Контрольные вопросы:

1. Дать определение «биологии».

2. Какие разделы биологии выделяются по уровню организации живых орга-

низмов

3. Каковы основные этапы развития биологии?

4. Дать определение «жизни».

5. Перечислите свойства живого и приведите примеры их проявления.

6. В чем состоит сущность живого? «что такое единица наследственности»?

7. Какова связь «жизни» и понятия «информация»?

8. Каковы уровни организации «живого»? в чем суть этих уровней?

*9. Раскройте понятие биологического понятия «клетка». В чем суть клеточ

ной теории?

*10. Ткани, их состав и функционирование. Понятие метаболизма клеток.

*11. Раскройте понятие «гомеостаз».

12. Что такое «эволюция» по отношению к биологическим объектам?

13. Каковы источники развития биологических объектов?

14. Движущие силы развития видов живых организмов.

15. Виды естественного отбора и их суть.

16. Суть теории Дарвина и ее основные положения.

17. Что такое «биосфера» и какими путями возможно ее развитие?

*18. Суть генетики, синтетической теории эволюции.

*19. Теория коэволюции.

20. Принципы устойчивости биологических систем.

21. Понятие колебаний и их основные виды.

22. Гармонические колебания и их характеристики.

*23. Энергия механических гармонических колебаний.

24. Модельная колебательная система – математический маятник.

25. Волновые процессы. Упругие волны и их разновидности.

26. Основные характеристики волн (частота, период и др.)

*27. Принцип суперпозиции волн примеры его проявления.

*28. Общие представления о звуковых волнах. Ультра- и инфразвуки.

*29. Получение и применение электромагнитных волн.

30. Примеры циклических процессов жизнедеятельности.

31. Суть и результат биогенной миграции.

32. В чем заключается основа устойчивости биосферы?

*33. Автотрофные, сапрофитные и гетеротрофные организмы.

§6. Основные гипотезы происхождения жизни и человека

1. Естественнонаучные гипотезы происхождения жизни.

2. Современные гипотезы происхождения человека.

3. Генетика и эволюция биосферы.

4. Человек: физиология, эмоции, здоровье, творчество, работоспособность, воспитание.

6.1. Естественнонаучные гипотезы происхождения

жизни

Вопросы о происхождении природы и сущности жизни издавна стали предметом интереса человека в его стремлении разобраться в окружающем мире, понять самого себя и определить свое место в природе.

Многовековые исследования и попытки решения этих вопросов породили разные концепции возникновения жизни.

Основные гипотезы происхождения жизни.

1. Концепция самопроизвольного зарождения из неживого вещества (Опарина).

2. Концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда.

3. Концепция внеземного происхождения (теория панспермии)..

4. Креационизм – сотворение жизни Богом

Концепция креационизма, по существу, научной не является, поскольку она возникла в рамках религиозного мировоззрения. Остальные концепции появляются позже, но вплоть до XIX века ни одна из них не смогла сформировать единую биологическую картину мира и тем самым дать приемлемое объяснение происхождению жизни.

Отвергая идею сотворения богом мира и жизни, ученые вплоть до середины XIX века придерживались идеи самопроизвольного зарождения жизни из различных материальных образований, в том числе из гниющей земли, отбросов и иных объектов. Этой точки зрения придерживались такие крупные ученые и выдающиеся мыслители, как Аристотель, врач Парацельс, эмбриолог Гарвей, Коперник, Галилей, Декарт, Гете, Шеллинг и др. Их авторитет во многом определил длительный срок существования идеи самозарождения и ее широкое распространение.

Достаточно сказать, что ни опыты Ф. Реди (XVII в.), который доказал невозможность самозарождения червей из гниющего мяса при отсутствии мух и провозгласил знаменитый принцип «все живое – от живого», ни даже опыты с мельчайшими существами Спалланцани (XVIII в.), показавшие, что в прокипяченных органических настоях не могут самопроизвольно зарождаться микроорганизмы, не оказали сильного влияния на господствующую в науке концепцию спонтанного самозарождения.

В 60-е годы XIX века в развернувшейся между Ф.А. Пуше и Л. Пастером дискуссии, потребовавшей экспериментальных исследований, удалось строго научно обосновать несостоятельность этой концепции. Опыты Пастера продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда были ранее занесены их зародыши.

