8.1.2. Концепция структурных уровней живого

Уровни живого мира. Ныне существующий на нашей планете мир живой природы чрезвычайно многообразен. Чтобы разобраться в его составе, выявить закономерные связи между составляющими его частями, биологическая наука применяет метод классификации растений и животных, используя для этой цели различные основания. На основе определенных критериев выделяются различные уровни, подсистемы живого мира. Наиболее часто в современной биологии для классификации уровней организации живого используется критерий масштабности. По этому основанию в мире живого обычно выделяются следующие уровни:

• Биосферный — включающий всю совокупность живых организмов Земли, существующих в тесной связи с окружающей природной средой. На этом уровне наукой решается такая, например, актуальная проблема, как регулирование процесса концентрации углекислого газа в атмосфере. Исследуя биосферный уровень организации живого, ученые выяснили, что в последнее время в результате значительного усиления хозяйственной активности и слабой природоохранной деятельности концентрация углекислого газа в атмосфере планеты стала возрастать. В результате возникла опасность глобального повышения температуры, возникновения так называемого «парникового эффекта», увеличения в ряде районов количества осадков до масштабов Всемирного потопа.

• Уровень биогеоценозов выражает следующую ступень структуры живого. Под биогеоценозами понимаются участки Земли с определенным составом тесно взаимосвязанных живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс, экосистему. Рациональное использование природы невозможно без знания структуры и функционирования биогеоценозов, или экосистем.

• Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. Его изучение важно для выявления факторов, влияющих на численность популяций. На этой основе соответствующими службами обеспечивается поддержание оптимальной численности популяций. Этот уровень также важен с точки зрения исследования путей исторического развития живого, его эволюции.

• Организменный или органо-тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.

• Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.

• Молекулярный уровень составляет объект исследований молекулярной биологии, одной из важнейших задач которой является изучение механизмов передачи наследственной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии.

Разделение живой материи на уровни, конечно же, весьма условно. Оно имеет значение лишь как инструмент биологического исследования. Решение же конкретных биологических проблем, например регулирование численности того или иного вида животных, опирается на данные о всех уровнях живого, которые теснейшим образом связаны друг с другом.

Вместе с тем в этом бесконечно разнообразном мире все же существует некий фундамент, который объединяет все его многообразие. Своего рода «первокирпичиком» живого мира является клетка. Ее исследование помогает глубже уяснить специфику живого.

8.1.3. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем (9). Под эволюцией обычно понимают процесс изменений, одну из форм движения, для которой, в отличие от революции, характерны постепенные, непрерывные, накапливающиеся перемены, но тем не менее приводящие к качественным сдвигам в развитии, в том числе и живой природы.

Представления о том, что окружающий нас бесконечно разнообразный мир живых организмов появился в результате длительного процесса изменения и развития, эволюционным путем, сложилось не сразу. В этом процессе становления эволюционной парадигмы, как правило, выделяют три основных этапа.

Первый этап — традиционная биология. Наиболее яркий ее представитель — шведский естествоиспытатель К. Линней.

Общетеоретической основой традиционной биологии, которая господствовала в биологической мысли с древнейших времен вплоть до XIX века, была концепция креационизма, исходившая из представления о единовременном возникновении всех форм жизни на Земле. В свете креационистской концепции в центре биологических исследований оказалась задача детального описания всего многообразия чудесным образом возникшего мира растений и животных, его классификация и систематизация, а не анализ возникновения, развития, изменения, эволюции.

Первые попытки такой систематизации были предприняты еще древнегреческим философом Аристотелем. Эта, несомненно, полезная работа продолжалась и в Средние века. Но самый значительный вклад внес в традиционную биологию К. Линней. Он создал наиболее удачную систему классификации растительного и животного мира, которая строилась на основе учета сходств и различий в строении и поведении животных. Линней убедительно показал, что все живые организмы делятся на обособленные группы, или виды. Линнеевская система классификации во многом используется и современной биологической наукой. Согласно современным представлениям, основной единицей классификации как для растений, так и для животных является вид. Под видом понимается популяция особей, обладающих сходным строением, поведением, происхождением. В современной классификации также используется введенная Линнеем биноминальная (двуименная) система именования организмов, в соответствии с которой название рода пишется на первом месте, а название вида на втором. Например, научное название домашней кошки (Felis domestica) относится ко всем породам домашних кошек. Все они принадлежат к одному и тому же виду. Близкими видами того же рода являются лев (Felis tigris) и леопард (Felis pardus). Но собака (Canis familiaris) относится уже к другому.

