БИОЛОГИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ.

КОНЦЕПЦИИ ЭВОЛЮЦИИ ЖИВОГО

Все живое происходит от живого.

Ф. Реди

Чем больше мы познаем неизменные законы природы, тем все более невероятными становятся для нас чудеса.

Ч.Дарвин

Жизнь, пожалуй, самое удивительное, что могло возникнуть во Вселенной. Как произошел переход от неживой материи к живой, чем отличается живое от неживого – на эти вопросы до сих пор нет точных и однозначных ответов. Современное определение живого таково: жизнь – это способ существования материи, закономерно возникающий на уровне высокомолекулярных соединений и характеризующийся динамичными, способными к адаптации структурами, наличием функции самообмена, процессов саморегулирования, самовосстановления и накопления наследственной информации. Живое способно к воспроизводству, обладает быстротекущими обменными процессами, различает «левые» и «правые» молекулы и т.д. Но главное – обладает клеточным строением.

Клеточная теория была создана в 1838-39 годах немецкими биологами М.Я.Шлейденом и Т.Шванном после изобретения микроскопа (А.Левенгук) и открытия наименьшей структурной единицы живого – клетки (Р.Гук). Основные положения теории:

§ клетка – элемент живой системы, способный к саморегуляции, самообновлению и самовоспроизведению;

§ клетка ограничена клеточной мембранной, через которую осуществляются процессы обмена;

§ клетка размножается делением;

§ все живые клетки схожи – по строению, химическому составу, обменным процессам.

Жизнь на Земле развивалась от одноклеточных простейших организмов к многоклеточным. Организм любого масштаба – это сложная система, в программу жизни которой заложены способность к самоупорядочиванию. Клетка дышит, питается, запасает энергию, сохраняет наследственную информацию и воспроизводит себе подобную. Мембрана является своеобразным барьерно-насосным механизмом – благодаря разности потенциалов, создаваемой и регулируемой по величине встречными потоками ионов (К^- и Na⁺), внутрь клетки проникают питательные вещества и кислород, а наружу выводятся образовавшиеся в процессе биохимических реакций шлаки. В состав клетки входят белки (состоящие из аминокислот), нуклеиновые кислоты, вода и некоторые другие соединения. Вода является растворителем в химических реакциях и позволяет молекулам веществ легко передвигаться внутри клетки. Белки играют роль строительного материала, являются катализаторами (ферментами) химических процессов, участвуют в переносе и запасании кислорода и энергии, защищают организм от болезней, а также ответственны за движение внутри организма и самого организма в целом. Поскольку белки не могут сами себя синтезировать (воспроизводить), то эту функцию выполняют нуклеиновые кислоты. Самая важная из них – ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – хранит наследственную информацию и программу жизни клетки.

Жизнь на Земле имеет углеродную основу – во все основные соединения в живом организме обязательно входит углерод, Это довольно удивительно, ведь по распространенности на Земле углерод занимает лишь 16-е место. Однако именно он обладает существенными для образования и функционирования сложных систем свойствами – его связи энергоемкие и очень разнообразные (ковалентные и ионные, прочные и слабые), имеет почти все возможные валентности.

Интересны и процессы возникновения и эволюции жизни, по поводу сущности которых до сих пор ведутся споры. (Эволюция живого - процесс исторического развития органической материи.) Со времен Аристотеля только три теории происхождения жизни смогли овладеть умами естествоиспытателей (если исключить религиозную - все создал Бог или боги): теории самозарождения, панспермии, химической эволюции.

Теория самозарожденияжизни на Земле берет свое начало от Аристотеля и продержалась в естествознании до XIХ века. Сущность ее в том, что живые объекты непрерывно и самопроизвольно возникают из неживой материи (грязи, росы...). Аристотель указывал, что некоторые живые существа (птицы или животные) происходят от родителей, а некоторые - самозарождаются, при этом второе - более естественно. Ниспровергателями гипотезы самозарождения стали Ф.Реди (XVII в.) и Л.Пастер (XIХ в.), которые показали, что в стерильной среде жизнь не самозарождается. Только наличие микроорганизмов приводит к зарождению других микроорганизмов, если исключить контакт стерильной среды с внешней - жизнь не возникнет. Пастер провел серию довольно простых опытов. В сосуд с узким длинным (до 1 м) изогнутым горлышком (Рис.22) наливался раствор, тщательно стерилизовался и оставлялся на несколько месяцев. Последующий анализ показал отсутствие микроорганизмов (форма горлышка не позволяла бактериям заселить раствор). Если же горлышко обламывалось – в сосуде возникала жизнь. Таким образом был доказан тезис Ф.Реди: «все живое происходит от живого».

