Концепции современного естествознания. Ответы на экзаменационные вопросы

покровом Земли или изменения концентрации углекислого газа в атмосфере, связанного с деятельностью человека.

На биогеоценотическом уровне ведущими являются проблемы взаимоотношений организмов в биоценозах, условия, определяющие их численность. На популяционно-видо- вом уровне изучаются факторы, влияющие на численность популяции, проблемы сохранения исчезающих видов.

На организменном уровне изучают особь и свойственные ей как целому черты строения, физиологические процессы адаптации к условиям среды обитания. Основные проблемы заключаются в изучении особенностей строения и функций отдельных органов.

Особый уровень – клеточный. Биология клетки – один из основных разделов современной биологии. Он включает проблемы морфологической организации клетки, специализацию клеток в ходе развития, функции клеточной мембраны, механизмы деления клеток.

Молекулярный уровень является предметом молекулярной биологии, изучающей строение белков, их функции, роль нуклеиновых кислот в хранении и реализации генетической информации, т.е. процессы синтеза ДНК, РНК и белков.

4.2. Теории эволюции органического мира

Эволюция (от лат. evolutio) – необратимый процесс исторического изменения живого. Впервые термин «эволюция» был использован в биологии швейцарским естествоиспытателем Ш. Бонне (1762 г.). Эволюционное учение – это раздел биологии, изучающий общие закономерности и движущие силы исторического развития органического мира.

Появление клетки означало окончание предбиологической эволюции живого и начало биологической эволюции. Клетка – основная структурно-функциональная единица всех живых организмов. Клетка может существовать как отдельный организм (бактерии, простейшие, некоторые водоросли, грибы) или в составе тканей многоклеточных животных и растений. Различают клетки прокариоты, не обладающие ядром, и эукариоты. Клетки эукариоты способны к самовоспроизводству путем метоза.

Важнейшие химические компоненты клеток – белки, включая ферменты, – содержатся как в клетках, так и в жидких средах организма, но синтезируются только в клетках.

51

Все клетки имеют сходный набор органоидов, сходно регулируют метаболизм, запасают и расходуют энергию, используют генетический код для синтеза белков. Принципиально сходно функционируют и клеточные мембраны. Однако разные клетки различаются по размерам и форме, набору ферментов. Различия в структуре и функциях одноклеточных организмов связаны с их приспособлениями к среде обитания.

Появление клетки означало окончание предбиологической эволюции живого и начало биологической эволюции жизни1. Первые на планете одноклеточные организмы (прокариоты) жили в бескислородной среде и питались готовыми органическими соединениями («органический бульон»), синтезированными в ходе химической эволюции. По мере исчерпания этого источника некоторые организмы стали формировать макромолекулы биохимическим путем. Внутри самих клеток при помощи ферментов, специфических белков, присутствующих во всех живых клетках и играющих роль катализаторов. Наиболее жизнеспособными оказались те клетки, которые могли получать энергию от Солнца. Переход живого к получению энергии за счет Солнца явился поворотным в эволюции живого.

Эволюция эукариотов привела к разделению на растительные и животные клетки. Растительные клетки изменялись в сторону ограничения передвижения, но в направлении использования фотосинтеза. Животные клетки – в сторону увеличения способности к передвижению, а также совершенствованию способов поглощать и выделять продукты переработки пищи.

Дальнейшая эволюция живого произошла около 700– 800 млн лет назад и связана с появлением многоклеточных организмов, тело которых состоит из многих клеток и их производных. Это животные, растения и грибы.

Важным этапом в эволюции живого явились выход растительного и животных организмов из воды на сушу и дальнейшее увеличение количества видов наземных растений и животных. Резко увеличился темп эволюции живого на Земле. Вершиной этого процесса стал Человек. Именно человек разумный обладает способностью целенаправленно изменять мир и самого себя в этом процессе. Человек по-

1 Концепции современного естествознания. Под редакцией Л.А. Михайлова. СПб., 2008, с. 237.

