История науки

этому периоду. Геохронологическая шкала истории Земли, начиная с па­ леозоя, приведена на рис. 3.19. Пер­ вые живые организмы появились на Земле примерно 3,5 млрд, лет назад. Это были простейш ие существа — микроорганизмы. В кембрийский пе­ риод стали появляться организмы бо­ лее высокой сложности. Жизнь разви­ валась в основном в морях и была представлена примитивными ракооб­ разными, моллюсками, кораллами. Морские позвоночные животные — щитковые рыбы, морские звезды и др. появились 450 млн. лет назад. Если со­ поставлять по времени 3,5 млрд, лет

$ биоэволюции и 570 млн. лет с начала | кембрийского периода* то можно счи- I тать, что появление животных про­ изошло весьма быстро. Жизнь, бурно

Рис. 3.19. Геохронологическая шкала исто­ развивавшаяся в морях в ордовикский рии Земли

период, 440 млн. лет назад стала уга­ сать, как полагают, из-за наступившего оледенения. В силуре и девоне жизнь впервые вышла на сушу. К революционным изменениям в облике планеты при­ вело обогащение растительного покрова Земли деревьями и кустарниками, да­ ющими семена. Это произошло примерно 360-385 миллионов лет назад. Рас­ тительный мир с тех пор стал быстро расселяться по планете. Растения стали

независимы от рек и болот. Семена, снабженные питательными веществами, защищенные плотной оболочкой от превратностей климата, позволяли сохра­ нять «жизнь» растительному миру, перенося ее по суше все дальше и дальше. Считается, что сотни тысяч лет было достаточно для того, чтобы леса покрыли оголенные до того скалы континентов. Каменистая поверхность преображалась под воздействием корневой системы растений. Каменные слои дробились, раз­ рушались под влиянием эрозии, выветривались. По одной из существующих гипотез такой процесс привел к катастрофе в море. Отходы жизнедеятельнос­ ти огромного лесного массива уносились реками в моря и океаны. Образовы­ вались огромные плантации водорослей, которые, отмирая, падали на дно. Процесс разложения водорослей поглощал кислород, находящийся в воде. Ра­ стительный и животный мир моря стал задыхаться от нехватки кислорода. Оке­ анское дно опустело. Доказательством этого являются черные слои остатков во­ дорослей в осадочных породах, возникших в девонский период. Они имеют черный цвет, свидетельствующий о нехватке кислорода.

Пермский период закончился грандиозной катастрофой. Жизнь на Зем­ ле почти прекратилась. По гипотезе о дрейфе континентов 250 миллионов лет назад существовал единый сверхконтинент — Пангея, омываемый вол­ нами океана Татис. Огромная территория Пангеи была покрыта лесами. Ра­ стительная и морская животная жизнь процветала. Кризис был скоротеч­ ным. За несколько миллионов лет погибло 95 процентов всей органической материи. Исчезло 80 процентов четвероногих. Линия млекопитающих была практически прервана. Сохранился единственный вид млекопитающих — дицинодон, ставший предком всех других млекопитающих. Животный мир задохнулся из-за нехватки кислорода, возникшей при разложении мертвой органики, оставленной океаном при отступлении от материка. Это отступле­ ние объясняется уменьшением воды из-за образования ледниковых шапок на материке при прохождении Пангеи через полярную область.

Известны и другие гипотезы, объясняющие катастрофу, произошедшую 250 миллионов лет назад. По одной из них причиной катастрофы явился взрыв сверх­ новой неподалеку от Солнца. В результате взрыва был разрушен озоновый слой атмосферы Земли, и все живое оказалось беззащитным перед убийственным уль­ трафиолетовым излучением. Существует мнение о возможном образовании на поверхности материка базальтового панциря из вулканической лавы.

