыре области интереса (ROI) показаны на рисунке 3A и были определены следующим образом.ROI ранней зрительной коры (EVC) была определена анатомически путем выбора области Бродмана 17 (BA17) с использованием набора инструментов WFU PickAtlas для SPM12 (Maldjian et al., 2003) и имела размер 5856 мм3. Для определения веретеновидной области лица (FFA) использовали групповой контраст Faces > Houses в функциональном локализаторе (p < 0,05, FWE с поправкой), который выявил два кластера: один в правом полушарии (792 мм3, пиковые координаты MNI: x = 46, y = -50, z = -20) и один в левом полушарии (208 мм3, пиковые координаты MNI: x = -42, y = -40, z = -20).Вентральная височная кора (ВТК) была определена в соответствии с предыдущими исследованиями (Haxby et al., 2011, Thorat et al., 2019). Он включал нижнюю височную, веретенообразную и язычную/парагиппокампальную извилины и простирался от -71 до -21 по оси Y координат MNI с общим объемом 73 776 мм3. Наконец, мы включили область, определенную в более раннем исследовании (Proklova et al., 2016), в которой различие между живым и неживым наблюдалось после учета визуальных признаков (в этом исследовании участвовали разные стимулы и участники.) Для простоты мы называем это «ROI Animacy». Он состоял из двух кластеров с пиками в правой веретенообразной извилине (x = 42, y = -60, z = -18; 2672 мм3) и левой веретенообразной извилине (x = -44, y = -52, z = -16; 1 968 мм3). Конкретные анализы, которые использовались для определения этой области, описаны Proklova et al. (2016). Animacy ROI и FFA имеют только 10 общих вокселей (80 мм3), и оба почти полностью охвачены VTC: 97% FFA (122/125 вокселей) и 83% Animacy ROI (482/580 вокселей). пересекается с большим ROI VTC.

Рисунок 3. Области интереса и модели RDM.

A , Области интереса включали раннюю зрительную кору, вентральную височную кору, веретенообразную область лица и область, в которой наблюдалось различие между живыми и неживыми животными после контроля визуальных особенностей в более раннем исследовании (Animacy ROI). B , Матрицы репрезентативного различия моделей (RDM), используемые в анализе репрезентативного сходства.

Анализ репрезентативного подобия (RSA) Searchlight

Процедура RSA searchlight была аналогична той, что использовалась в предыдущих исследованиях (Proklova et al, 2016; Thorat et al., 2020). Все анализы были выполнены с использованием набора инструментов CoSMoMVPA для Matlab (Oosterhof et al., 2016). Для каждого вокселя в мозге мы взяли сферическую окрестность из 100 вокселей вокруг него и измерили повоксельные паттерны ответов для всех 18 условий в этой области. Затем мы рассчитали попарные корреляции Пирсона между этими паттернами для всех пар стимулов. Затем эти корреляции были инвертированы (1-Пирсон) и использованы для создания матрицы нейронных репрезентативных несходств (RDM) 18 × 18, в которой каждая запись соответствовала несходству между парой стимулов.Затем для каждой окрестности из 100 вокселей мы запустили регрессию в стиле общей линейной модели (GLM), в которой нейронный RDM был смоделирован как линейная комбинация двух модельных RDM: Category (Animacy) и Visual (рис. 4A), в результате чего два бета-веса, описывающие индивидуальный вклад каждой модели в нейронное несходство. Наконец, полученные бета-карты для всех участников были введены в анализ второго уровня в SPM 12, в результате чего были получены карты всего мозга, отражающие вклад анимационной и визуальной информации в паттерны ответов VTC (рис.4Б). Дополнительные сведения о процедуре Searchlight можно найти в Proklova et al., 2016. Мы также провели две дополнительные версии RSA, используя меньшие подмножества полного набора стимулов. Например, чтобы исключить из анализа животных с лицами, мы удалили записи нейронных и модельных RDM, которые соответствовали 6 животным с лицами, что привело к меньшим RDM 12 × 12, которые включали только безликих животных и неодушевленные предметы. Та же логика применялась при исключении из анализа безликих животных.В остальном процедура RSA была идентична описанной выше.

Рисунок 4. Прожектор GLM.

A , Схема анализа. Для каждого вокселя мы определили вокруг него 100-воксельную окрестность и смоделировали нейронное несходство в этой области как линейную комбинацию визуального и категорийного (анимационного) несходства. B , Результаты прожектора. Результаты усредненного по группе анализа всего мозга, проверяющего значение каждого предиктора по сравнению с нулем.Результаты показывают независимый вклад визуальных (красный) и категорийных (зеленый) предикторов в нейронные данные. Этот анализ проводился трижды: сначала с включением всех стимулов (верхний ряд), затем после удаления животных с лицами (средний ряд) и, наконец, с включением только животных с лицами и неодушевленными предметами (нижний ряд).

RSA на основе ROI

В RSA на основе ROI попарное нейронное несходство измерялось так же, как и в Searchlight RSA, описанном выше, но вместо того, чтобы делать это для каждого вокселя в мозге, это делалось в каждом из четыре области интереса (рис.3А). После построения нейронных RDM мы затем сопоставили их с 5 модельными RDM, которые соответствовали Анимации, Присутствию Лица, Скорость Движения, Задумчивости и Визуальному отличию (рис. 3B). Нейронные и модельные RDM были нормализованы перед запуском этого анализа. Значения корреляции были t-тестированы относительно нуля, а полученные значения p были скорректированы для множественных сравнений (поправка Бонферрони, 3 анализа × 4 ROI × 5 корреляций = 60 тестов, скорректированный альфа-порог 0,05/60 = 0,0008).RDM Animacy был определен путем присвоения 1 (максимальное различие) парам стимулов, принадлежащих к одной и той же категории (живые или неживые), и 0 (минимальное различие) парам из разных категорий. RDM «Лицо», «Мысли» и «Движение» были определены на основе поведенческих рейтингов из описанного выше эксперимента с рейтингами, сопоставляя рейтинги для каждой пары изображений. Неодушевленным предметам (не включенным в рейтинговый эксперимент) был присвоен нулевой рейтинг. Наконец, визуальный RDM был построен с использованием времени реакции из описанной ранее поведенческой задачи визуального поиска.Для каждой пары стимулов мы использовали обратное время реакции (1/RT) для соответствующей пары мишень-дистрактор в качестве соответствующей записи в зрительной RDM. Таким образом, более длительное время реакции (указывающее на более высокое визуальное сходство) отражало меньшее визуальное несходство.

Многомерное масштабирование

Чтобы визуализировать взаимосвязь между представлениями стимулов в каждой области интереса, мы выполнили многомерное масштабирование (MDS) с использованием функции cmdscale в Matlab r2018b, The MathWorks, Natick, MA.

Результаты

Поведенческие результаты

Сначала мы хотели проверить, действительно ли наши предварительно отобранные безликие животные воспринимались участниками как безликие. В нашем дизайне каждому из шести безликих животных (например, червяку) соответствовало животное аналогичной формы с более отчетливым лицом (например, змея). Для каждого участника мы взяли разницу между двумя оценками «присутствия лица» для каждой пары стимулов. Положительная разница означала, что животное с лицом получило более высокую оценку «присутствия лица», чем соответствующее безликое животное.Как видно на верхней панели рисунка 2D, это имело место для всех шести пар животных. Напротив, не было существенной разницы в знакомстве между животными с лицами и без лиц для каждой из шести пар стимулов (рис. 2D, нижняя панель).

Затем мы усреднили оценки среди участников и расположили стимулы животных по шкале от самой низкой до самой высокой оценки «присутствия лица» (рис. 2E), показав, что в среднем все шесть предварительно выбранных безликих животных действительно были оценены. ниже по шкале «лицевидность», чем шесть животных с мордашками (p < 0.0001). Такой же анализ был проведен с оценками скорости движения и мыслительной способности (см. рис. 2Д). В среднем животные с лицами были оценены как более быстро движущиеся и более способные к мышлению по сравнению с безликими животными (p = 0,02 и p = 0,002 соответственно). проанализировано.

Возможно, неудивительно, что оценки знакомства положительно коррелировали с наличием лица (r = 0,42), скоростью движения (r = 0.64) и задумчивость (r = 0,54). Может быть сложно отделить знакомство от этих факторов, потому что мы, как правило, больше знакомы с животными, которые двигаются и думают. Однако, как упоминалось выше, не было существенной разницы в знакомстве между животными из одной и той же пары форм с лицом и без лица.

RSA Searchlight Results

Наша следующая цель состояла в том, чтобы воспроизвести различие между живым и неживым в представлениях VTC, обнаруженное в более ранних исследованиях (например, Proklova et al, 2016), и изучить возможность того, что эти результаты могли быть вызваны мордами животных.

Мы провели прожекторный анализ репрезентативного сходства (идентичный тому, который использовался в Proklova et al, 2016), чтобы выявить независимые вклады Animacy и Visual моделей в репрезентации объектов на уровне всего мозга (рис. 4, см. Методы описания Важно отметить, что этот анализ проводился трижды: один раз со всеми стимулами (рис. 4Б, верхний ряд), один раз только с безликими животными и неодушевленными предметами (рис. 4Б, средний ряд) и один раз только с животными с лицами. и неодушевленные предметы (рис.4В, нижний ряд). Это позволило нам напрямую изучить вклад лиц животных в различие между живым и неживым в мозгу.

Первый анализ, который включал все стимулы, выявил билатеральные кластеры в ВТЦ, в которых модель Animacy достоверно коррелировала с нейральным РДМ (рис. 4Б, верхний ряд), с локальными пиками в левой веретенообразной извилине (19 096 мм3, координаты пика : x = -38, y = -62, z = -14) и правая веретенообразная извилина (22 624 мм3, координаты пика: x = 40, y = -58, z = -14).Однако, когда из анализа были исключены животные с лицами, мы наблюдали лишь небольшой кластер в левой веретенообразной извилине (168 мм3, координаты пика: x = -36, y = -44, z = -16), в котором нейрональное несходство достоверно коррелирует с несхожестью категории (анимация) (рис. 4В, средний ряд). Поскольку в этот анализ было включено меньше стимулов (и меньше испытаний), существует вероятность того, что снижение информации, связанной с анимацией, наблюдалось из-за снижения мощности. Чтобы проверить эту возможность, мы затем провели окончательный анализ с помощью прожектора, в котором животные с лицами были включены в анализ, а безликие животные были исключены, что включало то же количество испытаний, что и предыдущий анализ (рис.4В, нижний ряд). Результаты показали, что информация о анимации снова была надежной в ВТЦ в двух кластерах с пиками в левой нижней височной коре (1992 мм3, координаты пика: x = -48, y = -64, z = -10) и правой веретенообразной извилине ( 3336 мм3, координаты пика: x = 32, y = −72, z = −18). Это говорит о том, что снижение реакции, связанной с одушевленностью, наблюдаемое при отсутствии животных с лицами, было связано не с уменьшением мощности, а именно с отсутствием лица. Вместе эти результаты показывают, что включение животных с лицами в анализ приводит к гораздо более четкому различию одушевленных и неживых животных в VTC.Они также повышают вероятность того, что информация об анимации, о которой сообщалось в предыдущих исследованиях (например, Proklova et al., 2016), может быть в значительной степени артефактом лиц в одушевленных стимулах.

