Техносфера.
Человек принципиально отличается от других живых существ способностью целенаправленно преобразовывать окружающую среду, создавая, создавая в дополнение к естественной среде обитания (геосфере и биосфере) искусственную среду обитания. Масштабы преобразующей деятельности человека огромны и ее темпы постоянно увеличиваются. В наши дни т.н. техномасса (все, созданное человеком за год) уже на порядок превышает биомассу (вес диких живых организмов). Это тревожный сигнал, требующий повышенного внимания к балансу составляющих системы «природа-биосфера-человек».
Уровень воздействия человека на окружающую среду зависит в первую очередь от технической вооруженности общества. Она была крайне мала на начальных этапах развития человечества, однако с развитием человечества ситуация изменилась кардинальным образом, что поставило перед человечеством целый ряд новых, чрезвычайно острых проблем. Техника все меньше остается вспомогательной силой для человека, все больше проявляется ее автономность. Сейчас мы уже можем говорить о техновеществе как совокупности всех существующих технических устройств и систем (техноцинозов). В состав техновнщества включают:
Технические устройства, добывающие полезные ископаемые и вырабатывающие энергию;
Технический блок по переработке полученного сырья и производству средств производства;
Техника, производящая средства потребления;
Технические предметы по передаче, использованию и хранению информации;
Автономные многофункциональные системы (роботы, автономные межпланетные станции и др.);
Техносистемы по переработке и утилизации отходов.
Таким образом, структура техновещества все больше воспроизводит аналогичную организацию природных живых систем.
По масштабам своего воздействия на планету техновещество в состоянии спорить с живым веществом. В результате преобразований человеком естественной среды обитания можно говорить о реальном существовании нового ее состояния – о техносфере. Техносфера представляет собой совокупность технических устройств и систем вместе с технической деятельностью человека. Техносфера включает в себя техногенное вещество, технические системы, живое вещество, верхнюю часть земной коры, атмосферу, гидросферу, а в последнее время – и околоземный космос.
Роль техносферы в жизни современного общества очень велика, быстро возрастает и по некоторым прогнозам приобретает определяющий характер. Техносфера все больше преобразует природу, изменяя прежние и создавая новые ландшафты, активно влияя на другие сферы и оболочки Земли, причем не всегда это влияние носит положительный характер.
Экологические проблемы человечества.
Технические ландшафты из отходов производства, уничтожение признаков жизни в целых регионах, загнанная в резервации природа - вот реальные плоды отрицательного влияния человека, вооруженного техникой, на окружающую природу.
Природа, несмотря на все ее бесконечное разнообразие, есть единое целое. Поэтому в настоящее время в науке все больше распространяется холистический подход (целостный). В природе невозможно воздействовать на отдельную живую систему, не повлияв одновременно на другие составляющие биосферы. Результаты ответной реакции непредсказуемы, они плохо поддаются прогнозированию:
человек распахивает землю – смывается плодородный слой почвы;
вырубаются леса под сельхозугодья – почва лишается влаги и становится бесплодной;
уничтожаются хищники – снижается сопротивляемость травоядных и ухудшается их генофонд.
Игнорирование человеком диалектического характера природы приводит к отрицательным последствиям как для природы, так и для человека. Ф.Энгельс: «Не будем, однако, слишком обольщаться нашими победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит. Каждая из этих побед имеет, правда, в первую очередь, те последствия, на которые мы рассчитывали, но во вторую и в третью очередь совсем другие, непредвиденные последствия, которые часто уничтожают последствия первых».
Отрицательным как для природы, так и для общества становится бесцеремонное вмешательство человека в окружающую среду в наши дни, т.к. последствия его из-за высокого уровня развития техники зачастую носят глобальный характер и порождают глобальные экологические проблемы.
Термин «экология», впервые употребленный немецким биологом Геккелем в 1886 г., обозначает науку о взаимоотношениях живых организмов с окружающей средой. Однако, говоря сейчас о проблемах экологии, мы фактически имеем в виду науку, изучающую проблемы человеческого общества и окружающей среды.
Первая конференция ООН по проблемам окружающей среды состоялся в 1072 г. и с тех пор термин «экология» прочно вошел в нашу жизнь. Главная задача экологии - исследование закономерностей, связанных и воспроизводством, гибелью и миграцией живых организмов, и выработка методов управления этими процессами в условиях возрастающего влияния человека на окружающую среду. Экология стала теоретической базой охраны природы. Базовой моделью экологии является экосистема – единый природный комплекс, образованный относительно однородными по составу живыми организмам (растительность, животные, микроорганизмы и т.д.) и средой их обитания (почвы, горные породы, водная среда, климат, влажность и т.д.).
Сегодня экологическую ситуацию в мире можно считать критической. Налицо уже не локальные, а глобальные экологические проблемы:
Уничтожены и продолжают уничтожаться тысячи видов растений и животных;
В значительной мере истреблен лесной покров;
Мировой океан загрязняется и перестает быть регулятором природных процессов;
Атмосфера во многих местах загрязнена до предельно допустимых норм, чистый воздух становится дефицитом;
На Земле практически не осталось места, где бы не находилось искусственно созданных человеком элементов.
С началом космических полетов проблемы экологии переместились в открытое космическое пространство. Неутилизированные отходы накапливаются в космосе, что становится все более острой проблемой. На Луне американские астронавты обнаружили многочисленные обломки искусственных спутников земли. Не решен вопрос о влиянии космических полетов на появление озоновых дыр в атмосфере Земли.
Катастрофические результаты влияния человека на природу впервые были восприняты через список истребленных человеком видов растений и животных- только за исторически обозримое время более 100 видов крупных млекопитающих и примерно столько же видов птиц. Среди них – дронт (о.Маврикий в Индийском океане), Стеллерова корова (побережье тихого океана) и др. Уже а палеолите древний человек начал оказывать влияние на численность животных. Не без его участия исчезли лесные слоны и носороги, позднее та же участь постигла мамонта, шерстистого носорога, гигантского оленя.
