Тема 8. Наука о живой природе

Отличие живого от неживого. Концепции возникновения жизни. Происхождение человека разумного. Эволюция жизни. Взаимодействия между популяциями, коэволюция.

Отличие живого от неживого

1. В состав живого обязательно входят высокоупорядочные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами (белки и нуклеиновые кислоты, ДНК и РНК).

2. Живое отличается от неживого клеточным строением.

3. Для живых тел характерно воспроизводство самих себя (сомовоспроизводство).

4. Неотъемлемое свойство живого – деятельность, активность. Все живые существа должны действовать, или погибнуть (обмен веществ, способность к росту и развитию, активное регулирование своего состава и функций, способность к движению, раздражимость, приспосабливаемость и т. д.).

Есть переходные формы от неживого к живому. Вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из признаков живого. У них есть наследственный аппарат, но нет необходимых для обмена веществ ферментов. Они могут расти и размножаться только в клетках организма-хозяина.

Концепции возникновения жизни.

Существует несколько концепций возникновения жизни:

1. Божественное сотворение жизни (Библия);

2. Самопроизвольное зарождение жизни из неживого вещества (Аристотель);

3. Жизнь существовала всегда и занесена на Землю извне (при изучении метеоритов и комет обнаружены органические соединения – «предшественники живого», которые могли сыграть роль семян);

4. Происхождение жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам:

А) результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого;

Б) результат длительной закономерной эволюции материи (сначала химической, затем биологической, 1924).

Последний вариант получает все больше и больше подтверждений в различных областях знания, но остается еще гипотезой.

Для возникновения жизни нужны определенные условия (диапазоны температур, влажности, давления, уровни радиации; определенная направленность развития Вселенной, время). Наша планета в Солнечной системе наиболее подходит для зарождения и развития жизни.

Основа жизни на Земле – углерод. Возможно существование жизни на кремневой основе. Углерод способен создавать разнообразные подвижные, студенистые, насыщенные водой длинные скрученные цепеобразные структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой, железом обладают каталитическими, строительными, энергетическими и информационными свойствами. Клетки состоят на 70% из кислорода, 17% углерода, 10% водорода и 3% азота. Эти химические элементы наиболее распространены во Вселенной и наиболее устойчивые.

Начало жизни – появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Клетки без ядра, но имеющие нити ДНК, напоминающие бактерии и сине-зеленые водоросли имеют возраст порядка 3 млрд. лет.

Приблизительно 2 млрд. лет назад в клетке появилось ядро.

Примерно 1 млрд. лет назад появились первые многоклеточные организмы и произошел выбор растительного (фотосинтез) или живого образа жизни.

Жизнь возможна только при определенных физических и химических условиях (температура, давление, присутствии воды, солей и т.д.). Прекращение жизненных процессов при высушивании семян или замораживании мелких организмов приводит к потере жизнеспособности. Если структура сохраняется неповрежденной, при возвращении к нормальным условиям жизненные процессы восстанавливаются.

Происхождение человека разумного

Примерно 65 млн. лет назад массово и безвозвратно погибли огромные травоядные ящеры и питающиеся ими хищные динозавры. Погибла обильная растительность: древовидные папоротники и хвощи. Начали развиваться млекопитающие и другие виды жизни, дошедшие до наших дней.

Для млекопитающих характерны железы, вырабатывающие молоко для вскармливания детёнышей, волосяной покров, относительно постоянная температура тела (~39ºС), легочное дыхание, 4-камерное сердце. Млекопитающих около 4000 видов. Теплокровность, забота о потомстве, высокая организация нервной системы позволили млекопитающим заселить все области Земли от Северного полюса до берегов Антарктиды. Численность многих млекопитающих сокращается: 230 видов и 91 подвид в Красной книге МСОП (Международный союз охраны природы и природных ресурсов).

К млекопитающим относятся и люди. Человекоподобные обезьяны (гоминоиды) отряда приматов имеют три семейства: гиббоны, понгиды (или человекообразные обезьяны) и гоминиды с одним современным видом – человек разумный.

Численность первых двух семейств сокращается. Восемь видов в Красной книге МСОП.

Проблема возникновения человека (антропогенез) одна из сложнейших в антропологии. Предполагается, что 8-5 млн. лет назад африканские обезьяны разделились на 2 ветви: одна привела к человекообразным обезьянам (шимпанзе и др), другая к первым гоминидам, к которым относят человека умелого (Homo habilis). Его ископаемые остатки находят вместе с древнейшими каменными орудиями (~2 млн. лет назад). Около 1,5 млн. лет назад в Африке, Европе и Азии появился человек прямоходящий (Homo erectus). Непосредственно наши предки – человек разумный (Homo sapiens). По поводу времени и места возникновения единого мнения нет. По одной из гипотез формирование человека разумного происходило постепенно в разных частях света. Около 40 тыс. лет назад человек разумный становиться единственным представителем семейства гоминид и к концу палеолита (35 – 10 тыс. лет назад) заселяет практически всю Землю. С концом последнего оледенения палеолит сменился мезолитом. Появились лук и стрелы, одомашнена собака (10 – 5 тыс. лет назад).

