Тема 10. Особенности биологического уровня организации материи.

1. Биология как наука о живом. Специфика биологического уровня организации материи. Понятие жизни. Сущность и качества живого.

2. Структурные уровни живой материи. Особенности живых систем.

3. Концепции происхождения жизни. Жизнь в контексте глобальной эволюции.

4. Проблемы развития жизни в традиционной и современной биологии. Эволюционные учения в биологии. Теория эволюции Ч. Дарвина.

5. Генетика и эволюция. Синтетическая теория эволюции.

1.

Биология (от греч. bios – жизнь + logos – учение) – это наука о жи­вом, об огромном многообразии живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.

Современная биологическая наука – результат длительного процесса развития. Интерес к познанию живого у человека возник очень давно и был связан с его важнейшими потреб­ностями – в пище, лекарствах, одежде, жилье и т.д. Но только в первых древних цивилизованных обществах люди стали изучать живые организмы более тщательно, составлять перечни животных и растений, населяющих разные регионы, классифицировать их. Одним из первых биологов древно­сти был Аристотель.

В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе. Структуру его можно рассмат­ривать с разных точек зрения.

По объектам исследования биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропо­логию.

По свойствам, проявлениям живого в биологии выделяют­ся: морфология – наука о строении живых организмов; физио­логия – наука о функционировании организмов; молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток; экология, рассматривающая образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой; генетика, исследую­щая законы наследственности и изменчивости.

По уровню организации исследуемых живых объектов вы­деляются: анатомия, изучающая макроскопическое строение животных; гистология, изучающая строение тканей; цитология, исследующая строение живых клеток.

Эта многоплановость комплекса биологических наук обу­словлена чрезвычайным многообразием живого мира. К на­стоящему времени биологами обнаружено и описано более 2 млн. видов животных, около полумиллиона растений, не­сколько сот тысяч видов грибов, более 3 тыс. видов бакте­рий. Причем мир живой природы исследован далеко не пол­ностью. Число не описанных видов оценивается по меньшей мере в 1 млн.

Важнейшим инструментом познания окружающего мира служит категория «живого», являющаяся ключевой, исход­ной для всей системы биологических наук.

В развитии биологии выделяют три основных этапа:

- сис­тематики (К. Линней),

- эволюционный (Ч. Дарвин),

- биологии микромира (Г. Мендель).

Каждый из этих этапов связан с изменением представлений о мире живого, основах биологического мышления, со сменой биологических парадигм. Благодаря раз­витию современной биологии микромира, познанию молеку­лярных структур живого, отчетливее стало просматриваться един­ство природы, органического и неорганического мира, специфика живого. Но при этом понятие «жизнь», «живое» не стало более открытым и откровенным для ученых. Споры о сущности этих терминов идут в науке до сих пор. Интуитивно мы все понимаем, что есть живое и неживое. Однако при попытке определить сущность живого возникают трудности. Широко известно, например, определение, данное Ф. Энгельсом, что жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом кото­рого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой. И все же живая мышь и горящая свеча с физико-химической точки зрения находятся в одинаковом состоянии обмена веществ с внешней средой, равно потребляя кислород и выделяя углекислый газ, но в одном случае – в ре­зультате дыхания, в другом – в процессе горения. Этот про­стой пример показывает, что обмениваться веществами с окружающей средой могут и неживые объекты. Таким образом, обмен веществ и наличие белков являются хотя и необходимыми, но недостаточными критериями определения жизни.

Современная биология при описании живого идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни.

К числу свойств живого обычно относят следующие:

- Живые организмы характеризуются сложной, упорядо­ченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах.

- Живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядо­ченности. Большая часть организмов прямо или косвенно ис­пользует солнечную энергию.

- Живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Если толкнуть камень, то он пассивно сдвигается с мес­та. Если толкнуть животное, оно отреагирует активно: убежит, нападет или изменит форму. Способность реагировать на внешние раздражения – универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных.

- Живые организмы не только изменяются, но и усложня­ются. Так, у растения или животного появляются новые ветви или новые органы, отличающиеся по своему химическому со­ставу от породивших их структур.

- Все живое размножается. Эта способность к самовоспро­изведению, пожалуй, самая поразительная способность живых организмов. Причем потомство и похоже, и в то же время чем-то отличается от родителей. В этом проявляется действие меха­низмов наследственности и изменчивости, определяющих эво­люцию всех видов живой природы.

- Сходство потомства с родителями обусловлено еще од­ной замечательной особенностью живых организмов – переда­вать потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Эта информация содер­жится в генах – единицах наследственности, мельчайших внутриклеточных структурах. Генетический материал определя­ет направление развития организма. Однако эта информация в процессе передачи несколько видоизменяется, искажается, поэтому потом­ки не только похожи на родителей, но и отличаются от них.

- Живые организмы хорошо приспособлены к среде оби­тания (адаптивны) и соответствуют своему образу жизни. Строение крота, рыбы, лягушки, дождевого червя полностью соответствует ус­ловиям, в которых они живут.

Обобщая и несколько упрощая сказанное о специфике живого, можно отметить, что все живые организмы питаются, дышат, рас­тут, размножаются и распространяются в природе. Из совокупности этих признаков вытекает следующее обоб­щенное определение сущности живого: жизнь есть форма сущест­вования сложных, открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.

