Основателем генетики был чешский монах-августинец

Г. Мендель. Получив физико-математическое образование в Венском университете, он провел на монастырском огороде в городе Брно блестящие опыты по искусственному скрещиванию чистых линий цветов декоративного душистого горошка и на основании статистической обработки результатов более 6 тысяч скрещиваний сформулировал три закона генетики :

1. В первом поколении гибридов проявляются только доминантные (подавляющие) признаки (красный цвет цветков, желтый цвет горошинок). Рецессивные (подавляемые) признаки исчезают (белые цветки, зеленые горошины).

2. Во втором поколении гибридов наблюдается расщепление признаков в соотношении 3:1 (75% доминантных и 25% рецессивных), т.е. рецессивные признаки проявляются через поколение.

3. Расщепление признаков в указанном соотношении идет независимо по каждому признаку (цвет цветков, цвет и форма горошин).

Но главный вывод, к которому пришел Г. Мендель - это мысль о существовании дискретной единицы наследственности, впоследствии названной геном. При жизни Г. Менделя его труды были неизвестны научному миру; вторым рождением генетики считается 1900 год, когда его работа, сделанная в 1865 г., была опубликована в журнале «Natura».

Следующим этапом развития генетики были работы немецкого зоолога А. Вейсмана, показавшего, что половые клетки обособлены от остального организма и поэтому не подвержены влияниям, действующим на остальные (соматические) клетки.

Далее американский генетик Т. Морган в начале ХХ века создал хромосомную теорию наследственности. Хромосомы, содержащиеся в клеточных ядрах, как впоследствии выяснилось, состоят из молекул ДНК, обернутых белком – ферментом. Число и конфигурация хромосом в клетке определяют биологический вид.

На первых этапах развития генетики ее считали мощным аргументом против эволюционной теории: если существуют гены, носители наследственной информации, передающиеся из поколения в поколение, то эволюция невозможна.

Примирило идеи эволюции и генетики открытие голландским ученым Г. де Фризом наследуемых мутаций, составляющих основу дискретной изменчивости. Мутация - это передаваемое по наследству частичное изменение структуры гена. Понятие мутации в генетике аналогично понятию флуктуации в синэргетике. Это чрезвычайно редкое событие (у одной особи из тысячи под действием так называемых мутагенных факторов (радиации, изменения температуры, химических веществ, вирусов) может мутировать один ген). Но эти мутации накапливаются в популяциях и в конечном итоге обуславливают изменение их генофонда ( совокупности все генов популяции).

В середине ХХ века на стыке классической генетики и дарвиновского учения об эволюции возникла современная синтетическая теория эволюции. Элементарной единицей в ней является популяция, именно в ее рамках происходят и накапливаются наследственные изменения генофонда. Если данная мутация повышает приспособляемость организмов к определенной среде обитания, она будет поддерживаться естественным отбором, если нет, то она ведет к вымиранию популяции и вида.

В середине ХХ века был открыт триплетный генетический код, универсальный для всех живых организмов Земли, и стало очевидно, что клеточное ядро – орган управления, содержащий всю информацию о клетке. Генетика свидетельствует, что мы несем в себе информацию о наших умерших предках, обо всей природе.

В СССР в 20-е - 30- е годы ХХ века генетика развивалась очень успешно. Во главе ее стоял выдающийся ученый академик Н. И. Вавилов. В экспедициях по всему миру он собрал уникальную коллекцию злаков (более 20 тысяч видов), его работы были широко известны в научном мире. Однако, сторонники авантюриста Т.Д. Лысенко отрицали генетику, называли ее «буржуазной лженаукой». Советская власть поддержала Лысенко, в результате Н.И. Вавилов и многие другие генетики были репрессированы. Ныне трагедия отечественной генетики состоит в том, что был уничтожен не только сам Н.И. Вавилов, но и его школа. Однако благодаря усилиям энтузиастов – оставшихся в живых нескольких учеников Н.И Вавилова - сохранилась его уникальная коллекция, пережившая репрессии генетиков, блокаду Ленинграда, последующие гонения. Многие виды злаков уже исчезли с лица Земли (см. далее раздел «Экология» ) и сохранились только в коллекции Н.И. Вавилова, и это - лучший памятник репрессированному ученому.

Контрольные вопросы :

1. В чем главное различие эволюционных концепций Ж.Б Ламарка и Ч. Дарвина ?

2. Что такое мутация ?

3. Кто автор хромосомной теории и в чем ее суть?

Литература :

5,8,9, 21,22, 23, 24

ЛЕКЦИЯ 14. ГИПОТЕЗЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

Вопрос о происхождении жизни на Земле интересовал ученых с древних времен. Так, Аристотель считал, что живые организмы могут спонтанно (самопроизвольно) возникать из неживого материала ( черви – из почвы, мухи - из гнилого мяса).

Опроверг точку зрения Аристотеля итальянский врач и естествоиспытатель Ф. Реди, в ХУП веке провозгласив принцип «живое – только из живого» ( опыты Реди). Окончательное доказательство правоты Ф.Реди принадлежит Л. Пастеру (золотая медаль Французской Академии наук, описание колбы Пастера). Заслуга Ф.Реди состоит еще и в том, что он поколебал незыблемые, казалось, основы креационизма - концепции божественного создания жизни, которой придерживалось большинство философов и естествоиспытателей того времени.