Результаты RSA на основе ROI

Анализ с помощью прожектора показал, что лица животных явно играют важную роль в представлениях VTC. Что такого в присутствии лица, которое вызывает этот эффект, и отличается ли он в разных субрегионах ВТЦ? Поскольку присутствие лица связано со многими различными факторами (от визуальных особенностей до воспринимаемого интеллекта и сходства с людьми), мы хотели изучить это глубже, включая новые поведенческие модели, которые фиксируют различные аспекты стимулов.Мы также сосредоточились на четырех областях интереса (ROI), которые были определены до и независимо от анализа прожектора, включая большую область интереса VTC, веретенообразную область лица (FFA), область, чувствительную к различию живых и неживых животных независимо от визуальных особенностей ( Animacy ROI, см. Методы для получения подробной информации о том, как она была определена), и ранняя зрительная кора (EVC) в качестве контрольной области.

Для каждой области интереса мы сопоставили нейронную репрезентативную матрицу несходства (RDM) с пятью моделями RDM, характеризующими Оживление, Лицевость (присутствие лица), Скорость движения, Мысли и Визуальную информацию.Затем значения корреляции были проверены относительно нуля, а значения p были скорректированы для множественных сравнений (поправка Бонферрони). Результаты показаны на рисунке 5. По аналогии с анализом прожектора, RSA на основе ROI был запущен 3 раза с использованием различных подмножеств стимулов, чтобы непосредственно изучить влияние морд животных на репрезентацию объектов в этих областях.

Рисунок 5. Результаты ROI RSA.

Верхний ряд: результаты RSA для четырех ROI, включая все стимулы (A) , тот же анализ повторяется после удаления животных с лицами из анализа (B) , и после включения животных с лицами и без лиц животные исключены из анализа (C) .Звездочки указывают на значимость после поправки на множественные сравнения. Средний ряд: стимулы, которые были включены в каждый тип анализа (в синей рамке). Нижняя строка: попарные корреляции между матрицами репрезентативной модели (RDM), использованными в трех анализах.

Сначала мы провели этот анализ с полным набором стимулов (рис. 5, левый столбец). Как и ожидалось, визуальная модель, но не модели высокого уровня, значительно коррелировала с ранним RDM зрительной коры. В VTC модель Animacy показала самую высокую корреляцию с нейронным RDM, за ней следуют модели Movement и Thoughts, для которых корреляции также были значительными.Интересно, что корреляция с RDM Faceness не выдержала поправки на множественные сравнения. В FFA, хотя ни одна из корреляций не выдержала коррекцию множественных сравнений, самая высокая корреляция была с моделью Faceness. Наконец, в Animacy ROI все высокоуровневые модели (кроме визуальных) значительно коррелировали с нейронным RDM.

Затем, чтобы увидеть, были ли эти результаты обусловлены животными с лицами, мы повторно провели RSA после исключения из анализа всех животных с лицами (рис.5, средний столбец). Результаты показали в целом более низкие значения корреляции во всех ROI, и, что особенно важно, информация об анимации не была значимой после поправки на множественные сравнения как в VTC, так и в Animacy ROI. Интересно, что даже при отсутствии лиц RDM движения и мысли по-прежнему значительно коррелировали с нейронным RDM в Animacy ROI.

Наконец, мы повторно провели анализ после удаления безликих животных и рассмотрения только животных с лицами и неодушевленных предметов (рис. 5, правая колонка).Обратите внимание, что RDM Animacy и Faceness почти идеально коррелировали в этом состоянии. Поразительно, но это привело к гораздо более высокой корреляции VTC и ROI Animacy с Animacy RDM и всеми другими высокоуровневыми моделями.

Использование различных подмножеств стимулов в трех анализах означало, что целевые RDM и корреляции между ними также изменились. Попарные корреляции между целевыми RDM показаны в нижней строке рисунка 5. Во всех трех анализах визуальный RDM не сильно коррелировал с остальными высокоуровневыми моделями.Корреляция между моделями Animacy и Faceness составила 0,23 для полного набора стимулов, увеличилась до 0,87, когда животные с лицами были исключены (вероятно, из-за того, что в обеих моделях неодушевленные объекты имели нулевой рейтинг) и была близка к идеальной ( 0,99) в окончательный анализ, когда включались только животные с лицами и неодушевленные предметы.

На первый взгляд, эти результаты, как и результаты Searchlight, позволяют предположить, что лица сильно влияют на репрезентацию анимации в этих областях: когда животные с лицами исключены, информация об анимации в VTC незначительна, а когда они присутствуют , это сильно выражено.Однако, если бы это было так, мы бы ожидали увидеть более высокую корреляцию между моделью Faceness и VTC RDM, чего не произошло. Вместо этого этот результат, кажется, обусловлен чем-то другим, а не лицами (но чем-то, что коррелирует с присутствием лица) — в данном случае скоростью движения и способностью мыслить. Действительно, даже когда животные с лицами были исключены, модели «Движение» и «Мысли» (но не бинарная модель Animacy) значительно коррелировали с нейронным RDM в ROI Animacy.Это говорит о том, что на различие одушевленного и неодушевленного в этой области влияет не столько наличие лиц, сколько другие свойства, коррелирующие с присутствием лиц, такие как способность двигаться и мыслить.

Результаты многомерного масштабирования

Наконец, мы выполнили многомерное масштабирование, чтобы визуализировать репрезентативную структуру в каждой области интереса (рис. 6). В этом анализе изображения, одинаково представленные в данной области интереса, оказываются ближе друг к другу на 2D-плоскости.Как и ожидалось, репрезентации в EVC не демонстрировали кластеризацию на основе Animacy (по сравнению с другими ROI) и вместо этого, казалось, отражали визуальные свойства: удлиненные стимулы, такие как трубка, слизняк и пиявка, группировались вместе слева и справа. округлые объекты сгруппированы справа. Однако как в VTC, так и в Animacy ROI различие между живыми и неодушевленными предметами было ярко выраженным, при этом неодушевленные объекты группировались вместе отдельно от животных (рис. 6). Интересно, что этот анализ выявил своего рода градиент в этих конкретных областях интереса: животные с лицами с одной стороны, неодушевленные объекты с другой стороны и безликие животные между ними.Это объясняет результаты RSA, показывающие, как включение в анализ только животных с лицами делает различие между живыми и неодушевленными объектами в этих областях более выраженным.

Рисунок 6. Результаты многомерного масштабирования.

Репрезентативная структура в четырех ROI, выявленная с помощью многомерного масштабирования, показывающая, как животные с лицами (сплошные синие кружки), безликие животные (штриховые синие кружки) и неодушевленные объекты (красные кружки) представлены по отношению друг к другу в каждой ROI.Стимулы, одинаково представленные в данной области интереса, показаны близко друг к другу в 2-мерном пространстве.

Обсуждение

Мы исследовали вклад лиц животных в различие между живыми и неодушевленными, которое было обнаружено в вентральной височной коре (ВТК) во многих исследованиях (например, Kriegeskorte et al., 2008; Grill-Spector and Weiner, 2014; Bracci, Op de Beeck, 2016; Проклова и др., 2016). В отличие от предыдущих исследований, мы систематически контролировали присутствие лица, используя изображения реальных животных, половина из которых имела лицо, а половина — нет, в отличие от затемнения лица или использования разных точек зрения, в которых лицо отвернуто (в этом случае наше знание того, как обычно выглядит животное, может привести к эффектам заполнения).Первоначальный анализ с помощью прожектора показал, что, когда животные с лицами были удалены из анализа, различие между живым и неодушевленным почти исчезло. Однако дальнейший анализ репрезентативного сходства на основе ROI показал, что модели «Движение и мысли» значительно коррелируют с активностью в субрегионе VTC — даже после того, как лица были удалены. В совокупности эти результаты показывают, что различие между одушевленным и неодушевленным в ВТК в значительной степени определяется не наличием лиц или одушевленностью как таковой , а скорее воспринимаемой силой (сочетание способности двигаться и способности мыслить), которая коррелирует с этими факторами.

Визуальные и концептуальные особенности

Как наши выводы связаны с дискуссией между визуальными и концептуальными характеристиками о характере различия между живым и неживым в представлениях объектов VTC (Peelen & Downing, 2018; Bracci et al., 2019)? Хотя мы не затрагивали этот вопрос напрямую, наши выводы проливают некоторый свет на проблему. Лица — это и визуальная, и концептуальная особенность. У них есть характерные визуальные особенности, такие как глаза и рот, и даже упрощенные смайлики и две точки над линией вызовут реакцию в веретенообразной области лица (Caldara et al., 2006; Ким и др., 2016). Видеть лица в неодушевленных объектах, таких как облака, горы и стволы деревьев, — обычное дело, подчеркивающее важную биологическую функцию распознавания лиц (Wardle et al., 2020). В то же время лица передают богатую концептуальную информацию, включая сходство с людьми (Sha et al., 2015; Contini et al., 2019), эмоции и, в случае человеческих лиц, информацию о поле, расе и возрасте. Добс и др., 2019). Лица — мощный ключ к тому, является ли что-то одушевленным и, потенциально, обладающим свободой воли и разумом.Наши результаты показывают, что VTC обрабатывает не только внешний вид лица, но и информацию более высокого уровня, для которой лица являются прокси: в частности, способность животного действовать (движение и мышление). Более того, мы обнаружили, что лица животных не являются необходимыми для выявления различия между живым и неживым в ВТК, что соответствует более ранним исследованиям (Chao et al., 1999; Martin & Weisberg, 2003; Long et al., 2018).

Возможно, связанная с анимацией активность, наблюдаемая, когда животные с лицами были исключены из анализа, была обусловлена ​​некоторыми оставшимися визуальными характеристиками, такими как кривизна, симметрия и визуальная текстура, которые отличали животных без лиц от животных без лиц. неодушевленные предметы.Однако это объяснение вряд ли является исчерпывающим, поскольку мы выбирали наши изображения таким образом, чтобы свести к минимуму различия в форме и текстуре, что было подтверждено низкой корреляцией между визуальными и анимационными моделями. Более того, в предыдущем исследовании (Proklova et al., 2016) мы показали, что визуальные особенности, такие как общая форма и текстура, не определяют различие между живым и неживым в ВТК. Конечно, нам по-прежнему приходится полагаться на визуальную информацию, чтобы распознавать безликих животных как животных, но тот факт, что мы наблюдали высокоуровневую информацию о скорости движения и способности мыслить в ROI Animacy, убедительно свидетельствует о том, что наши концептуальные знания о животных также вступает в игру в этом регионе.Многие из нас узнали из средств массовой информации и из реальной жизни, что морские звезды, морские ежи и другие существа, которые сначала могут казаться неодушевленными, на самом деле являются животными. Другими словами, семантические ассоциации между изображением и предыдущим знанием, вероятно, вызывают наблюдаемую активацию в областях, чувствительных к анимации, когда предъявляются изображения животных без лиц.

Градиент против дихотомии

Все больше и больше исследований показывают, что простая дихотомия живого/неживого не лучший способ объяснить репрезентативную геометрию VTC (Bracci et al., 2018; Контини и др., 2020 г.; Коннолли и др., 2012; Ша и др., 2016; Карлсон и др., 2013). Наши результаты также свидетельствуют о том, что одушевленность в ВТК осуществляется не по принципу «все или ничего», а ступенчато: от животных, которые воспринимаются как более подвижные и умные, до животных, которые воспринимаются как менее способные к движению и мышлению (и, следовательно, более похожие на неодушевленные объекты). ). Другие недавние результаты также показали, что агентность является важным организующим принципом для репрезентаций объектов VTC (Thorat et al., 2019; Haxby et al., 2020).