Не менее разрушительной оказалась деятельность человека по отношению к растительности. С давних пор во всех странах мира шла неумеренная вырубка лесов, сначала для развития сельского хозяйства, а потом – ради древесины. За последние 100 лет флора Франции потеряла по крайней мере 20 видов растений. На острове св. Елены поселившиеся в XVI веке европейцы уничтожили покрывающий остров густой лес, и к концу XIX века из местной флоры сохранилось лишь 79 видов, а занесено было культурных и сорных растений – 970 видов.
Существенное значение в нарушении биотических связей водных животных и растений играют гидротехнические сооружения.
Таким образом, антропогенные изменения ведут к обеднению видового состава и упрощению биоценотических связей; упрощение же почти всегда связано со снижением устойчивости систем к внешним воздействиям.
Происходит загрязнение окружающей среды вредными газовыми выбросами, сточными промышленными водами, отходами сельскохозяйственных предприятий, бытовыми отходами. Промышленностью и транспортом выводится в атмосферу много вредных веществ. По прогнозам ученых в 2070 году концентрация атмосферного углекислого газа может повыситься в 2 раза, что приведет к повышению средней температуры нижнего слоя воздуха на 2.5 градуса и глобальному потеплению климата.
Большой вред биосфере приносят разного рода отходы, городской и бытовой мусор. Если его распределить по земной поверхности , то мусор покроет ее в течение 15 лет слоем 5 метров.
Осуществляется также и сознательное загрязнение среды ядохимикатами специально для уничтожения хозяйственно вредных насекомых и сорняков, что явно нарушает равновесие биоценозов. Живое вещество активно приспосабливается к новым условиям существования в присутствии человека. Так, многократно возросла устойчивость и невосприимчивость многих насекомых и грызунов к ядам и пестицидам. Появились мутировавшие виды, приспособленные к техногенной и загрязненной среде обитания.
Антропогенное загрязнение окружающей среды можно сгруппировать по следующим категориям:
инградиентное – внесение химических веществ, которые количественно или качественно чужды естественным биоценозам;
параметрическое – связанное с изменением физических параметров окружающей среды;
биоценотическое – заключается в воздействии на состав и структуру популяции живых организмов, составляющих биоценоз;
стациально-деструктивное – изменение ландшафтов и экологических систем в процессе природопользования.
В последние столетие резко увеличилась и продолжает возрастать численность населения Земли. По отношению к своей популяции человек нарушил важный принцип равновесия «пищевой пирамиды» - в природных системах на высоких звеньях пищевых цепочек не бывает большой биомассы и численности организмов. Это нарушение стало возможным за счет развития сельского хозяйства (и соответствующего увеличения численности отдельных сортов и пород), а также вложению дополнительной энергии (например, при внесении удобрений). Нарушение принципа равновесия неизбежно вызывает изменение в круговороте веществ, накопление отходов и загрязнение окружающей среды.
Кроме того, созданное человеком, как правило, не способствует созданию новых запасов энергии. Бесконечное же потребление полезных ископаемых и живого вещества ставит на грань катастрофы само существование не только разумной жизни, но и жизни как таковой. Современное человечество использует не только энергетические ресурсы биосферы, но и небиосферные источники (атомные). Некоторые антропогенные процессы при этом направлены противоположно по отношению к естественному ходу их в биосфере (например, освобождение законсервированного углерода и его окисление). В конечном итоге это приводит к экологическим кризисам в биосфере.
Антропогенное воздействие на природу – прямое осознанное или косвенное неосознанное воздействие человека и результатов его деятельности, вызывающее изменение природной среды и естественных ландшафтов:
Изменение структуры земной поверхности;
Изменение состава биосферы, круговорота и баланса входящего в нее вещества;
Изменение энергетического и теплового баланса;
Изменения, вносимые в биоту.
В современных условиях антропогенное воздействие достигло таких масштабов, что привело к глобальному экологическому кризису, т.е. к такому изменению среды обитания, которое делает проблематичным дальнейшее выживание человека и других биологических видов. В настоящее время глобальный экологический кризис включает четыре основных компонента: кислотные дожди, парниковый эффект, загрязнение планеты токсикантами и так называемые озоновые дыры.
Современный кризис часто называют «кризисом редуцентов», поскольку природные редуценты уже не успевают очищать биосферу от антропогенных отходов или принципиально не способны это сделать в силу чуждого природе характера синтетических отходов. (Существуют три трофических уровня: 1) продуценты — растения; 2) консументы первичные (растительноядные животные) и вторичные (плотоядные); 3) сапротрофы-редуценты, разрушающие органическое вещество). Иначе говоря, биосфера потеряла способность к самовосстановлению. Необходимо отметить, что наблюдается не только усиление действия человека на окружающую среду, но и возрастание ответной реакции – усиление различных природных катастроф, а также усиление коллизий социального характера.
Природные катастрофы и климат
Климат планеты меняется на наших глазах, что подтверждают природные катастрофы, все чаще обрушивающиеся на Землю. Появляются сообщения о небывалых наводнениях, разрушительных циклонах, тайфунах и смерчах. По сравнению с 60-ми годами ХХ века число природных катастроф увеличилось вчетверо, а материальный ущерб, приносимый стихиями, по крайней мере, удесятерился. По расчетам климатологов, средняя температура планеты в конце XXI века поднимется на 3 градуса. За сто лет наблюдений уровень мирового океана поднялся на 20 см, а в последние годы поднимается на 3 см в год. Вода в верхних слоях океана прогрелась на 0.5 градуса.
