Реферат: Концепции и принципы биологического естествознания
Движущей силой дальнейшей эволюции проток леток, по-видимому, были, прежде всего, такие изменяющиеся факторы внешней среды Земли, как рН, температура и, в связи с этим, качество энергии (ее слабовыраженная энтропийность, роль которой мы отмечали в главе 3), концентрация ионов и кислорода в морской воде, наличие органического материала, симбиотические процессы и катастрофы на Земле.
Хотелось бы отметить еще одну современную гипотезу о происхождении жизни, высказанную русским геологом Ю. А. Колясниковым, основанную на особой роли воды. Многие разделяют мнение, что вода — главный минерал мироздания, имеющий уникально простой состав, но загадочную структуру, до конца пока не познанную. Использование воды, точнее, ее структурных сверхсжатых тетрамеров (особых образований из четырех молекул воды), обусловлено наличием в них распределенных поровну правых и левых Н-связей (водородных связей), т. е. обусловлено хиральностью тетрамеров. Еще давно П. Кюри, Л. Пастер и В. Вернадский полагали, что хиральность живого вещества есть следствие диссиметрии окружающей среды, в данном случае — воды. Доказано в последнее время, что в концентрированных растворах кремнезема и биополимеров тетрамерная вода образует правые и левые спиральные цепочки, в которых, благодаря электрической дипольности входящих в их состав молекул воды, может быть записана некая информация. Используя такие уникальные свойства воды, Ю. Колясников обосновывает свою гипотезу биопоэза, в которой первоначально синтезируется левовращающая, т. е. хиральная, аминокислота, а затем идет синтез Сахаров — основы нуклеиновых кислот, на правых спиральных цепочках. Такой синхронный синтез полипептидов и полинуклеотидов сопровождался генерацией водных димеров и неумолимо вел к образованию сложных нуклепротеидных комплексов, с записью в их примитивной РНК возникающего однозначного генетического кода.
Помимо этих гипотез, необходимо упомянуть также о гипотезе академика Эрика Галимова, изложенной им в книге «Феномен жизни» в 2001 году, в которой началом жизни признается появление бескислородной молекулы аденина. Отмечается, что ферментативный катализ и репликация кодирующих молекул являются непременными свойствами живых систем. Поэтому искать надо модели изначального возникновения автокаталитических и самореплицирующих систем. Начало биогенеза тогда следует связывать с возникновением элементарной стационарной химической ячейки. Первым шагом в этом направлении является появление молекулы или молекулярной системы, которая бы обеспечила трансформацию энергии внешней среды в химическую энергию. Далее необходимо, чтобы с химической реакцией, доставляющей энергию, могли сопрягаться химические реакции, способные к созданию низкоэнтропийного продукта, т. е. реакции, идущие с усложнением организации. Молекулой № 1 в этой гипотезе признается аденозинтрифосфат (АТФ) и молекулой № 2 транспортная РНК t-PHK), которые, однако, возникают в разное время и в разных условиях (местах), что делает их объединение проблематичным.
Нельзя не указать и на идеи, изложенные американским физиком и биофизиком Ф. Дайсоном в его книге «Происхождение жизни». В ней он, основываясь на анализе обширного материала, пришел к выводу, что очередность в возникновении биополимерных структур могла быть иной, чем ее предлагают другие авторы. По Дайсону, сначала возникла примитивная клетка, затем ферменты и только потом гены. Дайсон полагает, что: 1) на первых этапах живые организмы представляли собой метаболические ячейки без механизма репликации; 2) огромное разнообразие живых организмов возникло на основе сравнительно небольшого ассортимента молекул органических веществ; 3) «центральная догма» современной биологии (ДНК — РНК — белки) о ключевом положении нуклеиновых кислот и их первичном возникновении полностью несостоятельна.