Также предполагалось, что этот континуум обусловлен сходством с людьми (Connolly et al., 2012; Sha et al., 2016; Ritchie et al., 2020), что может объяснить, почему неодушевленные предметы, такие как роботы и игрушки, представлены аналогично животным в VTC (Bracci et al., 2019; Contini et al., 2020). Наше исследование не касалось этого напрямую, поскольку по замыслу все одушевленные стимулы были весьма непохожи на человеческие. Однако наши результаты указывают на важность воспринимаемой деятельности (сочетание способности двигаться и интеллекта) для репрезентации объектов в VTC.Животные (или похожие на животных объекты), которые воспринимаются как обладающие способностью действовать, действительно больше похожи на людей по сравнению с животными, которые не двигаются и имеют более простую нервную систему. Тем не менее, наши результаты показывают, что животному не обязательно иметь общие визуальные особенности с людьми или быть эволюционно «ближе» к ним, чтобы быть представленным отдельно от неодушевленных объектов в VTC. Способность двигаться и интеллект очень важны для поведения, когда речь идет о восприятии и распознавании животных, независимо от того, насколько животное похоже на человека.В конце концов, у змеи мало общих физических черт с людьми, но важно признать ее одушевленной, чтобы избежать опасности, а движение (а также присутствие лица) является важным сигналом.

Статические и движущиеся стимулы

Как и в большинстве исследований, в которых изучалось различие между активностью, связанной с живыми и неживыми объектами в ВТК, мы представили нашим участникам статические изображения. Если бы мы использовали видеопоказы животных и неживотных, то наличие самодвижения или свободы действий, безусловно, было бы мощным сигналом к ​​одушевлению (Martin and Weisberg, 2003; Haxby et al., 2020). Другими словами, самодвижение может быть таким же мощным сигналом для оживления, как и лица. Несколько исследований, в которых использовались стимулы, которые двигаются подобно животным, обнаружили характерное различие между живыми и неживыми животными в VTC (Martin and Weisberg, 2003). Более того, даже несмотря на то, что в нашем исследовании мы использовали только статические изображения, присутствие лиц на некоторых изображениях могло легко вызвать концепцию движения (и другие особенности, связанные с анимацией). Таким образом, как мы уже обсуждали, эта связь связанных признаков одушевленности может объяснить, почему изображения животных с лицами представлены как более «одушевленные» в VTC по сравнению с изображениями безликих животных, таким образом выявляя более сильное различие между одушевленными и неодушевленными.

Значение для будущих исследований

В нашем исследовании не говорится о том, как и где кодируются ассоциации между лицами и другими аспектами одушевленности. Существует вероятность того, что высокоуровневые аспекты одушевленности (например, агентность) сначала обрабатываются за пределами ВТК, а затем эта информация передается обратно в ВТК по реентерабельным путям. Электрофизиологические методы, такие как М/ЭЭГ, могут пролить свет на ход этого процесса во времени (Cichy & Oliva, 2020). Наши результаты также предполагают, что любая попытка распутать факторы, способствующие различию между живыми и неодушевленными (или градиенту) в VTC, должна уделять пристальное внимание животным, которые используются в качестве стимулов.Крайне важно включить широкий спектр живых объектов, а не только более типичных млекопитающих, похожих на человека. Причем это относится не только к животным, но и к любой категории объектов, которые исследуются. Использование больших, разнообразных и натуралистичных наборов стимулов (Hebart et al., 2019, Nastase et al., 2020) — это один из способов продвижения вперед.

Использование анимации инструмента «Кость» в Animate

Для придания упругости костям IK можно использовать два свойства костей. Свойства прочности и демпфирования костей придают IK Bones реальное физическое движение за счет интеграции динамической физики в систему Bones IK.Эти свойства упрощают создание анимации с улучшенной физикой. Свойства «Сила» и «Затухание» придают анимациям костей реалистичное движение с широкими возможностями настройки. Лучше всего установить эти свойства перед добавлением поз в слой поз.

Прочность : Жесткость пружины. Более высокие значения создают эффект более жесткой пружины.

Демпфирование : Скорость затухания эффекта пружины. Чем выше значение, тем быстрее уменьшается упругость. Значение 0 приводит к тому, что упругость остается на своем полном уровне во всех кадрах слоя позы.

Чтобы включить упругость, выберите одну или несколько костей и установите значения прочности и демпфирования в разделе «Пружина» инспектора свойств. Чем выше прочность, тем более жесткой становится пружина. Демпфирование определяет скорость затухания эффекта пружины, поэтому чем выше значение, тем быстрее заканчивается анимация.

Чтобы отключить свойства «Сила» и «Затухание», выберите слой позы на временной шкале и снимите флажок «Включить» в разделе «Пружина» инспектора свойств.Это позволяет вам видеть в рабочей области позы, которые вы определили в слое позы, без влияния свойств Spring.

Следующие факторы влияют на окончательный вид анимации костей при работе со свойствами Spring. Поэкспериментируйте с настройкой каждого из них, чтобы получить желаемый окончательный вид.

  • Значение свойства Strength.

  • Значение свойства Damping.

  • Количество кадров между позами в слое поз.

  • Общее количество кадров в слое позы.

  • Количество кадров между конечной позой и последним кадром позы позже.

К общей теории эволюции: Распространение теории Дарвина на неживую материю | Журнал системной химии

2.1. Объединение абиогенеза и эволюции

Дарвиновская теория лежит в основе современной биологии, и это правильно. Как заметил Добржанский [7]: «Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции».Тем не менее, несмотря на чрезвычайное и подавляющее влияние идей Дарвина на биологию и не только, дарвиновская теория не решает проблему происхождения жизни, хотя природа и источник ранней жизни вполне могут повлиять на саму теорию. Интересно, что это ограничение было очевидно уже современникам Дарвина. Так, всего через три года после публикации монументального тезиса Дарвина Геккель [8, 9] указал, что «главный недостаток дарвиновской теории состоит в том, что она не проливает света на происхождение примитивного организма — вероятно, простой клетки — от которого произошли все остальные.Когда Дарвин допускает особый творческий акт для этого первого вида, он непоследователен и, как мне кажется, не совсем искренен…». Удивительно, но эта ранняя озабоченность, похоже, рассеялась со временем. Так, ведущий биолог Ричард Докинз, во вступительной строке своей книги «Слепой часовщик» пишет: «…наше существование когда-то представляло собой величайшую из всех тайн, но это уже не тайна, потому что она разгадана. Дарвин и Уоллес разрешили ее…» [10]. Да, дарвинизм разрешил дилемму о том, как микроскопической сложности преобразовались в макроскопической сложности , однако он не разрешил и даже не ответил на самый неприятный вопрос: как Возникла ли в первую очередь необычайная микроскопическая сложность простейшей живой системы?

Неудивительно тогда, что возникновение сложной жизни на Земле делится на две фазы — абиогенез, химическую фазу, и эволюцию, биологическую фазу ( как показано в 1), причем первая фаза остается источником путаницы и продолжающихся споров (недавний специальный выпуск о происхождении жизни см. в [11], общие обзоры см. в [12–15]) .А что, если бы эти две стадии можно было концептуально объединить в один непрерывный физико-химический процесс? Такая унификация могла бы существенно повлиять на наше понимание феномена жизни, поскольку тогда мы столкнулись бы с необходимостью понимать только один одиночный процесс, а не два отдельных и дискретных процесса. А учитывая наше широкое понимание дарвиновской фазы, это понимание может быть немедленно применено к плохо изученной ранней химической фазе.Но есть ли разумные основания для такого огульного предложения? Мы считаем, что ответ положительный, и основываем эту точку зрения на последних достижениях в системной химии. Недавняя работа над молекулярными системами репликации показала, что некоторые явления, связанные с репликацией химических систем, также проявляются в биологических системах. Это общее наблюдение имеет решающее значение, поскольку обеспечивает эмпирическую основу для концептуальной связи между химией и биологией не только на самоочевидном структурном уровне (, т.е. , как живая, так и неживая материя построены из атомарных и молекулярных сущностей), но на более глубоком организационном уровне. Действительно, это свидетельство ляжет в основу нашего предположения о том, что химическая и биологическая фазы на самом деле представляют собой один единый процесс. Давайте сначала рассмотрим соответствующие эмпирические данные.

Схема 1

Двухфазное (химическое и биологическое) превращение неживого в сложную жизнь.

2.1.1. Естественный отбор на химическом уровне

Уже в 1960-х Миллс и соавт.[16] отметили, что молекулярная репликационная система, Qβ РНК, при взаимодействии с активированными нуклеотидами в присутствии соответствующей репликазы претерпевает процесс репликации, мутации, селекции, эволюции, поразительной аналогии с биологическими системами. Олигонуклеотид РНК, изначально длиной около 4200 оснований, реплицировался, мутировал и превратился в гораздо более короткую олигонуклеотидную цепь, всего 17% от исходной длины, которая реплицировалась намного быстрее, чем исходная цепь [15, 16]. Это наблюдение само по себе предполагает, что дарвиновское поведение, фундаментально биологический феномен, уходит своими корнями в химию.Никто не стал бы серьезно утверждать, что отдельная молекула, какой бы ни была ее структура, является в каком-либо осмысленном смысле «живой», тем не менее поведение дарвиновского типа поразительно очевидно на этом неживом, молекулярном уровне [15, 16]. С тех пор процедуры эволюции in vitro были разработаны и расширены, чтобы охватить широкий спектр систем нуклеиновых кислот, как показано в работах Bartel и Szostak [17], Johnston et al. [18] и Джойс и соавт. [19, 20], тем самым подчеркивая общность эволюционноподобных процессов на молекулярном уровне.

О еще более ярком выражении естественного отбора на химическом уровне, которое еще больше подчеркивает масштабы связи между химией и биологией, недавно сообщили Войтек и Джойс [21]. Ключевой экологический принцип, принцип конкурентного исключения [22], гласит: «Полные конкуренты не могут сосуществовать», или, в более позитивном выражении: «Экологическая дифференциация является необходимым условием сосуществования». Этот принцип сообщает нам, что две не скрещивающиеся популяции, занимающие одну и ту же экологическую нишу ( i.е. , оба конкурируют за один и тот же ресурс) не могут сосуществовать — один приведет к исчезновению другого. Поразительным аспектом исследования Войтека и Джойса было то, что оно продемонстрировало, что корни этого типичного биологического принципа можно найти в химии. Они сообщили, что два РНК-фермента, которым позволяют реплицироваться и развиваться в присутствии основного субстрата, не могут сосуществовать. Один из ферментов приводил к исчезновению другого в соответствии с предсказанием принципа конкурентного исключения.Однако, что более важно, когда два фермента одновременно реагировали с пятью альтернативными субстратами, два фермента были способны сосуществовать. Каждый фермент РНК развивался таким образом, чтобы оптимизировать использование одного из 5 субстратов (разный субстрат для каждого из двух ферментов), так что система эффективно имитировала поведение биологической ниши, опять же в соответствии с принципом исключения. Классическое поведение дарвиновских вьюрков [23] на химическом уровне!

Как отмечалось выше, и химические, и биологические репликаторы поразительно схожим образом реагируют на причинно-следственную цепь репликация-мутация-отбор-эволюция.Но есть еще одно следствие этой причинно-следственной связи, проявляющееся как на химическом, так и на биологическом уровне, — процесс комплексообразования. Давайте объясним.

