Основные факторы эволюции по Дарвину

• Наследственная изменчивость — изменения, которые возникают у каждого организма независимо от внешней среды и передаются потомкам;

• Борьба за существование — совокупность взаимоотношений между особями и факторами окружающей среды;

• Естественный отбор — выживание более приспособленных особей и гибель менее приспособленных.

• Изоляция.

Эволюцио́нноеуче́ние (также эволюционизм и эволюционистика) — система идей и концепций в биологии, утверждающих историческоепрогрессивное развитие биосферы Земли, составляющих её биогеоценозов, а также отдельных таксонов и видов, которое может быть вписано в глобальный процесс эволюции вселенной. Первые эволюционные идеи выдвигались уже в античности, но только труды Чарлза Дарвина сделали эволюционизм фундаментальной концепцией биологии. Хотя единой и общепризнанной теории биологической эволюции до сих пор не создано, сам факт эволюции сомнению ученых не подвергается, так как имеется огромное число подтверждающих научных фактов и теорий.

21. Основные концепции происхождения жизни. Концепции биохимической эволюции. Возникновение и эволюция океана и атмосферы. Возникновение биосферы, химическая эволюция преджизненных форм

Основные концепции происхождения жизни. Ктакого рода концепциям происхождения жизни относят:

• концепцию креационизма, утверждающую, что жизнь создана сверхъестественным существом в результате акта творения;

• концепцию стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;

• концепцию самопроизвольного зарождения жизни, основывающуюся на идее многократного возникновения жизни из неживого вещества;

• концепцию панспермии, утверждающую, что жизнь занесена на Землю из космоса;

• концепцию случайного однократного происхождения жизни;

• концепцию закономерного происхождения жизни путем биохимической эволюции.

Теория биохимической эволюции. Концепция А.И. Опарина. Одним из главным препятствий, стоявших в начале XX в. на пути решения проблемы возникновения жизни, было господствовавшее тогда в науке и основанное на повседневном опыте убеждение, что между органическими и неорганическими соединениями не существует никакой взаимосвязи.

Но после того, как из обычных химических элементов было синтезировано первое органическое соединение, представление об отсутствии связи между органическими и неорганическими веществами оказалось несостоятельным.

Концепция А.И. Опарина. Ее суть сводилась к следующему: зарождение жизни на Земле — длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. И произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических факторов.

Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой:

1.синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы ранней Земли;

2.формирования в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов;

3.самоорганизации сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществом и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.

Сильной стороной концепции является достаточно точное соответствие ее химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом добиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений.

Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам, ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так и не удалось.

Возникновение и эволюция океана (гидросферы) и атмосферы

Под действием солнечной энергии развивается принципиально новая (планетарных масштабов) система – биосфера. В составе биосферы различают:

♦ живое вещество, образованное совокупностью организмов;

♦ биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, известняки и др.);

♦ косное вещество, образующееся без участия живых организмов (основные породы, лава вулканов, метеориты);

♦ биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы).

Эволюция биосферы обусловлена тесно взаимосвязанными между собой тремя группами факторов: развитием нашей планеты как космического тела и протекающих в ее недрах химических преобразований, биологической эволюцией живых организмов и развитием человеческого общества.

Атмосфера. Газовая оболочка Земли состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в ней содержатся диоксид углерода (0,003 %) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для процессов жизнедеятельности особенно важны: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества; диоксид углерода, используемый зелеными растениями в фотосинтезе; озон, создающий экран, защищающий земную поверхность от ультрафиолетового излучения. Атмосфера образовалась в результате мощной вулканической и горообразовательной деятельности, кислород появился значительно позднее как продукт фотосинтеза.

Гидросфера. Вода – важный компонент биосферы и необходимое условие существования живых организмов. Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их содержание широко варьируется в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. В воде содержится в 60 раз больше диоксида углерода, чем в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с развитием геологических процессов в литосфере, при которых выделялось большое количество водяного пара.

Возникновение биосферы, химическая эволюция преджизненных форм

Жизнь на Земле первоначально появилась в форме примитивной биосферы. Соответственно, присутствие жизни на планете стало коренным образом преображать окружающую среду. Ведь два важнейших компонента биосферы — живое вещество и среда их обитания — непрерывно взаимодействуют между собой и находятся в тесном, органическом единстве, образуя целостную динамическую систему. Развитие биосферы Земли можно рассматривать как последовательную смену трех этапов: восстановительного, слабоокислительного и окислительного.

1. Восстановительный этап развития биосферы. Как считают многие ученые, этот этап начался еще в космических условиях и завершился появлением на Земле гетеротрофной биосферы. В данный период появились малые сферические анаэробы и прокариоты. Физиологические процессы этих организмов основывались не на кислородном окислении, а на дрожжевом брожении. Изначально в атмосфере Земли присутствовали лишь следы свободного кислорода. Производство свободного кислорода было начато первыми организмами. Но произведенный кислород пока приводил лишь к окислительным процессам на земной поверхности и в океане.