52

явился на Земле в итоге сложного и длительного процесса историко-эволюционного развития.

Эволюционная теория Ч. Дарвина основывается на большом историческом материале. Идею изменения всех видов животных и растений высказывал Аристотель. Но именно Ч. Дарвин впервые обнаружил в природе принцип естественного отбора и обобщил отдельные эволюционные идеи в стройную теорию эволюции.

Около 67 млн лет назад птицы и млекопитающие получили преимущество в естественном отборе благодаря, прежде всего, теплокровности. Терморегуляция обеспечивала поддержание оптимальной температуры тела в условиях меняющейся температуры окружающей среды и стабильность функционирования внутренних органов млекопитающих. Развитая нервная система способствовала приспособлению и защите организмов. Это связано с тем, что нервная система воспринимает внешние и внутренние раздражители, перерабатывает поступающую информацию, координирует функции организма.

Появление приматов – решающий этап в развитии живого. Древнейшие приматы в меловом периоде расселились из Азии в Европу, Северную Америку, Африку. Для приматов характерны 5-палые хватательные конечности, очень подвижные верхние конечности. Жизнь на деревьях способствовала развитию вертикального положения тела, что подготовило переход к прямохождению и наземному образу жизни.

4.3. Структурные уровни организации живой материи

В настоящее время является общепринятым выделять в структуре живой материи уровни, что дает возможность понять специфику живой материи, выявить закономерности ее функционирования и развития. Такая возможность определяется тем, что все живые организмы группируются в соответствии с особенностями своего внутреннего и внешнего строения, начиная с молекулярно-генетического уровня и кончая биосферой в целом.

Представление о структурных уровнях живой материи сформировалось под влиянием открытия клеточного строе- нияживыхорганизмов.Клетка–основнаяструктурно-функ-

53

циональная единица всех живых организмов, элементарная живая система. Современная наука о клетке – цитология – представляет клетку как сложноорганизованную биологическую систему. Основная заслуга оформления клеточной теории принадлежит М. Шлейдену и Т. Шванну. Однако они считали, что главная роль в клетке принадлежит оболочке и что клетки образуются из бесструктурного вещества. Современная клеточная теория рассматривает многоклеточный организм как сложноорганизованную систему, состоящую из функционирующих и взаимодействующих клеток.

Вирусы, доклеточные формы жизни, занимают промежуточное положение между живым и неживым. Они состоят из белковых молекул и нуклеиновых кислот, не имеют собственного обмена веществ.

Каждая клетка имеет ядро, помещенное в цитоплазму, в которой осуществляются все процессы клеточного метаболизма, кроме синтеза нуклеиновых кислот, происходящего в ядре. Основное вещество клетки – белки, молекулы которых состоят из аминокислот.

Все живые организмы принято подразделять на одноклеточные и многоклеточные. Для одноклеточных (прокариот) характерно отсутствие дифференцированного клеточного ядра. Одноклеточные сходны с клетками многоклеточных организмов. Среди одноклеточных есть просто устроенные (хлореллы, амебы) и сложные (инфузории). От одноклеточных произошли многоклеточные.

К многоклеточным относят деревья и кустарники. Могут плодоносить каждый год.

Цитология рассматривает клетку как сложную биологическую систему. Оболочка клетки наполнена протоплазмой. Долгое время основной структурой клетки считалась оболочка, но к середине XIX в. стало ясно, что протоплазма – основной субстрат жизни. В протоплазме находятся органоиды, выполняющие функции обмена веществ, дыхания, синтеза белка и другие, и ядро с генетическим кодом. Органоиды – это клеточные структуры, обеспечивающие хранение и передачу генетической информации, транспортировку веществ, синтез и превращения веществ и энергии, деление, движение.

Биологическим системам характерны высокий уровень целостности, саморегуляция, синтез органических веществ, размножение, адаптация к окружающей среде и передача наследственной информации. Живому присуще самовос-

54

произведение. ДНК, хромосомы и гены управляют живыми системами.