В пользу третьей концепции - стационарного состояния – высказываются противники эволюции (таковые имеются и в настоящее время) : жизнь существовала всегда, у нее не было начала, поэтому нечего и обсуждать. Однако концепция биологической эволюции достаточно серьезно аргументирована, и отрицать ее нелогично (см. Лекцию 13)

Четвертая концепция – панспермия – это идея внеземного, космического происхождения жизни. Ее автор – шведский химик С. Аррениус, ее поддерживал и наш выдающийся соотечественник, основоположник геохимии и автор учения о биосфере В.И. Вернадский, принадлежавший к русским космистам. Аргументами в пользу этой концепции являются обнаруженные в космических объектах - метеоритах – органические соединения, которые могли сыграть роль «предшественников живого», а также

найденные на глубинах до 3000 м в литосфере и на высотах до 25 км в стратосфере живые споры (об этих клетках см. в Лекции 12). Правда, остается открытым вопрос о том, откуда споры появились в Космосе. Далее сторонники этой концепции вступают уже в область фантастики : существуют целые Галактики, в которых планетные системы генерируют эти «семена жизни», которые затем разносятся по Вселенной, и там, где они попадают в благоприятные условия, начинает развиваться жизнь.

Наконец, пятая концепция - биохимическая : органическая жизнь зародилась на Земле случайно, однократно, 3,5 мрд лет назад из неорганического материала. В лекции 10 «Науки о Земле» уже было сказано о блестящем опыте С. Миллера и Г. Юри, которые, пропустив через смесь газов, соответствующую составу атмосферы первозданной Земли, получили аминокислоты. Это говорит о том, что такой путь возникновения органических соединений был возможен. В связи с этим возникает следующий вопрос : как был подобран существующий в настоящее время набор из 20 аминокислот ? Возможно, существовали и другие генетические коды, определяющие другие наборы аминокислот, но соответствующие им эволюционные линии оборвались, не выдержав конкуренции с другими линиями, которым удалось выжить…

Биохимическую гипотезу выдвинули независимо русский биохимик А.И. Опарин в 1924 г. и английский ученый Дж. Холдейн в 1929 г. Основным химическим элементом, лежащим в основе состава всех живых организмов, является углерод. Оба автора предложили более или менее вероятные механизмы, с помощью которых из углерода, кислорода, водорода и азота могли синтезироваться почти все мономеры, необходимые живой клетке. Напомним, что в атмосфере первозданной Земли не было свободного кислорода, и возникшие органические вещества могли накопиться в достаточных количествах в первобытном океане. Идеи Опарина и Холдейна не были поддержаны большинством ученых того времени, считавших, что Л.Пастер раз и навсегда доказал невозможность самопроизвольного зарождения живого из неживого. Однако доказательство Пастера касается современных условий с окислительной обстановкой, а в биохимической концепции речь идет об условиях первозданной Земли с восстановительной обстановкой. В настоящее время биохимическая концепция А.И. Опарина и Г. Холдейна является общепринятой. В соответствии с этой гипотезой, процесс возникновения жизни можно разделить на пять этапов :

1. Образование планеты (примерно 4,5 млрд. лет назад) с газовой оболочкой, в которой было сырье для возникновения органических соединений.

2. Синтез органических соединений (аминокислот, сахаров, органических оснований, жиров) из неорганического сырья.

3. Полимеризация образовавшихся мономеров с получением белковых и полинуклеотидных цепей в водной среде.

4. Накопление органических биополимеров в Мировом океане и образование «коацерватных капель» с собственной индивидуальностью, отделенных от водной среды оболочкой из жироподобных веществ.

5. Возникновение репродуктивного аппарата, т.е. способности к размножению. Появление жизни на Земле - это возникновение нуклеиновых кислот, именно здесь лежит граница неживого и живого.

Первые примитивные клетки были безъядерными (пробионты) и питались имеющимися в «первозданном бульоне» органическими веществами или своими собратьями, т.е. были гетеротрофами. Далее живые организмы, ставшие предками растений, научились улавливать солнечную энергию и запасать ее в химических связях органических веществ, т.е. стали автотрофами. Таким образом, уже через миллиард лет после образования планеты, в архее, на ней появились живые организмы, способные к самовоспроизведению. В протерозое появляются клетки, имеющие оформленное ядро (эукариоты). Первые ядерные организмы были одноклеточными (простейшими). Далее появились многоклеточные. В течение архея и протерозоя жизнь развивалась в водной среде, и только в палеозойскую эру вышла на сушу. Весьма существенно отметить, что эволюция не только творила новые, более приспособленные и сложные формы жизни, но сохраняла и некоторые старые, т.е. шла путем создания разнообразия живых организмов (породив млекопитающих и цветковые растения, она сохранила бактерии и сине-зеленые водоросли, т.е. прокариотов).

Контрольные вопросы :

1. В чем суть концепции панспермия и кто ее автор ?

2. Кто выдвинул биохимическую гипотезу происхождения жизни ?

3. Когда и где зародилась жизнь на Земле ?

