Контрольная работа по "Концепции современного естествознания"

36. Принципы эволюции, воспроизводства  и развития живых систем

 
Принцип эволюции живых систем вот  уже более двухсот лет является господствующим. Но отдельные идеи, связанные с развитием животного и растительного мира, высказывались значительно раньше. Большое влияние на мировоззрение ученых современной эпохи оказали древнегреческие мыслители. Так, например, Аристотель (384-322 до н.э.) в своей “Истории животных” различал разнообразие живых организмов в зависимости от места обитания. Во многом благодаря ему в биологии укоренилось представление о целесообразности живых организмов и всех жизненных явлений. Аналогичные мысли высказывал Плиний Старший (23-79 н.э.) в его знаменитой “Естественной истории”. Французский натуралист Жорж Бюффон (1707-1788) склонялся к мысли о постепенном совершенствовании живых организмов, а его последователь Жан Батист Ламарк (1744-1829) впервые попытался создать стройную теорию эволюции жизни на Земле. 
 
Но Ч. Дарвин (1809-1882) был первым, кто подошел к живым системам исторически, раскрыл их динамику, закономерности их развития. Его эволюционная теория показала, что сначала на Земле при определенных условиях возникли простейшие живые системы, а затем, в силу биологических закономерностей, которые действуют и сейчас, в них развилось огромное многообразие организмов – до самых сложных, высших. 
 
Эти закономерности, как их понимал Дарвин, следующие: рост и воспроизведение; наследственность; изменчивость, зависящая от прямого или косвенного действия условий жизни, прогрессия размножения столь высокая, что она ведет к борьбе за жизнь и ее последствию – естественному отбору, влекущему за собой расхождение признаков и вымирание более совершенных форм. 
 
Последовательность проведения принципа реальности, объективности и историзма, соединение анализа и синтеза с акцентом на синтетический, системный подход – таковы важные черты метода Ч. Дарвина, его исторической теории. 
 
Творческими наследниками идей Ч. Дарвина, идей эволюции живых систем стала плеяда выдающихся отечественных биологов: И.П. Павлов, И.М. Сеченов, К.А. Тимирязев, А.Н. Северцев, К.М. Завадский, В.И. Вернадский и др. 
 
В качестве основных принципов эволюционного развития можно выделить следующие моменты – преемственность, цикличность, целесообразность, повышение степени целостности, направленность и ряд других. 
 
Преемственность. Данный принцип означает, что ни одна из живых систем не возникает на пустом месте. Всякая более высокая и сложная живая система располагает материалом – той системой или системами, которые ей предшествовали. Высшая система берет из предшествующей ей определенный набор компонентов, какие-то проявления их взаимосвязей, какие-то функции, связи со средой обитания. Но она берет их не в неизменном виде, а ассимилирует, интегрирует, преобразует согласно своей собственной природе. 
 
Цикличность эволюционного процесса. Развитие живых систем осуществляется в процессе ряда последовательных циклов, которые можно представить следующим образом: 
 
1) Повышается общая устойчивость особей во внешней среде (за счет оптимизации системы - “подгонки” и выбрасывания лишних элементов). 
 
2) Повышается коэффициент размножения данного вида, достигая уровня, при котором они вступают в конкурентные отношения друг с другом за источники питания. Размножение происходит в ограниченных зонах, что означает распад ареала, зарождение новых популяций от небольшого числа выживших особей. Причем эти популяции получают разнообразные повреждения генетического материала. Вероятность выживания таких микропопуляций невелика. 
 
3) Происходит разрастание и возвращение с периферии в центр ареала микропопуляций, несущих различные повреждения генетической информации. В процессе рекомбинации между особями разных микропопуляций как следствие существенных различий между ними возможно возникновение принципиально новых черт организации у “гибридов”. В результате отбора “гибриды” постепенно вытесняют родительские формы, благодаря чему создаются условия для перехода к первому этапу. Цикл, таким образом, повторяется. Этот элементарный цикл эволюции должен повториться много раз, прежде чем произойдет усложнение организации. 
 
Целесообразность. В научной теории эволюции цель носит вполне осязаемый материальный характер, но она относительна, поскольку являет собой возможность, которая реализуется лишь в определенных условиях. Ибо в процессе эволюции не существует никакого автоматизма и механистического детерминизма. Здесь каждая ступень развития зависит от условий, благодаря которым возможность развития или осуществляется, или нет. Под целью в биологических системах подразумевается то конечное состояние, в которое они приходят в силу своей структурной организации, а также ожидаемый результат их функционирования. 
 