И, наконец, еще более краткое определение жизни предло­жил американский физик Ф. Дж. Типлер в своей сенсационной книге «Физика бессмертия». «Мы не хотим, – пишет он, – привязывать определение жизни к молекуле нуклеиновой ки­слоты, потому что можно вообразить себе существование жиз­ни, которая к этому определению не подходит. Если к нам в космический корабль явится внеземное существо, химическую основу которого составляет не нуклеиновая кислота, то нам все равно захочется признать его живым». Жизнь, по мнению Типлера, представляет собой лишь информацию особого рода: «Я определяю жизнь как некую закодированную информацию, которая сохраняется естественным отбором». В свою очередь, жизнь-информация является вечной, бесконечной и бес­смертной. И хотя с этим определением согласны далеко не все, его несомненная ценность состоит в попытке выделить из всех критериев жизни в качестве главного – способность живых организмов сохранять и передавать информацию.

Необходимо учитывать, что жизнь возникает вместе с высокомолекулярными физико-химическими системами, включающими в себя белки и нуклеи­новые кислоты. Эти системы характеризуются неразрывным единством изменчивости и устойчивости. Выделяя как специфический вид материальных объектов сложные белково-нуклеиновые комплексы, наука характеризует их неотъемлемо прису­щими им метаболическими реакциями, обеспечивающими не­обходимый для их устойчивого существования обмен веществ и информации с окружающей средой. Биологи, химики и физи­ки непосредственно связывают закономерности биологических процессов с составом и структурой соответствующих матери­альных систем – органов, тканей, клеток вплоть до их атомно-молекулярных составляющих.

Фундамен­тальным свойством живых систем также является их способность к самовоспроизведению, редупликации, обеспечиваемая преж­де всего нуклеиновыми кислотами – молекулами ДНК и РНК. Ученые склоняются к тому, что именно РНК выступает в роли первой самореплицирующейся молекулы, представляющей ге­нетический код в предбиологической эволюции. Генетический аппарат должен быть достаточно устойчивым, чтобы сохранять и передавать наследственную информацию, и в то же время достаточно гибким, чтобы эволюционировать, не препятство­вать образованию новых видов жизни.

Современное естествознание в виде большой совокупности наук (общей биологии, молекулярной биологии, биофизики и биохимии, молекулярной генетики, палеобиологии, а также математики, кибернетики, неравновесной термодинамики, синергетики и других научных дисциплин) постепенно, шаг за шагом раскрывают физико-химический механизм жизни, не отказываясь вместе с тем от качественной ее специфики, а напротив, все полнее и полнее учитывая от­личие разрозненных физических и химических процессов от той целостной биологической системы, которая возникает в резуль­тате их объединения, совместного, кооперативного действия.

2.

Живая материя, известная нам лишь в её земной форме, отличается не только сверх-сложностью, но и огромным разнообразием как в качественном, так и в количественном отношении. В биологии принято выделять уровни организации живой материи, двигаясь от простого к более сложному. На каждом новом уровне появляются свои собственные специфические закономерности, поэтому более высокие уровни не сводимы к более простым, элементарным. Выделяют следующие структурные уровни живой материи:

1. Молекулярный уровень представлен отдельными молекулами, подчас – очень сложными, нередко представляющими собой длинные цепи аминокислот (ДНК, РНК) и других соединений. На этом уровне, изучаемом биохимией, молекулярной биологией, проявляется инаковость, специфичность живого, прежде всего, в таком свойстве органических молекул, как хиральность (от греч. cheir – рука) – свойство молекулы не совмещаться со своим отображением в идеальном плоском зеркале. Иными словами, все органические молекулы асимметричны, в частности, молекулы всех жиров имеют левую асимметрию, а молекулы всех белков – правую. Это свойство впервые открыл Луи Пастер, исследуя поляризацию света, пропущенного через различные соединения. Оказалось, что виноградная и винная кислоты, имея одну химическую формулу, но разное происхождение – органическое и неорганическое, соответственно, – по-разному «относятся» к свету: первая поляризует его, вторая – нет.

2. Клеточный уровень был открыт в середине XIX века, однако не все живые организмы имеют клеточное строение (прежде всего, вирусы)¹. Клетка – элементарная живая система, основа строения и жизнедеятельности всех животных и растений. Клетки существуют как самостоятельные организмы (напр., простейшие, бактерии) и в составе многоклеточных организмов, в которых имеются половые клетки, служащие для размножения, и клетки тела (соматические), различные по строению и функциям (напр., нервные, костные, мышечные, секреторные). Размеры клетки варьируют в пределах от 0,1-0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). В каждой клетке различают 2 основные части: ядро и цитоплазму, в которой находятся органоиды и включения. Клетки растений, как правило, покрыты твердой оболочкой.

3. Следующим уровнем выступает тканевый. Ткани рассматриваются как системы клеток, сходных по происхождению, строению и функциям. Ткани животных – эпителиальная, все виды соединительной, мышечная и нервная; ткани растений – образовательная, основная, защитная и проводящая. Далее мы сталкиваемся с отдельными органами, т.е. частями животного или растительного организма, выполняющими определенную функцию (напр., сердце, печень у животных; корень, стебель у растений).

4. Организменный уровень представлен, соответственно, организмами (от ср.-век. лат. organizo – устраиваю, сообщаю стройный вид) – целостными и относительно автономными живыми существами. Мир организмов на Земле весьма разнообразен, несмотря на то, что многие из них вымерли и продолжают исчезать. Из числа животных наиболее преуспевающими являются членистоногие: насекомые на суше, ракообразные – в воде. Это можно объяснить их строением: они лишены вен и артерий, их система кровообращения незамкнута – кровь просачивается сквозь ткани, двигаясь от сердца. Поэтому им необходим твердый хитиновый покров, наружный скелет: без такой твёрдой внешней оболочки сокращения сердца вместо того, чтобы гнать кровь, только создавали бы вспучивания на поверхности тела.

5. Популяционно-видовой уровень. Отдельные организмы входят в сообщества, именуемыми популяциями. Последние сегодня расматриваются в качестве элементарных единиц естественного отбора (раньше таковыми считали отдельные организмы). Популяция – это совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.