Как видим, гипотез и мнений о начале происхождения жизни много. Но мы будем считать, как данность, что необходимая нам клетка, как элементарная единица жизни, возникла. В процессе эволюции обмена веществ (метаболизма) в клетке и выработки ею энергии, можно выделить 4 этапа или фазы. Первый — ферментация, побочным продуктом которой является углекислый газ. Второй этап — гексозомонофосфатный цикл, в ходе которого выделяется водород и углекислый газ и который является одним из первых примеров метаболического расщепления воды в физиологическом процессе, дающем клетке необходимую ей энергию. Третий этап — фотофосфорилирование, т. е. непосредственное использование солнечной энергии для выработки фосфатов, в том числе, таких, как аденозинтрифосфат (АТФ), обладающих высокой энергией. На этом этапе развития одноклеточные организмы научились вырабатывать пигмент — хлорофилл, с помощью которого образуется энергия света. Это привело к четвертому, самому важному и фундаментальному этапу, — этапу фотосинтеза. Клетка начала поглощать солнечный свет для синтеза глюкозы, выделяя в качестве побочного продукта молекулярный кислород. Таким образом, кислород начал попадать в атмосферу.
Существует, однако, одна необычная гипотеза о появлении кислорода в атмосфере, высказанная русским геофизиком О. Сорохтиным. Он полагает, что первый кислород в атмосфере появился и продолжает появляться в нашу эпоху из-за расплавления окислов, в основном окислов железа, достигших, при опускании вместе с мантией, границы ядра Земли. Освободившись из окисла, кислород идет вверх, встречает снова не окисленное железо, захватывается им, идет опять вниз к границе мантии, расплавляется, снова освобождается и так до тех пор, пока путь вверх к поверхности Земли и далее, в атмосферу, не становится свободным! Кстати, как полагает автор гипотезы, когда все процессы в недрах Земли закончатся, примерно через 2 млрд. лет, весь кислород, постепенно, конечно, выйдет наружу, и тогда давление в атмосфере достигнет значений 1-2 тысяч атмосфер .
3. Концепции начала и эволюции жизни
Поскольку жизнь появилась наверняка, когда появилась первая клетка, то отсчет жизни необходимо вести от клетки. Жизнь клеток формировала окружающую среду и самих клеток, так утверждает основная гипотеза в учении о биосфере В. И. Вернадского. Клетки, первоначально примитивные и недифференцированные по возможностям и способностям, все же немного (флуктуационно, как это положено для возникновения всего нового и необычного) по этим функциям, т. е. способностям и возможностям, отличались.
В первобытную эпоху атмосфера Земли состояла из вулканических газов, отравленных метаном и аммиаком, не было тогда ни кислорода, ни углекислого газа — ничего иного, что необходимо для поддержания жизни (подробности см. в книге академика Э. М. Галимова. «Феномен жизни», 2001). Без риска ошибиться, можно утверждать, что только в океане могла развиться жизнь, в котором она представлена неисчислимым разнообразием форм, начиная с появившихся, по меньшей мере, 4,2-4,0 млрд. лет назад и кончая сегодняшними, находящимися в единстве с прошлым.
Океан того времени представлял собой что-то вроде органического бульона, в котором могло происходить все то, что привело в конечном итоге к образованию клетки. Но жизнь навеки осталась связанной с океаном. В организмах большинства морских беспозвоночных циркулирует раствор ионов, который, по существу, является морской водой. Кровь позвоночных по ионному составу близка морской воде, разведенной в 3-4 раза, что, по предположению ряда ученых, соответствует составу морской воды далекого прошлого, того, когда у наших предков образовалась закрытая система кровообращения.
Планктон, прежде всего сине-зеленые водоросли (первые одноклеточные организмы), которые существуют и поныне, в допалеозойскую эру наполнил атмосферу кислородом (но не исключаем, что кислород мог поступать из недр Земли, в соответствии с гипотезой российского геофизика О. Сорохтина, как мы укажем в следующем пункте) в количестве, достаточном для эволюции многоклеточных уже за 10 млн. лет до кембрийского периода, т. е. 600-650 млн. лет назад. Скелеты и раковины мельчайшего одноклеточного планктона — радиолярии и фораминиферы — сформировали в тот период дно Мирового океана.