Поскольку первые организмы были гетеротрофами, они нуждались в питании. Пищей для них стали ранее накопленные органические соединения, растворенные в водах первичного океана. Но жизнь нуждалась в дополнительных источниках энергии. Поэтому на ранних стадиях эволюции жизни она активно использовала различного рода радиацию

2. Слабоокислительный этап. Второй этап в развитии биосферы нашей планеты связан с появлением фотосинтеза. Новый способ питания был основан на том, что некоторые простые соединения обладают способностью поглощать свет, если в их составе есть атом магния (как в хлорофилле). Уловленная таким способом световая энергия может быть использована для усиления реакций обмена, для образования органических соединений, которые при необходимости могут расщепляться с высвобождением энергии.

В естествознании существует такое понятие, как «точка Пастера» (такая концентрация свободного кислорода, при которой кислородное дыхание становится более эффективным способом использования внешней энергии Солнца, чем анаэробное брожение). После перехода через него преимущество в естественном отборе получают организмы, способные к кислородному дыханию. С этого момента начинается третий этап в эволюции биосферы Земли.

3. Окислительный этап. Начиная с этого времени развивается фотоавтотрофная биосфера Земли и количество кислорода в атмосфере резко повышается.

После выхода жизни из океана на сушу произошло резкое увеличение массы живого вещества. Одновременно жизнь проникала все глубже в океан, осваивая все большие глубины. Наземные растения положили начало образованию угля, нефти, газа, горючих сланцев. Стал меняться биогеохимический круговорот элементов. При этом снижалась роль основных пород, и в земной коре вместо магния, кальция, железа стали большую роль играть кремний, натрий, алюминий, калий. Также благодаря деятельности живых организмов резко возрос круговорот кислорода и углекислого газа. Эти процессы, а также постепенное снижение уровня радиации стимулировали и ускоряли усложнение живого вещества, вели к появлению новых, более высокоорганизованных видов.

Таким образом, можно выделить основные вехи в истории развития биосферы:

• появление простейших клеток-прокариотов;

• появление значительно более организованных клеток-эукариотов;

• объединение клеток-эукариотов с образованием многоклеточных организмов, функциональная дифференциация клеток в организме;

• появление организмов с твердыми скелетами и формирование высших животных;

• возникновение у высших животных развитой нервной системы и формирование у них мозга как органа сбора, систематизации, хранения информации и управления на ее основе поведением организмов;

• формирование разума как высшей формы деятельности мозга;

• образование социальной общности людей — носителей разума.

22. Понятие о простых и сложных, изолированных и открытых системах. Макросистемы вдали от равновесия. Принцип локального равновесия. Понятие диссипативной структуры. Примеры явления самоорганизации в простейших системах.

Понятие о простых и сложных, изолированных и открытых системах

По объёму и числу составных частей системы делятся напростые и сложные.

Системы считаются простыми если в них входит небольшое число переменных, и поэтому взаимоотношение между элементами системы поддаётся математической обработке и выведению универсальных законов.

Сложные системы состоят из большого числа переменных, а следовательно, и большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее описать закономерности функционирования данного объекта (системы). Трудности изучения таких систем обусловлены и тем обстоятельством, что чем сложнее система, тем больше у неё так называемых эмерджентных свойств, то есть свойств, которых нет у её частей и которые являются следствием их взаимодействия и целостности системы. Такие сложные системы изучает например метеорология - наука о климатических процессах. В связи со сложностью систем, которые изучает эта наука. Процессы образования погоды остаются малоизученными и, отсюда, проблематичность не только долгосрочных, но и краткосрочных прогнозов метеообстановки. К сложным системам относятся все биологические системы, включая все структурные уровни их организации от клетки до популяции.

Макросистемы вдали от равновесия.Принцип локального равновесия

Большинство макросистем находится в неупорядоченном состоянии. Несмотря на неупорядоченность макросистем, их состояние можно описывать, выделив общие явления, присущие таким системам, подобрав соответствующие модели и даже теории. Описание неупорядоченных макросистем возможно на основании анализа беспорядка. Интересна классификация моделей беспорядка, приведённая профессором Бристольского университета (Англия) Дж. Займаном .

Ячеистый беспорядок — это беспорядок, наблюдаемый в ячеистых структурах, беспорядок замещения.

Топологический беспорядок — нарушения в расположении структурных элементов системы.

Континуальный беспорядок используется при построении феноменологических теорий, когда пренебрегают структурой вещества. Система при таком беспорядке рассматривается как непрерывная среда с локальными изменениями её свойств, например, плотности, упругости, диэлектрической проницаемости, коэффициента отражения и т.п., вызванными макроскопическими процессами, например, распространением звука, света, радиоволн.