Если же сосуд с питательной средой оградить от занесения в него микробов, то не произойдет никакого самозарождения. Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали научную несостоятельность концепции спонтанного самозарождения организмов. Но и они не давали ответа на вопрос, откуда взялась жизнь.

Примерно в этот же период времени (1865 г.) на стыке космогонии и физики немецким ученым Г. Рихтером разрабатывается гипотеза занесения живых существ на Землю из космоса, так называемая концепция панспермии. Согласно этой идее, зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и положить начало эволюции живого, которая в свою очередь породила все многообразие земной жизни. Тем не менее, пока и эта гипотеза полного научного обоснования не получила. Хотя спектр возможных условий для существования живых организмов достаточно широк, все же считается, что они должны погибнуть в космосе под действием ультрафиолетовых и космических лучей. К тому же эта гипотеза не решает проблемы происхождения жизни, а лишь выносит ее за пределы Земли.

Наряду с гипотезой панспермии в современной научной литературе сохраняется также гипотеза о случайном характере возникновения на Земле первичной живой молекулы (коацерватная теория), которая появилась лишь раз за все время существования нашей планеты. В силу этого обстоятельства экспериментальную проверку данной гипотезы произвести невозможно.

Предпосылки возникновения жизни на земле.

Большинство современных специалистов убеждены, что возникновение жизни в условиях первичной Земли есть естественный результат эволюции материи. Это убеждение основано на доказанном единстве химической основы жизни, построенной из нескольких простых и самых распространенных во Вселенной атомов.

Основные химические элементы, из которых построена жизнь – это углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, организмы используют для своего строения простейшие и наиболее распространенные во Вселенной элементы, что обусловлено самой природой этих элементов. Например, атомы водорода, углерода, кислорода и азота имеют небольшие размеры и способны образовывать устойчивые соединения с двух- и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность. Это дает возможность образования сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизни вообще невозможны.

Другие два биогенных элемента – сера и фосфор – присутствуют в относительно малых количествах, но их роль для жизни особенно важна. Химические свойства этих элементов также дают возможность образования кратных химических связей. Сера входит в состав белков, а фосфор – составная часть нуклеиновых кислот.

Факт наличия одинаковых химических элементов в живых системах особенно показателен в двух отношениях:

1. как доказательство единства происхождения жизни;

2. в том, что сама жизнь, являющаяся результатом самоорганизации материи, включила в эволюцию биологических макромолекул не только все самые распространенные элементы, но и все атомы, которые особенно пригодны для осуществления жизненных функций (например, фосфор, железо, йод и др.).

Это, однако, не означает, что жизнь может быть сведена просто к химическим закономерностям.

Жизнь – одно из сложнейших, если не самое сложное явление природы. Для нее особенно характерны обмен веществ и воспроизведение, а особенности более высоких уровней ее организации обусловлены строением более низких уровней.

Современная теория происхождения жизни основана на идее о том, что биологические молекулы могли возникнуть в далеком геологическом прошлом неорганическим путем. Сложную химическую эволюцию обычно выражают следующей обобщенной схемой:

атомы  простые соединения  простые биоорганические соединения  макромолекулы  организованные системы.

Начало этой эволюции положено нуклеосинтезом в Солнечной системе, когда образовались основные элементы, в том числе и биогенные. Начальное состояние – нуклеосинтез – быстро переходит в процесс образования химических соединении. Этот процесс протекает в условиях первичной Земли со все нарастающей сложностью, обусловленной общекосмическими и конкретными планетарными предпосылками.

Первое необходимое условие имеет общекосмический характер. Оно связано с единой химической основой Вселенной. Жизнь развивается на этой единой основе, отражающей как количественные, так и качественные особенности отдельных химических элементов. Это допущение приводит к заключению, что на любой планете во Вселенной, которая похожа на нашу по массе и расположению относительно центральной звезды, может возникнуть жизнь. Из планетах солнечной системы кроме Земли подходящую массу имеют Венера и Марс, но там отсутствуют другие условия. По мнению советского астрофизика В.Г. Фесенкова, во Вселенной многие планеты имеют подходящую массу. Обязательным условием возникновения жизни является наличие воды.