Традиционная биология, хотя и имеет определенные слабости, по сравнению с другими направлениями обладает несомненными преимуществом. Она накапливает свой научный материал наиболее надежным способом — путем непосредственного наблюдения живой природы. Однако предпосылки для ее смены на определенном этапе развития биологической мысли другой, эволюционной парадигмой были подготовлены уже в рамках самой традиционной биологии. Вскрытые ею целостность, единство, взаимосвязь и преемственность организмов в живой природе вплотную подвели ученых к мысли о том, что все многообразие их форм является результатом длительного процесса биологической эволюции.

Второй этап — классическая теория биологической эволюции, создатель — английский естествоиспытатель Ч. Дарвин.

Представление об эволюции живых организмов с момента их возникновения и до наших дней является одним из важнейших обобщений биологической науки. Сущность этой великой объединяющей концепции состоит в признании того, что все многочисленные формы растений и животных, существующие ныне, не были созданы по мановению волшебной палочки в один миг, а произошли от появившихся в результате завершения добиологической эволюции простейших организмов путем их постепенных изменений, накапливавшихся в последовательных поколениях.

Элементы этой идеи в неявной форме содержались в произведениях некоторых греческих философов от Фалеса до Аристотеля. Мысли об эволюции живого мира высказывали и многие философы и естествоиспытатели в период с XIV по XIX в. Так французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк (1744–1829) выдвинул в 1809 г. теорию эволюции, основанную на представлении о передаче по наследству приобретенных признаков. Однако лишь после того, как Ч. Дарвин опубликовал в 1859 г. свою книгу «Происхождение видов путем естественного отбора», теория биологической эволюции привлекла к себе всеобщее внимание.

Теория Дарвина стала результатом обобщения им огромного количества разнообразных фактических данных, которые он собирал, путешествуя в качестве натуралиста на небольшом корабле «Бигль», отправившемся в пятилетнее плавание вокруг света. Дарвина поразило огромное разнообразие видов растений и животных, обнаруженных им в разных районах мира. Именно эти наблюдения и заставили его, в конце концов, отвергнуть концепцию божественного творения, на которую опиралась традиционная биология, и искать иное объяснение собранным фактам. Однако на осмысление и обобщение огромной массы фактических данных ему понадобилось около 20 лет, в результате чего и появился его фундаментальный труд «Происхождение видов путем естественного отбора».

Опираясь на огромный фактический материал и практику селекционной работы по выведению новых сортов растений и пород животных, Ч. Дарвин сформулировал основные принципы своей эволюционной теории.

1. Первый принцип постулирует, что изменчивость является неотъемлемым свойством живого и проявляется постоянно. В любой популяции всегда наблюдается изменчивость особей. В природе невозможно обнаружить два тождественных организма.

2. Второй принцип — наследственность. Некоторые из этих изменений наследуются потомством.

3. Третий принцип — естественный отбор. Обычно рождается значительно больше организмов, чем доживает до размножения. Причем выживают и дают большее потомство, как правило, те особи, которые обладают более благоприятным для борьбы за существование сочетанием индивидуальных унаследованных качеств. Таким образом природа осуществляет отбор признаков, способствующих приспособлению вида к изменяющимся условиям существования.

Самым слабым местом в учении Дарвина были представления о наследственности, которые подвергались серьезной критике его противниками. Действительно, если эволюция связана со случайным появлением полезных изменений и наследственной передаче приобретенных признаков потомству, то в течение ряда поколений случайно возникшие полезные изменения должны постепенно ослабнуть, а затем и вовсе исчезнуть.

Сам Дарвин вынужден был признать эту критику весьма убедительной, поскольку при тогдашних представлениях о наследственности ее невозможно было опровергнуть. В дальнейшем были выявлены и другие недостатки теории Дарвина, касающиеся основных причин и факторов органической эволюции. Стало очевидным, что эта теория нуждалась в дальнейшей разработке и обосновании с учетом последующих достижений всех биологических дисциплин.

Третий этап — синтетическая теория биологической эволюции.

В ходе развития биологии классическое дарвинское эволюционное учение было значительно дополнено и уточнено. Ключевые положения этого учения получили обоснование с молекулярно-генетической точки зрения. В результате возникла современная синтетическая теория биологической эволюции.