Целесообразность живых систем выступает как внутренняя (при соответствии функций компонентов системы в целом) и как внешняя (при соответствии функций системы в целом внешним условиям существования), что проявляется: 
 
1) в адаптации организма к среде (структурной, физиологической, поведенческой); 
 
2) в адекватной реакции организма на воздействие среды; 
 
3) в минимизации отношений со средой (живая система тем целесообразнее, чем меньше “заимствований” из внешней среды ей необходимо для эффективного обеспечения своего существования и воспроизводства). 
 
Главные направления эволюции. С момента возникновения жизни развитие живой природы шло от простого к сложному, от низкоорганизованных форм к более высокоорганизованным и имело прогрессивный характер. В разработке проблем хода эволюции большое значение имели труды А.Н. Северцева и И.И. Шмальгаузена. А.Н. Северцев предложил из общего понятия эволюционного прогресса выделить биологический прогресс. Биологический прогресс вида характеризуется возрастанием приспособленности особей к среде, успехом в борьбе за существование, что ведет к повышению численности особей, расширению ареала, увеличению количества и разнообразия дочерних групп (популяций и подвидов внутри вида, видов в роде и т.д.). Прогрессирующими следует считать многие группы насекомых, костистых рыб, цветковых растений и др. 
 
В природе также наблюдается и биологический регресс, который характеризуется противоположными показателями - уменьшением численности особей группы, сокращением ареала, уменьшением числа и разнообразия дочерних групп. В итоге данный процесс может привести к вымиранию группы. Так, исчезли древовидные плауны и хвощи, древние папоротники, большинство древних земноводных и пресмыкающихся. Деятельность человека может стать фактором биологического прогресса одних видов (одомашненных животных и растений) и регресса других (вследствие усиленного отстрела резко сократилась численность и сузился ареал соболя, на грани вымирания находится уссурийский тигр). 
 
А.Н. Северцев выделил три основных направления эволюции живых систем: ароморфоз, идеоадаптация и общая дегенерация. 
 
Ароморфоз - усложнение строения и функции организмов, которое ведет к общему повышению организации и жизнеспособности группы в новых условиях обитания. Они не имеют прямого приспособительного характера, но повышают интенсивность жизнедеятельности особей, повышая их относительную независимость от условий среды. 
 
Идеоадаптации - незначительные приспособления к специфическим условиям среды, полезные в борьбе за существование, но существенно не меняющие уровня организации. Идеоадаптации обеспечивают развитие группы внутри определенной среды обитания с возникновением большого числа близких форм одного уровня организации. Классы насекомых, птиц и млекопитающих на основе многочисленных идеоадаптаций дали громадное многообразие видов. Идеоадаптации к ограниченным условиям среды приводят к специализации группы (бактерии, обитающие в горячих источниках; специализация некоторых растений к определенным опылителям и др.). Специализация при быстром изменении условий среды может привести к вымиранию (мезозойские ящуры). 
 
Общая дегенерация - упрощение организации в результате приспособления к более простым условиям существования. Например, переход к паразитическому или сидячему образу жизни часто сопровождается морфофизиологическими перестройками, редукциями некоторых органов и систем (у ленточных червей утрачены некоторые органы чувств, пищеварительная система). 
 
Эволюция живого идет и в направлении все более тонкого приспособления к среде, что достигается путем дифференциации его на все новые и новые клетки, - ткани, органы, их специализации по выполнению специфических функций. Эти явления позволяют организму более разнообразно отвечать на изменения среды. 
 
Вместе с тем развиваются и интегрирующие факторы, координирующие и объединяющие функции специализированных частей, подчиняющие эти функции интересам целостного организма. Важным показателем в этом процессе выступает степень развития нервной системы. 
 
По мере возрастания целостности увеличивается относительная независимость организма от среды, что связано с возникновением гомеостатических механизмов, позволяющих сохранять в пределах нормы присущие организму параметры. С другой стороны, возрастает зависимость организма от среды в том смысле, что он взаимодействует со все большим числом ее факторов. В жизнедеятельность организма включаются все новые компоненты среды, с которыми организм низшей степени организации не взаимодействовал и от которых не зависел. Эволюция живого есть бесконечная борьба с энтропией, борьба против дезорганизации живых систем, за сохранение их целостности. 
 