Парадоксально, что хотя вода – чуть ли не самая распространенная молекула во Вселенной, поразительно мало планет имеют гидросферу: в нашей Солнечной системе только Земля имеет гидросферу, а на Марсе имеется лишь незначительное количество воды.

Значение воды для жизни исключительно. Это обусловлено ее специфическими термическими особенностями: огромной теплоемкостью, расширением при замерзании, хорошими свойствами как растворителя и др. Эти особенности обусловливают круговорот воды в природе, который играет исключительную роль в геологической истории Земли.

Из сказанного выше можно сделать следующий вывод: возникновение жизни на Земле есть часть общей эволюции материи во Вселенной, а не некий сверхъестественный акт.

Все вышесказанное нашло отражения в гипотезах происхождения жизни, которые находят экспериментальное подтверждение. Эти две гипотезы появились отдельно друг от друга, но по современным представлениям дополняют друг друга при рассмотрении процесса зарождения жизни как единого целого.

Коацервативная гипотеза. В 1924 г. А. И. Опарин впервые сформулировал основные положения концепции предбиологической эволюции, в основу которой положил коацерватную гипотезу происхождения жизни. Основу гипотезы составляет утверждение, что начальные этапы формирования жизни были связаны с формированием белковых структур.

Первые белковые структуры появились в период, когда молекулы белков отграничивались от окружающей среды мембраной. Эти структуры могли возникнуть из первичного «бульона» благодаря коацервации – самопроизвольному разделению водного раствора полимеров на фазы с различной их концентрацией. Процесс коацервации приводил к образованию микроскопических капелек с высокой концентрацией полимеров. Часть этих капелек поглощали из среды низкомолекулярные соединения: аминокислоты, глюкозу, примитивные катализаторы. Взаимодействие молекулярного субстрата и катализаторов уже означало возникновение простейшего метаболизма внутри коацерватов.

Обладавшие метаболизмом капельки включали в себя из окружающей среды новые соединения и увеличивались в объеме. Когда коацерваты достигали размера, максимально допустимого в данных физических условиях, они распадались на более мелкие капельки, например, под действием волн, как это происходит при встряхивании сосуда с эмульсией масла в воде. Мелкие капельки вновь продолжали расти и затем образовывать новые поколения коацерватов.

Постепенное усложнение протобионтов осуществлялось отбором таких коацерватных капель, которые обладали преимуществом в лучшем использовании вещества и энергии среды. Отбор как основная причина совершенствования коацерватов до первичных живых существ – центральное положение в гипотезе Опарина.

Генетическая гипотеза. Согласно этой гипотезе, вначале возникли нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. Впервые ее выдвинул в 1929 г. Г. Миллер.

Позднее, экспериментально Миллером было доказано, что несложные нуклеиновые кислоты могут получены и без ферментов. Ему удалось моделируя процессы происходившие на Земле в бескислородной атмосфере получить простые сахара и нуклеиновые кислоты. Впоследствии, были получены и некоторые аминокислоты.

Способность нуклеиновых кислот служить матрицами при образовании комплиментарных цепей (например, синтез РНК на ДНК) – наиболее убедительный аргумент в пользу представлений о ведущем значении в процессе развития живого наследственного аппарата и, следовательно, в пользу генетической гипотезы происхождения жизни.

Процесс зарождения жизни включал три основных этапа:

1. Возникновение органических веществ. Исходными для синтеза были газообразные продукты докислородной атмосферы и гидросферы (CH₄, СО₂, Н₂0, Н₂, NH₃, NO₂). Именно эти продукты используются и в искусственном синтезе органических соединений, составляющих биохимическую основу жизни. Экспериментальный синтез белковых компонентов – аминокислот в попытках создать живое «в пробирке» начался с работ С. Миллера (1951–1957). С. Миллер провел серию опытов по воздействию искровыми электрическими разрядами на смесь газов CH₄, NH₃, H₂ и паров воды. В результате чего обнаружил аминокислоты. Полученные Миллером данные подтвердили и другие ученые.

2. Появление сложных полимеров (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов).