Литература :

5, 8, 9, 21

ЛЕКЦИЯ 15. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЧЕЛОВЕКА. ГЕЛИОБИОЛОГИЯ. ЭТНОЛОГИЯ. ПСИХИКА, МОЗГ, СОЗНАНИЕ

Проблема происхождения человека волновала его еще с древнейших времен. Откуда мы все взялись ? Этот вопрос ставили и философы, и естествоиспытатели. Раздел биологии, изучающий человека, называют антропологией, а происхождение и эволюцию человека - антропогенезом.

Как и в проблеме происхождения Вселенной и возникновения жизни, существует креационистское представление о божественном сотворении человека. Оставим эту концепцию для обсуждения богословам. Отметим, однако, что в некоторых первобытных племенах были сильны, да и сейчас встречаются представления о том, что их предками являлись некоторые животные и даже растения (здесь лежат истоки представлений о тотемах).

Второй, довольно распространенной с недавних времен гипотезой является космическая : людей доставили на Землю представители внеземных цивилизаций (ажиотаж с НЛО, некоторые более серьезные и научно обоснованные аргументы, связанные с наскальными рисунками доисторических людей, неразгаданные до сей поры тайны строительства монументальных сооружений во времена ранних цивилизаций). Эта гипотеза пока никем не опровергнута, а потому имеет право на существование.

Общепринятой же в современной науке является основанная на труде Ч. Дарвина «Происхождение человека и половой отбор» гипотеза о животном происхождении человека : человек и приматы имеют общего предка.

Прародиной человека считают Южную Африку, где были

найдены останки приматов, названных парапитеками (латинский корень питек означает «обезьяна» ). Эти останки датируют примерно 4-5 млн. лет. Именно в этом регионе находятся мощные залежи урана и зафиксирован повышенный радиационный фон, который мог обусловить мутации этих приматов. Таким образом, высокий радиационный фон мог стать одним из первых факторов антропогенеза.

Потомки парапитеков дали несколько эволюционных ветвей (точнее – пять ) : сначала они разделились на дриопитеков (древесных обезьян) и проплиопитеков, от последних произошли современные гиббоны и орангутаны, а дриопитеки эволюционировали в современных шимпанзе и горилл, а также дали исчезнувший ныне вид «австралопитеков» (букв. с лат.- южная обезьяна), от которого, как предполагают, и произошел современный человек. Останки австралопитеков датируют примерно 3 млн. лет. Предполагают, что именно в это время под влиянием похолодания джунгли начали отступать, появилась африканская лесостепь – саванна, и австралопитеки оказались на открытых пространствах. Это вынудило их в целях выживания встать на задние конечности: так лучше просматривались окрестности и легче было заметить опасность. Вторым фактором антропогенеза стало прямохождение.

Встав на задние конечности, предки человека освободили передние и ими начали изготавливать орудия труда (и , конечно, защиты). В середине ХХ века в Восточной Африке были найдены останки «человека умелого» (возраст останков 2 млн. лет), рядом с которыми обнаружили орудия труда из расколотой речной гальки. Труд стал третьим фактором антропогенеза. В четвертичном периоде кайнозойской эры разошлись эволюционные линии человека и приматов (шимпанзе).

Однако все уже названные факторы антропогенеза не дали бы этим довольно слабым от природы растительноядным существам возможности выживания, если бы в процессе трудовой деятельности они не начали развивать свой головной мозг и вести общественный образ жизни. Объем головного мозга австралопитека – около 550 куб.см, а на последней ступени антропогенеза (кроманьонец) он уже составлял 1600 куб.см. Развитие головного мозга ( и не только его объема, но и площади поверхности за счет появления извилин) - один из главных факторов выживания и эволюции человека.

Найденные в конце Х1Х века французским антропологом Дюбуа на острове Ява останки назвали питекантропом ( букв. – обезьяночеловек). Существование этого промежуточного звена эволюции человека предсказал еще в 60-тых годах Х1Х века основоположник экологии Э. Геккель. Эти существа использовали ножи, скребки, ручные рубила. Останки датировали примерно 500 тыс. лет, объем мозга составлял около 900 куб. см. В 20-тых годах ХХ века выдающийся французский антрополог Т. де Шарден нашел в окрестностях Пекина аналогичные питекантропу останки, назвав это существо синантропом (китайский человек). Открытие питекантропа и синантропа (древнейшие люди) говорило о том, что примерно 0,5 млн. лет назад человек покинул африканский континент и начал расселяться по планете.

Еще раньше, при жизни Ч. Дарвина в долине реки Неандерталь в Германии были обнаружены останки существа, жившего 150 – 40 тыс. лет назад. Этот человек был назван неандертальцем (древние люди), имел довольно большой объем мозга, но покатый лоб, надбровные дуги, низкую черепную коробку; он охотился на мамонтов, т.е. начал употреблять мясную пищу ( есть даже гипотеза о том, что неандертальцы истребили мамонтов), жил в пещерах, научился пользоваться огнем, но еще не умел его добывать. Неандертальцы впервые начали хоронить тела своих умерших сородичей.