Следующим шагом в эволюции многоклеточных организмов следует считать возникновение растений и животных. Это происходило в несколько этапов. На первом этапе клетки просто объединялись в колонии, в которой каждая клетка оставалась относительно самостоятельной. В колонии, например, в португальском кораблике, возникла специализация клеточных организмов. По крайней мере, в португальском кораблике таких разновидностей специальных организмов четыре: первый выполняет функции плавника, второй щупальца — орудия лова, третий — пищеварительного тракта, и четвертый отвечает за функцию размножения.
По мере дальнейшей «специализации» живые организмы, входящие в состав более крупного организма, утратили свою индивидуальность. У него стала образовываться полая сфера, имеющая два слоя: энтодерму (внутренний слой) и эктодерму (наружный слой), и ротовое отверстие, ведущее в центральную, пищеварительную, полость. Такова элементарная структура, являющаяся основой строения тела всех кишечнополостных, например, медуз.
Структура животных совершенствовалась, образовывался средний слой — мезодерма, и сформировалась полость тела (как у червей). Позднее из эктодермы образовались нервная система и другие органы. Сначала же произошла его перестройка, а именно, возник слой, защищающий мягкие тела животных (кишечнополостных), но не приведший к образованию ненужных им в водах океана тканей. Это произошло позднее и при участии мезодермы: когда началась миграция живых существ из океана, тогда развился внутренний скелет (появились хордовые, позвоночные).
Всю историю, эволюцию организменной жизни, можно проследить в трех измерениях. Во-первых, в диахронном, или временном, измерении. Во-вторых, в синхронном измерении, полагая, что все или почти все формы жизни, которые когда-либо существовали, существуют и теперь. И, в-третьих, в минрохронном измерении, что обусловлено рекапитуляцией (повторением) предковых форм в индивидуальном развитии эмбрионов большинства ныне живущих организмов.
В первом измерении жизнь предстает по вертикали, во временной шкале, во втором измерении жизнь предстает как бы по горизонтали, начиная путь от простейших организмов к наиболее сложным, а вот третье измерение сжимает все эти эпохи жизни до периода вынашивания плода.
Биологические науки точно установили, что в первом, в диахронном измерении, в палеозойскую эру, в докембрийский период (эпоху) (не ранее 600 млн. лет назад) появились губки; в кембрийский (500-600 млн. лет назад) — трилобиты, моллюски и первые ракообразные; в ордовик (425-500 млн. лет назад) — двустворчатые моллюски, наутилонды и первые позвоночные, первые рыбы; в силурийский период (405-425 млн. лет назад) — коралловые рифы; в девон (345-405 млн. лет назад) — многочисленные рыбы и земноводные, появление насекомых; в каменноугольный период (280-245 млн. лет назад) — гигантские насекомые; в пермский период (230-280 млн. лет назад) вымирают трилобиты, процветают пресмыкающиеся. В мезозойскую эру в триасе (181-230 млн. лет назад) — появляются первые млекопитающие; в юр и мел (63— 181 млн. лет назад) — время расцвета и вымирания динозавров. И, наконец, в кайнозойскую эру в третичном периоде (1-63 млн. лет назад) млекопитающие распространились на суше, и в раннем четвертичном периоде появился человек (около 5-1 млн. лет назад), переживший четыре ледниковых периода в эти годы становления и возмужания.
Можно отметить два выдающихся момента в указанной эволюции. Первый — происхождение позвоночных от простых сидячих (неподвижных) форм, появившихся путем фильтрации, и второй момент — переход от рыбы к земноводному. Тела сидячих организмов, практически пищеварительная система, прикреплялись ножкой к морскому дну, тогда как другие ножки направляли плавающие пищевые частицы в ротовое отверстие. В ходе эволюции совершенствовался их аппарат фильтрационного питания, так что, в конце концов, он превратился в ряд жаберных щелей, первичной функцией которых было не дыхание, а питание. В какой-то момент эволюции после почкования и образования личинок, передвигаясь в поисках подходящего места, личинка с крупной головой с жабрами и мускулистым хвостом, усиленным продольной желеобразной хордой — нотохордой (прообразом позвоночника), быстро переходила во взрослую форму оболочника, которая не всегда сопровождалась сидячей стадией, а иногда заменялась на свободно плавающую.