С. Акабюри впервые синтезировал полимеры протобелков со случайным расположением аминокислотных остатков. Затем на куске вулканической лавы при нагревании смеси аминокислот до 100°С С. Фоке получил полимер с молекулярной массой до 10000, содержащий все включенные в опыт типичные для белков аминокислоты. Этот полимер Фоке назвал протеиноидом.

Искусственно созданным протеиноидам были характерны свойства, присущие белкам современных организмов: повторяющаяся последовательность аминокислотных остатков в первичной структуре и заметная ферментативная активность.

В начальных процессах биогенеза большое значение имеет химический отбор, который является фактором синтеза простых и сложных соединений. Одной из предпосылок химического синтеза выступает способность атомов и молекул к избирательности при их взаимодействиях в реакциях. Например, галоген хлор или неорганические кислоты предпочитают соединяться с легкими металлами. Свойство избирательности определяет способность молекул к самосборке. Способность макромолекул к самосборке А. И. Опарин рассматривал в качестве доказательства выдвинутого им положения, что белковые молекулы коацерватов могли синтезироваться и без матричного кода.

3. Образование первичных живых организмов.

Переход от химической эволюции к биологической характеризовался появлением новых качеств, отсутствующих на химическом уровне развития материи. Главными из них были внутренняя организация протобиотов, приспособленная к окружающей среде благодаря устойчивому обмену веществ и энергии, наследование этой организации на основе репликации генетического аппарата (матричного кода).

То, что коацерваты обладают устойчивым обменом веществ с окружающей средой показал Опарин с сотрудниками. При определенных условиях концентрированные водные растворы полипептидов, полисахаридов и РНК образуют коацерватные капельки объемом от 10^-7 до 10^-6 см³, которые имеют границу раздела с водной средой. Эти капельки обладают способностью ассимилировать из окружающей среды вещества и синтезировать из них новые соединения.

Клетки – основная элементарная единица жизни, способная к размножению, в ней протекают все главные обменные процессы (биосинтез, энергетический обмен и др.). Поэтому, возникновение клеточной организации означало появление подлинной жизни и начало биогенетической эволюции.

6.2. Современные гипотезы происхождения человека

Одним из первых представлений было представление о божественном творении человека: «И сказал Бог: сотворим человека по образу нашему, по подобию нашему…И сотворил Бог человека пор образу своему».

В связи с ажиотажем вокруг НЛО в настоящее время стала достаточно распространенной точка зрения относительно внеземного происхождения человека (теория панспермии).

Однако, еще в первобытных племенах были распространены представления, что предки людей произошли от животных и даже растений; такие верования можно встретить у отсталых народов до сих пор. В античности (Анаксимандр) говорили же о естественном происхождении человека из ила. Тогда же заговорили и о сходстве и возможном родстве человека и обезьяны.

Согласно современным материалистическим представлениям, человек – естественный продукт длительного и последовательного естественного отбора протекающего в изменчивой природе. Это результат развития живой материи от простого к сложному. Человек кровно связан с животными, имеет с ними общие черты строения, развития, физиологии.

С появлением человека на Земле началась новая, более высокая форма существования – социальная. Органы труда человека – руки, его мозг – продукт не только биологического развития, но и социальной формы существования живой материи. Производственные отношения – фактор социальный – лежат в основе всех других форм взаимоотношений между людьми. Материалистическое учение о происхождении человека – антропогенез – основывается на данных как социальных, так и биологических наук.

Доказательство того, что человек имеет животное происхождение, основывается на том, что у человека много общих с животными особенностей строения. Тело человека весьма схоже с телом животных, принадлежащих к типу хордовых, подтипу позвоночных, классу млекопитающих. Подтверждают связь животные – человек и работы в области генной инженерии.

Как и у хордовых, в эмбрионе человека внутренний скелет представлен хордой, имеются жаберные щели, нервная система имеет трубчатое строение, тело – двухстороннюю симметрию.

Как у позвоночных, по мере развития зародыша хорда заменяется позвоночным столбом, в переднем его отделе развивается череп и челюстной аппарат, появляется скелет свободных конечностей.

Как и у млекопитающих, позвоночный столб разделен на пять отделов, кожа содержит сальные и потовые железы и покрыта волосами. Потовые железы преобразованы в две молочные железы, выделяющие секрет для вскармливания детенышей. Человек имеет грудобрюшную преграду, имеются малый и большой круги кровообращения. Головной мозг состоит из пяти отделов. Высший отдел мозга – кора больших полушарий.