Десять лет спустя после открытия неандертальцев в пещере Кро-Маньон во Франции были найдены останки существ, близких по облику и объему черепа ( около 1600 куб.см) к современному человеку. Кроманьонцы умели добывать огонь, строить жилища, строение их гортани говорило о том, что они владели членораздельной речью. Жили они примерно 40 – 15 тыс. лет назад, одевались в шкуры убитых животных (это говорит о том, что они окончательно утратили волосяной покров). Кроманьонец - это уже «человек разумный». Некоторые антропологи считают, что на кроманьонце кончилась биологическая эволюция человека и началась его социальная эволюция, после кроманьонца человек не изменился генетически ( хотя процесс эволюции вряд ли может закончится). Дело в том, что 40 тыс. лет для эволюции – очень небольшой временной интервал, который вряд ли даст возможность наблюдать впрямую эволюционные изменения. Примерно в эпоху кроманьонцев начали складываться расовые различия, у изолированных групп людей складывались особые признаки, обусловленные жизненными условиями.

Итак, родословная человека выстраивается следующим образом: австралопитек («человек умелый»), древнейшие люди (питекантроп, синантроп), древние люди (неандертальцы), человек разумный (кроманьонцы). Впрочем, существует и другая гипотеза о том, что неандертальцы не были предками человека, что это была тупиковая ветвь эволюции и их уничтожили кроманьонцы.

Русские космисты. Гелиобиология. Этнология

К русским космистам относят трех ученых первой половины ХХ века : К.Э. Циолковского, В.И Вернадского и А.Л.Чижевского. К.Э.Циолковский хорошо известен как автор идеи ракетного двигателя для преодоления земной гравитации. О В.И. Вернадском и его учении о биосфере будет сказано далее.

А.Л.Чижевский - основоположник гелиобиологии, науки о влиянии солнечной активности на живые организмы, в частности, на человека и его поведение. Очевидно, что человек, будучи биологическим, т.е. принадлежащим природе существом, как и все живые организмы, испытывает влияние солнечной радиации. У большинства растений при удлинении светового дня начинается период цветения, у животных - брачный период. На физиологию человека также влияет и продолжительность светового дня, и магнитные бури на Солнце. В наши дни повседневными стали метеосводки о геомагнитной обстановке, о ней предупреждают и водителей автотранспорта, и людей с больным сердцем и сосудами. Но человек – биосоциальное существо, т.е. принадлежит не только природе, но и обществу, социуму. А.Л. Чижевский отметил на временной оси годы повышенной солнечной активности (строго один раз в 11 лет, т.е. 9 раз в столетие) за продолжительный период времени, а затем сопоставил с полученной шкалой известные из истории человечества социальные катаклизмы : войны, бунты, революции. Оказалось, что в 80% случаев эти социальные потрясения происходили в год повышенной солнечной активности! Судьба ученого была трагичной : в период сталинского террора он был репрессирован и долгие годы провел в заключении.

Был репрессирован и другой русский ученый, идейный продолжатель А.Л.Чижевского, Л. Н. Гумилев, основатель этнологии - естественнонаучной дисциплины о зарождении и развитии человеческих этносов. Этнос, по Гумилеву - это объединение людей по генетическому, т.е. национальному

признаку. Л.Н.Гумилев объясняет социальное развитие с помощью

солнечной энергии по следующему механизму. При повышении солнечной активности защитные свойства ионосферы снижаются, и жесткая (коротковолновая) солнечная радиация достигает земной поверхности, что вызывает мутации. Это приводит к так называемому пассионарному толчку, появляются пассионарии - вожди, сплачивающие и организующие этнос, своеобразные «центры кристаллизации» (если использовать аналогию с фазовым переходом воды в лед). Этногенез, по Л.Н.Гумилеву, включает следующие фазы : 1) подъем (основной лозунг - интересы этноса превыше личностных) ; 2) перегрев, надлом (в синэргетике – точка бифуркации) - этнос на вершине своего могущества ;

3) переход в нормальное состояние – инерционная фаза (расцвет индивидуальностей, а значит науки, искусства, культуры в целом);

4) фаза равновесия (гомеостаз), начинается постепенный упадок. От зарождения до полного разрушения проходит 1200 лет. Последние стадии – мемориальная (остается только память о достигнутых успехах) – и реликтовая (память исчезает). Этнологическую концепцию Гумилева следует воспринимать

скорее как гипотезу, чем как теорию. Это касается и всех изложенных концепций происхождения человека : они довольно слабо экспериментально аргументированы и ничего не предсказывают.

Психика, мозг, сознание.

Основоположник психоанализа чешский ученый З.Фрейд изучал соотношение сознательного и бессознательного в поведении человека и утверждал, что в основе его психической деятельности лежат инстинкты (безусловные рефлексы), главным из которых является половое влечение. Последователь Фрейда

К. Юнг ввел понятие коллективного бессознательного начала, памяти поколений, идущей от первобытного состояния. Сознание, по Юнгу, развилось из эмоций, оно как луч прожектора - все, что он не освещает, уходит в бессознательное. Сознание породило разум как закономерный этап эволюции. Психоанализ близок к естествознанию, поскольку основан на природных, рефлекторных, а не культурных началах.