2.1.2. Усложнение как на химическом, так и на биологическом уровне

В биологическом мире, несомненно, имел место определенный процесс усложнения в течение продолжительного эволюционного периода. Хотя детальный путь к клеточной сложности остается спорным, существование этого эволюционного стремления к большей сложности нельзя отрицать.Таким образом, общепринято считать, что более сложная эукариотическая клетка развилась из более простой прокариотической клеточной организации, скорее всего, в результате какого-то эндосимбиотического события [24], а в более поздней эволюционной сальтации, что многоклеточные организмы произошли от одноклеточных. Эволюционная динамика, по-видимому, обусловлена, по крайней мере частично, биологическими преимуществами, связанными с комплексообразованием.

Учитывая недвусмысленные доказательства комплексообразования в ходе биологической эволюции, чрезвычайно интересно проследить, можно ли обнаружить ту же тенденцию комплексообразования на химическом уровне, i.е. , в относительно простых системах химического воспроизведения. Ввиду сравнительно небольшого периода времени, когда такие системы были изучены, объем данных остается ограниченным. Тем не менее некоторые предварительные выводы можно сделать в предварительном порядке. Идея гиперциклической кооперативной сети на молекулярном уровне впервые была предложена Эйгеном и Шустером [25], но только в 1994 г. Сиверс и фон Кидровски [26] сообщили о репликации, основанной на перекрестном катализе двух олигонуклеотидов.Впоследствии было показано, что другие функциональные группы также проявляют автокаталитическое поведение за счет создания кооперативных кросс-каталитических сетей. Таким образом, Lee et al. [27] и Yao et al. [28] продемонстрировали образование сети в самореплицирующихся пептидах, а совсем недавно Kindermann et al. [29] и Кассианидис и Филп [30] наблюдали перекрестный катализ в самовоспроизводящейся реакции Дильса-Альдера, предполагая, что кооперативное молекулярное поведение в репликативном контексте может быть довольно общим.

Однако более явная демонстрация преимуществ репликации, связанных с сетью, по сравнению с индивидуальным молекулярным репликатором, была недавно продемонстрирована Lincoln и Joyce [31]. В то время как конкретный РНК-автокатализатор был неспособен к более чем двум последовательным удвоениям, каждое из которых происходило примерно за 17 часов, превращение этого РНК-рибозима в кросс-каталитическую сеть, основанную на двух рибозимов РНК, приводило к образованию быстро реплицирующейся система со временем удвоения всего 1 час, которое может поддерживаться бесконечно.Таким образом, кооперативная кросс-каталитическая система, полученная из автокаталитического родителя в ходе эволюционного процесса, оказалась более эффективным репликатором («установщиком» на биологическом жаргоне), чем автокаталитический родительский предшественник. Приведенные выше результаты, хотя и ограниченные по масштабу, предполагают, что кооперативное поведение может возникать и проявляться на молекулярном уровне, что стремление к более сложным системам репликации, по-видимому, лежит в основе химических, а не только биологических репликаторов. Последствия этих предварительных выводов кажутся далеко идущими.Они предполагают, что биологическое стремление к большей сложности уходит своими корнями в химию, что весь эволюционный процесс можно проследить до кинетических сил на молекулярном уровне!

2.1.3. Значение общих закономерностей на химическом и биологическом уровнях

Наблюдение одной и той же тенденции к комплексообразованию как в химической, так и в биологической фазах важно еще в одном смысле. Комплексообразование — это не просто явление, связанное с двумя фазами, его также можно рассматривать как механизм , посредством которого химическая фаза в конечном счете сливается с биологической фазой (и входит в нее)! В конечном счете первичное различие между химической и биологической фазами, по-видимому, заключается в возникшей степени комплексообразования, а не в характере самого процесса.Ясно тогда, что тенденция к большей сложности, которая проявляется на химическом уровне, могла бы привести в расширенном эволюционном масштабе времени к повышенной сложности, которая очевидна на биологическом уровне. Таким образом, усложнение, прежде всего за счет создания сети, поддерживающей целостную репликативную способность системы, является средством, с помощью которого простые воспроизводящиеся химические системы со временем трансформируются в очень сложные воспроизводящиеся системы, которые мы называем биологией.Вывод ясен: возникновение жизни началось со случайного появления какой-то относительно простой воспроизводящейся химической системы, которая затем начала долгий путь ко все более сложным воспроизводящимся сущностям.

2.2. К общей теории эволюции

2.2.1. Раскрытие химических корней дарвинизма

Мы уже указывали, что мышление дарвиновского типа было применено к молекулярным репликаторам, тем самым распространив его влияние на химическую область. Однако при таком подходе возникает методологическая трудность.Учтите, дарвиновская теория была предложена на основе данных, терминологии и концепций, которые являются биологическими. Таким образом, дарвиновская теория по определению является биологической теорией. Действительно, будучи биологической теорией, сам Дарвин рассматривал возможность более ранней химической фазы, предшествующей биологической фазе, как такую, которая не может быть адекватно рассмотрена в рамках этой биологической структуры. В ныне известном письме Джозефу Далтону Хукеру, написанном в марте 1863 г., Дарвин писал: «…смысл в настоящее время о происхождении жизни — просто вздор; с тем же успехом можно было бы думать о происхождении материи» [9].Соответственно, если химическая и биологическая фазы составляют единый физико-химический процесс, как мы предположили, то логически следует, что дарвиновскую теорию необходимо расширить и переформулировать так, чтобы она могла охватывать также 90 299 неодушевленных 90 300 химических систем. Обратите внимание, что недостаточно просто заключить, что дарвиновские концепции применимы как к химическим системам, так и к биологическим. Не отрицая дидактической ценности такого мышления, применение биологических понятий к химическим явлениям в научно-методологическом смысле проблематично и даже ошибочно.Более глубокое понимание биолого-химической связи может быть обеспечено, но только тогда, когда связь приближается в направлении 90 299, обратном 90 300. Остановимся на этой ключевой идее.

Научный редукционизм, центральная научная методология, учит нас искать понимание в науках более высокого иерархического уровня, используя концепции наук более низкого иерархического уровня, а не наоборот. Это предполагает, что мы должны стремиться объяснить биологических явлений в терминах химии , а не химических явлений в биологических терминах .Чтобы пояснить это на крайнем примере, рассмотрим две науки, химию и психологию. В то время как предложенное молекулярное объяснение некоторого психологического явления могло бы быть интригующим и вызвать интерес, психологическое объяснение какого-то молекулярного явления было бы встречено только с насмешкой! Цитируя Вайнберга [32]: «Объяснительные стрелки всегда указывают вниз». Таким образом, мы обычно пытаемся объяснить психологические явления в биологических терминах, биологические явления в физических и химических терминах, химические явления в физических терминах и так далее, а не наоборот.Наблюдение дарвиновского поведения на химическом уровне 90 299 очень важно, 90 299 не 90 300, потому что оно предполагает, что молекулы ведут себя биологическим образом, а потому, что оно открывает возможность объяснения биологического поведения в химических терминах. Он позволяет обнажить химические корни самой центральной и глубокой биологической теории, теории Дарвина, тем самым обеспечивая действительно фундаментальную основу для биолого-химической связи.

2.2.2. Химическая кинетика как основа дарвиновского поведения. Химические явления удобнее объяснять с помощью химических терминов, а конкурентные реакции молекулярных репликаторов легко рассматриваются специальной отраслью химии, изучающей скорости химических реакций, — химической кинетикой.Как было признано со времен ранней новаторской работы Lotka [33], реакция репликации, иллюстрирующая автокаталитический процесс, кинетически уникальна, поскольку репликация без смягчения часто приводит к экспоненциальному росту. Однако экспоненциальный рост по своей природе 90 299 неустойчив, 90 300 поэтому в лучшем случае будет сформировано устойчивое состояние репликатора, в котором устанавливается баланс между скоростью образования репликатора и скоростью распада репликатора. Этот кинетический паттерн может быть выражен дифференциальным кинетическим уравнением, таким как уравнение 1, где
X — концентрация репликатора, M — концентрация строительных блоков, из которых состоит X , а k и г. — константы скорости образования и распада репликаторов соответственно.Стационарное состояние популяции, состояние, которое фактически является «стабильным», достигается и поддерживается до тех пор, пока dX/dt остается близким к нулю. Прямым следствием этого описания стационарного состояния является то, что стабильность результирующего состояния является динамической разновидностью — популяция репликаторов стабильна, даже несмотря на то, что отдельные члены постоянно обновляются.

(1)

Примечательно, что само существование таких динамических состояний имеет глубокие химические последствия, поскольку, как мы отмечали в предыдущей работе, возникает особый вид химии с другими правилами отбора [34–36].Примером этого правила отбора, на которое несколько лет назад указал Лифсон [37], является конкурентная реакция двух репликаторов, конкурирующих за одни и те же строительные блоки. Вероятный результат — один из репликаторов будет уничтожен. Таким образом, на химическом уровне конкурирующая реакция двух реплицирующихся молекул, когда один из репликаторов «вымирает», представляет собой прямое и хорошо изученное химико-кинетическое явление. Учитывая, что химия является более фундаментальной наукой, можно поэтому сказать, что биологический естественный отбор подражает химическому кинетическому отбору, т.е.е. биология сводится к химии для этого наиболее фундаментального из биологических явлений [36].

Процесс комплексообразования, вторая закономерность, наблюдаемая как в биологической, так и в химической эволюции, также можно понимать как кинетическое явление. Именно на химическом уровне, где трансформация простого молекулярного репликатора в автокаталитическую сеть минимальной сложности может быть непосредственно исследована [26-30], проявляется кинетическое преимущество сети над одиночным репликатором.Необходимы дополнительные экспериментальные данные, чтобы полностью установить связь между кинетическим отбором и комплексообразованием, но предварительные данные, особенно предоставленные Линкольном и Джойсом [31], наводят на размышления. Таким образом, кинетический отбор, по своей сути химическое явление, хорошо изученное на молекулярном уровне, все чаще рассматривается как корень поведения дарвиновского типа, обеспечивая тем самым основу для более фундаментального понимания дарвиновского поведения на более сложном уровне. биологический уровень.

Мы определили биологический «естественный отбор» как расширение химического «кинетического отбора», но что является химическим аналогом «приспособленности», другой центральной концепции Дарвина? Какое физико-химическое свойство оптимизируется в процессе химического отбора? Где именно с физико-химической точки зрения кинетический отбор ведет систему репликации? В химических процессах система неизменно стремится к состоянию большей термодинамической стабильности, но живые системы, похоже, не следуют этому указанию, поскольку все живые системы по своей природе термодинамически 90 299 нестабильны 90 300 .Оказывается, ответ на самом деле заключается в стабильности системы, а не в ее термодинамической стабильности, к которой мы обычно обращаемся в химии. В воспроизводящемся мире существует другой тип стабильности, совершенно отличный от термодинамической стабильности, тип стабильности, который мы назвали динамической кинетической стабильностью (ДКС) [38, 39]. Давайте кратко прокомментируем природу DKS и обсудим, как взаимосвязаны эти два вида стабильности.

2.2.3. Динамико-кинетическая устойчивость (ДКС) и динамические кинетические состояния вещества

Система считается стабильной, если она постоянна, остается неизменной во времени — это операциональное, феноменологическое определение.В химических системах мы признаем, что устойчивость системы может возникать по термодинамическим или кинетическим причинам, и, соответственно, мы говорим о термодинамической и кинетической устойчивости. Важно отметить, что оба возникают из-за отсутствия сдачи . Парадоксально, однако, но в природе есть и другой вид стабильности, который на самом деле достигается за счет изменений , а не отсутствия изменений . Этот вид устойчивости является динамической устойчивостью. Рассмотрим, например, текущую реку или фонтан.Река или фонтан, как идентифицируемый объект, будут классифицироваться как стабильные, если они сохранят свое присутствие в течение долгого времени. Это, как уже говорилось, и есть проявление стабильности — неизменности во времени. Но, конечно, вода, из которой состоит река или фонтан, постоянно меняется, поэтому стабильность реки (фонтана) в данном случае носит динамический характер, который возникает благодаря изменениям. Таким образом, хотя река (фонтан) как сущность 90 299 стабильна в 90 300, ее стабильность носит совершенно иной характер, чем та, которая ассоциируется со статическими объектами.