6. Биогеоценотический или экосистемный уровень. Взаимодействие различных организмов, их взаимозависимость отражают синонимичные понятия биогеоценоза и экосистемы. Биогеоценоз или экосистема (от греч. oikos – жилище, местопребывание и система) – единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания (атмосфера, почва, водоем и т.п.), в котором живые и косные компоненты связаны между собой обменом вещества и энергии. Понятие биогеоценоз или экосистема применяется к природным объектам различной сложности и размеров: океан или небольшой пруд, тайга или участок березовой рощи. Термин «экосистема» ввел в 1935 году английский фитоценолог А. Тенсли. Термин биогеоценоз предложил В.Н. Сукачев в 1940 году.

7. И, наконец, последним, глобальным уровнем организации живого на Земле выступает биосфера – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. В биосфере живые организмы (живое вещество) и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. Термин «биосфера» введен в 1875 г. австрийским геологом Эдуардом Зюссом. Однако заслуга разработки целостного учения о биосфере принадлежит Владимиру Ивановичу Вернадскому (1863-1945).

3.

К числу основных концепций, претендующих на решение проблемы происхождения жизни, относят обычно пять:

1. жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время (креационизм);

2. жизнь возникала неоднократно из неживого вещества (самопроизвольное зарождение);

3. жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния);

4. жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия);

5. жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция).

Все эти концепции до сих пор конкурируют между собой, хотя и с разной степенью успеха. В науке общепринятой считается последняя, богословы и значительное число верующих отстаивают первую, в древности господствующей была вторая, а сторонников третьей и четвёртой, появившихся в XX веке, хотя и немного, но они есть и сейчас. Рассмотрим эти концепции подробнее.

Согласно гипотезе креационизма, жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом; ее придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. В 1650 г. архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия) вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н.э. и закончил свой труд 23 октября в 9 утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возрасты всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии – от Адама до Христа («кто кого родил»). С точки зрения арифметики это разумно, однако при этом получается, что Адам жил в то время, когда, как показывают археологические находки, на Ближнем Востоке существовала хорошо развитая городская цивилизация.

Традиционное иудейско-христианское представление о сотворении мира, изложенное в Книге Бытия, вызывало и продолжает вызывать споры. Хотя все верующие признают, что Библия – завет Господа людям, по вопросу о длине «дня», упоминающегося в Книге Бытия, существуют разногласия. Некоторые считают, что мир, и все населяющие его организмы были созданы за шесть дней продолжительностью по 24 часа. Они отвергают любые другие точки зрения и целиком полагаются на вдохновение, созерцание и божественное откровение. Другие христиане не относятся к Библии как к научной книге и считают, что в Книге Бытия изложено в понятной для всех людей форме теологическое откровение о сотворении всех живых существ всемогущим Творцом. Для них описание сотворения живых существ скорее относится к ответу на вопрос «почему?», а не «каким образом?» Если наука в поисках истины широко использует наблюдение и эксперимент, то богословие постигает истину через божественное откровение и веру. Вера признает вещи, которым нет доказательств в научном смысле слова, т.е. логически не может быть противоречия между научным и богословским объяснением сотворения мира, так как эти две сферы мышления взаимно исключают одна другую.

Процесс божественного сотворения мира считается произошедшим однократно и поэтому недоступен для наблюдения; этого достаточно, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного обсуждения. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, и поэтому она никогда не сможет ни опровергнуть, ни доказать эту концепцию.

Концепция самопроизвольного зарождения была распространена в древнем Китае, Вавилоне и Египте как альтернатива креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384-322 до н.э.), которого часто называют основателем биологии, придерживался этой точки зрения. На основе собственных наблюдений он развивал концепцию самопроизвольного зарождения дальше, связывая все организмы в непрерывный ряд – «лестницу природы» (scala naturae). Согласно гипотезе Аристотеля о спонтанном зарождении, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, полагая, что это начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно считал, что оно есть в солнечном свете, тине и гниющем мясе. С распространением христианства теория самозарождения отошла на второй план, однако продолжала существовать в течение еще многих веков.

В XVII веке итальянский биолог и врач Франческо Реди (1626-1698), подверг сомнению теорию самопроизвольного зарождения. Реди установил, что белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе – личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). В 1860 г. проблемой происхождения жизни занялся Луи Пастер (1822-1895). К этому времени он уже многое сделал в микробиологии: сумел разрешить проблемы, угрожавшие шелководству и виноделию. Он показал также, что бактерии вездесущи и что неживые материала легко могут быть заражены ими, если их должным образом не простерилизовать. В результате ряда экспериментов Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию самозарождения.

Однако подтверждение теории биогенеза породило другую проблему. Если для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда же взялся самый первый живой организм? Было ли это первичным самозарождением?

Согласно теории стационарного состояния, Земля никогда не возникала, а существовала вечно, она всегда способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало. Виды также существовали всегда. Оценки возраста Земли сильно варьировали – от примерно 6000 лет по расчетам архиепископа Ашера до 5 млрд. лет по современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния считать, что Земля существовала вечно. Согласно этой теории, виды также никогда не возникали, они существовали всегда и у каждого вида есть лишь две альтернативы – либо изменение численности, либо вымирание.

Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб – латимерию. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми остатками, можно делать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее немногочисленные сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте (увеличение численности, миграции в места благоприятные для сохранения остатков и т. п.). Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.

Один из вариантов этой концепции поддерживал В.И. Вернадский, который хотя и не утверждал вечность Земли, но признавал вечность жизни во Вселенной и наличие жизни на Земле во все периоды её существования. По существу, Вернадский наиболее близок к концепции панспермии.