Человек - биосоциальное существо, он одновременно принадлежит и природе, и обществу. Как биологическое существо человек отличается от других живых организмов высокоразвитым головным мозгом, являющимся самым сложным природным объектом. Задача изучения головного мозга - понять механизмы поведения человека с целью лучшего использования умственных способностей и достижения психологического комфорта. Еще в Х1Х веке выдающийся русский физиолог И. М.Сеченов установил, что психические явления неразрывно связаны с нервными процессами в организме. Работы И.П. Павлова об условных рефлексах позволили изучать сознание и память. Позже было установлено, что нервные импульсы - это слабые электрические токи, создающие биополе. В настоящее время существуют технические возможности, позволяющие экспериментально изучать отделы головного мозга, ответственные за память, решение задач, распознавание образов и т. п. Появились идеи наложения на биополе внешних слабых электромагнитных полей и перспективы коррекции поведения. Однако здесь возникают серьезные этические проблемы, которые следует решить перед широким внедрением этих идей в жизнь. Нейрофизиологами была установлена асимметрия в функционировании головного мозга, т.е. различие левого и правого его полушарий при полной идентичности анатомии. Но

многое в работе головного мозга человека остается неясным, и дальнейшее его изучение может принести удивительные результаты.

Контрольные вопросы :

1. Кто такие неандерталец и кроманьонец ?

2. Что такое гелиобиология и кто ее основоположник ?

3. Что изучает этнология и кто внес большой вклад в эту науку ?

Литература :

2, 5, 8, 21, 22

ЛЕКЦИЯ 16. УЧЕНИЕ В.И.ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ. НООСФЕРА

В буквальном смысле термин «биосфера» означает «сферу жизни» и в таком смысле он был впервые введен австрийским ученым Э.Зюссом в конце Х1Х века. Первоначально под этим названием подразумевалась только совокупность всех живых организмов, обитающих на Земле. Но постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых систем на окружающую их среду все настойчивее проникала в сознание ученых.

Стройное, целостное учение о биосфере было дано русским ученым, основоположником геохимии, учеником В.В.Докучаева

В. И. Вернадским. Центральным понятием в этом учении является понятие о живом веществе, которое определяется как совокупность всех живых организмов Земли. Тогда биосферу можно определить как сферу единства живого и неживого, т.е. как живое вещество Земли вместе со средой обитания, с «косным веществом», как называл эту среду В. И. Вернадский. Такое толкование определило и его взгляд на проблему происхождения жизни на Земле. Будучи космистом, Вернадский считал, что жизнь зародилась вместе с планетой, поскольку нет убедительных доказательств того, что Земля когда – либо была безжизненной. Иными словами, биосфера существовала на Земле всегда. Это расходится с точкой зрения А. И. Опарина, о которой было сказано в Лекции 14.

Биосферу В. И. Вернадский определял также как одну из геологических оболочек Земли, структура и энергетика которой формируется в результате совокупной деятельности живых организмов. Еще одно определение биосферы - это совокупность экосистем Земли (о понятии и свойствах экосистем см. Лекцию 17.) Биосфера простирается на все геосферные оболочки Земли : она занимает всю гидросферу, часть литосферы (до глубин примерно 10 км) и часть атмосферы (всю тропосферу и часть стратосферы до высот более 30 км над поверхностью Земли). Ранее уже было сказано, что самыми многочисленными и древними организмами Земли являются бактерии, именно их споры и были обнаружены на больших глубинах и высотах.

В Лекции 13 уже отмечалось, что эволюция шла не только путем уничтожения нежизнеспособных видов, но и путем сохранения старых, наиболее приспособляемых к изменяющимся условиям существования. Так постепенно складывалось нынешнее многообразие живых организмов - основа устойчивости биосферы. Сейчас на Земле обитает около 1 млн. видов животных и более 260 тыс. видов растений, причем более 75% видов животных - это членистоногие (в основном насекомые). Таким образом, по разнообразию видов животные почти в 4 раза обгоняют растения. Однако биомасса растений суши составляет 97% , а животных и микроорганизмов - всего 3% всей биомассы планеты. Известно, что Мировой океан занимает около 75% поверхности Земли, однако биомасса живых организмов суши примерно в 1000 раз превышает биомассу обитателей Мирового океана, которые живут в основном в поверхностном слое воды толщиной 100 м. Вместе с тем, биологическая продуктивность суши и океана примерно одинакова, что объясняется быстрым обновлением живых организмов в океане по сравнению с сушей.

Одной из главных идей В. И. Вернадского в учении о биосфере была мысль о взаимосвязи живых организмов с неживой средой обитания. Эта взаимосвязь осуществляется путем круговоротов основных биогенных химических элементов - углерода, водорода, азота и кислорода, реализующихся в пищевых (трофических) цепях. Растения Земли - это единственные живые организмы, синтезирующие из неорганического материала (углекислый газ и вода) органические вещества (клетчатку и крахмал). Побочным продуктом этой реакции, называемой фотосинтезом, поскольку она осуществляется только на свету, является молекулярный кислород (о фотосинтезе см. в Лекции 12). Растения берут из биосферы все нужные им для жизни химические элементы и не нуждаются в готовых органических соединениях других организмов, т.е. растения Земли - это автотрофы ( лат. троф - пища). Кроме того, растения являются продуцентами (производителями) органических веществ, которыми питаются травоядные животные - консументы (потребители) первого уровня. Травоядными питаются хищники – консументы второго уровня. Далее следуют падальщики - в природе все утилизируется, она не допускает никаких отходов. Когда живые организмы умирают, в дело вступают грибы и бактерии - редуценты, разлагающие органические вещества до атомов биогенных химических элементов, из которых формируется гумус (перегной), идущий на питание растений. Таким образом, круг замыкается. Именно в круговоротах биогенных химических элементов заключается геологическая роль живого вещества планеты. Ранее, в Лекции 10 уже говорилось о том, что большинство осадочных пород имеют биогенное происхождение, т.е. живые организмы формируют не только биологический, но и геологический лик планеты. Консументы всех уровней и редуценты - это гетеротрофы, поскольку для питания используют тела других живых организмов.