Как уже обсуждалось выше, стабильная популяция воспроизводящихся сущностей, будь то химические или биологические, также проявляет динамическую стабильность. Популяция репликаторов может быть «стабильной» только в том случае, если отдельные сущности, составляющие популяцию, постоянно переворачиваются, точно так же, как постоянно меняющееся содержание воды в реке или фонтане. Таким образом, можно думать о популяции молекулярных репликаторов как о «молекулярном фонтане» . Теперь может стать ясным значение термина «динамическая кинетическая стабильность» применительно к стабильной популяции реплицирующихся объектов.Термин «динамический» отражает непрерывный оборот членов популяции, термин «кинетический» отражает тот факт, что стабильность репликационной системы основана на кинетических параметрах, таких как k и г уравнения 1, т.е. , от констант скорости реакции, а не от термодинамических параметров. Именно значения этих параметров вместе с наличием ресурсов определяют стабильность конкретной репликирующей системы. Соответственно, мы можем охарактеризовать стабильные воспроизводящиеся системы (, т.е. , сохраняющиеся во времени), химические или биологические, как динамические кинетические состояния материи . Полезность и значение этого термина можно более четко оценить, сравнив его с термином, часто используемым для описания неживых систем, более традиционных термодинамических состояний материи , характеризующих большую часть химии.

2.2.4. Физико-химическая движущая сила в репликаторном пространстве

Давайте теперь уточним факторы, которые будут способствовать повышению стабильности репликационной системы.В принципе все физико-химические системы имеют тенденцию к превращению из менее устойчивых форм в более устойчивые. Второй закон термодинамики является формальным выражением этого общего стремления. Но в рамках ограничений второго закона возможен ряд исходов, и по причинам, описанным выше, для воспроизводящихся систем преобладают кинетические факторы. В частности, в репликаторном пространстве, в котором эффективно контролируется динамическая кинетическая стабильность, правило отбора принимает следующий вид: от кинетически менее стабильного к кинетически более стабильному .Таким образом, в этом пространстве движущей силой фактически является стремление к большему DKS . Другими словами, в то время как второй закон требует, чтобы все химические системы были направлены к их наиболее стабильному состоянию (наименьшему энергетическому состоянию Гиббса), в репликаторном пространстве аналог второго закона эффективно управляет характером превращений [36, 39]. Недавнее исследование Буато и Паскаля [40] также подтверждает идею фундаментальной движущей силы эволюции.

Приведенное выше обсуждение проясняет основное различие между событиями в физическом и биологическом мирах.В физическом мире второй закон является полезным предсказателем того, что может произойти. Именно так мы можем предсказать таяние льда, помещенного в теплую воду, или взрыв, происходящий в результате смешения газообразных водорода и кислорода. Вообще говоря, это закон, который позволяет нам понятным образом соотносить реагенты и продукты любой реакции. Однако в биологическом мире, в мире воспроизводящихся систем, второй закон обеспечивает не 90 299, а не 90 300 предсказательную силу.Ни поведение крадущегося льва, ни феномен хемотаксиса отдельных клеток нельзя объяснить с точки зрения второго закона. Конечно, все биологические явления согласуются со вторым законом, но это глобальное требование само по себе не имеет никакой прогностической ценности. Скорее, биологические явления лучше всего можно понять и предсказать на основе их телеономического характера [41, 42], свойства, совершенно не связанного с термодинамической стабильностью и вторым законом. Поведение голодного льва или бактерии в растворе глюкозы с градиентом концентрации легко понять и предсказать с точки зрения телеономии, а не термодинамики.Как мы вскоре обсудим, телеономию, этот типичный биологический феномен, можно обосновать физико-химическим, но это будет путем соотнесения его с кинетическими , а не с термодинамическими , параметрами.

2.2.5. Количественное определение динамической кинетической устойчивости

Установив существование дискретного вида устойчивости, который отличается от ранее признанных видов устойчивости, было бы явно полезно иметь возможность количественно определить эту концепцию.К сожалению, формальная количественная оценка ДКС сопряжена с определенными трудностями, и эта трудность проявляется на нескольких уровнях. Во-первых, нельзя формально сравнивать ДКС любых двух произвольных репликаторов, скажем, бактерии и верблюда, потому что эти две сущности не связаны напрямую. В этом отношении проблема не слишком отличается от термодинамической стабильности, где нельзя формально сравнить стабильность двух систем, которые не являются изомерными. Таким образом, точно так же, как нельзя с полным правом спрашивать, является ли молекула воды более или менее стабильной, чем молекула бензола, нельзя сравнивать относительную стабильность двух реплицирующихся объектов, если они не конкурируют непосредственно за одни и те же материальные ресурсы.Соответственно относительный DKS двух произвольных репликаторов в большинстве случаев не поддается формальному измерению.

Во-вторых, если два репликатора действительно конкурируют напрямую, как в случае олигомеров РНК, конкурирующих за одни и те же строительные блоки нуклеотидов, то относительная динамическая кинетическая стабильность может быть установлена ​​и даже количественно оценена на основе относительных скоростей репликации и распада для конкурирующие репликаторы. Однако, поскольку DKS происходит от кинетических , а не термодинамических факторов, на него, вероятно, будут оказывать значительное влияние незначительные изменения условий реакции, поэтому значимость любой конкретной меры будет иметь ограниченное значение.Например, присутствие бромистого этидия в реакционной смеси при репликации конкурирующего олигомера РНК приводит к совершенно другому конкурентному исходу, чем в его отсутствие [43]. Соответственно, фактическая величина DKS для любой воспроизводящей системы, как и для ее статического аналога, является весьма косвенной и, следовательно, не поддается содержательной количественной оценке. На самом деле трудность количественной оценки ДКС четко отражена в многолетних попытках количественной оценки биологического эквивалента ДКС — «приспособленности», которая началась с использования Фишером мальтузианского параметра [44].С момента этого раннего предложения были предложены различные виды приспособленности — относительная приспособленность, инклюзивная приспособленность, индивидуальная приспособленность, приспособленность популяции и различные эмпирические меры этого параметра, отражающие внутреннюю трудность количественной оценки концепции приспособленности [45, 46]. Все эти различные предложения по количественной оценке можно в некотором смысле рассматривать как попытки найти квадратуру круга. Действительно, сведение биологического понятия «приспособленность» к химическому понятию ДКС помогает прояснить источник трудности, подчеркивая кинетическую и, следовательно, косвенную природу стабильности в репликативном контексте.

2.2.6. К общей (расширенной) теории эволюции

Как только мы убедимся, что химическую и биологическую фазы возникновения и эволюции жизни можно объединить в рамках единого физико-химического описания, опирающегося на идентифицируемую физико-химическую движущую силу, центральные элементы можно изложить общую теорию эволюции. Мы начнем с указания на то, что терминология, используемая в этой формулировке, неизбежно является физико-химической, поэтому она может относиться к начальной фазе возникновения жизни, так называемой химической фазе.Из этого следует, что биологическая фаза также будет описана в физико-химических терминах, но это не представляет методологической трудности — редукционистская методология лежит в основе большей части научных усилий. Соответственно следующее утверждение будет служить центральным элементом общей теории:

Некоторые олигомерные репликационные системы в процессе несовершенной репликации и продолжающегося кинетического отбора будут иметь тенденцию эволюционировать в направлении репликационных систем с большей ДКС.

Хотя изначально этот процесс несовершенной репликации может включать предпочтительное образование более быстро реплицирующихся олигомерных последовательностей, как показано в классических экспериментах по репликации РНК Mills et al.[16], появление репликационных сетей (также называемых автокаталитическими наборами) [2, 6, 47, 48] с их повышенной способностью к репликации по сравнению с отдельными молекулярными репликаторами открыло бы новые кинетические возможности в репликаторном пространстве. И те конкретные последовательности, которые были бы способны катализировать образование других химических классов, например. , пептиды, которые проявляют каталитическую активность в отношении самой реакции репликации, будут дополнительно способствовать процессу комплексообразования и эволюции в сторону более стабильных динамических кинетических систем.Таким образом, в то время как процесс кинетического отбора между конкурирующими системами репликации может иметь ряд кинетических характеристик, в зависимости от точного механизма репликации и его конкретных кинетических параметров, общая тенденция от 90 299 менее сложной и кинетически менее стабильной 90 300 к 90 299 более сложной и кинетически более проявятся стабильные репликаторы . Соответственно, второй элемент общей теории, относящейся к процессу комплексообразования, можно сформулировать следующим образом:

Комплексообразование в репликаторном пространстве за счет создания все более сложных химических сетей будет основным механизмом повышения динамической кинетической стабильности репликатора. и генерация устойчивых динамических кинетических состояний.

Из вышеприведенного обсуждения становится очевидным, что центральные дарвиновские (биологические) термины являются лишь частными случаями более общих физико-химических терминов, как показано в таблице 1. Биология, с редукционистской точки зрения, плавно переходит в химию.

Таблица 1 Ключевые концепции Дарвина и лежащие в их основе химические эквиваленты
2.2.7. Взаимосвязь между динамической кинетической стабильностью и термодинамической стабильностью — происхождение и роль метаболизма

Несмотря на приведенное выше обсуждение и акцент на ДКС, необходимо прояснить взаимосвязь между этой стабильностью и термодинамической стабильностью.Ведь термодинамические требования, сформулированные вторым законом, нельзя игнорировать в том смысле, что все превращения в физико-химическом мире, независимо от того, является ли конкретная система биологической или нет, должны соответствовать его строгим требованиям. Оказывается, метаболизм (в смысле накопления энергии) является средством, с помощью которого Природа может получить свой пирог и съесть его. Включение в систему возможности сбора энергии — это то, что позволяет стремлению к большему DKS комфортно сосуществовать со строгими требованиями второго закона, несмотря на часто противоположные требования этих двух видов стабильности.Рассмотрим этот момент подробнее.

Метаболизм в широком смысле определяется как сложный набор реакций, происходящих в живой клетке. Так что в этом смысле метаболизм есть прямое проявление тенденции к возрастанию сложности, лежащей в основе эволюционного процесса. Однако, как отмечалось выше, все химические реакции подчиняются второму закону, поэтому стремление к большей DKS и большей сложности, которые часто сопровождают эту стабильность, должны соответствовать термодинамической директиве.Это верно даже при том, что не все пути, направленные на улучшение DKS, будут термодинамически осуществимы. Действительно, можно предположить, что во многих случаях большая сложность, связанная с усилением DKS, на самом деле будет неблагоприятной термодинамически, тем самым эффективно блокируя такие пути. Так как же разрешается этот очевидный конфликт между двумя видами стабильности? Потенциальный конфликт разрешается за счет появления совершенно особого вида метаболического комплексообразования — того, который специально связан со сбором энергии.Именно этот тип метаболической способности позволяет комфортно сосуществовать DKS и термодинамической стабильности. Давайте посмотрим, как это может произойти.