Согласно теории панспермии, органические соединения, необходимые для образования жизни, или даже простейшие ее формы (вирусы, бактерии) могут распространяться в межзвездном пространстве под действием светового давления или переноситься с одной планеты на другую разумными существами. Эта теория, выдвинутая в 1908 году Сванте Аррениусом (1859-1927), не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о ее внеземном происхождении. Поэтому ее нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему в какое-то другое место Вселенной.

Теория панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время в разных частях Галактики или Вселенной. Для обоснования этой теории используются многократные появления НЛО, наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также сообщения о якобы встречах с инопланетянами. Советские и американские исследования в космосе позволяют считать, что вероятность обнаружения жизни в пределах Солнечной системы ничтожна, однако они не дают никаких сведений о возможной жизни вне этой системы. При изучении материалов метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» – такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соединения, возможно сыгравшие роль «семян», падавших на голую Землю. Появился ряд сообщений о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся ученым убедительными.

Теория происхождения жизни А.И. Опарина (1894-1980) – теория биохимической эволюции или абиогенеза¹ явилась первой научной концепцией, доказавшей на основе экспериментов возможность естественного возникновения простейших организмов из неорганических веществ. Ученый выступил с утверждением, что монополия биотического синтеза органических веществ характерна лишь для современного периода существования нашей планеты.

В начале своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней осуществлялись абиотические синтезы углеродных соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Затем шло постепенное усложнение этих соединений, формирование из них индивидуальных обособленных систем, превращение их в протобионты, а затем в первичные живые вещества.

А.И. Опарин стал рассматривать появление жизни как естественный процесс, который состоял из первоначальной химической эволюции, протекавшей на ранних этапах развития планеты и перешедший постепенно на качественно новый уровень – биохимическую эволюцию.

Этот процесс с самого начала был неразрывно связан с геологической эволюцией Земли. Опарин предположил и экспериментально доказал, что под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетового излучения в газовых смесях, содержащих пары воды, аммиака, цианистого водорода, метана и др., появляются аминокислоты, нуклеотиды, полипептиды, другие вещества, свойственные живым организмам.

Согласно гипотезе Опарина, возникновение и развитие химической эволюции произошло в ходе образования и накопления в первичных водоемах исходных органических молекул, которые скапливались в сравнительно неглубоких местах, прогреваемых солнцем, богатым ультрафиолетовым излучением при отсутствии озонового слоя атмосферы.

Ультрафиолетовые лучи обеспечивали энергией протекание химических реак­ций между органическими соединениями. Таким образом, в некоторых зонах первичных водоемов протекали случайные химические реакции. Большая их часть быстро завершилась из-за недостатка исходного сырья. Но в хаосе химических ре­акций произвольно возникали и закреплялись реакции циклических типов, обладавшие способностью к самоподдержанию. Результатом этих реакций и стали коацерваты – пространственно обособившиеся целостные системы. Существенной их особенностью была способность поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возмож­ность первичного обмена веществ со средой. Естественный отбор способствовал сохранению наиболее устойчивых коацерватных систем. Система, описанная Опариным, представляла собой открытую химическую микроструктуру и уже была наделена способностью к обмену веществ, хотя еще не имела системы для передачи ге­нетической информации на основе функционирования нуклеиновых кислот.

В ходе естественного отбора возникли важнейшие свойства жизни, отличающие ее от предыдущего этапа развития. Возникшие целостные многомолекулярные системы, обособленные от окружающей среды определенной гра­ницей раздела, сохраняли с ней взаимодействие по типу откры­тых систем. Только такие системы, черпающие из внешней среды вещества и энергию, могли противостоять нарастанию энтропии и даже способствовать ее уменьшению в процессе своею роста и развития, что является характерным признаком всех живых су­ществ.

Естественный отбор сохранял те целостные системы, в ко­торых более совершенной была функция обмена веществ, способствовавшая быст­рому росту системы и ее динамической устойчивости в данных условиях существования.

Выживающие в ходе естественного отбора системы имели специфическое строение белков и нуклеотидов, которые и обусловили появление наследственности. В органической химии известны примеры реакций такого типа. Их отбор и выживание следует рассматривать как возможный качественный скачок, создавший предпосылки для перехода от химической эволюции к биологической. Вместе с отбором и совершенствованием циклических комплексов происходил от­бор и совершенствование участвующих в этих реакциях орга­нических молекул.

Популярность концепции Опарина в научном мире очень велика. Его ученики и последователи и сегодня продолжают исследования в этом направлении. Хотя эту гипотезу происхождения жизни признают очень многие ученые, у некоторых она вызывает сомнения из-за большого количества допущений и предположений. Астроном Фред Хойл недавно высказал мнение, что мысль о возникновении жизни в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга-747».

Самое трудное для этой теории – объяснить появление способности у кооцерватных капель к самовоспроизведению в отсутствие систем, обеспечивающих кодирование и передачу генетической информации. В рамках концепции Опарина не решена главная проблема – о движущих силах развития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической, о причине таинственного скачка от неживой к живой материи.

Теория Опарина не единственная. Существуют теории как дополняющие её (например, теория саморазвития открытых каталитических систем А.П. Руденко) или конкурирующие с ней. К последним относятся не только концепции креационизма, панспермии или стационарного состояния, но и абиогенетические концепции, построенные на иных основаниях. Дело в том, что концепция Опарина относится к концепциям голобиоза (субстратным), считающим, что первична «кооцерватная капля», имеющая внешнюю оболочку, обменивающаяся веществом с внешней средой. Однако последние научные исследования показали предпочтительность концепций генобиоза (информационным), полагающим, что первична сложная молекула (по-видимому, РНК), обладающая способностью к самовоспроизведению (репликации). Одной из таких концепций является гипотеза Дж. Холдейна (1892-1964), который называл первичную макромолекулярную структуру «голым геном». В 1980-е годы концепция генобиоза стала доминирующей в науке.