Ученые считают, что на 95% потепление вызвано деятельностью человека, а не природными процессами. Основные источники парникового эффекта – углекислый газ и метан, выделяющиеся в результате деятельности промышленности. Суть парникового эффекта состоит в следующем: Земля получает энергию от Солнца, в основном, в видимой части спектра, а сама излучает, главным образом, инфракрасные лучи. Однако многие газы (пары Н2О, СО2, СН4), в атмосфере прозрачны для видимого света, но активно поглощают инфракрасные, удерживая тепло в атмосфере. Прогнозы ученых показывают, что при сохранении выбросов на прежнем уровне первым пострадает от большой жары Южное полушарие, африканские пустыни захватят тысячи квадратных километров, возникнут пустыни в Испании, Греции, на Ближнем Востоке, в южных штатах США. На месте вечной мерзлоты в Сибири будет вызревать пшеница, а на берегах Балтийского и Северного морей появятся тропические растения. Однако жителям Севера придется встретиться с новыми для них инфекциями (тропическая малярия, желтая лихорадка). Столкновение населения северных широт с неизвестными болезнями, которые по оценкам могут поражать ежегодно до 80 млн человек – одна из серьезнейших проблем климатических перемен.
Перемены климата ударят как по Югу, так и по Северу. Потепление на 10 градусов вызовет таяние полярных людов и подъем уровня мирового океана на 5-6- метров, что приведет к затоплению многих территорий. Бури еще неведомой силы будут атаковать не только экватор, но и средние широты. Ученые прогнозируют шторма, которые смогут сокрушить небоскребы Нью-Йорка и Токио, и в считанные секунды уничтожат созданное поколениями людей.
Озоновый слой
Озоновый слой является защитным слоем биосферы Земли, т.к. именно озон способен удерживать ультрафиолетовое излучение Солнца. В результате хозяйственной деятельности человека, особенно с поступлением в атмосферу хлорфторуглеродов, использовавшихся в качестве наполнителей аэрозольных упаковок, наблюдается уменьшение озонового слоя («озоновые дыры») над Антарктидой (продвигается в сторону Африки) , а с недавнего времени и в Северном полушарии. В результате многочисленных исследований ученых всего мира (в том числе НАСА и Всемирной метеорологической организации) постепенное разрушение озонового слоя привело к уничтожению планктона в океане. С этим же связывают увеличение в последние годы числа онкологических и глазных заболеваний. Кроме того, прямое попадание ультрафиолетовых лучей на Землю увеличивает темп таяния ледников.
Кислотные дожди
Загрязнение атмосферы большим количеством оксидов серы и азота, образующихся в результате сжигания топлива, может увеличить кислотность осадком до предела, не переносимого живыми организмами. Соединения серы, вступая в реакцию с парами воды, образуют разбавленную серную кислоту, а оксиды азота - разбавленную азотную кислоту. В результате выпадения «кислотных» осадков» из почв выводятся биогенные вещества, повреждаются или даже уничтожаются леса, может нарушиться химический баланс экосистемы. Именно кислотные дожди считают основной причиной сильного закисления прудов и озер (до концентраций, сравнимых с уксусом), приводящего к гибели рыб и многих водных растений.
Загрязнение воды и его последствия
Интенсивное развитие промышленности, транспорта, перенаселение ряда регионов планеты привело к значительному загрязнению гидросферы. По данным Всемирной организации здравоохранения 80% всех инфекционных заболеваний в мире связано с неудовлетворительным качеством питьевой воды. По данным ООН в мире выпускается до 1 млн наименований продукции, из которых 100 тыс являются химическими соединениями, в том числе 15 тыс потенциальных токсикантов. По экспертным оценкам, до 80% всех химических соединений, поступающих во внешнюю среду рано или поздно попадают в водоисточники. Наука пока не в состоянии дать полную картину ущерба, нанесенного воде.
Еще 25 лет назад никто не мог предположить, что мы будем покупать питьевую воду в бутылках. Ситуация с питьевой водой даже в России характеризуется как критическая – это прямая угроза здоровью населения. Во многих водных объектах концентрация загрязняющих веществ превышает ПДК, установленные санитарными и рыбоохранными правилами. Если не будут предприняты экстренные меры и установлена устойчивая мировая практика управления водными ресурсами, кризис с пресной водой неизбежен.
В последнее время возникло новое направление – экология человека, задача которого – исследование адаптивных способностей человека в изменяющейся среде обитания. Опасность заключается в том, что, несмотря на огромные адаптационные возможности человека, они не соответствуют темпам неблагоприятных изменений в среде обитания. Появляются новые болезни: аллергические, лучевые, токсические, происходят генетические изменения в организме. В связи с крайне неблагоприятной экологической ситуацией в крупных промышленных городах во много раз возросло количество заболеваний верхних дыхательных путей. Сверхвысокий ритм жизни и информационные перегрузки приводят к резкому увеличению сердечно-сосудистых, нервно-психических, онкологических заболеваний.
Для человечества сегодня жизненно необходимо изменение отношения к природе и к самому себе. Человечество, несмотря на всю свою нынешнюю мощь и независимость, является составной частью природы., не может существовать и развиваться вне ее. В свою очередь природа вполне может обойтись без человека. Так происходило многие миллиарды лет. Осмысление такой взаимосвязи и зависимости – насущная проблема человечества, имеющая не только утилитарное, но и нравственное, этическое и эстетическое значение.
Учение В.И.Вернадского о биосфере и ноосфере
Огромное влияние человека на природу и масштабные последствия его деятельности послужили основой для создания учения о ноосфере. Современная человеческая цивилизация характеризуется двумя противоположными тенденциями. С одной стороны, непрерывно усиливается техногенное давление на биосферу. С другой стороны, возрастает осознание мировым сообществом ответственности за эволюцию биосферы. Проблема выживания человечества объективно приводит к поиску путей гармонического существования цивилизации и биосферы – коэволюции человека и биосферы.