Главным направлением эволюции является движение живых систем от неупорядоченности к порядку, организованности, от простого к сложному. Хотя эта тенденция пробивает себе дорогу через различные отступления, зигзаги. По утверждению академика Моисеева Н.Н., по мере усложнения организационных структур живой материи уменьшается степень их стабильности. Данное обстоятельство особенно важно иметь в виду в настоящее время, когда человечество переживает прогрессирующее обострение экологических проблем. 
 
Для некоторых исследователей проблемы исторического развития жизни кажутся связанными только с процессами далекого геологического прошлого. Действительно, крупные преобразования живого (мегаэволюция) осуществлялись на протяжении миллиардов, сотен миллионов лет, и только в случаях крайне быстрой эволюции - в течение десятков млн. лет. Основываясь на факте, что все крупные таксоны (новообразования) возникли в далеком геологическом прошлом, а по мере приближения к современности их становится все меньше, некоторые биологи сформулировали финалистическую концепцию эволюции. Они основываются на том, что запас “образовательной силы” достигал максимума только на начальных этапах эволюции живого, затем постепенно уменьшался и полностью исчез к настоящему времени. Виды стали неизменными, вновь могут возникать лишь расы и разновидности. 
 
В то же время исследования отечественных ученых показывают, что нет оснований говорить о финале эволюции. Эволюция продолжается, но она происходит при условиях существенного влияния человека на органический мир. Здесь следует выделить два момента. Первое - это направляемый волей человека процесс эволюции биосферы. Сознательное воздействие человека на эволюцию ограничено определенным количеством видов животных и растений - это примерно около 0,01 % от числа неизвестных науке видов (более 2-х млн.). 
 
Второе - это эволюция, происходящая вопреки воле человека. Благодаря эволюционной пластичности интенсивно формируются новые виды сорных растений, вредителей сельского хозяйства, возбудителей различных заболеваний. Идет активный отбор на выработку свойств, позволяющих выжить и оставить потомство в измененной человеком среде. Каким будет итог этих эволюционных преобразований? Нельзя исключать того, что они приведут к появлению форм, которые создадут для человека серьезные проблемы (например, возбудители гепатита, СПИДа). Происходят нежелательные изменения и численных соотношений видов. Больше становится малоценных видов с высоким коэффициентом размножения, с громадной численностью популяций (грызуны, “сорные” виды рыб, трав, малоценные породы деревьев и т.д.). 

^ 37. Возникновение живой материи 
Окружающий человека мир представляет собой сложно организованную систему, в которой выделяются определенные подсистемы, уровни и подуровни. Природа в широком смысле слова подразделяется на две крупные подсистемы или, можно сказать, на два взаимосвязанных уровня. Речь идет о неживой природе и о природе живой (биоте), которые тесно взаимодействуют и отличаются спецификой иерархической структуры, особенностями происхождения и развития. 
 
Для того чтобы правильно представить процесс возникновения жизни, необходимо кратко рассмотреть современные взгляды на образование Солнечной системы и положение Земли среди планет.  
 
Земля и другие планеты Солнечной системы образовались из газо-пылевого облака около 4,5 млрд лет назад. Такая газово-пылевая материя встречается в межзвездном пространстве и в настоящее время. Водород – преобладающий элемент Вселенной. Путем реакций ядерного синтеза из него возникает гелий, из которого в свою очередь образуется углерод. Ядра атомов гелия объединялись с ядрами углерода и формировали ядра кислорода, затем неона, магния, кремния, серы и т.д. 
 
Для возникновения жизни на Земле необходимы были некоторые космические и планетарные условия. Во-первых, оптимальные размеры планеты. Масса ее не должна была быть слишком большой, так как энергия атомного распада природных радиоактивных веществ может привести к перегреваю планеты или к радиоактивному загрязнению среды, несовместимому с жизнью. Слишком маленькие планеты не способны удерживать около себя атмосферу, потому что сила притяжения их невелика. Во-вторых, движение планеты вокруг звезды по круговой или близкой к круговой орбите позволяет постоянно и равномерно получать от нее необходимое количество энергии. В-третьих, постоянная интенсивность излучения светила. Неравномерность потока энергии препятствовала бы возникновению и развитию жизни, так как существование живых организмов возможно лишь в узких температурных пределах. 
 