В молекулярной биологии установлено, что изменчивость проявляется на генетическом, молекулярном уровне в виде так называемых мутаций и происходит непредсказуемо под воздействием внутренних и внешних случайных факторов (см. выше «Случайные процессы в живой и неживой природе. Хаос»). Поскольку мутации возникают случайно, постольку их результат действительно является неопределенным. Однако случайное изменение становится необходимым, когда оно оказывается полезным для организма, помогает ему выжить в борьбе за существование. Закрепляясь и повторяясь в ряде поколений, такие случайные изменения вызывают перестройку в структуре живых организмов и их популяций и таким образом приводят к возникновению новых видов. Хотя мутации — главные поставщики эволюционного материала, но они относятся к изменениям случайным, поэтому они не могут служить направляющей силой эволюционного процесса. Кроме отбора — естественного или искусственного — не существует никакого другого средства регулирования наследственной изменчивости.

И

Популяция — совокупность особей одного вида, занимающих определенную территорию.

так, мутационный процесс обусловливает разнообразие особей в популяции. Случайный по своей природе, он не может задавать направление эволюции. Фактором, определяющим направленность эволюции, служит естественный отбор. Без естественного отбора случайные мутации постепенно приводили бы к размытости совокупности признаков вида (фенотипа).

Эволюция — единый процесс. Но в синтетической теории биологической эволюции различают два ее уровня: микроэволюцию (на популяционно-видовом уровне) и макроэволюцию (на надвидовом уровне). Микроэволюция происходит за относительно недолгое время на ограниченных территориях. Она протекает в популяциях и завершается видообразованием. В макроэволюции же проявляются самые общие закономерности и направления исторического развития как всей совокупности живого, так и отдельных надвидовых групп. В синтетической теории биологической эволюции признано, что элементарной единицей эволюции является популяция, а не вид (как считалось в классическом эволюционном учении).

Микроэволюционные наблюдения доступны непосредственному наблюдению. С наблюдениями макроэволюционных изменений дело обстоит несколько сложнее. Ранее ход макроэволюции изучался только путем реконструирования, воссоздания объектов. Но благодаря успехам молекулярной генетики появилась возможность и непосредственного изучения результатов макроэволюции: объектом исследования стали молекулы, изъятые как из ныне живущих, так и из ископаемых форм.

Образование видов происходит двумя путями:

1) разделение исходного вида на два и более новых;

2) гибридизация, т. е. объединение двух разных наборов генов и образование их гибрида.

Процессы первичного обмена генетической информации протекают внутри популяций, поэтому в пределах популяции происходит и микроэволюция.

Важными факторами микроэволюции являются:

• популяционные волны (или волны жизни), которые представляют собой колебания численности особей в популяциях под воздействием множества меняющихся условий (климата, урожайности кормов и т.д.). В периоды сильного уменьшения численности популяции существенно изменяется концентрация редко встречающихся мутаций и генотипов, что повышает их роль в отборе и эволюции;

• изоляция, которая проявляется в резком ограничении скрещивания особей разных популяций. Эволюционная суть изоляции состоит в разрыве единого генофонда вида на несколько изолированных. Она усиливает генетические различия изолированных популяций и является обязательным условием эволюционно процесса.

Макроэволюционные закономерности:

• Прогрессивная направленность эволюции в целом выражается в появлении организмов со все более высоким уровнем организации и большей способностью приспосабливаться к изменению условий существования. В ходе эволюции образовались организмы разного уровня сложности — от простейших одноклеточных до млекопитающих. Все эти уровни (не путать с видами!) представлены в живом мире и продолжают эволюционировать. Параллельное развитие всех возникших уровней сложности живой материи показано на рис. 12.

Высший уровень сложности связан с появлением и эволюцией мыслящего живого существа — человека.

• Неравномерность темпов эволюционного процесса определяется сложным сочетанием внутренних факторов и изменяющихся условий окружающей среды. Крупное, качественно новое изменение в строении и функциях организма (фенотипа) является мощным стимулятором эволюции, рождающим новые формы отбора. Такие изменения могут дать подавляющее преимущество в борьбе за существование и быстро привести в появлению новой группы организмов. Затем темпы эволюции этой группы могут и не оставаться столь же высокими.

• П ринцип необратимости эволюции. Неверно было бы думать, что все ранее существовавшие виды живого (а теперь ископаемые формы) вместе должны составлять некую единую последовательность, протянувшуюся от прошлого к настоящему. Многие виды в процессе эволюции исчезают (так называемые тупиковые ветви эволюционного дерева). Исчезнувшие в процессе эволюции отдельные виды впоследствии никогда не восстанавливаются в прежней форме. В этом существо принципа необратимости эволюции. С молекулярно-генетической точки зрения необратимость объясняется невозможностью повторения состава генофонда исчезнувшего вида. Вот почему важно максимальное сохранение существующих на Земле видов. Невыполнение этой задачи означает постепенную и уже невосполнимую утрату генофонда видов, возникших в ходе длительного эволюционного развития.