Сейчас принято считать, что первичной была древняя РНК, способная к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов. Затем появились белки, потом – ДНК. Появление самого первого фрагмента РНК, обладающего каталитической активностью, например полимеразной, позволяло этой макромолекуле самореплицироваться. Но при этом еще не приводило к формированию генетического кода, то есть к закреплению специфической информации. Не исключено, что и собственно переход к записи генетической информации в виде последовательности нуклеотидов, то есть к атрибутам жизни в ее современном понимании, был также опосредован эволюционным совершенствованием РНК, то есть ее способностью к выполнению более специализированных и разнообразных функций ферментов.

Таким образом, пока у ученых нет гипотезы происхождения жизни, которая объясняла бы все факты, которыми располагает наука.

Сегодня можно уверенно утверждать, что развитие природы носит направленный характер, выражающийся в нарастании сложности и упорядоченности вещества и его структур во Вселенной. Жизнь одна из самых высоких известных чело­веку форм упорядоченности вещества, которая может воз­никнуть только по достижении развивающейся Вселенной определенной стадии эволюции и только в таких ее локаль­ных системах, где существуют необхо­димые условия для столь высокого уровня упорядоченности вещества. Пока известно только одно место во Вселенной, где есть жизнь, это наша планета Земля.

4.

Первые систематические попытки познания живой природы были сделаны античными врачами и философами (Гиппократ, Аристотель, Теофраст, Гален). Их труды, продолженные в эпоху Возрождения, положили начало ботанике и зоологии, а также анатомии и физиологии человека (Везалий и др.). В XVII-XVIII веках в биологию проникают экспериментальные методы. На основе количественных измерений и применения законов гидравлики был открыт механизм кровообращения (У. Гарвей, 1628). Изобретение микроскопа раздвинуло границы известного мира живых существ, углубило представление об их строении. Одно из главных достижений этой эпохи – создание системы классификации растений и животных (К. Линней, 1735). Вместе с тем преобладали умозрительные теории о развитии и свойствах живых существ (самозарождения и др.).

В XIX веке в результате резко возросшего числа изучаемых биологических объектов (новые методы, экспедиции в тропические и малодоступные районы Земли и др.), накопления и дифференциации знаний сформировались многие специальные биологические науки. Так, ботаника и зоология дробятся на разделы, изучающие отдельные систематические группы, развиваются эмбриология, гистология, микробиология, палеонтология, биогеография и др. Среди достижений биологии – клеточная теория (Т. Шванн, 1839), открытие закономерностей наследственности (Г. Мендель, 1865). К фундаментальным изменениям в биологии привело эволюционное учение Ч. Дарвина (1859).

Для биологии XX века характерны две взаимосвязанные тенденции. С одной стороны, сформировалось представление о качественно различных уровнях организации живой природы: молекулярном (молекулярная биология, биохимия и другие науки, объединяемые понятием физико-химическая биология), клеточном (цитология), организменном (анатомия, физиология, эмбриология), популяционно-видовом (экология, биогеография). С другой стороны, стремление к целостному, синтетическому познанию живой природы привело к прогрессу наук, изучающих определенные свойства живой природы на всех структурных уровнях ее организации (генетика, систематика, эволюционное учение и др.). Поразительных успехов начиная с 50-х годов достигла молекулярная биология, вскрывшая химические основы наследственности (строение ДНК, генетический код, матричный принцип синтеза биополимеров). Учение о биосфере (В. И. Вернадский) раскрыло масштабы геохимической деятельности живых организмов, их неразрывную связь с неживой природой. Практическое значение биологических исследований и методов (в т.ч. генетической инженерии, биотехнологии) для медицины, сельского хозяйства, промышленности, разумного использования естественных ресурсов и охраны природы, а также проникновение в эти исследования идей и методов точных наук выдвинули биологию с середины XX века на передовые рубежи естествознания.

Эволюционная теория в биологии, кажущаяся нам привычной и само собой разумеющейся, появилась довольно давно, однако за столетия сильно преобразилась. Первые эволюционные наивные идеи мы находим у Анаксимена, Анаксагора, Демокрита и других античных авторов, которые признавали родственность, генетическое сходство человека и животных, но не могли раскрыть механизмы органической эволюции. Аристотель выдвинул представление о «лестнице живых существ», поднимающейся от простых организмов к сложным.

Затем в XVII-XVIII веках сформировались новые представления об изменяемости мира и о возможности исторического изменения видов организмов, получившие название – трансформизм. Среди естествоиспытателей и философов-трансформистов стали известны имена Роберта Гука, Жоржа Луи Леклерка Бюффона, Иоганна Вольфганга Гете. Все трансформисты признавали изменяемость видов организмов под действием изменений окружающей среды. При этом большинство трансформистов еще не имели целостной и последовательной концепции эволюции. Термин «эволюция» взят из латинского языка, где он обозначал «развитие». Этот термин в биологии вначале использовался эмбриологами, а именно преформистами. Термин «эволюция» в современном смысле (постепенный, закономерный переход из одного состояния в другое) впервые применил Ш. Боннэ в 1762 г.

