Теории эволюции жизни.

Единичные ор­ганизмы образуют общие группы или таксоны (греч. taxis – располо­жение, строй). К ним относятся виды, роды, семейства, царства и т. п.

5.1. Религия: все таксоны неизменны.Такое решениев мировых религиях очевидно. Если Бог создал все виды жизни и высоко оценил свое твор­чество («это хорошо»), то сама природа не может внести измене­ния в божественный план. В первом издании научного тракта­та «Система природы» (1735) шведский натуралист К. Линней следующим образом охарактеризовал свою руководящую идею: «мы насчитываем столько видов, сколько их было сотворено изначально».

До середины XIX в. религиозное представление неизменных видов имело среди биологов безусловный авторитет. Об этом может свидетельствовать следующий типичный случай. Английский исследователь Т. Э. Найт провел серию успешных опытов по гибридизации. Но в своем отчете он написал, что наука подтверждает библейскую истину – гибриды между видами невозможны. Под определяющим влиянием религии оказалось и теоретическое развитие. На основе лейбницевской монадологии возникла концепция преформизма, где все живое развивается из зародышей, в которых все возможности уже предсуществуют. Закладку такой «программы» осуществляет Бог. В противоположность этому теория эпигенеза признала влияние внешней среды на изменчивость жизни. Казалось бы, здесь можно обойтись без Бога, но концепция катастрофизма как вариант эпигенеза французского зоолога и палеонтолога Ж. Л. Кювье (1772-1844) доказывала обратное. Факты свидетельствуют о том, что прошлое нашей планеты изобиловало геологическими катастрофами, произошедшими по воле Всевышнего. Вследствие этого древние виды жизни вымирали. Вместо погибших Творец создавал новые виды и тем самым поддерживал нить жизни. Хотя многообразие видов жизни меняется и некоторые из них исчезают, но превращений одного вида в другой не существует, они просто невозможны.

5.2. Идея эволюции жизни.Она была высказана уже древними натурфилософами и долгое время носила чисто умозрительный характер. В XVIII в. ее стали широко обсуждать французские материалисты, которые весьма активно критиковали религию. Поэтому неслучайно первым ученым, взявшим­ся за разработку теории эволюции, стал французский биолог Ж. Б. Ламарк.

Эволюция организмов путем упражнения их органов.За основу ученый взял схему эпигенеза, где фигурирует отдельный организм и внешняя среда. Все элементы самой природы – земные глубины, почва, водные и воздушные массы – находятся в непрерывных переходах и трансформациях. Это означает, что среда обитания организмов все время представляет им свои новые облики и тем самым вынуждает их меняться. Под влияни­ем внешней среды органы упражняются и в усовершенствованном виде передаются потомкам. Ламарк признавал, что если одни орга­ны развиваются, то другие, не вовлеченные в ритм интенсивных упражнений, атрофируются (греч. atrophia – увядание). Главный вывод сводится к тому, что новые функциональные органы, полу­ченные организмом в ходе прямого приспособления к среде, насле­дуются. Так, предки жирафов, питаясь листьями деревьев, тянулись за ними и в каждом поколении удлинялись шеи и ноги.

Идея Ламарка о наследовании при­обретенных признаков на уровне фенотипа (прижизненно сфор­мировавшейся структуры организма) оказалась ложной.

Эволюция меняет виды жизни.К идее эволюции английские био­логи Ч. Дарвин (1809-1882) и А. Р. Уоллес (1823-1913) пришли независимо друг от друга. В своих путе­шествиях по разным регионам планеты они собрали большое коли­чество фактов изменчивости жизни.

Деизм Дарвина.Ученый был не просто верующим человеком, он закончил богословский факультет. Оптимальное сочетание религии с наукой Дарвин нашел в деизме. Эпиграфом к своей книге «Происхождение видов» (1859) он взял высказывание английского ученого У. Уэвелла, где признается влияние Бога на тварный мир не в виде отдельных вмешательств, а установлением Творцом общих законов природы. Деизм позволил Дарвину преодолеть библейскую догму о неизменности видов и развить эволюционную идею.