На основе современных знаний о живой материи выделяют структурные уровни организации живой материи1: 1) молеку- лярно-генетический, клеточный, организменный, популяци- онно-видовой, биогеоценозный; 2) молекулярный, клеточный, тканевый, органный, организменный (онтогенетический), по- пуляционно-видовой, биогеоценотический, биосферный.

Молекулярно-генетический уровень биологических структур. На этом уровне происходит переход от атомно-моле- кулярного уровня неживой материи к макромолекулам живой. На этом уровне элементарными структурными единицами являются гены. Наследственная информация заложена в молекулах ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты) с участием молекул РНК (рибонуклеиновые кислоты). ДНК и РНК выделены из ядер клеток, поэтому получили название нуклеиновых (ядерных) кислот. Нуклеиновые кислоты хранят и передают наследственную информацию, участвуют в синтезе белка и обмене веществ.

В состав клеточных организмов входят оба типа нуклеиновых кислот. Вирусы содержат нуклеиновые кислоты одного типа – ДНК или РНК.

Важной задачей биологии является исследование механизмов передачи генной информации, наследственности и изменчивости. Изменчивость на молекулярном уровне – это мутация генов под воздействием внешних факторов – это вирусы, радиация, токсические химические соединения. Изменения могут происходить и за счет рекомбинации генов (классический вариант). В неклассических случаях рекомбинация может сопровождаться увеличением информации генома клетки.

Клеточный уровень. Клеточная теория – важнейшее событие в биологии XIX века. Эта теория стала основной для развития физиологии, эмбриологии, теории эволюции. Клетки разнообразны по форме, размерам и функциям. Клетка – пространственная организация химических процессов. На клеточном уровне происходят процессы обмена веществ, передачи информации, превращения веществ и энергии. Клетка – элементарная живая система.

1 Концепции современного естествознания. Под редакцией Л.А. Михайлова. СПб., 2008, с. 217; Биологический энциклопедический словарь. М., 1989, с. 659.

55

По типу питания клетки подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные не нуждаются в органической пищи извне, а производят ее сами, используя энергию солнца, углерод, воду и минеральные вещества, за счет фотосинтеза (растения). Гетеротрофные клетки для своего питания используют готовое органическое вещество. Гетеротрофные клетки способны развиваться в самых разнообразных экологических условиях как за счет органических веществ, образуемых автотрофами, так и привносимого извне.

Организменный уровень включает в себя как одноклеточные, так и многоклеточные организмы как более высокий и сложный уровень организации живого. Онтогенез – это индивидуальное развитие особи, вся совокупность ее преобразований от зарождения до конца жизни. Термин введен в

биологию Э. Геккелем (1866 г.). В ходе онтогенеза происходят рост, дифференцировка и интеграция частей развивающегося организма. Идет процесс реализации генетической и наследственной информации. Проявляются фенотипические признаки. В ходе онтогенеза реализуется программа дальнейшего развития организма в виде кода наследственной информации.

Уразных групп организмов возможности онтогенеза разные.

Популяционно-видовой уровень. Популяции являются

системами, посредством которых существуют виды живых организмов. Популяция – совокупность особей одного вида, обладающих общим генофондом и занимающих определенную территорию. Структура популяции проявляется в определенном количественном соотношении особей разного возраста, пола.

Популяции – генетически открытые системы. Периодически может происходить обмен генетической информацией, что приводит к эволюции. Появление новых видов связано с изменениями генофонда.

Термин «популяция» был введен В. Иогансеном в 1903 году для обозначения неоднородностей в генетическом отношении группы особей одного вида в отличие от однородной чистой линии. Но уже Ч. Дарвин объяснял происхождение видов в процессе эволюции, опираясь на данные о наследственной изменчивости и конкуренции в пределах популяции.