Важной идеей В. И. Вернадского была мысль о космической роли живого вещества, которая заключается в аккумулировании солнечной энергии и преобразовании ее в энергию химических связей органических веществ. Без солнечной энергии были бы невозможны круговороты биогенных химических элементов и эволюция живых организмов.

Главными принципами существования биосферы, по Вернадскому, являются ее целостность и гармония. Физические пределы существования жизни довольно малы и определяются мировыми физическими константами, которые в свою очередь задают узкие интервалы температур и давлений, пригодных для существования живых организмов (например, предельный тепловой интервал - от минус 252 до плюс 180 градусов по Цельсию). К этому добавляется еще и антропный принцип : все мировые физические константы удивительным образом «подогнаны» к существованию жизни. Будь они чуть-чуть выше или ниже, жизнь во Вселенной вообще была бы невозможна.

Идеи «всюдности» и и «растекаемости» жизни : биосфера. как уже было сказано выше, захватила все геосферные земные оболочки, живое вещество, подобно жидкости, растекается по планете, и чем мельче организмы, тем быстрее скорость их размножения.

В. И. Вернадский создал также учение о ноосфере - биосфере, управляемой разумной человеческой мыслью. Одна из его работ называется «Научная мысль как планетное явление». Это гимн человеческому разуму. Идею ноосферы разрабатывал и крупнейший французский палеонтолог и антрополог П. Тейяр де Шарден, автор книги «Феномен человека», который определил ноосферу как одну из стадий эволюции мира, движущей силой которой является «целеустремленное сознание». В отличие от него, В. И. Вернадский рассматривал возникновение сознания как закономерный результат развития биосферы. Вернадский дал и критерии перехода биосферы в ноосферу : заселение человеком всей планеты, выход в космическое пространство и освоение Солнечной системы, улучшение средств коммуникации, торжество демократии, т.е. участие широких народных масс в управлении планетой, исключение войн из жизни человечества и т.д. За исключением последнего, к концу ХХ века все критерии Вернадского оказались выполненными, но до ноосферы еще очень далеко. Вместо нее в конце ХХ века человечество получило глобальный экологический кризис.

В конце ХХ века в связи с серьезными экологическими проблемами появилось еще одно понятие и связанный с ним раздел науки - биоэтика. Это понятие можно определить как уважение к жизни, к биосфере в целом и к каждому живому организму в отдельности. Если раньше основной целью существования любого общества было создание максимального комфорта для жизни человека, господствующей идеей был антропоцентризм (человек и его удобство в центре всего), то теперь главная цель деятельности всего человечества – это сохранение биосферы.

Контрольные вопросы:

1. Что такое биосфера ?

2. В чем состоит геологическая роль живого вещества Земли?

3. В чем заключается космическая роль живых организмов ?

Литература :

1, 2, 5, 8, 21, 22

ЛЕКЦИЯ 17. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ. ГЛОБАЛЬНЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС

Термин «экология» был предложен во 2-й половине Х1Х века немецким биологом Э.Геккелем для раздела биологии, изучающего взаимодействия живых организмов между собой и со средой обитания (греческий корень «ойкос» означает дом, жилище, местообитание).

Приведем основные определения экологии.

Биоценоз - это совокупность всех живых организмов данного места (территории, акватории), связанных трофическими цепями.

Биотоп - неживая среда обитания биоценоза. Биогеоценоз

(экосистема) – биоценоз вместе со средой обитания, т.е. биоценоз + биотоп. Примеры экосистем : лес (хвойный или листопадный), луг, река, озеро, морская толща или морской берег и т.д. Биосфера - совокупность экосистем Земли (см. Лекцию 13)

Свойства экосистем : способность к самовоспроизведению и

устойчивость. Если не вмешиваться в жизнь экосистемы, она будет самостоятельно существовать и развиваться. Это отличает природные экосистемы от искусственных, созданных человеком агроценозов (например, засеянное поле, молочная ферма), которые неустойчивы и не способны к самовоспроизведению.

Некоторые законы классической, т.е. биологической экологии :

1. Закон Эшби : чем экосистема разнообразнее, тем она устойчивее. В Лекции 16 уже подчеркивалось, что многообразие биосферы - это основа ее устойчивости. Становится ясно, что уменьшение биоразнообразия, т.е. быстрое вымирание видов, ведет к неустойчивости биосферы.

2. Закон ограничивающего фактора (минимума Либиха) : наиболее значим тот из факторов внешней среды, который больше всего отклоняется от оптимальных для организма значений, поскольку от него в данный момент зависит выживание особей.