В недавнем теоретическом исследовании [49] мы продемонстрировали, что реплицирующаяся молекула, которая приобретает способность накапливать энергию в результате случайной мутации, например. , посредством образования фотоактивного сайта в исходной молекуле, можно ожидать, что посредством процесса кинетической селекции первоначальный неметаболический репликатор исчезнет.Другими словами, случайное появление метаболической способности привело бы к образованию репликатора с большей ДКС, чем исходная неметаболическая молекула. Примечательно, что этот результат наблюдался, даже если постулировалось, что метаболический репликатор по своей природе медленнее на этапе репликации. По сути, включение метаболических способностей «освобождает» размножающуюся сущность от термодинамических ограничений почти так же, как автомобильный двигатель «освобождает» автомобиль от гравитационных ограничений.Моторизованное транспортное средство может не только катиться вниз по склону, но и за счет использования внешнего источника энергии (бензина) может двигаться вверх по склону. Другими словами, как моторизованное транспортное средство является более эффективным средством передвижения, так и метаболический репликатор является более эффективным репликатором, чем неметаболический. Значение моделирования, описанного выше, состоит в том, что оно демонстрирует метаболическую способность, однажды приобретенную в результате случайной мутации, которая, вероятно, будет включена в систему посредством процесса кинетического отбора .В этот момент стремление к большему DKS больше не сдерживается термодинамическими препятствиями. Как мы впоследствии обсудим, этот механизм метаболического (сбора энергии) возникновения имеет явное значение в отношении механизма возникновения жизни. На самом деле этот шаг можно считать решающим в преобразовании термодинамического («нисходящего») репликатора в кинетический, телеономный — критический шаг, который можно было бы принять за начало жизни.С этой точки зрения смерть есть не что иное, как возврат от этого (устойчивого) динамического кинетического состояния материи обратно к традиционному термодинамическому состоянию.

2.3. Приложения общей теории

2.3.1. Объяснительная сила общей теории

С самого начала письменной истории человек остро осознавал тот факт, что живые и неживые системы совершенно различны. Одним из ключевых тестов общей теории, которая пытается охватить как живое, так и неживое (в отличие от чисто биологической теории), является то, что она должна быть в состоянии рассмотреть эти ключевые различия между живым и неживым.Основные характеристики жизни, требующие объяснения, следующие:

  1. (а)

    Разнообразие и адаптация

  2. (б)

    Сложность

  3. (с)

    Гомохиральный признак

  4. (г)

    Телеономический (целеустремленный) характер

  5. (е)

    Динамический персонаж

  6. (е)

    Состояние, далекое от равновесия

Из этих характеристик разнообразие, адаптация и сложность кажутся объяснимыми в дарвиновских терминах, хотя в недавней монографии было высказано предположение, что эволюционная теория неадекватно объясняет разнообразие и сложность, и вместо этого предлагается новый вероятностный принцип [50].Что касается остальных характеристик, здесь мало места для споров — ни одна из них не имеет простого дарвиновского объяснения. На самом деле Моно [41] зашел так далеко, что несколько лет назад заявил, что понимание телеономного характера жизни является «центральной проблемой биологии», в то время как Везе [1] видел в динамическом характере жизни необъяснимую характеристику, которая потребовала отказа от традиционного редукционистского подхода. подойти к предмету и искать, как он выразился, «новую биологию для нового века». Кратко рассмотрим, как лучше понять каждую из этих характеристик в свете общей теории.

(a) Динамический характер живых систем

Как поясняет Вёзе [1], живые существа выходят за рамки машинной метафоры: «Машины не состоят из частей, которые постоянно переворачиваются, обновляются. упругие узоры в турбулентном потоке — узоры в потоке энергии». Вёзе ясно осознавал динамическую природу жизни, но был обеспокоен отсутствием удовлетворительного объяснения в рамках традиционной молекулярной биологии. Давайте теперь покажем, как описание жизни как динамического кинетического состояния материи может способствовать разрешению дилеммы Вёзе.

Стабильная популяция реплицирующихся молекул, как обсуждалось ранее, представляет собой динамическое состояние в том смысле, что популяция стабильна, даже если отдельные молекулы постоянно переворачиваются. Конечно, динамическая популяция реплицирующихся молекул РНК не составляет жизни, так как же описанный нами динамический характер проявляется в простой форме жизни, скажем, в бактериальной клетке? Для клеточных репликаторов (скажем, бактерий) динамический характер проявляется на двух уровнях, молекулярном и клеточном.На молекулярном уровне клеточные белки, ключевой компонент всех клеток, постоянно деградируют и регенерируются как часть клеточного механизма регуляции белков [51]. Как следствие, период полураспада большинства клеточных белков измеряется часами, а некоторые даже минутами, а это означает, что клеточный белок, первичный компонент всех живых клеток, эффективно полностью обновляется в течение нескольких дней, служа еще одним примером «молекулярного взаимодействия». фонтан» в действии. И, конечно же, на клеточном уровне также происходит непрерывный обмен — новые клетки генерируются путем клеточного деления, в то время как существующие клетки постоянно деградируют.Таким образом, динамический характер живых систем, занимающий центральное место в их функциях и самом существовании, становится ясным при описании жизни как динамического кинетического состояния материи. Наконец, интересно отметить, что этот динамический характер может также лежать в основе многоклеточной функции. Например, в мозге значительная часть мозговых клеток возбуждается в любой данный момент, а сознание, одно из наиболее примечательных и интригующих проявлений биологической организации, недавно было приписано очень преходящим группам нейронов, которые находятся в постоянном динамике. процесс изменения [52].Послание становится все более ясным: динамическая природа жизненных процессов на любом уровне занимает центральное место в каждом аспекте биологической функции .

(b) Далекий от равновесия характер жизни

Второй закон учит нас тому, что системы стремятся к наинизшему энергетическому состоянию Гиббса. Конечно, по кинетическим причинам системы могут на какое-то время оказаться в ловушке в более высоких энергетических состояниях (например, газовая смесь водорода и кислорода), но состояние жизни, далекое от равновесия, не может быть просто объяснено таким образом.Живые существа постоянно расходуют энергию для поддержания этого далекого от равновесия состояния, и градиенты концентрации ионов нельзя просто рассматривать как (статические) кинетически стабильные состояния. В прошлые годы возможным подходом к этому вопросу было внедрение теории неравновесной термодинамики [53]. Эта теория смогла объяснить, как спонтанный порядок — так называемые «диссипативные структуры» — может возникать в результате воздействия возмущения на систему, находящуюся в равновесии. Однако такой подход к биологическим системам в конечном итоге подвергался все большему сомнению.Проблема заключалась в том, что моделирование живых систем как диссипативных структур — водоворотов, нагретых жидкостей и т. п. — не могло дать никакого понимания биологической структуры и функций [54]. Как указывал Коллиер несколько лет назад, нет доказательств того, что неравновесная термодинамика применима к биологическим системам нетривиальным образом [55]. Введение концепции DKS, по-видимому, решает эту дилемму. В воспроизводящемся мире важна не термодинамическая стабильность, а ДКС, что, конечно же, соответствует требованиям второго закона.Таким образом, живые системы являются высокостабильными образованиями несмотря на их далеко неравновесный характер , но вид устойчивости является динамическим кинетическим. И, как обсуждалось выше, ограничение второго закона отвечает за появление метаболизма (в смысле накопления энергии) в качестве критического компонента всех живых существ, позволяющего комфортно сосуществовать двум видам стабильности, DKS и термодинамической стабильности.

(c) Телеономный характер

Телеономный характер жизни, возможно, является самой яркой из всех уникальных характеристик жизни.В отличие от неживых существ, все формы жизни следуют определенной программе. Как выразился Кауфман [2]: «живые системы являются автономными агентами — они действуют от своего имени». Недавно мы предложили физико-химическое объяснение телеономного характера жизни [42], поэтому этот вопрос здесь подробно обсуждаться не будет. Достаточно сказать, что его центральным элементом является описание жизни как динамического кинетического состояния материи. Как только воспроизводящая система приобрела метаболическую (собирающую энергию) способность посредством кинетического отбора (чтобы повысить свою динамическую кинетическую стабильность), она эффективно «освобождается» от термодинамических ограничений, и в этот момент воспроизводящая система приобретает телеономический характер. персонаж.Его директивой является уже не термодинамическая директива, определяющая так называемое «объективное» поведение, а стремление к большей ДКС, проявление которого интерпретируется и понимается нами как телеономический характер.

(d) Разнообразие

Разнообразие жизни ясно и однозначно. Количество видов, населяющих Землю, оценивается в миллионы, занимающих все мыслимые экологические ниши, от полюсов до экватора, от дна моря до высоких слоев атмосферы.Несмотря на явные доказательства существования разнообразия, дарвиновская модель дает различные объяснения этому разнообразию, от естественного отбора до случайного дрейфа [50], последнее соответствует ранней концепции Спенсера о «нестабильности однородного» [56], а тема остается источником продолжающихся дискуссий [57]. В этом контексте мы хотели бы добавить идеи, обеспечиваемые моделью динамической кинетической устойчивости живых систем.

Одно интересное различие между «обычным» химическим миром и репликативным миром заключается в различной топологии их соответствующих пространств.Как мы обсуждали ранее [39], в «обычном» химическом мире все химические системы направлены к своему термодинамическому стоку, так что топология этого пространства по своей сути сходящаяся (как показано на рис. 2). Напротив, в пространстве репликаторов путь к системам с большей динамической кинетической стабильностью четко не определен. В принципе, любая воспроизводящаяся система может улучшать свои DKS любым количеством различных способов, так что каждая система становится потенциальной точкой ветвления для других кинетически стабильных систем, независимо от того, какие системы смогут поддерживать эту стабильность с течением времени (, i.е. , выживут), это отдельный вопрос. Соответственно, топология репликаторного пространства расходящихся , и именно эта другая топология обеспечивает простое объяснение огромного (и постоянно растущего) разнообразия, которое мы обнаруживаем в биологическом мире. Таким образом, дарвиновский принцип дивергенции, предмет непрекращающихся споров [57], поскольку он был первоначально предложен Дарвином, получает простое топологическое объяснение. Эта картина конвергентных и дивергентных пространств для двух химических миров также объясняет, как в мире репликаторов мы можем возвращаться назад во времени и искать наши эволюционные корни ( конвергентных возвращаясь назад во времени), но не можем предсказать будущие эволюционные изменения ( расходящиеся продвигающиеся вперед во времени), тогда как в «обычном» химическом мире мы часто можем предсказать исход будущих химических реакций ( конвергентных продвигающихся вперед во времени), но не можем указать, как возникли эти реагирующие системы ( расходящиеся , уходящие в прошлое) [39].

Схема 2

Схематическое изображение топологий превращений в «обычном» химическом пространстве (конвергентное) и в репликаторном пространстве (дивергентное).

  1. (е)

    Сложность

Большая часть трудностей в объяснении сложности жизни связана с присущей ей термодинамической нестабильностью, связанной с организованной сложностью жизни.Почему формируются все более сложные и нестабильные системы? Однако, как только природа стабильности в мире репликаторов проясняется с помощью концепции DKS, проблема сложности, по крайней мере, в отношении ее термодинамических последствий, оказывается в значительной степени решенной. Как мы уже указывали, стабильность, имеющая значение в репликаторном пространстве, является не термодинамической, а DKS, и сложность, в первую очередь за счет образования кросс-каталитической сети, способствует такой стабильности. Мы уже отмечали, как два РНК-фермента смогли установить устойчивую автокаталитическую сеть, в которой ни один фермент сам по себе не обладал такой способностью к репликации [31].