Каждый из указанных типов беспорядка можно детализировать, учитывая его проявления.

К топологическому беспорядку Займан относит беспорядок характерный для газов, жидкостей, твёрдых тел.

Макроскопические системы могут находиться в равновесном и неравновесном состояниях, быть линейными и нелинейными. Если обратиться в качестве примера к термодинамике, то её можно разделить на три области, изучение которых соответствует трём последовательным этапам в развитии термодинамики.

Важными характеристиками термодинамики неравновесных процессов являются производство энтропии и плотность производства энтропии - производство энтропии единицы объёма. Они показывают скорость изменения энтропии и, по сути, равны потоку энтропии. Кроме потока энтропии, можно рассматривать в качестве характеристики неравновесных процессов и потоки других величин (массы, импульса, энергии). В дальнейшем будем обозначать поток некоторой величины через I .Эти потоки вызваны наличием градиентов некоторых величин.

В равновесной области производство энтропии , потоки и градиенты величин равны нулю.

В слабо неравновесной области, где градиенты величин малы, потоки линейно зависят от сил, вызывающих их. Можно записать , где L — коэффициент пропорциональности, а Х — градиент некоторой величины, вызывающий поток, являющийся «движущей силой»] потока.

Третья область называется сильно неравновесной или нелинейной, потому, что в ней потоки являются более сложными функциями градиентов.

Наиболее изученной является равновесная термодинамика. Наименее исследованной и наиболее трудной для описания является сильно неравновесная нелинейная термодинамика. Слабо неравновесная термодинамика использует многие величины и понятия, характерные для равновесной термодинамики, однако, имеет свои особенности и закономерности

Принцип локального равновесия ограничивает число систем, доступных термодинамическому рассмотрению. Есть также взаимное влияние друг на друга одновременно происходящих необратимых процессов. Существует принцип симметрии Кюри, который в формулировке Вейля гласит: «Если условия, однозначно определяющие какой-либо эффект, обладают некоторой симметрией, то результат их действия не нарушит эту симметрию». Поэтому формально все неравновесные процессы разделяют на скалярные (химические реакции), векторные (теплопроводность, диффузия) и тензорные (вязкое трение). В соответствии с этим принципом величины разных размерностей не могут быть связаны друг с другом. И скалярная величина (химическое сродство) не может вызвать векторный поток (теплопроводность).

Диссипативные структуры и примеры явления самоорганизации

Диссипативная структура — это открытая система, которая оперирует вдали от термодинамического равновесия. Иными словами, это устойчивое состояние, возникающее в неравновесной среде при условии диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне. Диссипативная система иногда называется ещё стационарной открытой системой или неравновесной открытой системой.

Как показали работы школы Пригожина, важнейшей общей чертой широкого класса процессов самоорганизации является потеря устойчивости и последующий переход к устойчивым диссипативным структурам. В точке изменения устойчивости в результате ветвления должны возникнуть по меньшей мере два решения, соответствующие устойчивому, близкому к равновесному состоянию и диссипативной структуре.

Для диссипативных структур характерна устойчивость, которая одновременно является структурной и функциональной.

Диссипативная система характеризуется спонтанным появлением сложной, зачастую хаотичной структуры. Отличительная особенность таких систем — несохранение объёма в фазовом пространстве, то есть невыполнение Теоремы Лиувилля.

Напомним простейшие «бытовые» примеры самоорганизующихся структур.Что происходит с водой в сосуде, который мы подогреваем на плите? Если подогрев слабый, то вода постепенно разогревается снизу, отдавая тепло верхним слоям. Усилим подогрев. В какой-то момент в сосуде возникают конвективные токи: в толще воды образуются фонтаны, в центре которых теплая вода устремляется вверх, тогда как по периферии холодная вода опускается вниз. Если посмотреть на сосуд сверху, то поверхность воды будет выглядеть в виде ячеек, называемых ячейками Бернара (чтобы ячейки стали видимыми, в воду следует добавить какие-либо частицы, например, порошок какао). В осенних прудах, где вместо подогрева снизу есть охлаждение сверху, такие ячейки могут вытягиваться, образуя гребни. В местах, где вода опускается на дно, скапливаются сухие листья, располагаясь на поверхности водоема в виде полос.

Вспомним, как вода вытекает из ванны: образуется воронка-водоворот, причем нельзя сказать с уверенностью, в какую сторону он будет вращаться. Ручейки воды, стекающие по наклонному стеклу, образуют изгибы траектории — меандры. Не перестает восхищать разнообразие и сложность узоров на окне.

Также простым примером диссипативной системы являются ячейки Бенара. В качестве более сложных примеров называются лазеры, реакция Белоусова — Жаботинского и биологическая жизнь.