Человек (Homo) пережил не одно оледенение, переживет и потепление. На протяжении вашей жизни следует ожидать значительных «уточнений» происхождения и эволюции человека. Геном человека расшифрован всего лишь в 2000. Генетические исследования многочисленных древних ископаемых остатков уже дают результаты, прослеживаются мутации.

Эволюция жизни

Жизнь организмов зависит от двух факторов:

- наследственности, определяемой генетическим аппаратом;

- изменчивости, зависящей от условий окружающей среды и реакции на них индивида.

Раз зародившись, жизнь находится в процессе постоянной эволюции. Применительно к живой природе эволюцию понимают как образование более сложных видов из простых.

В 1778 священник Т. Мальтус опубликовал «Трактат о народонаселении», в котором обрисовал, к чему привел бы рост населения, ели бы он ничем не сдерживался. Ч. Дарвин перенес его рассуждения на природу и обратил внимание на то, что, несмотря на высокий репродуктивный потенциал, численность популяций остается относительно постоянной.

Заслуга Ч. Дарвин в том, что он объяснил, как может происходить эволюция. На основании наблюдений во время кругосветного плавания, и множества данных, собранных им при изучении практики разведения голубей и домашних животных он сделал два вывода:

1. Многим особям не удается выжить и оставить потомство. В популяции происходит «борьба за выживание».

2. В «борьбе за существование» те особи, признаки которых наилучшим образом приспособлены к условиям жизни, обладают «репродуктивным преимуществом» и производят больше потомков, чем менее приспособленные особи.

Любое, даже незначительное, физическое, физиологическое или поведенческое изменение, дающее одному организму преимущество перед другим, действует в «борьбе за существование» как селективное преимущество.

Благоприятные изменения передаются следующим поколениям, а неблагоприятные изменения – устранятся отбором, так как они не выгодны организму. Естественный отбор ведет и к генетическим изменениям. Даже медленные ничтожные изменения приводят к поразительным результатам, если происходят долго в одном направлении.

В процессе воспроизводства испытываются все новые формы. В большинстве они снова исчезают как непригодные при данных внешних обстоятельствах. Сохраняются немногие, приспособленные.

Эволюцию Ч. Дарвин объясняет конкуренцией внутри популяции. Любые изменения, благоприятные для выживания в данных условиях, повышают способность особей размножаться и оставлять потомство.

Критика теории Ч. Дарвина ведется со дня ее возникновения. Появилось множество вопросов: Как происходит эволюция? Существует ли целесообразность в природе? Какова роль случайности? Что является источником развития: тренировка органов; борьба за существование и выживание наиболее приспособленных (естественный отбор); способность к взаимопомощи; природные катастрофы (кометы, изменение температуры)? На многие вопросы и возражения до сих пор нет ответа. Поэтому концепция Дарвина требует подтверждения и дальнейшего развития.

Взаимодействия между популяциями, коэволюция

Согласованность видов жизни (популяций) следствие коэволюции. Эволюция рассматривается как взаимодействие организмов, совместная эволюция. Механизм коэволюции состоит из двух частей:

1. случайные мутации на генетическом уровне;

2. наследование наиболее удачных с точки зрения приспособления к окружающей среде мутаций, так как их носители выживают и оставляют потомство. В большинстве изменения, новые формы, исчезают как непригодные при данных внешних условиях.

Мутация → появление нового признака → борьба за существование → естественный отбор.

Возможны следующие типы взаимодействий между популяциями:

1. Нейтрализм, при котором две популяции не оказывают никакого влияния друг на друга;

2. Взаимное конкурентное подавление, при котором обе популяции активно подавляют друг друга;

3. Конкуренция из-за ресурсов, при которой каждая популяция неблагоприятно действует на другую при борьбе за пищевые ресурсы в условиях их недостатка;

4. При котором одна популяция подавляет другую, но сама не испытывает отрицательного влияния;

5. Паразитизм (система «хозяин-паразит»). Простейшие жгутиковые, живущие в кишечнике термитов, выделяют фермент, без которого термиты не могли бы переваривать древесину. Паразит приобрел способность производить ферменты. Животное делится с паразитом питательными веществами;

6. Хищничество (система «хищник-жертва»), при котором одна популяция неблагоприятно воздействует на другую в результате прямого нападения, но сама зависит от неё (Чтобы волки сыты и овцы целы);

7. При котором одна популяция извлекает пользу из объединения, а для другой это объединение безразлично;

8. При котором обе популяции получают преимущества от объединения, но их связь необязательна;

9. При которой связь популяций благоприятна для роста и выживаемости обеих, и они полностью зависят друг от друга.