Всем этим условиям удовлетворяла наша планета – Земля, на которой около 4,5 млрд лет назад создались условия для более высокого уровня развития материи – ее эволюции в направлении возникновения жизни. 
 
Существующие теории возникновения живого сводятся в пять концепций: 

1.  
   Креационизм – сотворение. Модель, предполагающая сотворение одновременно всех единиц природы: атомов, молекул, организмов, планет и т.д. Значит, что не может идти речь об эволюционизме, о происхождении одних видов растений и животных от других. Отвергается и синергетический подход к развитию систем: мир разрушается, т.е. переходит не от хаоса к порядку, а наоборот. Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения, уже по этой причине концепция выводится за рамки научного исследования.
2.  
   Панспермия – перенос жизни на Землю из космоса посредством органических соединений. Сторонниками такого взгляда были У. Кельвин, Г.Гельмгольц, С. Аррениус, Л.С.Берг, П.П. Лазарев, С.П. Костычев. С планет, населенных другими существами, уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки, живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счет светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями, они начинают на ней новую жизнь. Для обоснования этой теории, используются сообщения о неопознанных летающих объектах, наскальные изображения. Современная наука располагает только фактами обнаружения на метеоритах и кометах веществ, которые являются лишь предвестниками живого: цианогентов, синильной кислоты и др. Однако все вещества космического происхождения ( остатки метеоритов или лунный грунт) не обладают характерной для живых организмов дисимметрией
3.  
   Биогенез – концепция стационарного состояния. Жизнь существовала всегда, как и материя вообще. Меняются виды, меняется их численность на Земле, жизнь перетекает между ними. Большая часть доводов этой точки зрения связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи: появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте объясняется увеличением его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения останков. Сторонники этой концепции немногочисленны из-за ее оригинальности и умозрительности.
4.  
   Абиогенез – самопроизвольное возникновение живого из неживого. Эта теория была распространена в древнем Китае, Вавилоне и Египте. Ее сторонниками были Аристотель, Платон, Демокрит, предполагавшие активное жизненное начало то в солнечном свете, то в иле озер, то в воде, то в земле. Научными исследователями концепция была отвергнута 0( Ф. Реди, Л.Пастер).
5.  
   Геохимическая – зарождение жизни в результате физико-химических процессов одновременно с эволюцией планеты. В середине прошлого столетия Л. Пастер окончательно доказал невозможность самозарождения жизни в теперешних условиях. В 20-х годах текущего столетия биохимики А. И. Опарин и Дж. Холдейн предположили, что в условиях, имевших место на планете несколько миллиардов лет назад, образование живого вещества было возможно. К таким условиям они относили наличие атмосферы восстановительного типа, воды, источников энергии (в виде ультрафиолетового (УФ) и космического излучения, теплоты остывающей земной коры, вулканической деятельности, атмосферных электрических явлений, радиоактивного распада), приемлемой температуры, а также отсутствие других живых существ.

 
Главные этапы на пути возникновения  и развития жизни, по-видимому, состоят в: 
 
1) образовании атмосферы из газов, которые могли бы служить «сырьем» для синтеза органических веществ (метана, оксида и диоксида углерода, аммиака, сероводорода, цианистых соединений), и паров воды; 
 
2) абиогенном (т.е. происходящем без участия организмов) образовании простых органических веществ, в том числе мономеров биологических полимеров — аминокислот, сахаров, азотистых оснований, АТФ и других мононуклеотидов;  
 
3) полимеризации мономеров в биологические полимеры, прежде всего белки (полипептиды) и нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды);  
 
4) образовании предбиологических форм сложного химического состава — протоби-онтов, имеющих некоторые свойства живых существ;  
 
5) возникновении простейших живых форм, имеющих всю совокупность главных свойств жизни,— примитивных клеток;  
 
6) биологической эволюции возникших живых существ. 
 
^ Возможность абиогенного образования органических веществ, включая мономеры биологических полимеров, в условиях, бывших на Земле около 4 млрд. лет назад, доказана опытами химиков. В лабораторных условиях при пропускании электрических разрядов через различные газовые смеси, напоминающие примитивную атмосферу планеты, а также при использовании других источников энергии ученые получали среди продуктов реакций аминокислоты (аланин, глицин, аспарагиновую кислоту), янтарную, уксусную, молочную кислоты, мочевину, азотистые основания (аденин, гуанин), АДФ и АТФ. Низкомолекулярные органические соединения накапливались в водах первичного океана в виде первичного бульона или же адсорбировались на поверхности глинистых отложений. Последнее повышало концентрацию этих веществ, создавая тем самым лучшие условия для полимеризации. 
 