Осмысление перспектив коэволюции человека и биосферы привело французского палеонтолога и философа Тейяра де Шардена к мысли о возможности появления в будущем некоего коллективного человеческого сознания, способного контролировать направление эволюции. В новом состоянии биосфера переходит в сферу разумного взаимодействия человека со средой – ноосферу (термин другого французского ученого Э.Леруа, предложенный в 1927 г. и означающий «сфера разума). Де Шарден рассматривал ноосферу как некое идеальное образование, внебиосферную оболочку мысли, окружающую Землю.
Один из создателей учения о ноосфере, В.И.Вернадский использовал понятие ноосферы при построении своей концепции совместной эволюции биосферы и человека, предполагающей реконструкцию биосферы в интересах человечества как единого целого. Очень важным в учении В.И.Вернадского о ноосфере было то, что он первым осознал и попытался осуществить синтез естественных и общественных наук при изучении проблем глобальной деятельности человека, активно перестраивающего окружающую среду. По мнению Вернадского, с появлением и развитием человеческого общества в эволюции биосферы намечается переход от биогенеза к ноогенезу- развитию под влиянием созидательной разумной деятельности человека. Он считал ноосферу неизбежной формой развития биосферы, которую она примет в будущем.
В трудах Вернадского указан ряд конкретных условий, необходимых для становления и существования ноосферы:
Заселение человеком всей планеты.
Резкое преобразование средств связи и обмена между странами.
Усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли.
Начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере.
Расширение границ биосферы и выход в космос.
Открытие новых источников энергии.
Равенство людей всех рас и религий.
Увеличение роли народных масс в решении вопросов внутренней и внешней политики.
Свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государственном строе условий, благоприятных дл свободной научной мысли.
Продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся – не допустить недоедания и голода, нищеты и чрезвычайно ослабить болезни.
Разумное преобразование первичной природы Земли с целью удовлетворения всех материальных, эстетических и духовных потребностей численно возрастающего населения.
Исключение войн из жизни общества.
В настоящее время реализованы многие признаки, позволяющие говорить о постепенном переходе биосферы в ноосферу. Сам Вернадский, замечая нежелательные, даже разрушительные последствия хозяйственной деятельности человека на Земле, считал их издержками. Он верил в человеческий разум, гуманизм научной деятельности, торжество добра и красоты. Ноосфера – символ веры, идеал разумного вмешательства в биосферные процессы под влиянием научных достижений. В неё надо верить и предпринимать усилия для ее становления.
В настоящее время под ноосферой понимается сфера взаимодействия человека и природы, в которой разумная человеческая деятельность становится главным определяющим фактором развития. Гармоническая связь всех ее структурных составляющих (человеческого общества, совокупности научных знаний, техники и технологий, биосферы) есть основа устойчивого существования и развития ноосферы. Значение концепции ноосферы заключается в естественно-научном и философском обосновании модели вероятного и целесообразного направления коэволюции человеческого общества и биосферы.
Лекция 13.
Популяционно-видовой уровень организации живой материи. Биологическая эволюция.
Описательная (традиционная) биология.
Возникновение описательной биологии связано с именем Аристотеля, который тщательно изучил и описал около 500 видов животных, заложил традицию систематизации видов и составил первую зоологическую классификацию, проведя деление на кровяных и бескровных. К кровяным относятся живородящие (млекопитающие) и яйцеродные (птицы, амфибии, рыбы, змеи), а к бескровным – мягкотелые (головоногие), панцирные (ракообразные), моллюски, насекомые, пауки, черви. Кроме того, Аристотель описал существа, которые находятся между животными и растениями (губки, медузы).
В современном виде описательная биология существует во многом благодаря работам Карла Линней.
Карл Линне́й (1707 - 1778) — шведский врач и натуралист, автор наиболее удачной классификации растений и животных, ставшей базисом для научной классификации живых организмов. Считают, что Карл Линней для биологии — это как Дмитрий Иванович Менделеев для химии и Исаак Ньютон для физики.
Свои главные труды Линней опубликовал, не достигнув и 30-летнего возраста. Его «Система природы» при жизни ученого выдержала 12 изданий и до сих пор считается самой переиздаваемой научной книгой. Всего же он написал около 70 книг. По масштабу личности и широте охвата этот великий ученый не уступал Михаилу Ломоносову. Линней участвовал в создании шведской Академии наук и в 32 года стал ее первым президентом. Заведовал ботаническим садом в Голландии и морским госпиталем. Диссертацию доктора философии Линней защитил по теме «Новая гипотеза перемежающихся лихорадок».
Линней известен как коллекционер и «укротитель хаоса». Он классифицировал всю природу: животных и растения, почвы и минералы, человеческие расы и болезни, лекарства и яды, публикации коллег-ученых и, кстати, самих этих коллег — в полном соответствии с их научными заслугами. Несмотря на свою веру в бога, он всё же честно поместил человека в царство животных, в класс млекопитающих, отряд приматов. Линней ввел в ботаническую практику обязательный сбор гербария: только в Лондоне, в Линнеевском обществе ныне хранится более 19 тысяч гербарных листов, собственноручно собранных Линнеем. На биологическом факультете МГУ есть часть его гербария. Именно Линней, разглядывая пестики и тычинки, выяснил, что у растений, как и у животных, есть половое размножение.
Всего Линней описал больше 7 тысяч видов растений и около 4 тысяч видов животных, среди которых 2 тысячи видов насекомых.
В историю науки Линней вошел как великий реформатор биологии. Созданная им стройная система растительного и животного мира завершила огромный труд ботаников и зоологов за предшествующие 300 лет. А знаний, требовавших обобщения, к середине XVIII века накопилось достаточно, поскольку предыдущий, XVII век, был временем великих географических открытий и описания великого множества невиданных животных и растений с разных континентов.