Дополнительный биологический пример может помочь прояснить вопрос — функциональность вируса. Упрощенно представьте вирус как агрегат из двух молекул — белок + нуклеиновая кислота. В биотической среде вирусы являются очень стабильными объектами (в смысле DKS) в том смысле, что они способны успешно реплицироваться в больших количествах и, таким образом, поддерживать большую популяцию. Обратите внимание, однако, что высокая кинетическая стабильность возникает благодаря перекрестному каталитическому эффекту вирусных компонентов. Каждый компонент способствует репликации другого, i.е. , два компонента являются репликативно связанными . Однако в той же самой биотической среде ни один отдельный компонент не будет реплицироваться сам по себе, т. е. , каждый отдельный компонент будет демонстрировать нулевой DKS. Именно сложность системы, выраженная перекрестными каталитическими отношениями между вирусными компонентами, обеспечивает средства репликации, что приводит к высокому DKS системы.

  1. (е)

    Гомохиральный признак

Стабильность хиральных систем в «обычном» и репликаторном пространстве разительно отличается.В «обычном» химическом пространстве рацемическая смесь по своей природе более стабильна; хиральный избыток термодинамически нестабилен, и со временем все гомохиральные системы будут иметь тенденцию превращаться в более стабильную рацемическую форму (если игнорировать эффекты агрегации). Однако в репликативном мире, где преобладают кинетические факторы, наблюдается обратная картина. Стереохимическое распознавание имеет решающее значение в биологических процессах, особенно в процессе репликации, так что в репликативном контексте гомохиральность, облегчающая такое распознавание, является предпочтительным стереохимическим результатом.Другими словами, из-за важности стереохимического распознавания гомохиральные системы демонстрируют на больше DKS, чем рацемические. Таким образом, тенденция «обычных» химических систем к рацемизации, а реплицирующихся систем к гомохиральности становится понятной с точки зрения типов стабильности в двух химических пространствах. В заключение стоит отметить, что важность автокатализа проявляется не только в том, что поддерживает это гомохиральное динамическое кинетическое состояние, но также и в том, что генерирует его .Аналогичным образом объяснима реакция Соаи с нарушением симметрии [58, 59], в которой хиральный продукт может образовываться в почти 100% энантиомерном избытке из ахирального субстрата. Таким образом, как образование, так и поддержание устойчивых автокаталитических систем происходит из-за преобладающего влияния кинетических факторов, управляющих этими процессами.

2.3.2. Определение жизни

Единственное бесспорное утверждение, которое можно сделать в отношении попыток дать определение жизни, — это сказать, что вопрос весьма проблематичен [60, 61].Тем не менее, рабочее определение важно и формирует основу для продолжающихся попыток преодолеть по крайней мере некоторые трудности. Как недавно указали Клиланд и Чиба [60], одно из главных препятствий на пути успешного определения жизни состоит в том, что мы пытаемся дать определение чему-то, что мы не до конца понимаем. Существует достаточно философских и лингвистических трудностей в определении того, что мы делаем понимаем, поэтому проблема только усугубляется, когда мы пытаемся определить сущность, сущность которой остается спорной, источником бесконечных споров.

Распространение темы эволюции на неживые системы, тем самым помогая преодолеть разрыв между живым и неодушевленным, вполне естественно приводит к более глубокому пониманию того, что представляет собой живая система. Это понимание, в свою очередь, открывает дверь для функционального определения, которое может избежать, по крайней мере, некоторых из общепризнанных трудностей, связанных с попытками определить жизнь в прошлом. Функциональное определение, которое, кажется, преодолевает по крайней мере некоторые из этих трудностей, выглядит следующим образом:

Самоподдерживающаяся кинетически стабильная динамическая реакционная сеть, полученная из реакции репликации .

Обратите внимание, что центральная особенность приведенного выше определения заключается в том, что оно пытается указать химическую сущность жизни, т. е. , то, что жизнь есть , а не то, что делают живые системы . Рассмотрим для сравнения широко цитируемое определение жизни НАСА: Самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции [62]. Тот факт, что определение НАСА страдает рядом недостатков, включая тривиальные исключения (например, бесплодные животные, одинокие кролики), отмечался и обсуждался [60].Но трудность с определением НАСА кажется более фундаментальной. Определение НАСА основано на термине, который сам по себе является биологическим , «способным пройти дарвиновскую эволюцию». В идеале определение жизни, стремящееся поместить живые существа в общий материальный контекст, должно быть отделено от его биологического контекста. Он не должен содержать элементов, которые по своей сути являются биологическими, поскольку в этом случае он в некоторой степени определяется с точки зрения самого себя.

В заключение отметим, что приведенное выше определение предполагает возможность существования других форм жизни, по крайней мере, в принципе.Общее определение, здесь согласующееся с определением НАСА, предполагает, что формы жизни, не связанные с известным нам форматом белок-нуклеиновая кислота, будут возможны и, вероятно, будут демонстрировать те же феноменологические проявления установленной формы белок-нуклеиновая кислота. что нас окружает. Подробное обсуждение этого вопроса выходит за рамки данной статьи.

2.3.3 Дальнейшее понимание общей теории

Давайте теперь укажем на некоторые дополнительные идеи, обеспечиваемые общей теорией помимо описанных выше.Во введении были подняты два центральных вопроса: как возникла жизнь? Как бы мы подошли к синтезу живой системы? Какие ответы на эти ключевые вопросы предлагает вышеприведенная теория? Давайте сначала обратимся к вопросу о возникновении жизни.

Предлагаемая общая теория эволюции не может решить исторический вопрос возникновения жизни из неживой материи. Исторические вопросы могут быть решены только путем раскрытия исторических записей, а для ранних стадий абиогенеза исторические записи недоступны или, вероятно, станут доступными.Ни летопись окаменелостей, ни филогенетический анализ не могут вернуть нас к самым ранним стадиям возникновения жизни. Однако раскрытие физико-химических принципов, которые способствовали бы такому превращению, должно быть достижимой целью. Ведь эти принципы были бы независимы от времени и места и не менее применимы тогда, как и сейчас. Действительно, рассматривая абиогенез и биологическую эволюцию как единый непрерывный физико-химический процесс, мы, по сути, наметили физико-химическую структуру, которая способствовала бы такому преобразованию.В двух словах, эта схема основывается на простой идее о том, что в природе существует особая стабильность, связанная с сущностями, способными к самовоспроизведению, — разновидность стабильности, которую мы назвали динамической кинетической стабильностью. Таким образом, автокатализ лежит в основе как абиогенеза, так и эволюции. Как только возникла бы некая относительно простая самореплицирующаяся сущность, будь то отдельная молекула или минимальная молекулярная сеть, стремление к большему DKS побудило бы эту минимальную репликирующуюся систему к дальнейшему усложнению.Точная химическая природа этого первичного репликатора и точный путь его комплексообразования, исторические факты, вряд ли когда-либо станут известны. Это исторические события, погребенные глубоко в глубине веков, но, учитывая центральное место системы нуклеиновых кислот как репликационного центра всех живых систем, может показаться, что либо система нуклеиновых кислот, либо, по крайней мере, система, тесно связанная с нуклеиновыми кислотами и развившиеся из него, были бы вероятными кандидатами. Важно, однако, то, каким образом термодинамический репликатор, репликационная реакция которого строго регулировалась бы термодинамическими ограничениями, был преобразован в далекую от равновесия телеономную репликационную систему, собирающую энергию, рассматривается в теории.Можно даже сказать, что этап, на котором термодинамический (нисходящий) репликатор трансформировался в метаболический (собирающий энергию) репликатор, был критическим этапом, сальтацией. Это был, можно сказать, шаг, на котором неживая химическая система начала приобретать центральную характеристику жизни — телеономный характер [49], тем самым перешагивая порог, отделяющий живое от неживого.

Как нам синтезировать живую систему? Мы, конечно, не можем дать ответ на этот вопрос, но расширенная теория может дать некоторые полезные указания, особенно в отношении того, что вряд ли сработает с .Во-первых, важно признать, что ключевое различие между жизнью и не-жизнью заключается в организационном , причем первое представляет собой динамическое кинетическое состояние материи. Таким образом, живое состояние индуцируется динамическим характером биомолекул, из которых построены живые существа. Упрощенная физическая аналогия, которая может уловить этот динамичный характер жизни, — это жонглер, жонглирующий несколькими мячами. Состояние, когда человек стоит рядом с теми же самыми шарами, одинаково материально, но совершенно различно организационно.И так же, как легко преобразовать жонглирующее состояние в нежонглерское (сильный толчок жонглера, вероятно, сделает свое дело), ​​но труднее пойти в другом направлении, так легко преобразовать относительно хрупкое динамическое состояние, которое есть жизнь, к статическому термодинамическому состоянию, представляющему смерть. Таким образом, стратегия, которая, по нашим прогнозам, сработает 90 299, а не 90 300, будет заключаться в простом объединении молекул жизни в некий надмолекулярный агрегат. Такой агрегат будет термодинамическим по своей природе, а не динамическим кинетическим.Основываясь на общей модели, представленной выше, живая система может быть синтезирована посредством доступа к репликативному состоянию с помощью относительно простой системы репликации. После доступа к этому репликативному состоянию его можно модифицировать и развивать, шаг за шагом, обеспечивая сохранение целостной репликативной способности на каждом шаге. Аналогия с жонглером снова полезна. Жонглер, желающий жонглировать 5 мячами, может начать всего с 2 мячей, а затем добавлять дополнительные мячи, по одному — шаг за шагом.Простое бросание 5 мячей в человека не приводит к состоянию жонглирования. Конечно, вышеприведенные комментарии не дают практического руководства в том, как достичь желаемого результата, и мы не претендуем на обратное. Тем не менее, общая теория эволюции может дать более четкое представление о том, в чем заключаются трудности, тем самым помогая избежать стратегий, которые теория определила бы как проблематичные.

Наконец, в заключение этого раздела мы кратко упомянем полемику «сначала метаболизм» и «сначала репликация», давний вопрос, лежащий в основе дебатов о происхождении жизни [35, 63].В отсутствие исторических данных, которые могли бы пролить свет на вопрос о том, началась ли жизнь с появления какой-то системы репликации, которая затем усложнилась, или с первоначальным появлением автокаталитической метаболической сети, окончательное решение вопроса представляется маловероятным. Тем не менее, наличие физико-химической модели, которая служит основой для преобразования неживого в живое, может дать полезную информацию. Как ясно показывает описанная выше общая модель, сущность жизни проистекает из уникальных кинетических характеристик, связанных с автокатализом.Это, в свою очередь, предполагает, что все модели возникновения жизни следует анализировать с точки зрения этого критического элемента. Итак, началась ли жизнь с какой-то первичной метаболической системы, которая была целостно автокаталитической, как предполагает школа мысли «сначала метаболизм», или с какой-то самовоспроизводящейся молекулы, как предполагает школа мысли «сначала репликация»? Учтите, работа Джойса недавно продемонстрировала, что единственный фермент РНК с составляющими его строительными блоками является плохим репликатором и не способен обеспечить устойчивую репликацию.Однако кооперативная кросс-каталитическая система с участием двух РНК-ферментов 90–299 была способна 90–300 генерировать самоподдерживающуюся систему [31]. Этот ключевой результат предполагает, что и автокатализ, управляемый шаблоном , и формирование сети вполне могли быть критическими элементами в возникновении жизни, наиболее вероятно, тесно синхронизированной . В таком случае мы утверждаем, что дебаты «сначала репликация» и «сначала метаболизм» как фундаментальный вопрос в дебатах о происхождении жизни, возможно, больше не имеют реального значения и должны быть заменены промежуточным «репликацией». и обмен веществ вместе’ сценарий .Проще говоря, комплексообразование (особого вида, встречающегося в биологии) не могло произойти без репликации, а репликации без комплексообразования некуда было деваться . Идея о том, что различие между школами мысли «сначала репликация» и «сначала метаболизм» может быть в значительной степени искусственным, была недавно высказана Eschenmoser [64].