^ Возможность полимеризации низкомолекулярных соединений с образованием полипептидов и полинуклеотидов (определяющая следующий этап на пути возникновения жизни) непосредственно в первичном бульоне вызывает сомнения по термодинамическим соображениям. Водная среда благоприятствует реакции деполимеризации. Ученые предполагают, что образование полипептидов и полинуклеотидов могло происходить в пленке из низкомолекулярных органических соединений в безводной среде, например на склонах вулканических конусов, покрытых остывающей лавой. Это предположение находит подтверждение в опытах. Выдерживание в течение определенного времени при 130°С сухой смеси аминокислот в сосудах из кусков лавы приводило к образованию полипептидов. 
 
Образующиеся описанным образом биополимеры смывались ливневыми потоками в первичный бульон, что защищало их от разрушающего действия УФ-излучения, которое в то время из-за отсутствия в атмосфере планеты озонового слоя было очень жестким. 
 
По мере повышения концентрации полипептидов, полинуклеотидов и других органических соединений в первичном бульоне сложились условия для следующего этапа — самопроизвольного возникновения предбиологических форм сложного химического состава, илипротобионтов. Предположительно они могли быть представлены коацерва-тами (А. И. Опарин) или микросферами (С. Фокс). Это коллоидные капли с уплотненным поверхностным слоем, имитирующим мембрану, содержимое которых составляли один или несколько видов биополимеров. Возможность образования в коллоидных растворах структур типа коацерватов или микросфер доказана опытным путем. 
 
При определенных условиях коацерваты проявляют некоторые общие свойства живых форм. Они способны до известной степени избирательно поглощать вещества из окружающего раствора. Часть продуктов химических реакций, проходящих в коацерватах с участием поглощаемых веществ, выделяется ими обратно в среду. Происходит процесс, напоминающий обмен веществ. Накапливая вещества, коацерваты увеличивают свой объем (рост). По достижении определенных размеров они распадаются на части, сохраняя при этом некоторые черты исходной химической организации (размножение). Поскольку устойчивость коацерватов различного химического состава различна, среди них происходит отбор. 
 
Перечисленные выше свойства ученые усматривают у протобионтов. Протобионты представляются как обособленные от окружающей среды, открытые макромолекулярные системы, возникавшие в первичном бульоне и способные к примитивным формам роста, размножения, обмена веществ и предбиологическому химическому отбору. 
 
Предбиологическая эволюция протобионтов осуществлялась в трех главных направлениях. Важное значение имело совершенствованиекаталитической (ферментной) функции белков. Один из путей, дающих требуемый результат, заключается, по-видимому, в образовании комплексов металлов с органическими молекулами. Так, включение железа в порфириновое кольцо гемоглобина увеличивает его каталитическую активность в сравнении с активностью самого железа в растворе в 1000 раз. Развивалось такое свойство биологического катализа, какспецифичность. Во-вторых, исключительная роль в эволюции протобионтов принадлежит приобретению полинуклеотидами способности ксамовоспроизведению, что сделало возможным передачу информации от поколения к поколению, т.е. сохранение ее во времени. В основе этой способности лежит матричный синтез. Механизм матричного синтеза был использован также для переноса информации с полинуклеотидов на полипептиды. Третье главное направление эволюции протобионтов состояло в возникновении мембран. Отграничение от окружающей среды мембраной с избирательной проницаемостью превращает протобионт в устойчивый набор макромолекул, стабилизирует важные параметры обмена веществ на основе специфического катализа. 
 
Разделение функций хранения и пространственно-временной передачи информации, с одной стороны (нуклеиновые кислоты), и использование ее для организации специфических структуры и обмена веществ - с другой (белки); появление молекулярного механизма матричного синтеза биополимеров; освоение эффективных систем энергообеспечения жизнедеятельности (АТФ); образование типичной биологической мембраны — все это привело к возникновению живых существ, которые поначалу были представлены примитивными клетками. 
 
С момента появления клеток предбиологический химический отбор уступил место биологическому отбору. Дальнейшее развитие жизни шло согласно законам биологической эволюции. Переломным моментом на этом пути было возникновение клеток эукариотического типа, многоклеточных организмов, человека.