Линней разделил природный мир на три царства: минеральное, растительное и животное. Линней ввел четкую иерархию живого, выделив царства, классы, отряды, роды, виды и вариации. Каждое живое существо получило место в этой системе. Само понятие «вида» первым предложил именно Линней. Огромной его заслугой считают и то, что он ввел бинарную номенклатуру — то есть назвал каждый вид именем из двух слов. Первое имя — родовое, объединяющее внешне похожие виды, а второе название — видовое, образное и краткое, как прозвище. Например: крапива жгучая, береза белая, медведь бурый, олень благородный. Названия эти до сих пор даются на латыни, даже линнеевское правило писать латинское название курсивом ботаники до сих пор не нарушают.
Современное состояние описательной биологии.
Сейчас известно около 1,7 миллионов видов живых организмов. Однако многие виды всё еще до сих пор не открыты. Есть мнение, что человечеству известно 90% видов позвоночных животных и всего 10% видов насекомых, а грибов — и вовсе лишь 5% существующих видов. Всего же на Земле, по разным оценкам, обитает от 10 до 100 миллионов видов живых организмов.
Линнеевскую систему живого много раз дополняли и совершенствовали, особенно с появлением эволюционной теории, но до сих пор эта система служила надежным фундаментом биологических наук. В последние 20 лет биология переживает время новых реформ — теперь систематики могут опираться не только на внешнее сходство организмов, но и на данные прямого анализа генов, то есть последовательностей нуклеотидов в ДНК.
Недавно канадские ученые предложили проанализировать определенный фрагмент ДНК всех известных живых организмов, чтобы каждый вид получил свой ДНК-паспорт, напоминающий штрих-код. Эта работа, по предварительным расчетам, займет у мирового научного сообщества около 10 лет. Полная «паспортизация» всех живых организмов по ДНК откроет человечеству новые горизонты и пригодится, например, в медицинской диагностике, ветеринарии и криминалистике, а также в работе карантинных служб или для контроля состава лекарственных препаратов, созданных на основе растений или животных.
История развития эволюционных учений.
Первым биологом, который попытался создать стройную и целостную теорию эволюции был французский учёный-естествоиспытатель Жан Батист Пьер Антуан де Моне Ламарк (1744 — 1829). Не оценённая современниками, полвека спустя его теория стала предметом горячих дискуссий, которые не прекратились и в наше время.
Ламарк успешно занимался ботаникой, в его трехтомном сочинении "Флора Франции" было описано множество растений и дано руководство к их определению. Он был избран членом Парижской академии наук, а в 1781 году его назначили главным ботаником французского короля. В 1793 году, когда Ламарку уже было под пятьдесят, его научная деятельность в корне изменилась. Королевский ботанический сад, где работал Ламарк, был преобразован в Музей естественной истории. Свободных кафедр ботаники в музее не оказалось, и ему предложили заняться зоологией. Через десять лет он сделался таким же знатоком в области зоологии, каким был в ботанике. Он знал теперь о животных и растениях почти все, что было известно науке того времени. Ламарк решил написать такую книгу, в которой не описывались бы отдельные организмы, а были бы разъяснены законы развития живой природы, было показано, как появились животные и растения, как они изменялись и развивались и как достигли современного состояния.
Ламарк предположил, что животные и растения не созданы такими, каковы они есть, а развивались в силу естественных законов природы, т.е. рассматривал эволюцию органического мира. Лишь немногие ученые до Ламарка высказывали догадки об изменяемости видов, но только Ламарку с его колоссальным запасом знаний удалось разрешить эту задачу. Ламарк заслуженно считается творцом первой эволюционной теории, предшественником Дарвина.
Свою книгу Ламарк напечатал в 1809 году и назвал ее "Философия зоологии", хотя там речь идет не только о животных, но и о всей живой природе. Сущность теории Ламарка заключается в том, что животные и растения не всегда были такими, какими мы их видим теперь. Жизнь на Земле возникла естественным путем в виде очень простых организмов. С течением времени они постепенно изменялись, совершенствовались, пока не дошли до современного, знакомого нам состояния.
Развитие растений и животных зависит от двух главных причин:
Первая причина заключается в том, что весь органический мир сам по себе стремится непрерывно изменяться и улучшаться - это его неотъемлемое внутреннее свойство, которое Ламарк назвал стремлением к прогрессу. Это предположение Ламарка объясняло постепенное усложнение организмов, появление новых органов и тканей.
Вторая причина, от которой зависит, эволюция органического мира, - это воздействие на организмы той обстановки, в которой они живут. Эта обстановка, или жизненная среда, слагается из воздействия на животных и на растения пищи, света, тепла , влаги, воздуха, почвы и т. д. Среда эта весьма разнообразна и изменчива, поэтому она воздействует на организмы различным образом.
Ламарк считал, что растения и самые низшие животные изменяются под воздействием окружающей среды прямо и непосредственно, приобретая ту или иную форму, те или иные свойства. Например, растение, выросшее на хорошей почве, получает совсем иной облик, нежели растение того же вида, выросшее на плохой почве. Растение, выращенное в тени, непохоже на растение, выращенное на свету, и т. д. Животные же изменяются по-другому. Под влиянием изменения среды у них образуются различные новые привычки и навыки. И привычка, вследствие постоянного повторения и упражнения различных органов, развивает эти органы.
Например, если животное питается листьями высоких деревьев, ему приходится все время вытягивать шею. Шея тренируется, крепнет и немножко удлиняется. Потомство такого животного уже от рождения получит чуть более длинную шею. Так, по мнению Ламарка, появились жирафы. Если какая-то птица перестает летать, переходит к наземной жизни, то ее крылья от долгого неупотребления атрофируются. Так возникли нелетающие птицы с рудиментарными крыльями.