Идея эволюции пришла к Дарвину от английского ученого Ч. Лайелля (1797-1875). Путешествуя на корабле «Бигль», он изучил его книгу «Основы геологии». В ней описывалось то, как наводнения, извержения вулканов, оползни и т.п. меняют поверхность земли и таким способом происходит естественная эволюция. Дарвину осталось распространить представление об эволюции с неорганического мира на жизнь, что он и сделал. Но чем специфична эволюция жизни? Ответить на этот вопрос Дарвину помог английский эко­номист и священник Т. Мальтус. Он обратил внимание на воспро­изводящие способности человека. Если бы каждая женская половая клетка была оплодотворена и развилась в особь, Земля в короткий период оказалась бы перенаселенной. И хотя действуют мощные сдерживающиеся факторы (высокая смертность детей, бо­лезни, голод, войны и т.п.), численность народонаселения растет очень быстро. Первый творческий шаг Дарвина состоял в том, что представление об интенсивном размножении он распространил на всю область жизни и переосмыслил социальную селекцию применительно к природе. Другое усилие сводилось к тому, чтобы новые идеи органично объясняли огромный массив фактов: данные сельскохозяйственной селекции и наблюдения, полученные в путешествии.

Трагическое противоречие жизни: интенсивное размножение и борьба за существование.Дарвин первым оценил важную роль размножения в процессе жизни. Если признать очевидное – все виды способны к чрезвычайно интенсивному воспроизводству, то это ведет к весьма нетривиальным выводам. Так, каждый сезон самка трески мечет 7 млн. икринок. Но все эти возможности в большей степени не реализуются. Так, из всех икринок трески выживают до взрослой особи 2 %, остальные 98 % погибают. Множество других фактов говорит о том, что число особей в каждой популяции примерно постоянно. Стало быть, существует естественный отбор, подобный искусственному отбору. Посколь­ку такие жизненно важные факторы среды, как: пища, свет, про­странство – ограничены, между особями в видах и между видами происходит «борьба за существование». Это и ограничивает размеры видов до некоторого среднего уровня. В конкурентной борьбе преимущест­ва получают те особи, которые лучше приспосабливаются к меня­ющимся условиям среды. Отсюда вытекает изменчивость видов.

Необходимость естественного отбора. Отбор – это функция, а любая функция совершается некой структурой. Если речь идет об естественном отборе, то его осуществляет система из жизненно важной внешней природной среды и многообразия жизни. Различение этих двух сторон связи весьма относительно, ибо речь идет о том, что происходит внутри биосферы. Элементом внешней среды можно считать «благоприятные / опасные условия существования». Наличие воздуха, воды и «почвы» есть неорганическое условие, которое однозначно отличается от единиц жизни. Абиотическими факторами являются природные катаклизмы (пожары, наводнения, землетрясения, глобальные изменения температуры и т.п.), которые весьма опасны для жизни в целом. Но уже такое неблагоприятное условие как болезни порождается микроорганизмами, т.е. самой жизнью. К благоприятным условиям жизни следует отнести те популяции, с которыми кооперируется выделенная популяция. Если в качестве последней взять пчел, то растения, предоставляющие им пыльцу, будут их позитивным окружением. Для травоядных неблагоприятным условием будет многообразие хищников. Другой компонент внешней среды – пищевые ресурсы, он целиком представлен жизнью. Эту характеристику так же разделяет такой элемент среды для отдельных организмов как возможности продолжения рода. Хотя две стороны природы (внешняя среда – единицы жизни) относительны, они весьма неравноценны. Если организмы заряжены мощной потенцией размножения, то их среда всегда конечна и существенно ограничена. Экологических ниш (биотопов) много, но они счетны. Все особи одержимы инстинктом продолжения рода, но партнеров всем не хватает. Биосфера обильна пищевыми ресурсами, но всех возможных едоков насытить она не способна. Таково драматическое противоречие жизни и оно разрешается борьбой за существование.

Естественный отбор устраняет несовершенное, закрепляет приспособленное, творит более совершенное. Радикальный дефицит основных ресурсов жизни – биотопов, пищи, половых партнеров – обрекает все единицы живого на конкуренцию. Она протекает на всех уровнях жизни. Если Дарвин особое внимание обратил на борьбу между разными видами, то позднее были признаны внутривидовая и внутригрупповая формы отбора. Прежде всего, естественный отбор удаляет с поля жизни те виды, которые не смогли приспособиться к новым реалиям. Затруднения в адаптации связаны с размерами организмов и их специализацией. Чем меньше особи, тем труднее им противостоять процессам энтропии, ведущим к губительному равномерному распределению энергии. Но организмы с большой массой тела требуют значительного объема пищи, что увеличивает их давление на среду. Одновременно усложняются процессы управления («эффект динозавра» - несоответствие формы управления размеру особи). В ходе процесса спонтанного поиска оптимальных размеров и массы идет специализация форм. В течение геологического времени выживающие формы увеличивают свои размеры, специализируются, их резервы для адаптации снижаются и они вымирают. Пики вымирания следуют со средней периодичностью в 26 млн. лет.