Первая попытка построить целостную концепцию развития связана с именем Жана Батиста Ламарка (1744-1829). Ламарк в своих исследованиях предполагал нк только описывать отдельные организмы, но и разъяснять законы развития живой природы. Ученый задумал показать, как появились животные и растения, как они изменялись и развивались и как достигли современного состояния. Говоря языком науки, он захотел показать, что животные и растения не созданы такими, каковы они есть, а развивались в силу естественных законов природы, т.е. показать эволюцию органического мира. Свои взгляды он изложил в труде о живой природе «Философия зоологии» (1809 г.). Сущность теории Ламарка заключается в том, что животные и растения не всегда были такими, какими мы их видим теперь. В давно прошедшие времена они были устроены иначе и гораздо проще. Жизнь на Земле возникла естественным путем в виде очень простых организмов. С течением времени они постепенно изменялись, совершенствовались, пока не дошли до современного, знакомого нам состояния. Таким образом, все живые существа происходят от непохожих на них предков, более просто и примитивно устроенных. Ламарк приводит два основных закона эволюции:

«Первый закон. У всякого животного, не достигшего предела своего развития, более частое и более длительное употребление какого-нибудь органа укрепляет мало-помалу этот орган, развивает и увеличивает его и придает ему силу, соразмерную длительности употребления, между тем как постоянное неупотребление того или иного органа постепенно ослабляет его, приводит к упадку, непрерывно уменьшает его способности и, наконец, вызывает его исчезновение.

Второй закон. Все, что природа заставила особей приобрести или утратить под влиянием условий, в которых с давних пор пребывает их порода, и, следовательно, под влиянием преобладания употребления или неупотребления той или иной части (тела) – все это природа сохраняет путем размножения у новых особей, которые происходят от первых, при условии, если приобретенные изменения общи обоим полам или тем особям, от которых новые особи произошли».

Ламарк иллюстрировал свое теоретическое построение примерами: «Птица, которую влечет к воде потребность найти добычу, необходимую ей для поддержания жизни, растопыривает пальцы ног, когда хочет грести и двигаться по поверхности воды. Благодаря этим непрерывно повторяющимся движениям пальцев кожа, соединяющая пальцы у их оснований, приобретает привычку растягиваться. Так, с течением времени образовались те широкие перепонки между пальцами ног, которые мы видим теперь у уток, гусей и т. д.».

Таким образом, Ж. Б. Ламарк впервые выделил два самых общих направления эволюции: восходящее развитие от простейших форм жизни ко все более сложным и совершенным и формирование у организмов приспособлений в зависимости от изменений внешней среды (развитие «по вертикали» и «по горизонтали»). Идея восходящей, или прогрессивной, эволюции – наиболее оригинальная часть теории Ламарка. Ученый полагал, что историческое развитие организмов имеет не случайный, а закономерный характер и происходит в направлении постепенного и неуклонного совершенствования, повышения общего уровня организации, которое Ламарк назвал градацией. Движущей силой градаций Ламарк считал «стремление природы к прогрессу», изначально присущее всем организмам и заложенное в них Творцом.

Альтернативную теорию выдвинул французский зоолог Жорж Кювье (1769-1832), один из реформаторов сравнительной анатомии, палеонтологии и систематики животных. Он также установил принцип «корреляции органов», на основе которого реконструировал строение многих вымерших животных. Не признавая изменяемости видов, Кювье объяснял смену ископаемых фаун периодическими геологическими катастрофами (теория катастроф), уничтожавшими на больших пространствах животных и растительность. Освободившиеся территории потом заселялись видами из соседних областей.

Однако современная наука придерживается теории эволюции, в основе которой лежат идеи Чарльза Дарвина (1809-1882). Научной деятельностью занимался еще дед Дарвина – Эразм Дарвин – он был известным врачом и натуралистом. Чарльз Дарвин был неспособен к школьному обучению и не чувствовал к нему никакой охоты, однако уже в восемь лет у Чарльза обнаружились любовь и интерес к природе. Он собирал растения, минералы, раковины, насекомых. Дарвин окончил богословский факультет Кембриджского университета, однако занятия его и здесь сохранили прежний характер: весьма посредственные успехи в учебных предметах и усердное собирание коллекций – насекомых, птиц, минералов, экскурсии, наблюдения над жизнью животных. После окончания учебы Дарвину предложили место натуралиста в экспедиции в Южную Америку. Перед отплытием Дарвин прочел труды геолога Чарльза Лайеля. Это была одна из немногих книг, имевших огромное значение в его развитии. Лайель, один из величайших мыслителей того времени, оказался близок по духу Дарвину. Экспедиция отплыла в 1831 году на корабле «Бигл» и продолжалась 5 лет. За это время исследователи посетили Бразилию, Аргентину, Чили, Перу и Галапагосские острова, везде существовали своя флора и фауна. Из путешествия он вернулся человеком науки.

После путешествия на «Бигле» Дарвин начал вести систематические записи по эволюции. В 1854-1855 гг. Дарвин вплотную приступает к работе над эволюционным сочинением, собирает материалы по изменчивости, наследственности и эволюции диких видов животных и растений, а также данные по методам селекции домашних животных и культурных растений, сопоставляя результаты действия искусственного и естественного отбора. К лету 1858 года он написал десять глав этого сочинения. Этот труд так и не был завершен и впервые был опубликован в Великобритании в 1975 году. Остановка в работе была вызвана получением рукописи Альфреда Рассела Уоллеса (1823-1913), в которой независимо от Дарвина были изложены основы теории естественного отбора. Дарвин начал писать краткое извлечение и с не свойственной ему поспешностью завершил работу за 8 месяцев. 24 ноября 1859 г. было издано «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь».

Историческая заслуга Дарвина состоит в том, что он совместно с Уоллесом вскрыл движущий фактор эволюции – естественный отбор, согласно которому выживают и оставляют потомство наиболее приспособленные к существующим условиям особи данного вида, и тем самым выявил причины протекания биологической эволюции. Естественный отбор в природе возникает в результате борьбы за существование, под которой Дарвин понимал совокупность взаимоотношений организмов данного вида друг с другом (внутривидовая конкуренция), с другими видами организмов (межвидовые отношения) и с неживыми факторами внешней среды. Естественный отбор, по Дарвину, – это неизбежный результат борьбы за существование и наследственной изменчивости организмов.