Кроме того, Ламарк считал, что признаки, которые приобретают организмы под влиянием среды, могут передаваться по наследству.
Таким образом, две причины (с одной стороны - врожденное стремление к совершенствованию, с другой стороны - влияние среды) создают, согласно учению Ламарка, все многообразие органического мира.
Замечательный палеонтолог, эволюционист и философ Пьер Тейяр де Шарден, один из открывателей знаменитого пекинского синантропа, полагал, что повышение уровня организации живых существ, неуклонно происходящее в ходе эволюции, не может быть объяснено отбором случайных, ненаправленных мутаций и служит доказательством присутствия какой-то особой направляющей силы. Шарден называл ее радиальной энергией, потому что, по его мнению, она движет эволюцию к некому абсолютному средоточию, или центру - "точке Омега".
Современная наука отрицает, что в органическом мире существует необъяснимое стремление к совершенствованию. Влияние же условий окружающей среды на организмы, которое занимает большое место в учении Ламарка, признается и современной биологией. Дарвин под конец своей жизни признал, что он не обратил достаточного внимания на изменение организмов под влиянием окружающей их среды. Идеи Ламарка о влиянии среды на организмы интересны не только для истории биологии. В наше время они приобрели и практическое значение: воздействием среды люди стали изменять свойства растений и животных.
Главная заслуга Ламарка в том, что он первый, за полвека до Дарвина, предложил теорию о естественном возникновении и развитии органического мира.
Сущность процесса биологической эволюции проявляется в непрерывном приспособлении биологических видов к разнообразным и постоянно меняющимся условиям окружающей среды и в появлении все более сложных организмов. Биологическая эволюция направлена от простых организмов к сложным.
Теория эволюции Дарвина.
Чарлз Ро́берт Дарвин (1809-1882)— английский натуралист и путешественник, одним из первых осознал и наглядно продемонстрировал, что все живые организмы эволюционируют во времени от общих предков.
Во время обучения в университетах Эдинбурга и Кембриджа Дарвин получил глубокие знания в области зоологии, ботаники и геологии, навыки и вкус к полевым исследованиям. Большую роль в формировании его научного мировоззрения сыграла книга выдающегося английского геолога Чарльза Лайеля «Принципы геологии». Лайель утверждал, что современный облик Земли складывался постепенно под влиянием тех же естественных сил, что действуют и в настоящее время. Дарвин был знаком с идеями ранних эволюционистов, в том числе Ламарка, но они не казались ему убедительными.
Решающим поворотом в его судьбе стало кругосветное путешествие на корабле «Бигль» (1832—1837). По словам самого Дарвина, в ходе этого путешествия на него произвели самое сильное впечатление: «1) открытие гигантских ископаемых животных, которые были покрыты панцирем, сходным с панцирем современных броненосцев; 2) то обстоятельство, что по мере продвижения по материку Южной Америки близкородственные виды животных замещают одни других; 3) тот факт, что близкородственные виды различных островов Галапагосского архипелага незначительно отличаются друг от друга. Было очевидно, что такого рода факты, так же как и многие другие, можно было объяснить только на основании предположения, что виды постепенно изменялись, и проблема эта стала преследовать меня».
По возвращении из плавания Дарвин начинает обдумывать проблему происхождения видов. Он собирает данные об изменчивости животных и растений в природе и в условиях одомашнивания. Через много лет, вспоминая, как возникла его теория, Дарвин напишет: «Вскоре я понял, что краеугольным камнем успехов человека в создании полезных рас животных и растений был отбор. Однако в течение некоторого времени для меня оставалось тайной, каким образом отбор мог быть применен к организмам, живущим в естественных условиях».
Идея о происхождении видов путем естественного отбора возникла у Дарвина в 1838 г. В течение 20 лет он работал над ней. В 1856 по совету Лайеля он начал готовить свою работу к публикации. В 1858 г. молодой английский ученый Альфред Уоллес прислал Дарвину рукопись своей статьи «О тенденции разновидностей к неограниченному отклонению от первоначального типа». Эта статья содержала изложение идеи происхождения видов путем естественного отбора. Дарвин был готов отказаться от публикации своего труда, однако его друзья геолог Ч. Лайель и ботаник Г. Гукер, которые давно знали об идее Дарвина и знакомились с предварительными набросками его книги, убедили ученого, что обе работы должны быть опубликованы одновременно.
Книга Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь» вышла в 1859 г., и ее успех превзошел все ожидания. Его идея эволюции встретила страстную поддержку одних ученых и жесткую критику других. Этот и последующие труды Дарвина «Изменения животных и растений при одомашнивании», «Происхождение человека и половой отбор», «Выражение эмоций у человека и животных» немедленно после выхода переводились на многие языки. Примечательно, что русский перевод книги Дарвина «Изменения животных и растений при одомашнивании» был опубликован раньше, чем ее оригинальный текст. Выдающийся русский палеонтолог В. О. Ковалевский переводил эту книгу с издательских гранок, предоставленных ему Дарвином, и публиковал ее отдельными выпусками.
Основные принципы эволюционной теории Ч. Дарвина. Сущность дарвиновской концепции эволюции сводится к ряду логичных, проверяемых в эксперименте и подтвержденных огромным количеством фактических данных положений:
В пределах каждого вида живых организмов существует огромный разброс индивидуальной наследственной изменчивости по морфологическим, физиологическим, поведенческим и любым другим признакам. Эта изменчивость может иметь непрерывный, количественный, или прерывистый качественный характер, но она существует всегда.
Все живые организмы размножаются в геометрической прогрессии.
Жизненные ресурсы для любого вида живых организмов ограничены, и поэтому должна возникать борьба за существование либо между особями одного вида, либо между особями разных видов, либо с природными условиями. В понятие «борьба за существование» Дарвин включил не только собственно борьбу особи за жизнь, но и борьбу за успех в размножении.