В ходе эволюции побеждали формы жизни с более интенсивным энергетическим обменом. 3,6 млрд. лет назад появились одноклеточные микроорганизмы. 1,2 млрд. лет стали утверждаться многоклеточные организмы, 600 млн. лет назад возникли билатеральные животные. Такой прогресс шел на волне совершенствования энергетического метаболизма. Когда в начале кембрия (540 млн. лет) за счет фотосинтеза содержание кислорода в атмосфере достигло некоторого критического значения, это вызвало скелетную революцию. Млекопитающие обошли рептилий, ибо их «красное мясо», насыщенное кислородом, обеспечило более интенсивный энергообмен, нежели «белое мясо» рептилий. Последние проиграли первым в отношении длительных постоянных нагрузок. Так, основные экониши были заняты млекопитающими.

Комплекс доказательств. Дарвиновская теория эволюции обрела ныне различные и мно­гочисленные подтверждения.

Палеонтологические доводы. Обнаружены многочисленные ис­копаемые остатки древних живых организмов. Они указывают на возрастание сложности строения жизни со временем. Если древ­ние остатки просты и принадлежат немногим видам, то остатки молодых породах более сложны и разнообразны. С ростом сложности организма продолжительность существо­вания вида в среднем сокращается, а темпы эволюции возрастают. Средняя продолжительность существования видов птиц – 2 млн. лет, млекопитающих – 800 тыс. лет, предковых форм человека – [200-500 тыс. лет]. Продолжительность жизни вида связана с раз­мерами его представителей.

Географическое распространение. Те или иные виды возникали в какой-то определенной области среды. Затем они расселялись за ее пределы. В далеком прошлом массивы суши располагались до­статочно близко один от другого, что способствовало широкому расселению.

Сравнительная анатомия. При сопоставлении групп жизни вы­являются общие структурные черты. Так, у всех цветков имеются лепестки, тычинки, рыльце, столбик, завязь; у отдельных видов раз­нятся только их особенности. Так же скелет конечностей у всех четвероногих построен по единому плану пятипалой конечности. Фак­ты наличия рудиментарных органов, не несущих никаких функций (аппендикс у человека), объясняются только теорией эволюции.

Селекция растений и животных. В результате непрерывного ис­кусственного отбора человек создал великое многообразие сортов культурных растений и пород домашних животных. Факты такой направленной практики Ч. Дарвин использовал в качестве косвен­ных аргументов. Здесь использовалась аналогия. Как человек ис­кусственно отбирает нужные ему виды, подобно ему действует природа в естественных условиях.

Сравнительная эмбриология. Российский биологК. фон Бэр (1792-1867), изучая эм­бриональное развитие у представителей разных групп позвоноч­ных, обнаружил удивительное структурное сходство. Э. Геккель (1834-1919) высказал мысль о том, что ранние стадии развития ор­ганизма повторяют эволюционную историю своей группы. Так, по мере развития зародыша позвоночного у него происходят измене­ния, в ходе которых он приобретает признаки рыбы, амфибии, реп­тилии, птицы или млекопитающего в соответствии со своей видо­вой принадлежностью.

Сравнительная биохимия. Эта наука стала источником новых доводов в пользу эволюционной теории. Наличие одинаковых ве­ществ у всех организмов указывает на очевидное биохимическое родство. Иммунные реакции также подтверждают наличие эволю­ционных связей.

Опыты в пользу эволюционной гипотезы. В конце XIX в. началось экспериментальное изучение естественного отбора. В 1898 г. В. Уэлдок провел опыты с крабами, поместив их в воду со значительным содержанием ила. Из 248 особей 154 погибло, у выживших уменьшился головогруд. Е. Паульсон и С. Сандерс (1899) разместили несколько сотен куколок бабочки-крапивницы на разных телах открытой местности: на коре деревьев, на изгороди, на стенах домов, на листьях крапивы и т.д. Наиболее защищенным фоном от птиц оказалась крапива.

5.3. Синтетическая теория эволюция: союз дарвиновской теории и генетики.