На смену теории самозарождения неизбежно должна была прийти теория вечности живого (панспермия). Ее сторонниками были Г.Гельмгольц и У.Томсон (лорд Кельвин): «зародыши живого» вечно путешествуют в межзвездном пространстве и, лишь найдя подходящую среду, начинают развиваться. Подтверждением справедливости такой гипотезы было бы обнаружение жизни вне Земли с родственным химическим составом. Этого пока не произошло. В начале нашего века (1908 г.) идею космического происхождения жизни развивали шведский химик С. Аррениус (термин «панспермия» принадлежит ему), В.И.Вернадский. Аррениус предположил, что бактериальные споры и вирусы под действием электростатических сил могут уноситься в межзвездное пространство с планеты, где они жили, и перемещаться в нем под действием давления света, т. е. жизнь неразрывно связана с существованием материи и может свободно «путешествовать» в космических просторах. Однако на сегодняшний день известно, что в начале эволюции Вселенной жизнь не могла возникнуть из-за высоких температур (значит, был «момент возникновения»), а также то, что излучения (ультрафиолетовое, жесткое рентгеновское) в межзвездной среде сразу бы убили зародыши живого. Продолжатели теории панспермии выдвинули гипотезу о сознательном заселении Земли микроорганизмами около 4 млрд. лет назад некоторой внеземной цивилизацией. Гипотеза не опровергаема и не подтверждаема до обнаружения подобной цивилизации.

Современная, почти общепризнанная, теория возникновения жизни - теория химической эволюции,перешедшей в биохимическую, - принадлежит А. Опарину (1924 г.). Эта теория подобна теории самозарождения, но предполагает случайноесамопроизвольноеоднократное возникновение органической жизни и длительную ее эволюцию. Это произошло примерно 3,5 млрд. лет назад (Земле – не менее 4,5 млрд. лет). Земля была голым скалистым шаром с океанами чистой (без органики) воды, с метаново-водородной атмосферой, не содержащей кислорода и потому пропускающей жесткое ультрафиолетовое излучение, легко разрушающее многие соединения. Из элементов на поверхности Земли образовывались различные комбинации - молекулы, которые в большинстве своем разрушались ультрафиолетом или грозовыми разрядами, и только некоторые сохранялись в толще воды. Миллионы вариантов соединений за сотни миллионов лет привели к образованию первых органических молекул, которые в дальнейшем за счет энергии того же ультрафиолета взаимодействовали между собой, усложнялись, у них закреплялась способность к поглощению более простой органики. их совершенствование привело к возникновению белков и ДНК. Так в «первичном органическом бульоне» около 1 млрд. лет назад возникла жизнь – сложные соединения, способные к обмену веществ (метаболизму) и воспроизводству, в конечном счете, объединились в единую структуру, которая обособилась от окружающей среды оболочкой. Американский космобиолог К.Саган сформулировал общую космическую закономерность – появление жизни во Вселенной в течение нескольких миллионов лет является непреложным явлением космологической эволюции.

На сегодняшний день известно около 300 тыс. неорганических и 8 млн. органических соединений, из которых лишь несколько сотен входят в состав живой материи. Химическую сторону подобных процессов рассмотрели в экспериментах и описали А.Опарин, Г.Юри и их последователи: воссоздав в лаборатории атмосферу первичной Земли – с ультрафиолетом, электрическими разрядами, выбросами вулканической деятельности и т.д., они получили органические соединения, сходные с аминокислотами, нуклеиновыми кислотами и др. (Сомнение в этой теории вызывает лишь превращение сложных микроструктур в собственно клетку.) Первичные организмы постепенно усложнялись, совершенствовались, приобретали различия и за миллионы лет эволюционировали от простейшей клетки - к микроорганизмам - растениям - животным и человеку, попутно защитив себя от разрушения, обогатив атмосферу кислородом.

Возможно ли возникновение новых ветвей жизни в настоящее время? Безусловно, редкое (т. к. весь углерод атмосферы уже связан) самопроизвольное образование органических соединений происходит и сегодня, но все они очень просты и не успевают усложниться, т.к. немедленно поглощаются (присоединяются) своими «старшими» собратьями. Как происходила эволюция организмов на Земле - рассматривает теория Дарвина и ее предшественницы.