Последняя в истории Земли глобальная катастрофа произошла 65 мил­ лионов лет назад. По общепризнанной гипотезе лауреата Нобелевской пре­ мии американского физика Луиса Алъвареца, выдвинутой им в 1980 г., при­ чиной катастрофы стал гигантский метеорит, упавший на Землю. Косми­ ческий пришелец имел продольный размер порядка 10 километров. Он упал на Землю, имея скорость порядка 70000 км/час, и оставил «след» глубиной 20 километров. Место падения — северный берег сегодняшнего полуостро­ ва Юкатан. Метеор попал в скалу из серосодержащих кристаллов, при этом в атмосферу было выброшено около 100 миллиардов тонн серы. Атмосфера наполнилась сернистыми соединениями. Кроме того, облака пыли и дыма долгие месяцы окутывали Землю. Удар метеорита привел в движение ман­ тию Земли, которая передала ударную волну на противоположную сторону

единицу живого организма. Клетка осуществляет все главные жизненные про­ цессы —дыхание, питание, размножение, выделение. Клетки могут существо­ вать и как самостоятельные организмы (бактерии, простейшие). Клетки одного типа, сгруппировавшиеся вместе, образуют ткань, входящую в состав органов.

Схема устройства клетки животного показана на рис. 3.20. Структура клетки включает внешнюю оболочку и внутренние «перегородки». И обо­ лочку и перегородки называют мембранами. Клеточная или плазматичес­ кая мембрана покрывает клетку, выполняя, прежде всего защитную функ­ цию. Кроме того, через клеточную мембрану осуществляется питание клет­ ки и выделение отходов, то есть обмен с внешней средой. Клеточная мемб­ рана состоит из жиров — липидов и по консистенции напоминает раститель­ ное масло, в котором свободно плавают белковые (липидные) молекулы. При поглощении клеткой какой — либо молекулы липидная оболочка как бы обволакивает ее и проваливается внутрь клетки. Продукты переварива­ ния также выделяются из клетки с помощью обволакивания их липидным веществом. Образуется что-то наподобие пузырька, проходящего через мем­ брану, не нарушая ее целостности. Мембрана пузырька сливается с клеточ­ ной мембраной (оболочкой), а содержимое «пузырька» оказывается выбро­ шенным наружу. Эти своеобразные пузырьки называются лизосомами.

Мембраны-перегородки создают в клетке полости, в которых осуществля­ ются те или иные процессы жизнедеятельности. Мембраны-перегородки при­ дают форму клетке, создают своеобразные «стеллажи» для размещения на них разнообразных структур жизнедеятельности клетки, а также образуют так на­ зываемый аппарат Гольджи —структуру, ответственную за транспортировку и выделение белков. Многие продукты жизнедеятельности клетки перерабаты­ ваются в аппарате Гольджи и выносятся в «пузырьках» за пределы клетки. Си­ стему полостей, образованных мембранами-перегородками называют «гладкий эндоплазматический ретикулум». Все жидкое содержимое клетки, заполняю­

щее полости, называется цитоплаз­ мой. Для всех процессов, протекаю­ щих в клетке, необходима энергия. Энергетическими «станциями» клетки являются митохондрии, поставляю­ щие клетке вещества, используемые в различных процессах, требующих энергии.

Вся информация о живом организ­ ме, которому принадлежит клетка, хранится в ядре. Ядро отделено от со­ держимого клетки двойной мембра­ ной. Клеточное ядро заполнено белка­ ми и связанными с ними нуклеиновы­ ми кислотами: дезоксирибонуклеино­ вой кислотой (ДНК) и рибонуклеино­

Дик вой кислотой (РНК) (рис. 3.21). Моле­ кулы ДНК состоят из двух цепочек,

тический код будет воспроизведен полностью. Это важное обстоятельство единства генетических программ во всех клетках данного организма создает условия для создания генетических двойников — клонирования. Появились сообщения об успешных опытах по клонирванию, проведенных в Англии, Шотландии, США. В результате клонирования получены двойники лягушек, овец, обезьян. Всерьез рассматривается вопрос о клонировании человека, хотя сама постановка такого вопроса весьма сомнительна в моральном отношении.

Научно-техническое направление, связанное с искусственными метода­ ми управления генетической информацией, получило название генной ин­ женерии. Возможность внедрять в клетку желаемую генетическую инфор­ мацию открывает самые широкие перспективы использования генной ин­ женерии в медицине, животноводстве, сельском хозяйстве. В последние годы бурно развивается новое направление в медицине — молекулярная ме­ дицина. Главный вопрос традиционной медицины «Чем вы болеете?» в мо­ лекулярной медицине трансформируется в вопрос « Чем вы можете забо­ леть?». Молекулярная медицина выявляет генетическую предрасположен­ ность человека к различным болезням. Методы молекулярной медицины « работают» на генном уровне и позволяют лечить как наследственные, так и ненаследственные заболевания.