3. Закон незаменимости биосферы : биосфера – это единственная система, обеспечивающая устойчивость среды обитания, т.е. это наш общий для всего живого и единственный дом. Биосферу не в состоянии заменить созданная человеком техносфера.

4. Закон физико- химического единства живого вещества : при всем разнообразии живых организмов Земли они настолько сходны по физико-химическим параметрам, что вредное для одних воздействие вредно и для других.

5. Закон однонаправленности потока энергии : 90% энергии, получаемой продуцентами, рассеивается в виде теплоты, и только 10% передается консументам на каждой ступени трофической цепи. Поскольку обратный поток энергии (от редуцентов к продуцентам) ничтожно мал (максимум 0,35 от поступившей энергии), нельзя говорить о круговороте энергии, энергетический поток направлен только в одну сторону.

6. Закон необратимости эволюции Л. Долло : организм (популяция, вид) не может вернуться к первоначальному виду, от которого от произошел, даже если ему вернуть первоначальную среду обитания.

7. Закон (принцип) исключения Гаузе: два вида не могут сосуществовать в одном месте, если их экологические потребности идентичны, т.е. если они занимают одну и ту же экологическую нишу.

8. 4 закона экологии американского эколога Б. Коммонера :

1. Все связано со всем. Фактически это повторение основной идеи учения В. И. Вернадского.

2. Все должно куда-то деваться. Это мысль об отходах материального производства и быта человека : мы выбрасываем отходы в биосферу, т.е. фактически выкидываем их себе на голову (человек - часть биосферы, биосоциальное существо, он принадлежит природе и обществу ; загрязняя биосферу, мы убиваем себя).

3. За все надо платить, и не только в смысле платы за пользование природными ресурсами. Слово «платить» подразумевает «расплачиваться» : за ошибки по отношению к природе одного поколения будут расплачиваться потомки.

4. Природа знает лучше, ее не надо покорять и обуздывать, человек как биосоциальное существо должен вписаться в биосферу, находиться с ней в гармонии. Увы, сегодняшний глобальный экологический кризис, в котором сейчас пребывает все человечество, свидетельствует о совсем противоположных взаимоотношениях природы и общества.

Глобальный экологический кризис конца ХХ века

Во второй половине ХХ века человечество, которое во все предыдущие эпохи воспринимало биосферу только как источник ресурсов для своей хозяйственной деятельности, постепенно начало осознавать, что дальше так продолжаться не может и надо что-то предпринимать для сохранения биосферы.

Из узкого раздела биологии экология превратилась не только в самостоятельную комплексную науку, но и стала одной из главных общечеловеческих проблем - такой, как сохранение мира и международной безопасности, освоение космоса и т.п.

Кроме чисто биологического научного аспекта у экологии появились прикладная (охрана природы) и социально- экономическая (создание экономической и законодательной базы охраны природы ) функции. Нынешние экологические проблемы имеют не национальный, а планетарный масштаб.

Каковы же основные составляющие глобального экологического кризиса конца ХХ – начала ХХ1 в ?

1. Загрязнение биосферы производственными и бытовыми отходами. Основные загрязнители атмосферы - это угарный газ (продукт неполного сгорания, является высокотоксичным веществом), углекислый газ (образуется при сжигании любого топлива, нетоксичен, но его чрезмерное накопление в стратосфере обуславливает парниковый эффект), оксиды серы и азота, содержащиеся в промышленных выбросах (виновники

«кислотных дождей»). Гидросфера и ландшафт загрязняются главным образом нефтью и нефтепродуктами, соединениями тяжелых металлов (ртути, кадмия и свинца), хлорорганическими соединениями (в основном пестицидами, применяемыми для борьбы с вредителями в сельском хозяйстве) и радиоактивными отходами, образующимися при работе атомных электростанций, а также в результате конверсии (ядерного разоружения).

2. Истощение запасов невозобновляемых ресурсов (нефти и природного газа при нынешних темпах добычи едва хватит до конца ХХ1 века, угля и руд металлов - на 2-3 столетия).

3. Природное воспроизводство возобновляемых ресурсов (лесов, животного мира) сильно отстает от их уничтожения (особенно это касается лесных массивов, которые являются легкими планеты).

4. Уменьшение биоразнообразия, т.е. быстрое, происходящее в течение столетия вымирание многих видов растений и животных, заносимых в Красную книгу (в ходе естественной биологической эволюции это происходит за миллионы лет). А приведенный выше закон Эшби гласит : чем экосистема разнообразнее, тем она устойчивее. Значит, биосфере Земли, грозит сначала неустойчивость, а затем и гибель.

5.Сокращение пахотных земель за счет урбанизации (роста городов), строительства транспортных сетей (железных, автомобильных и трубопроводных), роста количества свалок. 6.Демографический взрыв - сильный рост населения планеты в отдельных ее регионах (Китай, Индия, африканский и южноамериканский континенты). В ХХ веке численность населения планеты увеличилась с 1 млрд. в 1900 г до 6 млрд. в 2000, т.е. в 6 раз. Наряду в сокращением пахотных земель это грозит голодом части человечества (уже сейчас по различным данным до 10% населения Земли голодает).