В развитии экосистем прослеживается тенденция к уменьшению отрицательных взаимодействий (2-4) и повышению положительных, увеличивающих выживание взаимодействующих видов. В недавно сформировавшихся ассоциациях вероятность возникновения сильных отрицательных взаимодействий больше, чем в старых ассоциациях.

Наличие этих принципов не означает, что со временем хищники и паразиты исчезнут. В экосистеме это не происходит.

Хищники и паразиты регулируют численность популяций, не имеющих механизмов предотвращения перенаселения, следствием чего могло бы быть самоуничтожение. Отрицательные воздействия могут ускорять естественный отбор, увеличивать разнообразие признаков (ускорять эволюцию видов).

В системе «хозяин-паразит» отбор приводит к более устойчивым к паразитам хозяев и менее опасных для хозяина паразитов. Постепенно паразит становится безопасным для хозяина, а затем они могут стать организмами, которые способствуют взаимному процветанию. Есть такие примеры в природе. Но так происходит не всегда. Гибель одного приводит к гибели другого. Существование увеличивает сложность и разнообразность экосистемы и её устойчивость.

Борьба на одном уровне может влиять на другие уровни противостояния. В процессе антибиоза (форма конкуренции) один вид выделяет вещества, вредные для представителей других видов. Пример - вырабатываемый грибом рода Penicillium ингибитор бактерий (пенициллин) применяется в медицине. Антибиотики – вещества, вырабатываемые в процессе антибиоза.

Отрицательные и положительные отношения между популяциями в экосистемах чаще достигают стабильного состояния, уравновешивая друг друга.

Положительные взаимодействия в ходе эволюции проходят в последовательности:

- преимущество от взаимодействия имеет одна популяция;

- пользу получают обе популяции (кооперация);

- пользу получают обе популяции, при этом они полностью зависят друг от друга (мутуализм);

– соединение двух организмов в один.

Кооперация встречается в природе также часто, как и конкуренция. Объединяются даже разные организмы с сильно различающимися потребностями. Конкурируют организмы со сходными потребностями.

Эволюция идет за счет естественного отбора не только на видовом уровне. Групповой отбор и отбор на уровне сообщества ведет к сохранению признаков, благоприятных для группы в целом, даже если они неблагоприятны для конкретных носителей.

Не столь важно, о какой конкуренции идет речь: о внутренней или межвидовой. Решающий фактор, определяющий выживание, - это приспособление к среде индивида, группы, вида, совместно двух и более видов.

Понятие коэволюция было использовано первоначально в биологии, а затем и в других науках. Коэволюция – взаимообусловленная эволюция элементов единой системы, объединяющая системный и эволюционный подходы.

Русский ученый и революционер П. А Кропоткин считал, что взаимопомощь – более важный фактор эволюции, чем борьба. (Петр Алексеевич Кропоткин (1842-1921) князь, геолог и географ, автор трудов по этике, социологии и истории Французской революции, теоретик анархизма.) Полезно самостоятельно ознакомиться с его взглядами.

Вопросы для самоконтроля по Теме 8

1. В чем сущность концепции коэволюции?

2. Какие выводы сделаны в результате изучения систем «хищник-жертва» и «хозяин-паразит»?

3. Как происходила эволюция жизни с точки зрения концепции коэволюции?

Словарь терминов по Теме 8

Эволюция – длительное изменение предшествовавшего состояния какой-либо системы; представления об изменениях в природе и в обществе.

Этология – биологическая наука, изучающая поведение животных в естественных условиях. Уделяет преимущественное внимание анализу генетически обусловленных (наследственных, инстинктивных) компонентов поведения, а также проблемам эволюции поведения.

Экология (греч – дом, жилище, местопребывание) - наука об отношениях организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой. С середины 20 века экология приобрела особое значение как научная основа рационального природопользования и охраны живых организмов.

Млекопитающие – класс позвоночных животных. Для них характерны железы, вырабатывающие молоко для вскармливания детёнышей, волосяной покров, относительно постоянная температура тела (~39ºС) легочное дыхание, 4-камерное сердце.

Мутуализм – форма организации организмов, при которой один не может жить без другого.

Коэволюция – взаимообусловленная эволюция элементов единой системы, объединяющая системный и эволюционный подходы.

Красная книга – название списков редких и находящихся под угрозой исчезновения видов растений и животных. Содержит документальные данные о биологии, распространении, причинах сокращения численности и исчезновения отдельных видов. Первые тома «Красной книги фактов» (Red Data Book) вышли в 1966. Созданы национальные Красные книги. В нашей стране – «Красная книга СССР. Редкие и находящиеся под угрозой исчезновения виды животных и растений», «Красная книга РСФСР: Растения», «Красная книга РСФСР: Животные»