В возрасте 4 месяцев дети могут относить новые объекты к категориям одушевленных или неодушевленных – От опыта к значению…

Младенцы могут делать больше, чем думают многие люди, часто дезинформированные относительно старых, но неверных теорий Э.грамм. Жан Пиаже (подробнее об этом в нашей будущей книге). Это новое исследование дополняет эту информацию. Изучая взгляд 100 младенцев, ученые продемонстрировали, что к четырем месяцам младенцы могут отнести предметы, которые они никогда не видели, к категории одушевленных или неодушевленных. Но исследователи узнали больше:

Используя методологический подход, который позволяет сравнивать результаты, полученные с помощью поведенческих и мозговых измерений у младенцев и взрослых, мы идентифицируем переход от визуального исследования, управляемого перцептивной значимостью, к организации объектов по категориям, которая начинается с одушевленных и неодушевленных. различие в первые месяцы жизни и продолжается скачком биологически значимых категорий (человеческие тела, нечеловеческие тела, нечеловеческие лица, небольшие природные объекты) в течение второго года жизни.

Из пресс-релиза:

То, как младенцы смотрят на мир, — великая загадка. Что они видят на самом деле? Какую информацию они получают от просмотра? Можно подумать, что они смотрят на вещи, которые больше всего выделяются — например, благодаря размеру или цвету. Но когда дети начинают видеть и интерпретировать мир как взрослые?

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи из Institut des Sciences Cognitives Marc Jeannerod (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1) изучили сотню младенцев в возрасте от 4 до 19 месяцев.Ученые зафиксировали движения глаз младенцев и продолжительность их взгляда, когда они смотрели на пары изображений, изображающих одушевленные или неодушевленные предметы из восьми различных категорий (например, человеческие лица и естественные или искусственные объекты). Данные, полученные при отслеживании взгляда младенцев, были сопоставлены с показателями мозговой активности, полученными от группы взрослых с помощью фМРТ, чтобы определить соответствие между категориальной организацией объектов, возникающей из глаз младенцев, и структурой зрительной коры взрослых. .

Методология, использованная в исследовании, выявила переход от зрительного исследования, ориентированного на выделение объектов, у самых маленьких детей к репрезентации объектов в направлении зрелой категориальной организации взрослого мозга у детей старшего возраста. Уже в четыре месяца малыши могут различать одушевленные и неодушевленные предметы. Например, они могут сказать, что человек и крокодил, будучи животными, больше похожи друг на друга, чем на дерево, являющееся неодушевленным предметом.Эта способность кажется удивительной, поскольку в этом возрасте младенцы вряд ли знают, что такое дерево или крокодил.

В возрасте от 10 до 19 месяцев появляются более тонкие категории, и организация объектов в категории у младенцев все больше приближается к таковой во взрослом мозгу. Дети в этом возрастном диапазоне сразу узнают мягкий, пушистый предмет с лицом нечеловеческого животного.

Это исследование показывает, что люди рождаются с нейронной организацией, предрасположенной к представлению категорий объектов, имеющих решающее значение для их выживания.Категоризация — это механизм, который позволяет нам выйти за пределы того, что мы видим, и делать выводы, аналогии и прогнозы — например, если этот «мягкий, пушистый объект» — кошка, ее нужно кормить — и, таким образом, думать об окружающем мире. нас, с самого раннего возраста.

Резюме исследования:

Люди познают мир, распределяя вещи по категориям. Когда и как начинается этот процесс? Мы исследовали, соответствуют ли категории объектов реального мира, спонтанно возникающие в первые месяцы жизни, категориальным представлениям объектов в зрительной коре человека.Используя отслеживание взгляда, мы измерили дифференциальное время взгляда 4-, 10- и 19-месячных детей, когда они смотрели на пары изображений, принадлежащих к восьми категориям одушевленных или неживых животных (человеческие/нечеловеческие, лица/тела, размер реального мира). большой/маленький, натуральный/искусственный). Принимая время взгляда младенцев за меру сходства, для каждой возрастной группы мы определили репрезентативное пространство, в котором каждый объект определялся по отношению к другим объектам той же или другой категории. Это пространство сравнивалось с основанными на гипотезах и функциональными моделями МРТ категоризации зрительных объектов в зрительной коре взрослых.Анализ различных возрастных групп показал, что по мере того, как младенцы становятся старше, их зрительное поведение совпадает с нейронными представлениями во все более крупных участках зрительной коры взрослого человека, что свидетельствует о постепенном задействовании и интеграции все большего и большего количества функциональных пространств, распределенных по зрительной коре. Более того, результаты характеризуют визуальную категоризацию младенцев как постепенный процесс с двумя этапами. Между 4 и 10 месяцами визуальное исследование, ориентированное на значимость, уступает место организации в соответствии с различием одушевленного и неодушевленного.Между 10 и 19 месяцами скачок категории ведет к зрелой организации. Мы предполагаем, что эти изменения лежат в основе связи между видением и мышлением в развивающемся уме.

Нравится:

Нравится Загрузка…

Родственные

Эволюция не идет по прямой линии — так зачем ее рисовать?

Футболка школьного оркестра помещает играющего на валторне Homo sapiens в конец эволюционного процесса.Брайан Клоппенбург, Джордан Саммерс, логотип Main Street

Эволюция не следует предопределенному прямому пути. Тем не менее, изображений предостаточно, которые говорят об обратном. От музейных экспозиций до редакционных карикатур эволюция изображается как линейное продвижение от примитивного к продвинутому.

Вы наверняка видели изображения шимпанзе, постепенно выпрямляющегося и прогрессирующего от различных гоминидов до современного человека. Да, они могут быть шутливыми. Но подобные популярные представления об эволюции ошибочны.

Как трое ученых в области биоразнообразия и биологии, эти изображения беспокоят нас, потому что они искажают то, как на самом деле работает процесс эволюции, и рискуют укрепить заблуждения общественности.

Восхождение по лестнице к совершенству

Это недоразумение восходит к 1859 году, когда Чарльз Дарвин впервые опубликовал свою научную теорию эволюции путем естественного отбора.

Леска природы представляет собой иерархию творения.Retorica Christiana, Didacus Valdes, 1579 г.

До этого традиционный взгляд на то, как устроен мир, основывался на «продвижении к совершенству». Эта концепция ясно выражена в идее «великой цепи бытия» или «scala naturae» на латыни: все существа на земле, одушевленные и неживые, могут быть организованы в соответствии с возрастающей шкалой совершенства, начиная, скажем, от грибов на вершине. снизу вверх через омаров и кроликов, вплоть до человека наверху.

Эта точка зрения, восходящая к Платону и Аристотелю, неверна в трех основных моментах.

Во-первых, считается, что природа организована иерархически. Это не случайный набор существ.

Во-вторых, он предусматривает два организационных критерия: вещи развиваются от простого к совершенному и от примитивного к современному.

И в-третьих, предполагается отсутствие промежуточных ступеней между уровнями в этой иерархии. Каждый уровень представляет собой водонепроницаемое отделение одинаковой сложности — морская ракушка и коралловый риф на одной ступеньке одинаково сложны. Никто не находится на полпути между двумя шагами.

В 1960-х годах стала популярной вариация scala naturae, придуманная философом-иезуитом Пьером Тейяром де Шарденом. Его идея заключалась в том, что, хотя жизнь несколько разветвлена, в эволюции есть направление, движение к большей когнитивной сложности и, в конечном счете, к отождествлению с божественным, то есть с Богом.

Постепенные изменения во всех направлениях

Однако по крайней мере со времен Дарвина представление ученых о мире организовано посредством переходов — от неодушевленных молекул к жизни, от более ранних организмов к различным видам растений и животных и так далее.Вся жизнь на Земле является продуктом постепенных преобразований, которые разнообразили и породили изобилие организмов, которые мы знаем сегодня.

Два перехода представляют особый интерес для биологов-эволюционистов. Это скачок от неодушевленного к одушевленному: происхождение жизни. И есть появление человеческого вида от предка обезьяны.

Обложки книг — лишь одно из мест, где можно увидеть отголоски этого эволюционного марша. Вой на Луну Press/Amazon

Самый популярный способ представить появление человека как линейный и прогрессивный.Вы, наверное, видели изображения, логотипы и политическую и социальную пропаганду, основанные на этом представлении.

Но ни одно из этих представлений не отражает динамику теории Дарвина. Единственное изображение, которое он включил в свою книгу «О происхождении видов», представляет собой древовидную диаграмму, ветвление которой является метафорой того, как виды возникают путем расщепления. Отсутствие абсолютной шкалы времени на изображении является признанием того, что постепенные изменения происходят в масштабах времени, которые варьируются от организма к организму в зависимости от продолжительности поколения.

Забудьте об иерархии — каждый живущий сейчас организм является наиболее развитым в своем роде. Зерн Лью/Shutterstock.com

Согласно Дарвину, все нынешние организмы эволюционировали в равной степени и все еще подвержены влиянию естественного отбора. Так, например, морская звезда и человек находятся в авангарде эволюции своих конкретных строительных планов. И у них есть общий предок, который жил около 580 миллионов лет назад.

Теория Дарвина не предполагает какого-либо особого направления в эволюции.Он предполагает постепенное изменение и диверсификацию. А поскольку эволюция продолжается и сегодня, все нынешние организмы являются наиболее развитыми в своем роде.

Карикатура на теорию Дарвина «Человек всего лишь червь» в альманахе «Панч» за 1882 год. Эдвард Линли Самборн

Устойчивое заблуждение

Существующая около 2000 лет, идея лестницы природы не исчезла во времена Дарвина. На самом деле это могло быть подкреплено чем-то таким неожиданным, как мультфильм.Чрезвычайно популярная карикатура иллюстратора Эдварда Линли Самборна на эволюцию «Человек — всего лишь червь», опубликованная в «Альманахе Панча» за 1882 год, объединила две концепции, которые никогда не были связаны в сознании Дарвина: постепенность и линейность.

Учитывая многовековую религиозную веру в «великую цепь бытия», идею линейности было легко продать. Культовая версия этой концепции — это, конечно же, изображение предполагаемого «прогресса» от обезьяны к человеку. Из этого изображения были сделаны всевозможные вариации, некоторые с юмористическим духом, но в основном для высмеивания теории превращения обезьяны в человека.

Линейное изображение эволюции может сознательно или нет подтверждать ложные предубеждения об эволюции, такие как разумный замысел — идею о том, что за жизнью стоит разумный создатель. Историки могут попытаться понять, как такая простая карикатура могла помочь исказить теорию Дарвина. Между тем, научные писатели и педагоги сталкиваются с проблемой объяснения процессов постепенного ветвления, объясняющих разнообразие жизни.

Хотя это и менее содержательно, для познания публики в науке было бы лучше, если бы эти футболки и наклейки на бамперы отказались от пошаговых изображений и использовали диаграммы ветвления, чтобы сделать более детальную и правильную точку зрения об эволюции.Вопреки картине Самборна, эволюцию лучше представить как процесс, производящий непрерывное разветвление и дивергенцию популяций организмов.

[ Глубокие знания, ежедневно. Подпишитесь на рассылку The Conversation. ]

.

0 comments on “Модель изображения связей живой и неживой природы: Окружающий мир 2 класс Как изготовить 1-2 модели связей в природе?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.