Человек относится к классу плацентарных, так как имеет специализированные детородные органы – матку с детским местом (плацента), через которое обеспечивается контакт между сосудами матери и плода.

По строению, расположению органов и многим физиологическим процессам человек ближе всего к представителям отряда приматов, куда относятся человекообразные обезьяны – шимпанзе, гориллы и орангутанги.

Сходные признаки человека и обезьян: одинаковое строение передних конечностей с большим пальцем, противостоящим другим; пальцы защищены ногтями; рука хватательного типа; сходная структура лицевого и мозгового отдела черепа; хорошо развитая зрительная зона коры головного мозга; расположение глаз в одной плоскости, что обеспечивает преимущество объемного зрения; слабо развитое обоняние.

И у человека и у обезьян внутриутробное развитие составляет 9 месяцев (орангутанг); период вскармливания детеныша молоком примерно один год; существует забота о потомстве и его воспитание; сходная мимическая мускулатура, используемая для выражения различных чувств; способность новорожденного к хватательному рефлексу; сходные паразиты и болезни.

Рефлексы обезьян сходны с человеческими, им также свойственна высокоразвитая высшая нервная деятельность.

Есть и такие свидетельства о родстве человека с животными как рудименты – остатки неупотребляемых или мало употребляемых у человека, но в полную силу действующих у животных органов: червеобразный отросток слепой кишки, шейные и поясничные ребра, расположение волос на голове, а также атавистические признаки, проявляющиеся иногда у человека и имеющие и имеющие место у его животных предков: хвост, сильно развитый волосяной покров, сильно развитые клыки, большое количество сосков. В то же время целый ряд признаков, возникших в результате эволюции отличают человека от его предков: прямохождение, изгибы позвоночного столба, уменьшающие силу толчков при ходьбе; отсутствие хвостового отдела позвоночника; большие размеры нижних конечностей по сравнению с верхними; сильное развитие ягодичных мышц, обеспечивающих вертикальное положение тела; сводчатая форма стопы; большой палец на нижних конечностях приблизился к остальным пальцам и принял на себя роль опоры.

Человек имеет широкий таз и плоскую грудную клетку. На лицевой части черепа отсутствуют надбровные дуги, нет подбородочного выступа; более слабая чем у обезьян нижняя челюсть, более высокий лоб. Человек имеет больший объем головного мозга – 1350-1500 см³ вместо 460 см³ у обезьян) и большее количество извилин (площадь коры головного мозга 1250 см² вместо 395 см² у шимпанзе), обеспечивая общение и характерное в связи с этим строение гортани. Усовершенствована рука – орган труда, большая ее подвижность в сравнении с рукой обезьяны, более широкая ладонь как опора для пальцев, более глубокая дифференциация мышц пальцев, обеспечивающая более тонкие и точные движения, большая длина большого пальца. Все это результат длительного исторического развития человека.

Чтобы закончить рассмотрение проблемы места человека в системе животного мира, надо отметить, что он относится к подотряду узконосых обезьян, семейству людей, роду – человек, виду – разумный. Человек разумный – Homo sapiens.

И так, все вышесказанное указывает на то, что наиболее обоснованным является происхождение человека вследствие эволюционных процессов протекающих в природе. Интересно проследить родословную человека.

Основная линия родословной человека.

Упорная работа ученых в области палеонтологии и сравнительной анатомии, сумевших рассмотреть и сравнить тысячи ископаемых костных останков с костями современных животных, дала возможность выделить основную линию родословной человека.

Древнейшими млекопитающими прародителями человека были ископаемые рептилии – котилозавры. От них – ветвь – зверозубые ящеры, отличавшиеся мощными дифференцированными зубами. От зверозубых ящеров – ветвь насекомоядных – тупайи. Это древнейшие планцетарные, обладающие удлиненными фалангами пальцев. От тупайи пошла ветвь к полуобезьянам лемурам и долгопятам. Эволюция последних и привела к появлению ветви древнейших человекообразных обезьян – парапитеков. От парапитеков к проплиопитекам (родоначальники гиббонов), и дриопитекам. Они обитали на деревьях, питались растительной пищей, передвигались, хватаясь руками за ветви, и поддерживали тело, опираясь задними конечностями на ветви деревьев.