4.5.Синтетическая теория эволюции

Внастоящее время в теорию эволюции включены данные генетики, палеон­ тологии, экологии, молекулярной биологии и концепции дарвинизма. Пре­ обладающая на сегодня теория эволюции названа в связи с этим «синтети­ ческой теорией эволюции». Строгие законы эволюции на сегодня не сфор­ мулированы. Мы имеем дело с гипотезами, имеющими частные практичес­

кие подтверждения.

Синтетическую теорию эволюции принято разделять на две структурные части: теорию микроэволюции и теорию макроэволюции. В рамках теории микроэволюции изучаются необратимые преобразования популяций, при­ водящие к формированию нового вида. Популяция (фр. population — насе­ ление) является совокупностью организмов (особей) одного вида с единым генофондом, занимающих определенную территорию. Все живое существует в популяциях. У каждой популяции есть количественные границы: мини­ мальная численность, необходимая для самовоспроизводства и предельно достижимый максимум численности. Вид — это группа скрещивающихся между собой организмов, которые не могут скрещиваться с представителя­ ми других таких групп. Вид может возникать только в пределах одной по­ пуляции. Реально вид существует в форме популяций.

Теория макроэволюции изучает происхождение надвидовых таксонов, а также направления и закономерности развития жизни на Земле в целом,

включая происхождение человека.

Термин «таксон» (греч. taxis - расположение, строй) определяет общее на­ звание групп организмов. Первую универсальную классификацию форм жиз-

В рамках синтетической теории эволюции макроэволюция, ведущая к об­ разованию надвидовых групп, осуществляется через процессы микроэволю­

ции и каких-либо особых механизмов, определяющих возникновение этих групп, не имеет.

Синтетическая теория эволюции предполагает медленность процесса развития, так как мутантные гены возникают редко, и еще реже мутации ста­ новятся началом эволюционных процессов.

В последние годы все настойчивее в науку проникают концепции пре­ рывистой эволюции, восходящие к катастрофизму Кювье. Гипотезы преры­ вистого развития опираются на современную генетическую теорию, под­ тверждаются рядом фундаментальных открытий в молекулярной генетике, палеонтологии и биохимии. Микроэволюция и макроэволюция концепци­ ями прерывистого развития разобщаются. Механизмы макро- и микроэво­ люции полагаются различными и независимыми.

4.6. Концепция самоорганизации

Термин «самоорганизация» в широком смысле близок к понятию «эволюция» и отражает принцип развития Природы от простого к сложному. Формулировку «от простого к сложному» следует понимать как направление развития материи от состояния большей энтропии к состоянию с меньшей, или, в общем, от хао­ са к порядку. Вспомним, что классическая термодинамика предписывает не­ обратимость процессов, их развития в сторону увеличения энтропии, то есть от организованных структур к хаосу. Из этого принципа возникли и гипотеза «теп­ ловой смерти» Вселенной и соответствующий термодинамический парадокс.

Термин «самоорганизация» кроме понятия «организация», то есть обре­ тение упорядоченности предполагает, что этот процесс происходит не за счет внешнего воздействия, а за счет внутренних изменений самой системы. О ка­ ких системах и материальных объектах мы говорим? Концепция самооргани­ зации в общем касается всех живых, неживых природных, а также обществен­ ных систем. В последние десятилетия XX века возникла интегрирующая на­ ука — синергетика, определяемая как теория самоорганизации открытых, диссипативных нелинейных систем. Остановимся теперь на этих понятиях.

Открытость системы означает ее возможность обмениваться с окружаю­ щей средой веществом, энергией и информацией. Альтернативной пред­ ставляется закрытая система. Закрытая система является физической абст­ ракцией, но тем не менее многие физические законы сформулированы для закрытых систем, когда эффектом обмена можно пренебречь или система находится в равновесии (что близко по смыслу). Такова, например, Вселен­ ная Ньютона, являющаяся закрытой системой. Классическая термодинами­ ка, основанная на нескольких постулатах, по своему смыслу является как бы термостатикой, поскольку в ней рассматриваются равновесные процессы.

Изолированная система, предоставленная самой себе (самоорганизующа­ яся), неизбежно переходит к состоянию с наибольшей энтропией, то есть к термодинамическому равновесию или наибольшему хаосу.