Связующим звеном между рыбами и земноводными является целакант (родственник кистеперых рыб). У целакантов из парных плавников развились конечности, тогда же образовалось что-то вроде легких, в результате чего они приспособились для дыхания и передвижения на суше, поэтому и смогли развиться земноводные.
Во втором, «синхронном» измерении эволюции, можно взять, например, сложную, с ответвлениями пищевую цепь. Тогда мы увидим, как мельчайшие растения, диатомные водоросли и всевозможные жгутиковые, которые и составляют фитопланктон, плавают в поверхностных водах, как мельчайшие животные — веслоногие рачки, криль или личинки крабов — поедают этот фитопланктон. А их, в свою очередь, поедают более крупные рыбы, например, скумбрия или сельдь, заканчивающие свое существование в желудках еще более крупных рыб, таких как тунец или меч-рыба. Вообще, только одна рыба из 10 000 не заканчивает свою жизнь в пасти другой. Можно также, в синхронном измерении, расположить все живые существа в зависимости от места обитания и т. д.
В третьем, микрохронном измерении, наиболее впечатляющим является развитие зародыша человека. Зародыш проходит все стадии мельчайшего существа, похожего на головастика, хордового, хрящевого анималькуля, прежде чем станет позвоночным, и стадии организма, дышащего жабрами, прежде чем появятся легкие. У каждой из стадий этого быстрого развития имеется соответствующая прошлому пространственно-временная точка (прямо можно сказать — мировая точка в пространстве Минковского). Так, например, у плода человека сердце развивается как простое расширение главного кровеносного сосуда. Расширенный участок разделяется на четыре части, расположенные одна за другой. Затем сосуд перекручивается назад и приобретает шаровидную форму (шар наиболее совершенная симметричная форма из пространственных), причем два отдела складываются (ушки предсердий) над двумя другими (желудочками). Это и есть сердце.
Такую же сложную, из трех измерении, модель можно построить и для всей биосферы, включая океаны, где жизнь зародилась, пресноводные водоемы, где она развилась так мощно.
Развертывание жизни. Дарвинизм и неодарвинизм. Первая теория эволюции была сформулирована в начале XIX века Жаном Батистом Ламарком — выдающимся натуралистом-самоучкой, введшим термин «биология». Ламарк оказал сильное влияние на Чарльза Дарвина. Но это влияние уже практически отсутствовало, когда Дарвин опубликовал свою теорию в 1859 г. в фундаментальной работе «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за выживание». Кстати, в другом варианте дополнение к первому, главному названию переводится так: «Сохранение избранных рас в борьбе за выживание» (с латыни раса переводится как род, порода). Следует отметить, что одновременно с этой книгой была опубликована также статья другого англичанина Альфреда Уоллеса «О стремлении разновидностей бесконечно удаляться от первоначального типа», в которой излагались взгляды, абсолютно сходные с взглядами Дарвина, однако без всяких претензий Уоллеса на приоритет, который он безоговорочно отдавал своему более именитому соотечественнику. Теория Дарвина основывалась на двух идеях: случайные мутации и естественный отбор. Центральная мысль дарвинизма заключается в том, что все живые организмы имеют общее начало, общее происхождение. Различие между классической теорией эволюции (дарвинизм) и новыми теориями (неодарвинизм) заключается в разном подходе к рассмотрению динамики эволюции. Согласно утверждениям Дарвина, наследственные характеристики передаются потомкам от их родителей по 50% поровну в первом поколении; таким образом, во втором поколении наследуется только 25% характерных признаков и т. д. В этом отношении классическая теория Дарвина имела явный изъян (называемый «кошмар Дженкинса», по имени английского инженера Дженкинса, обратившего на него внимание ученого мира), не согласовываясь с реальной жизнью. Проповедниками дарвинского учения стали Эрнст Геккель и Герберт Спенсер, особенно последний закрепил в нем термин эволюция, хотя сам Дарвин предпочитал это понятие не употреблять.