В условиях борьбы за существование выживают и дают потомство наиболее приспособленные особи, имеющие те отклонения, которые случайно оказались адаптивными к данным условиям среды. Это принципиально важный момент в аргументации Дарвина. Отклонения возникают не направленно — в ответ на действие среды, а случайно. Немногие из них оказываются полезными в конкретных условиях. Потомки выжившей особи, которые наследуют полезное отклонение, позволившее выжить их предку, оказываются более приспособленными к данной среде, чем другие представители популяции.
Выживание и преимущественное размножение приспособленных особей Дарвин назвал естественным отбором.
Естественный отбор отдельных изолированных разновидностей в разных условиях существования постепенно ведет к дивергенции (расхождению) признаков этих разновидностей и, в конечном счете, к видообразованию.
Главная заслуга Дарвина в том, что он установил механизм эволюции, объясняющий как многообразие живых существ, так и их изумительную целесообразность, приспособленность к условиям существования. Этот механизм — постепенный естественный отбор случайных ненаправленных наследственных изменений.
Дарвин показал, что основой многообразия сортов растений и пород животных является изменчивость – процесс возникновения отличий у потомков по сравнению с предками, которое обуславливает многообразие особей в пределах сорта, породы. Дарвин выделил три сорта изменчивости:
Определенную, или групповую, которая возникает под влиянием какого-либо фактора среды и выражается у всех особей одинаковым образом (больше корма – больше масса тела ), носит ненаследственный характер;
Неопределенную, или групповую, которая проявляется специфично у каждой особи и носит наследственный характер; причины возникновения были Дарвину неизвестны;
Коррелятивную, вызывающую изменение в каком-либо органе, если есть изменения в других органах.
Дарвин считал, что для эволюционного процесса важны лишь наследственные изменения. Основные факторы эволюции культурных форм - это наследственная изменчивость и отбор, производимый человеком (искусственный). В природе также осуществляется отбор, но он основан на приспособляемости к различным условиям окружающей среды. Численность особей одного вида в природе ограничивается количеством пищи, наличием хищников, изменением климатических условий и т.д. Очень большую роль играют взаимные противоречия между организмами. Противоречия принимают наиболее острый характер, когда организмы обладают сходными потребностями и близкой организацией. Поэтому наиболее острый характер имеет борьба за существование между особями одного вида. Естественным результатом противоречий между организмами и окружающей средой является гибель части особей. Выживание наиболее приспособленных особей Дарвин назвал естественным отбором.
Естественный отбор реализуется через действие естественных факторов среды и реализуется в накоплении мелких наследственных изменений. Схема действия естественного отбора по Дарвину:
Изменчивость свойственна любой группе особей;
Организмов рождается больше, чем может найти пропитание и выжить. Большая часть гибнет.
Происходит борьба за существование.
Выживают наиболее приспособленные, у которых индивидуальные отличия позволяют победить в борьбе за существование.
Выжившие особи передают свои, оказавшиеся удачными изменения следующим поколениям, в результате каждое следующее поколение будет более приспособленным к среде обитания.
Может случиться так, что некоторые особи приобретут одни изменения и окажутся приспособленными к среде одним способом, а другие окажутся приспособленными иначе. Тогда от одних предков при условии изоляции подобных групп может возникнуть два и более вида.
Таким образом, главным результатом эволюции является совершенствование приспособленности организмов к условиям обитания, что влечет за собой совершенствование их организации. Другой важный результат эволюции – нарастание многообразия видов и усложнение взаимоотношения организмов в природе. Поэтому в результате исторического развития преимущество получают, как правило, наиболее высокоорганизованные формы, что выражается в поступательном развитии органического мира на Земле от низших к высшим.
Формирование синтетической теории эволюции.
В начале ХХ века стало быстро развиваться экспериментальное изучение естественного отбора, экология, генетика. Идеи Дарвина в России встретили поддержку передовой интеллигенции. В 1864 г. «Происхождение видов» было опубликовано на русском языке.
Проблема наследования изменений была ключевой для судьбы дарвиновской теории. В 1920-х годах был осуществлен синтез дарвинизма и генетики. Решающую роль в осуществлении этого синтеза сыграл выдающийся отечественный генетик С.С. Ч е т в е р и к о в. На основании своих работ по анализу природных популяций он пришел к пониманию механизмов накопления и поддержания индивидуальной изменчивости. Одновременно с С. С. Четвериковым к синтезу идей корпускулярной генетики с классическим дарвинизмом пришли Р. Ф и ш е р, Дж. Х о л д е й н и С. Р а й т.
Классическое эволюционное учение было дополнено и обосновано с молекулярно-генетической точки зрения, результатом явилась современная синтетическая теория эволюции. В молекулярной биологии изменчивость проявляется на генетическом уровне в виде т.н. мутаций. Мутации происходят случайным образом под воздействием внутренних и внешних факторов. Мутационный процесс обуславливает разнообразие особей в популяции. Направление эволюции определяется естественным отбором.
В СТЭ элементарной единицей эволюции является популяция. Особи одного вида, живущие относительно обособленно от особей другого вида. Смешиванию популяций препятствуют различные барьеры – как географические (горы, крупные водные преграды и т.д.) и биологические. Главный объединяющий фактор популяции – это свободное скрещивание особей друг с другом. В популяции возникают и распространяются наследственные изменения, происходит наиболее острая борьба за существование, осуществляется естественный отбор. Мелкие индивидуальные изменения могут накапливаться и привести к расхождению признаков и формирования различий между отдельными группами особей. Таким образом, внутри популяций происходят начальные этапы эволюционного процесса, которые протекают внутри вида и приводят к формированию новых внутривидовых группировок. Этот процесс называют микроэволюцией. Микроэволюционные изменения доступны наблюдению.