Законы Менделя устраняют «кошмар Дженкинса». До конца XIX в. в биологии господствовало представление о непрерывной наследственности. На основе этой идеи в 1867 г. Дженкинс выдвинул против Дарвина весьма сильный аргумент. Любой новый признак, появившийся у гибрида неизбежно исчезнет при его скрещивании с традиционными формами. Из поколения в поколение наследуемая новизна будет разбавляться и в конце концов исчезнет. Этот довод Дарвин оценил как «кошмар Дженкинса».

Однако против него уже существовала достойная защита. Речь идет о результатах исследований австрийского (чешского) ученого Г. И. Менделя (1822-1884).Проведя серию опытов, он вывел несколько эмпирических законов, которые развенчали старое представление о непрерывном смешивании на­следственных признаков. Последние передаются от родителей по­томкам в виде дискретных единиц (генов) и они в дальнейшем сохраняются. «Кошмар Дженкинса», угрожавший эволюцион­ной теории, был снят.

Принципы СТЭ. В 1920-1930-х гг. сложилась синтетическая теория эволюции (СТЭ). Идею такого объединения предложил в 1926 г. советский биолог С. С. Четвериков и ее развили Р. Фишер (Англия), С. Райт (США), Э. Майр и др. Генетика объясняет то, как и откуда появляется новый материал для естественного отбора: мутации в виде резких и спонтанных преобразований дают случайные генные новообразования. Эволюционная теория описывает то, как естественный отбор распоряжается представленным материалом. Речь идет о двух сторонах одной медали. И здесь понятно, почему единицей эволюции не может быть организм, а им является местная популяция. Действие естественного отбора требует статистического многообразия, что и обеспечивают популяции. В новой теории было проведено четкое отличие эволюции от онтогенеза как развития индивида. Если последнее резко ограничено во времени, то эволюция не имеет локальных пределов во времени. Онтогенез происходит на основе генетической программы, эволюция же это не программированное развитие. Эволюция совершается путем проб и ошибок, она несет риск неудачи и в то же время она творит новые изменения. Позднее были сформулированы постулаты СТЭ: 1) случайные мутации суть материал для эволюции; 2) избирательная работа с мутациями позволяет естественному отбору продвигать эволюцию; 3) наименьшая единица эволюции – популяция; 4) широкий биовид состоит из множества подвидов и популяций; 5) эволюция дивергентна – один предковый таксон дает много дочерних таксонов; 6) эволюция длительна и постепенна; 7) поток генов возможен только внутри вида как замкнутой системы; 8) у эволюции нет целевой и финальной направленности.

На уровне макроэволюции проявляет свою роль такой фактор как «изоляция» – любые барьеры, ограничивающие свободные особи и тем самым усиливающие генетические различия группы. Видов изоляции много. Пространственная изоляция состоит в наличии значительных расстояний и препятствий водного, горного и другого характера. Биотическая изоляция представлена различиями в органах размножения и временем половой активности. Осложнения спаривания из-за ритуалов ухаживания составляют этологическую изоляцию. Генетическая изоляция существует в виде гибели зиготы и стерильности гибридов.

Важный вклад в эволюцию вносят популяционные волны («волны жизни»). Речь идет о циклических колебаниях численности популяции: а) периодические колебания численности короткоживущих организмов; б) непериодические колебания численности; в) сверхбыстрый рост численности в новых районах при отсутствии естественных врагов. Вместе с мутациями популяционные волны являются поставщиками материала для естественного отбора. Вместе с изоляцией они образуют мелкие шаги микроэволюции, которые обусловливают макроэволюцию. Она протекает на уровне надвидовых таксонов – классов, типов, царств. Здесь формируются крупномасштабные изменения: необратимость эволюции, неравномерность ее темпов, общее повышение уровня организации жизни, канализирование путей развития. Макроэволюция реализует две основные формы: 1) дивергенцию – разделение единых таксонов на несколько частей; 2) филетическую эволюцию – превращение одного вида в другой. Вместе они дают древовидную эволюцию.

Другие теории эволюции. Синтетическая теория не одинока, существуют и другие варианты. В них признаются наличные факты и эмпирические законы, но даются различные трактовки качественного характера изменений и их направленности. Так, палеонтологи Н. Элдредж и С. Гулд выдвинули гипотезу прерывистого равновесия. В процессе видообразования есть фазы продолжительного застоя, сменяемые быстрыми скачками формообразования. Стало быть, темпы макроэволюции весьма неравномерны.