Ж.Б.Ламарк (XIХ в.) был предшественником А.Опарина в предположении об однократном зарождении живого и его дальнейшем усложнении. Исследуя строение растений и животных, он пришел к выводу об историческом развитии живых организмов – от простейших к человеку – в связи с присущим природе стремлением к усложнению и под воздействием внешней среды, приобретенные в изменении признаки наследуются. Современник Ламарка, палеонтолог Ж.Кювье, стал основоположником другой теории – теории катастроф. Длительность эволюции живого стала помехой в оценке возможности медленной изменчивости видов. Кювье полагал, что, поскольку современные ему виды не изменялись очень долгое время, возникновение новых видов невозможно. Те виды, которые возникли когда-то, постепенно исчезают (что, в общем-то, верно), не изменяясь в результате глобальных катастроф – изменений климата, землетрясений и т.п.

Наиболее последовательной и доказанной является эволюционная теория Ч.Дарвина (1842 г.), она описывает суть и причины изменчивости признаков одного и того же вида. Ч.Дарвин в некотором смысле наследовал и развил идеи своего деда – тоже известного естествоиспытателя Э.Дарвина (предполагавшего создание живого Богом и его последующее изменение). Эта теория хорошо дополняет теорию химической эволюции А.Опарина.

Вид - структурная единица живых организмов, имеющая свои специфические признаки - внешние, обменные, физиологические ... Изменчивость в пределах одного вида связана с внешними факторами - изменением среды обитания, климата, скрещиванием и т. д., именно она определяет многообразие живого и является его отличительным признаком. Особое место среди живущих на Земле видов занимает человек – ему присуще еще и социальное развитие. По гипотезе Дарвина («Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь», 1859 г.) в основе механизма эволюционных изменений лежит принцип естественного отбора («закон джунглей» - выживает сильнейший): «Сохранение полезных индивидуальных различий и уничтожение вредных я назвал естественным отбором».

Основные принципы эволюции по Дарвину:

Каждый вид может размножаться неограниченно. Размножение ограничивается лишь объемом жизненных ресурсов и борьбой за существование (она бывает трех видов: с силами природы, межвидовая и внутривидовая).

В борьбе за существование выживают те особи, которые лучше приспособлены к условиям жизни (принцип естественного отбора).

Естественный отбор приводит к накоплению существенных приспособительных признаков, в результате чего группы особей одного вида превращаются в другой (принцип расхождения признаков - дивергенции).

Полезные признаки накапливаются и передаются следующим поколениям, что обеспечивает устойчивость видов (принцип наследственности). Однако в природе нет двух абсолютно идентичных организмов – это обеспечивает изменчивость, развитие вида.

В эволюции живых организмов главенствующую роль играет естественный отбор и медленное видоизменение, но существует и искусственный: бессознательный (случайный – человек отбирает для посева лучшие семена) и сознательный (селекция – целенаправленное получение определенных свойств у какой-либо группы особей).

В пользу теории Дарвина говорят экспериментальные данные - сходство строения и функционирования живых систем, схожесть эмбрионов, существование промежуточных видов (имеющих признаки растений и животных), временная последовательность развития ископаемых живых организмов – однако, и по сей день у нее существует немало противников (отдающих предпочтение изначальному «программированию» развития либо сознательному самосовершенствованию). Теория эволюции Дарвина - наблюдательная, «внешняя», она не описывает закономерности наследования признаков, их внутренний механизм. Это область генетики – современной науки о наследственности.

Развитие генетики и молекулярной биологии привели к созданию в ХХ веке синтетической теории эволюции, включающей теорию Дарвина как фундамент. Согласно ее идеям, основной наименьшей единицей эволюции является популяция. Изменения в популяции происходят вследствие перестройки генов, популяционных волн, рекомбинации, изоляции и естественного отбора. Синтетическая теория эволюции рассматривает микроэволюцию – на уровне популяций, и макроэволюцию – на уровне классов, семейств и пр., т.е. надвидовых таксонов.

Основные положения синтетической теории эволюции:

§ естественный отбор в популяции — движущий фактор эволюции;

§ эволюция как расхождение признаков - есть отбор в случайных мутациях;

§ изменения ненаправлены и случайны, закрепляются преимущественно положительные;

§ непредсказуемость многообразия сочетаний исходных популяций и состояний среды определяют неограниченность прогресса;

§ макроэволюция осуществляется посредством микроэволюции и приводит к появлению новых форм жизни.

Сформулированы и основные законы эволюции: правило прогрессирующей специализации Ш.Делере (ХIХ в.): специализация группы особей идет в сторону ее углубления; правило автономизации онтогенеза: сохранение определяющего значения в развитии физико-химических факторов внешней среды; принцип гомеостаза У.Уоддингтона: соморегуляция организма поддерживает постоянство его внутренней среды; правило необратимости Л.Долло: эволюция есть процесс необратимый.