В процессе естественного отбора организмы адаптируются к условиям существования. В результате конкуренции разных видов, имеющих сходные жизненные потребности, хуже приспособленные виды вымирают. Совершенствование приспособлений у организмов приводит, по Дарвину, к тому, что постепенно усложняется уровень их организации – происходит эволюционный прогресс. Однако естественный отбор не несет в себе никаких предпосылок, которые направляли бы эволюцию обязательно по пути общего совершенствования организации: если для данного вида по каким-то причинам такое совершенствование невыгодно, отбор не будет ему способствовать. Дарвин полагал, что в простых жизненных условиях высокий уровень организации скорее вреден. Поэтому на Земле всегда одновременно существуют и сложные, высокоорганизованные виды, и формы, сохраняющие простое строение.

Дарвин написал еще три книги по вопросам эволюции. В 1868 г. выходит большой труд ученого по теории искусственного отбора «Изменение домашних животных и культурных растений». В этой книге, не без влияния критики, Дарвин задался вопросом о том, каким образом могут фиксироваться благоприятные уклонения в потомстве, и выдвинул «временную гипотезу пангенезиса». Гипотеза предполагала передачу с помощью гипотетических частиц – «геммул» – благоприобретенных свойств от органов тела к половым клеткам и была данью ламаркизму. Таким образом, ученый пытался разработать третью часть своей теории – учение о наследственности и изменчивости. Дарвин и его современники не знали, что в 1865 году австро-чешский естествоиспытатель аббат Грегор Мендель открыл законы наследственности, и таким образом, гипотеза пангенезиса уже не была необходима.

В 1871 г., когда дарвинизм был уже принят в качестве естественнонаучной концепции, выходит книга Дарвина «Происхождение человека и половой отбор», в которой показано не только несомненное сходство, но и родство человека и приматов. Дарвин утверждал, что предок человека может быть найден по современной классификации, среди форм, которые могут быть даже ниже, чем человекообразные обезьяны. Человек и обезьяны подвергаются сходным психологическим и физиологическим процессам в ухаживании, воспроизведении, рождаемости и заботе о потомстве.

Энциклопедичность Дарвина, его исключительный авторитет как естествоиспытателя, корректность и дипломатичность, проявляемые им в дискуссиях, внимание к точкам зрения оппонентов и критиков, доброжелательное отношение к ученикам и последователям, почтительность по отношению к старшим коллегам и другие «неподражаемо высокие достоинства» (И.И. Мечников) в немалой степени способствовали быстрому рапространению его учения во всем мире.

Сложно сомневаться в значении основного открытия, сделанного Ч. Дарвином, – теории эволюции. Однако уже его современники пытались оспаривать истинность положений дарвиновского учения. После публикации основной книги Дарвина – «Происхождение видов» – церковь восприняла его идеи как прямой вызов теории божественного создания мира, изложенной в Библии. В настоящее время теория эволюции Дарвина также подвергается серьезной критике ученых, в частности, из-за слабой разработанности учения о наследственности, а также из-за поиска предков человека в отряде приматов. Время от времени осуществляются и попытки создать альтернативы дарвиновскому учению. Тем не менее, следует признать, что до сих пор не появилось другой, сколько-нибудь значимой теории, которая дала бы объяснение многим загадочным фактам, как это сделала теория эволю­ции Ч. Дарвина. Более того, сегодня она находит все новые облас­ти применения. Так, современное естествознание обосновывает концеп­цию универсальной эволюции. Согласно этой теории развитие Вселенной предстаёт как ряд последовательных эволюционных этапов, начиная с так называемого Большого взрыва через период эволюции неживой материи к биологической эволюции, а от нее к этапу исторической эволюции человека и общества.

Таким образом, теория эволюции Ч. Дарвина к основным эволюционным факторам относит естественный отбор, борьбу за существование, а также наследственность и изменчивость. В настоящее время ученые добавляют к ним множество других дополнительных, неосновных факторов, которые тем не менее оказывают влияние на эволюционный процесс. Современные теории эволюции возникли на базе синтеза дарвинизма и генетики, поэтому, прежде чем их рассматривать, целесообразно рассмотреть историю и основные положения генетики.

5.

Основоположником науки о наследственности считают ученого-монаха Грегора Иоганна Менделя (1822-1884). Будучи скорее любителем, чем профессиональным ученым-биологом, Мендель постоянно экспериментировал с различными растениями и пчелами. В 1856 году он начал классическую работу по гибридизации и анализу наследования признаков у гороха. Изучая форму семян у растений, полученных в результате скрещиваний, он ради уяснения закономерностей передачи лишь одного признака («гладкие – морщинистые») подверг анализу 7324 горошины. В результате проведенного Менделем гибридологического анализа наследственности отдельных признаков родителей в потомстве, было выявлено, что именно определенные типы скрещивания в разном потомстве дают соотношение 3:1, 1:1, или 1:2:1. При этом гены могут обладать доминирующими (подавляющими) или рецессивными (подавляемыми) свойствами. Комбинация неоднородных генов и дает то самое расщепление признаков, которое наблюдается в его собственных опытах. Мендель вводит буквенные обозначения, отмечая заглавной буквой доминантное, а строчной – рецессивное состояние одного и того же гена. Обобщенно результаты работы ученого выглядят так:

1. все гибридные растения первого поколения одинаковы и проявляют признак одного из родителей;

2. среди гибридов второго поколения появляются растения как с доминантными, так и с рецессивными признаками в соотношении 3: 1;

3. два признака в потомстве ведут себя независимо и во втором поколении;

4. необходимо различать признаки и их наследственные задатки (растения, проявляющие доминантные признаки, могут в скрытом виде нести задатки рецессивных);

5. объединение мужских и женских гамет случайно в отношении того, задатки каких признаков несут эти гаметы.