Потомки дриопитеков развивались в трех направлениях:

1. Современные человекообразные шимпанзе (оставшиеся на ветвях дриопитеки);

2. Гориллы (потомки дриопитеков, слезшие с деревьев на землю);

3. Крупные высокоразвитые человекообразные обезьяны (эволюциони-ровали в силу определенных обстоятельств).

Вымершей их ветвью были австралопитеки. Ветвью, сходной с австралопитеками и наиболее близкой к человеку были обезьяны – плезиотропы.

Если представить ближайший к homo sapiens ряд в общей цепи антропогенеза, то, с точки зрения Тейяра де Шардена, он будет иметь следующий вид: австралопитек — пи­текантроп — синантроп — homo sapiens.

А вся цепочка предшественников современного человека, с точки зрения сегодняшнего естествознания, будет выглядеть так: самый древний известный науке предок человека и выс­ших обезьян — рамапитек — жил на территории от Индии до Африки около 14 млн. лет назад. Примерно 10 млн. лет назад от него отделился предок орангутанга — сивапитек, который ос­тался в Азии. Общий же предок гориллы, шимпанзе и челове­ка, по-видимому, обосновался в Африке, поскольку именно там обнаружены древнейшие орудия труда (примерно 2,5 млн. лет назад) и остатки жилищ (1,75 млн. лет). В Африке найдены останки человека умелого — зинджантропа, жившего 2 млн. лет назад. Он обладал уже такими чисто человеческими признака­ми, как прямохождение и заметная развитость кисти руки. При этом название "умелый" ему дано за умение изготовлять и применять первобытные каменные орудия труда. От человека умелого прослеживается связь с древнейшим человекообразным существом — австралопитеком, жившем от 4 до 2 млн. лет назад. Далее развитие современного человека прослеживается более определенно: питекантроп (обитавший во временных рамках 1,9—0,65 млн. лет назад); синантроп (400 тыс. лет назад) и неан­дерталец (ранняя форма homo sapiens), появившийся, по раз­ным данным, от 30 до 40 тыс. лет назад.

Необходимо отметить, что антропогенез не следует пред­ставлять в виде линейного процесса. В органической жизни (как, впрочем, и в социальной), видимо, вообще маловероятен строго линейный процесс развития и монофакторной детерми­нации эволюции. По мнению Р. Левонтина, концепция которого к тому же хорошо согласуется с теорией самоорганизации. "Все попытки дока­зать, — пишет он, — что тот или иной ископаемый является нашим прямым прародителем, отражают устаревшее пред­ставление об эволюции как о строго линейном процессе и о том, что все ископаемые формы должны составлять некую единую последовательность, соединяющую прошлое с на­стоящим".

Предполагается, что в конце третичного, начале четвертичного периода в Африке и Южной Азии сформировалось несколько видов высокоразвитых антропоидов, которые обладали крупными размерами и передвигались на двух ногах. Они охотились на мелких животных с помощью палки и камней и уже обрабатывали гальку (так называемая галечная культура). В подтверждение этому ископаемые находки в Восточной Африке.

Каковы же условия эволюции обезьян в человека?

Ч. Дарвин сумел привести множество доказательств происхождения человека от обезьяны, но он не смог показать этот процесс в динамике, не сумел назвать его главный движущий фактор.

Научное обоснование этому вопросу дал Ф. Энгельс в работе «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека». Это был процесс приспособления человека к новым условиям существования:

• Добыча еды, охота на мелких животных, а позднее, на более крупных;

• Огонь как средство обогрева, защиты, изменения функций питания;

• Самый главный фактор – труд.

Итак, освободившиеся руки стали применять орудия. Это привело к изменению самой кисти. То есть рука не только орудие труда, но и продукт труда. Вследствие взаимосвязи органов (по законам корреляции), изменение руки влияло и на весь организм. Развитие орудий труда требовало и умственных усилий.

Далее, при возникновении социальных отношений между людьми развилась вторая сигнальная система – членораздельная речь.