Биосферный уровень. Биосфера – оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. Термин «биосфера» ввел Э. Зюсс (1875 г.), понимая ее как тонкую пленку жизни

56

на земной поверхности. Целостное учение о биосфере создал В.И. Вернадский, основы которого изложил в 1926 году в работе «Биосфера». Биосфера – область распространения жизни на Земле. Ее состав, структура и энергетика определяются прошлой и настоящей деятельностью живых организмов. Включает верхнюю часть литосферы, почвенный слой, все воды, суши и нижнюю часть атмосферы (тропосферу).

В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил 7 типов вещества: живое вещество, биогенное вещество (вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами (горючие ископаемые)), косное вещество (горные породы), биокосное вещество (создается одновременно живыми организмами и процессами неорганической природы, например, почва), радиоактивное вещество, рассеянные атомы и вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).

Популяции, объединяясь на определенной территории, образуют биоценоз, который является составляющей более сложной системы – биогеоценоза. Если биоценоз – это совокупность животных, растений и микроорганизмов, населяющих участок среды обитания, то биогеоценоз – это участок земной поверхности с определенным составом живых (биоценоз) и косных (приземной слой атмосферы, солнечная энергия, почва) компонентов, объединенных обменом веществ и энергии в единый природный комплекс. Биогеоценоз состоит из подсистем – продуцентов: автотрофных организмов, создающих с помощью фотосинтеза органические вещества из неорганических.

4.4. О происхождении жизни на Земле

Жизнь – самое сложное явление природы. Сложность начинается с того, что еще нет общепринятого и научно обоснованного определения самого понятия «жизнь», а это усложняет решение другой проблемы – происхождения жизни на Земле. Это одна из сложных проблем естествознания.

Многочисленные определения сущности жизни можно свести к двум основным. Согласно первому жизнь определяется носителем ее свойств – белком, второе рассматривает жизнь через субстрат жизни – белок. Белок как полимер, состоящий из аминокислот, может быть синтезирован хими-

57

ческим путем, но никаких признаков жизни вне организма не проявляет. Обмен веществ – необходимое условие жизни, но не достаточное. В самом общем смысле жизнь можно определить как активное, идущее с затратой полученной извне энергии на поддержание и самовоспроизведение специфической структуры1.

Обмен веществ – условие поддержания и воспроизведения необходимой для жизни структуры, специфичной для каждого вида организмов. Живое от неживого отличается в вещественном, структурном и функциональном отношении. В состав живого входят органические соединения – белки, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Клетки составляют основу живого и этим отличаются от неживого. В функциональном плане для живых систем характерно самовоспроизводство. Для живых систем характерен обмен веществ, рост и развитие, приспособление к среде, способность к движению.

В современном естествознании существует пять гипотез возникновения жизни: 1) креационизм – гипотеза о божественном сотворении живого; 2) гипотеза самопроизвольного многократного зарождения живого из неживого вещества; 3) жизнь существовала всегда; 4) гипотеза панспермии – жизнь занесена на Землю из космического пространства; 5) гипотеза происхождения жизни на Земле в историческом прошлом путем биохимической эволюции, подчиняющейся естественнонаучным законам.

Первая гипотеза является религиозной и к науке отношения не имеет. Основывается на отрицании возможности объяснить возникновение и развитие жизни естественными причинами. Жизнь представляет собой акт преднамеренного творения. Приводятся аргументы: 1) белки и нуклеиновые кислоты могут быть созданы только живым существом; 2) в естественнонаучном плане объяснения происхождения жизни необходимо исходить из положения, что жизнь уже была закодирована в структуре атомов2.

Вторая гипотеза рассматривает жизнь как существующую вечно вместе с Землей. С изменением условий жизни на Земле происходило изменение видов: одни исчезали, другие появлялись. Такое суждение основывается на иссле-

1 Биологический энциклопедический словарь. М., 1989, с. 202.

2 М. К. Гусейханов, О.Р. Раджабов. Концепции современного естествознания. М., 2007, с. 217.

58

дованиях палеонтологии как науки о животных и растениях прошлых геологических эпох. Эта гипотеза не рассматривает проблему возникновения живого.

Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни (третья гипотеза) сформировалась в Древнем Китае, Индии, Греции как альтернативная креационизму. Представления этой гипотезы поддерживали Платон, Аристотель, впоследствии – Галилей, Декарт, Ламарк. Согласно этой гипотезе живые организмы могут появиться из неживого вещества путем самозарождения. Насекомые и лягушки, считал Аристотель, могут заводиться в иле, черви и водоросли в стоячей воде.

Такое понимание происхождения жизни уже с начала XVII века стало подвергаться сомнению. Итальянский естествоиспытатель Ф. Реди (1626–1698) сформулировал принцип: “Все живое от живого” и стал основоположником концепции биогенеза. Л. Пастер (1822–1895) на опытах с вирусами доказал несостоятельность идеи спонтанного самозарождения жизни.

Четвертая гипотеза исходит из предположения, что жизнь была занесена на Землю извне. Впервые идея занесения жизни из космоса на Землю высказана немецким биологом и врачом Г. Рихтером в конце XIX века. Жизнь могла быть занесена на Землю метеоритами, астероидами.

Согласно этой гипотезе, которую окончательно сформулировал в 1895 году С. Аррениус, наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения на нашу планету с метеоритами и космической пылью. Это предположение опирается на данные о высокой устойчивости некоторых микроорганизмов и их спор к радиации, глубокому вакууму и другим воздействиям. В настоящее время получены некоторые данные, указывающие на возможность образования органических веществ химическим путем в условиях космоса1. Так, в 1975 году предшественники аминокислот были найдены в лунном грунте. В составе метеоритов найдены адельгиды, вода, спирты, синильная кислота. Идеи панспермии поддерживали русские ученые: геофизик

П.Лазарев, биолог Л. Берг, биолог-почвовед С. Костычев. Концепция панспермии принципиально не решает про-

блемы происхождения жизни. Она переносит ее за пределы Земли, не раскрывая самого механизма ее образования.

1 Концепции современного естествознания. Под редакцией Л. А. Михайлова, СПб., 2008, с. 224, 226.

59

Наиболее перспективной является гипотеза А. И. Опарина о происхождении жизни в результате биохимической эволюции. Жизнь из неживого вещества произошла в результате длительной эволюции материи. Жизнь – это результат процессов, протекающих миллиарды лет во Вселенной и миллионы, сотни миллионов лет на Земле. Эволюция шла по схеме:

1.Геохимическая эволюция планеты Земля, синтез про-

стейших соединений, таких как СО2, NH3, H2О и т.д., переход воды из парообразного состояния в жидкое в результате постепенного охлаждения Земли. Эволюция атмосферы и гидросферы.

2.Образование из неорганических соединений органических веществ – аминокислот – и их накопление в первичном океане в результате электромагнитного воздействия солнца, космического излучения и электрических разрядов.

3.Постепенное усложнение органических соединений и образование белковых структур.

4.Выделение белковых структур из среды, образование водных комплексов и создание вокруг белков водной оболочки.

5.Слияние таких комплексов и образование коацерватов (от лат. coacervus – сгусток, куча, накопление), способных обмениваться веществом и энергией с окружающей средой.

6.Поглощение коацерватами металлов, что привело к образованию ферментов, ускоряющих биохимические процессы.

7.Образование гидрофобных липидных границ между коацерватами и внешней средой, что привело к образованию полупроницаемых мембран, что обеспечивало стабильность функционирования коацервата.

8.Выработка в ходе эволюции у этих образований процессов саморегуляции и самовоспроизведения.

Такова, по гипотезе А. Опарина, предбиологическая эволюция вещества.

Академик В. Вернадский связывал возникновение жизни со скачком, прервавшим безжизненную эволюцию земной коры. Бифуркация внесла в эволюцию противоречия, которые привели к зарождению жизни, создали необходимые условия.

Возраст земли около 5 млрд лет. Жизнь существует около 3,5–3,7 млрд лет. На начальном этапе Земля имела тем-

пературу 4–8 тыс. градусов по Цельсию. По мере остывания

60