Решение последней проблемы пришло вместе с открытием Менделем в 1866 году механизма передачи наследственных признаков (но, как известно, работа Менделя и его законы оставались незамеченными в последующие 40 лет, до их пере открытия). Комбинация идей Дарвина о постепенных эволюционных изменениях живых организмов с генетическим механизмом Менделя и происходит в теории, носящей сейчас название неодарвинизм, или синтетическая теория эволюции. И у дарвинизма, и у неодарвинизма есть слабое звено в их теоретических построениях — долженствование постепенного непрерывного изменения живых организмов.
Как показывают исследования ископаемых организмов, в истории жизни существовали периоды длительностью в сотни тысяч лет и более, на протяжении которых не наблюдались изменения организмов. Период бурного изменения живых организмов на Земле начался примерно 1 миллион лет назад. В связи с этим появилось новое направление в теории — системные представления эволюции. В этой теории возможно спонтанное образование новых форм живых структур. Джеймс Ловлок и Линн Маргулис развили теорию Гея — Земли (ГЗ), которая в общих чертах заключается в том, что нельзя рассматривать развитие живых организмов в отрыве от развития, изменчивости окружающей среды. Согласно ГЗ — теории, нет отдельных живых организмов, есть в целом глобальная система, которая живет, развивается, эволюционирует.
Эволюция через симбиоз. В микробиологии считается, что фундаментальное деление форм жизни заключается не в делении на животные и растительные формы, а деление этих форм по виду клеток — ядерные (эукариоты) и безъядерные (прокариоты). Бактерии, простейшие формы жизни, не имеют клеточного ядра и поэтому называются прокариотами, тогда как клетки, содержащие ядра, называются эукариотами. Одной из ключевых гипотез современной теории эволюции является гипотеза Линн Маргулис о симбиозе. Симбиоз — это тенденция различных организмов жить в тесном содружестве с другими организмами и часто жить внутри других организмов (как, например, это делают бактерии). Согласно гипотезе Л. Маргулис, митохондрии в клетках были в давние времена отдельно существующими бактериями, внедрившимися когда-то вовнутрь клеток другого организма. Предложенный Маргулис эволюционный механизм путем симбиоза, может быть, был более важным и предпочтительным, чем стандартный путь эволюции по Дарвину, который сегодня никак нельзя считать безупречным и безальтернативным другим предлагаемым механизмам.
4. Системная иерархия организации живых организмов и их сообществ
Все живые существа (как животные, так и растения) состоят из клеток. Из клеток строятся ткани, из тканей — различные органы и их системы. Клетки животных и растительных организмов имеют примерно одинаковое строение. Важнейшей их частью является ядро. Оно контролирует всю жизнедеятельность клетки: обмен веществ, рост и размножение. Удаление ядра из клетки приводит к ее гибели.
Ядро клетки окружено полужидкой субстанцией — цитоплазмой. Цитоплазма почти всех растений содержит небольшие белковые тельца — пластиды. В пластидах заключен хлорофилл — вещество, которое придает растениям зеленую окраску. Благодаря наличию хлорофилла, растения способны осуществлять процесс, называемый фотосинтезом. В ходе фотосинтеза растения, используя энергию солнечного света, превращают в органическое вещество громадное количество углерода (по подсчетам ученых, около 200 миллиардов тонн ежегодно).
Каждая клетка животных и растений окружена плазматической мембраной. Мембрана играет чрезвычайно важную роль в регулировании содержимого клетки: через нее проходят все питательные вещества и все отходы (продукты секреции) клетки. Растительные клетки, кроме мембраны, снабжены еще плотной клеточной стенкой. Она во многих местах имеет мельчайшего размера отверстия, через которые вещество одной клетки переходит в другую. Клеточная стенка служит опорой растительного организма.
Основные структурные различия между животными и растительными клетками немногочисленны. Во-первых, животные клетки, в отличие от растительных (исключая низшие растения), содержат небольшие тельца — центриоли, расположенные в цитоплазме. Во-вторых, как уже говорилось, клетки растений имеют в своей цитоплазме белковые образования — пластиды, которых нет у животных. И, в-третьих, клетки растений обладают упомянутой ранее клеточной стенкой, благодаря которой они сохраняют свою форму. Животные клетки располагают лишь тонкой плазматической мембраной и поэтому способны двигаться и менять форму.