В 1922 г. советский ученый Л. С. Берг (1876-1950)предложил концепцию номогенеза. Если внешние для жизни силы действуют слепо и хаотично, то в развитие своих видов жизнь вносит изнутри определенную направленность. Эволюция протекает не по любым путям, а по самым оптимальным тропам, что и выражает целевую законосообразность жизни.

Советский биолог А. А. Любищев (1890-1972)разработал свою версию эволюционной концепции. Он согласился с Бергом в том, что имеющиеся теории не объясняют приспособительную целесообразность. Синтетическая теория обратила исключительное внимание на дерево дивергенции (расхождения) и не учла ветви схождения. Эта теория значима только для микроэволюции. Большая эволюция имеет направленный характер, реализующий конечное число возможностей. Канализирование определяется множеством закономерных форм жизни – пространственными и функциональными структурами, гомологическими рядами, дающими многочисленные параллелизмы, сходными и подражательными формами деятельности. Российские биологи в основном настроены критично к взглядам Любищева.

С идеями Любищева перекликается гипотеза английского биохимика и физиолога растений Р. Шелдрейка о формативной причинности. Он также полагает, что физико-химическое объяснение жизни явно недостаточно, все живое специфично своими формами. Форма понимается не только как внешний облик, но и как внутренняя структура и способ организации жизни. Все формы складываются посредством «морфогенетических полей» (М-поля), действие которых дополняет энергетические причины физических полей. Характерная форма данного таксона определяется формами прошлых подобных систем посредством «морфогенетического резонанса». Чем чаще появляются в поколениях данная форма, тем большее влияние она оказывает на актуальные организмы. Апелляция Шелдрейка к неизвестной сути М-полей оценивается современными биологами скептически.

Поведенческая экономика животных дополняет СТЭ.За оригинальную разработку Д. Канеман и В. Смит в 2002г. получили Нобелевскую премию по экономике. Они вдохновлялись идеями П. А. Кропоткина, изложенными в книге «Взаимная помощь как фактор эволюции» (1902). И действительно, множество фактов убеждают в том, что кроме борьбы и конкуренции в животном мире существует обмен взаимными услугами. Признание таких дополнительных действий стало базисной схемой «экономики животных».

Среди различных популяций проявляется взаимовыручка. Ее формы весьма разнообразны. Если речь идет о рыбах, то губанчик удаляет паразитов из ротовой полости акул и других крупных рыб, первый получает пищу, вторые – «санитарию». Летучие мыши отрыгивают часть выпитой крови, чтобы накормить голодных приятелей и сбалансировать свои ресурсы. Избыточной пищей также делятся дельфины и обезьяны. Существуют и другие формы сотрудничества: взаимная симпатия («ты мне нравишься и я тебе нравлюсь»), взаимная вежливость («если ты хорошо ведешь себя, то и я такой»), помощь на взаиморасчете («ты мне, я тебе»). Все это зиждется на двух обязательных условиях: а) память на связь предшествующих событий с последующими; б) придание воспоминаниям эмоциональной окраски приятельского расположения.

В мире животных действует «рынок услуг» по принципу «спрос рождает предложение». У некоторых губанчиков-чистильщиков выстраивается очередь из клиентов, которые ранжируются на «резидентов» и «скитальцев», последние обслуживаются первыми и быстрее. Самцы шимпанзе создают коалиции, чтобы свергнуть правящего диктатора. Обезьяны практикуют взаимную чистку шерсти («груминг»). У павианов действует «рынок детенышей». Самки без детенышей сначала чистят шерсть у мамаш и в награду за эту услугу затем ласкают детенышей. Если последних в стаде мало, то их «цена» растет. Опыты с обезьянами-капуцинами выявили «товарный обмен». Экспериментатор приносил огурец и демонстрировал его капуцину, тот брал камешек, отдавал его человеку и забирал огурец. Такой же обмен совершался при наличии винограда. Если на место экспериментатора заступали обезьяны, незнакомые с условиями обмена, то товары «обесценивались» - камни и огурцы вышвыривались из клетки.

Общее заключение Канемана и Смита таково: эволюция выработала у животных двойную эмоциональную оценку, направленную на поддержку здорового сотрудничества. Если есть эквивалентность услуг, то это переживается положительными чувствами. В случае нарушения эквивалентности появляются беспокойство, недовольство и агрессивное поведение. Все это можно считать предпосылками человеческой деятельности.