Пути выхода из сложившейся экологической ситуации были намечены на второй Конференции ООН по проблемам окружающей среды, состоявшейся в 1992 году в Рио де Жанейро, где была принята Концепция устойчивого экономического развития. В 1996 г. эта Концепция принята в России. Но подробный рассказ о ней уже выходит за рамки данного курса.

Контрольные вопросы :

1. Что такое экосистема и каковы ее свойства ?

2. Кто ввел в науку термин «экология» ?

3. В чем суть глобального экологического кризиса конца ХХ в ?

Литература :

1,2,5,12,21,22

ЛЕКЦИЯ 18. ИТОГИ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

В ХХ ВЕКЕ

Обращаясь к первой лекции, где даны исторические этапы развития науки, напомним, что ХХ век был назван веком НТР – научно – технической революции. В этот период технические потребности зачастую ставили проблемы, дающие толчок для развития новых разделов науки, а научные успехи наиболее эффективно закреплялись, если могли найти практическое применение. Однако слишком тесное сплетение науки и техники вредно, поскольку у каждого из этих блоков есть своя специфика : наука познает окружающий мир, а техника его преобразует. Но выше, в Лекции 17 уже было сказано о том, что чрезмерное преобразование природы ведет к негативным последствиям и грозит гибелью биосфере. В этом заключено одно из противоречий современной науки. Сейчас человечество должно отказаться от такой соблазнительной ранее идеи, как господство над природой, и сосредоточить все усилия для сохранения биосферы.

В конце ХХ века усилился процесс интернациолизации науки, поскольку многие задачи оказываются непосильными для какой-либо одной, даже весьма развитой страны, например, экологические проблемы, имеющие планетарный характер, освоение Космоса, победа над некоторыми болезнями (рак, СПИД, неожиданно возникающие вирусные заболевания – атипичная пневмония, коровье бешенство, куриный грипп и т.п. )

Наука находится в процессе постоянного развития, но предугадать, в каком конкретном направлении она будет продвигаться особенно успешно, невозможно. Физики предполагали, что уже в середине ХХ века будет осуществлена и управляемая термоядерная реакция и создана единая теория поля, а прорыв совершился в термодинамике открытых неравновесных систем (была создана синэргетика). Кибернетики думали, что прогресс в области ЭВМ пойдет в сторону создания все более громоздких машин, а появился персональный компьютер.

Теперь приведем наиболее выдающиеся достижения в естественных науках, которые позволили назвать ХХ век веком НТР. Итак, в физике :

-создание квантовой механики и ядерной физики (прорыв

в микромир);

-создание теории относительности (прорыв в мегамир);

-возникновение синэргетики - науки об открытых неравновесных системах, описывающей самоорганизацию в неживой и живой природе;

-физические основы, позволившие создать ракетные двигатели для преодоления земной гравитации и выхода в Космос;

-создание кибернетики (в тесном взаимодействии с техническими науками), ЭВМ и персонального компьютера;

-в астрономии: модель Большого взрыва и расширяющейся Вселенной ;

в химии:

-создание полимерной химии и технологии;

-развитие элементоорганической химии;

-открытие и изучение автокаталитических реакций;

в области наук о Земле:

-открытие подвижности континентов и дна океанов (тектоника литосферных плит);

в биологии и антропологии:

-развитие микробиологии (антибиотики);

-прорыв на молекулярный уровень: открытие строения белков и нуклеиновых кислот (двойная спираль ДНК), генетического кода и механизма воспроизводства жизни;

-модели происхождения жизни;

-создание этологии (формы поведения организмов), гелиобиологии и этнологии (влияние Космоса на живые организмы);

-создание психоанализа: соотношение сознательного и бессознательного в человеческой психике;

-развитие экологии: взаимодействие живых организмов со средой обитания, учение о биосфере, влияние экономической деятельности на состояние биосферы.

В данном курсе уже приводились даты возникновения квантовой механики, символизирующей новую физику ХХ столетия, и генетики, новой биологии (ее второе рождение) -

1900 г, т.е. обе науки - ровесницы ХХ века. Вся первая половина ХХ столетия прошла под флагом несомненного лидерства физики в естественных науках (это лидерство существовало и в предыдущие века, физика испокон веков считалась матерью всех наук). К концу ХХ века ситуация принципиально изменилась: с выходом на молекулярный уровень в лидеры вырвалась биология. Правда, произошло это тогда, когда в биологию пришли физические и химические методы исследования, а вместе с ними и математика.

Все эти научные достижения ХХ века позволили сформулировать некоторые общие закономерности развития мироздания :

1. Для природы характерен универсальный эволюционный путь развития (от Вселенной до кварков).

2. Природе свойственна самоорганизация (от неживых систем до биосферы).

3. Существует общая связь неживой и живой природы и человека (выявлена в экологии).

Таким образом, в ХХ веке в естествознании произошла смена лидеров: вместо физики ведущую роль начала играть биология, которая благодаря приходу в нее физических, химических и математических методов вырвалась на передовые позиции в мировой науке.

Контрольные вопросы :

1.Каковы общие черты научно – технической революции ?

2.Перечислите основные достижения естественных наук в ХХ в.

3.Какая из естественных наук лидирует в настоящее время ?

Литература :

21, 22, 23