Мендель опубликовал результаты своей деятельности в 1866 году под названием «Опыты над растительными гибридами». Однако современники не поняли Менделя и не оценили его труд. Слишком уж простой, бесхитростной представилась им схема, в которую без труда укладывались сложные явления, составляющие в представлении человечества основание незыблемой пирамиды эволюции. Очевидно, научное сообщество того времени было не готово к столь революционному открытию ученого.

Слава и почет пришли к основателю генетики уже после его смерти. Лишь в 1900 году, когда трое ученых – X. Де Фриз в Голландии, К. Корренс в Германии и Э. Чермак в Австрии переоткрыли законы Менделя, мир поразился красоте логики эксперимента исследователя и изящной точности его расчетов. И хотя ген продолжал оставаться гипотетической единицей наследственности, сомнения в его материальности окончательно исчезли. К началу 30-х гг. XX столетия генетика и лежащие в ее основе законы Менделя стали признанным фундаментом современного дарвинизма. Учение Менделя послужило теоретической основой для выведения новых высокоурожайных сортов культурных растений, более продуктивных пород домашнего скота, полезных видов микроорганизмов. Оно же дало толчок развитию медицинской генетики.

Дальнейшее развитие генетики связано с рядом фундаментальных открытий, сделанных в XX веке:

- хромосомной теорией наследственности (автор – амер. биолог Томас Морган (1866 – 1945));

- мутационной теорией (авторы – российский ученый С.И. Коржинский, 1899, нидерландский – Х. Де Фриз, 1901-1903), согласно которой резкие, внезапные мутации – решающий фактор эволюции, ведущий к возникновению новых видов;

- расшифровкой структуры гена (молекулы ДНК) (американцы Фрэнсис Крик и Джон Уотсон, 1953);

- клонированием (первое клонированное животное – овечка Долли появилась на свет в 1998 г. и прожила несколько лет);

- расшифровкой генома человека (Международный проект стартовал в 1990 г. и к настоящему времени в его рамках расшифрована уже почти вся генетическая карта человека).

В результате союза генетики и дарвинизма в 20-е гг. XX века возникает синтетическая теория эволюции, считающаяся сегодня общепринятой. Наибольший вклад в её развитие внёс отечественный генетик Сергей Сергеевич Четвериков (1880-1959).

Фундаментальный вклад Четверикова в биологию составляют, прежде всего, исследования в области теории эволюций и генетики популяций. В 1905 г. он, еще будучи студентом, ввел в популяционную биологию концепцию «волн жизни», описывающую внезапное массовое появление, а затем уменьшение численности определенных видов. Эти колебания численности меняют границы ареалов видов, концентрацию различных мутаций и генотипов в популяции. Волны жизни считаются одним из элементарных эволюционных факторов.

В 1926 г. Четвериков публикует основополагающую статью «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения генетики», которая наряду с работами Р. Э. Фишера и Дж. Б. С. Холдейна (Великобритания) и С. Райта (США), положила начало новой дисциплине – генетике популяций – и, главное, определила направление экспериментальных исследований в этой области. Исходя из признания важности для понимания эволюции проблем природы изменчивости и ее поддержания в популяциях, Четвериков анализирует процесс возникновеия мутаций в природе, их поведение в условиях свободного скрещивания и роль отбора в их распространении. Рассматривая популяцию как элементарную структуру эволюции, он вводит понятия о непрерывном мутационном давлении, о генофонде и о генотипической среде, он предсказывает насыщенность вида гетерозиготными мутациями (накопленный резерв наследственной изменчивости) и возможность их выявления, выход в гомозиготное состояние при инбридинге, а также неселективные различия между генофондами популяций в условиях изоляции. В этой статье Четвериков показал совместимость принципов генетики с теорией естественного отбора, заложил основы эволюционной генетики.

Синтетическая теория эволюции (СТЭ) состоит из двух основных частей: теории микроэволюции и теории макроэволюции. Первая изучает процессы видообразования в популяциях, вторая – происхождение надвидовых таксонов (семейств, отрядов, классов), включая возникновение жизни и человека. Основные положения СТЭ таковы:

1. Главный движущий фактор эволюции – естественный отбор как следствие конкурентных отношений борьбы за существование, особенно острой внутри вида или популяции. Факторами видообразования являются также мутационный процесс, дрейф генов и различные формы изоляции.

2. Эволюция протекает дивергентно, постепенно через отбор мелких мутаций.

3. Эволюционные изменения случайны и ненаправленны. Исходным материалом для эволюции являются мутации разного типа (генные, хромосомные, геномные). Сложившаяся исходная организация популяции и последовательные изменения условий среды ограничивают и ориентируют наследственные изменения в направлении неограниченного прогресса.

4. Макроэволюция, ведущая к образованию надвидовых групп, осуществляется через процессы микроэволюции и каких-либо особых механизмов возникновения новых форм жизни не имеет.

Вопросы для повторения:

1. Какие трудности возникают при определении понятия «жизнь»?

2. Какими свойствами обладают живые объекты?

3. В чем состоят, на ваш взгляд, достоинства и недостатки основных гипотез происхождения жизни?

4. Каковы слабые стороны эволюционного учения Ч. Дарвина?

5. Какие эволюционные концепции Вам известны?

6. В чем состоит принципиальное отличие синтетической теории эволюции от эволюционной теории Ч. Дарвина?