Макроэволюция происходит на надвидовом уровне и отражает самые общие закономерности развития живого. Наблюдать макроэволюционные изменения гораздо сложнее, однако успехи молекулярной биологии позволяют непосредственно изучать результаты макроэволюции путем исследований макромолекул, изъятых из ныне живущих и ископаемых форм.
Важными факторами микроэволюции являются:
Популяционные волны, представляющие собой колебания численности популяций под воздействием множества меняющихся условий (изменения климата, урожайности кормов и др.);
Изоляция усиливает генетические различия изолированных популяций; единый генофонд разрывается на несколько изолированных, что может привести к образованию новых видов.
Образование новых видов происходит двумя путями:
Разделение исходного вида на два и более новых;
Гибридизация, т.е. объединение двух разных наборов генов и образование их гибрида
К закономерностям макроэволюции относятся:
Прогрессивная направленность эволюции в целом выражается в появлении организмов со все более высоким уровнем организации и большей приспосабливаемостью к изменению условий существования. В ходе эволюции образовались организмы разного уровня сложности – от простейших одноклеточных до млекопитающих. Высший уровень сложности связан с появлением человека. Все эти уровни представлены в живом мире и продолжают эволюционировать.
Неравномерность темпов эволюции, определяющаяся сложным сочетанием внутренних факторов и изменяющимися условиями окружающей среды.
Принцип необратимости эволюции. Ископаемые и ныне существующие формы необязательно составляют единую последовательность. Многие виды в процессе эволюции исчезают (т.н. тупиковые ветви эволюции). Исчезнувшие в процессе эволюции виды никогда впоследствии не восстанавливаются в прежней форме. Поэтому важно максимальное сохранение существующих на Земле видов. Их утрата приводит к невосполнимым потерям генофонда, возникшего в ходе длительного эволюционного процесса. Необратимые процессы эволюции живого задают биологическую стрелу времени.
Проблемы теории эволюции.
В качестве подтверждения теории эволюции видов выдвигались два аргумента – рудиментарные органы и теория эмбриональной рекапитуляции. Однако сейчас физиологи не считают бесполезным ни один человеческий орган, а теория рекапитуляции (в частности, наличие у человеческого эмбриона на некоторых стадиях развития жаберных щелей и хвоста) отвергается многими учеными-эмбриологами .
Что касается мутаций, то считается установленным, что 99,99% мутаций приводят к уродствам и летальному исходу. Для эволюции же необходимо множество одновременных безвредных мутаций. Вероятность улучшения жизни в результате мутаций близка к нулю.
Переходные формы от низших организмов к высшим не обнаружены до сих пор, также как и переходные формы от обезьяны к человеку.
Ученым до сих пор не удалось показать, как мутации могут разрушить межвидовые перегородки. Мутации не создают новые формы, а изменяют существующие. Естественный отбор может только уничтожить какую-либо информацию, а не создать новую, в то время как эволюция от более простых организмов к более сложным должна сопровождаться многократным возрастанием информации.
Остается открытым вопрос о возможности самозарождении жизни.
Генная инженерия. Клонирование.
ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ(генетическая инженерия), совокупность методов молекулярной генетики, направленных на искусственное создание новых, не встречающихся в природе сочетаний генов. Те или иные чужеродные для данного организма гены вводят в его клетки и встраивают в его геном с различными целями: для изучения строения и функций генетического аппарата, для эффективной наработки продукта данного гена (напр., гормона или антибиотика), для придания организму-хозяину каких-либо желаемых свойств (напр., для сельскохозяйственных растений и животных – большей продуктивности или большей устойчивости к инфекциям или паразитам), для замещения (компенсации) генов, дефекты которых вызывают наследственные заболевания, и др. Генно-инженерная технология использует всё разнообразие сложных и тонких методов современной генетики, позволяющих работать с ничтожными количествами генетического материала. Основные этапы и операции генной инженерии включают: выделение из клеток ДНК, содержащей нужный ген; разрезание ДНК на мелкие фрагменты с помощью специальных ферментов; соединение фрагментов ДНК с т. н. векторами, обеспечивающими проникновение в клетку; клонирование (размножение) нужного гена; создание рекомбинантной (гибридной) ДНК из участков ДНК (генов) разного происхождения; введение (микроинъекция) генетического материала в культивируемые клетки организма-хозяина или в его яйцеклетку. После того как в нач. 70-х гг. 20 в. был разработан метод получения рекомбинантных ДНК, чужеродные гены стали вводить в клетки бактерий, растений и животных. Такие организмы получили название трансгенных. Очень быстро генная инженерия нашла практическое применение как основа биотехнологии. Уже в 80-е гг. 20 в. с помощью бактериальных клеток, в которые вводили гены человека, ответственные за синтез гормонов инсулина и соматотропина и антивирусного белка интерферона, было налажено производство этих важных для медицины препаратов. В мощную индустрию превратилось получение и разведение используемых в сельском хозяйстве трансгенных растений и трансгенных животных. Большинство учёных связывает с развитием генной инженерии решение таких сложных проблем, как обеспечение человечества продовольствием и энергией, успешную борьбу с болезнями и с загрязнением окружающей среды. Вместе с тем высказываются опасения, что ничем не ограниченные генетические эксперименты и широкое использование в пищу трансгенных организмов может привести к непредсказуемым последствиям и спорно с точки зрения традиционной морали и этики.
КЛОНИРОВАНИЕ, воспроизведение генетически однородных организмов (клеток) путём бесполого (вегетативного) размножения. При клонировании исходный организм (или клетка) служит родоначальником клона – ряда организмов (клеток), повторяющих из поколения в поколение и генотип, и все признаки родоначальника. Таким образом, сущность клонирования заключается в повторении одной и той же генетической информации. В основе точного копирования генетического материала (и организма в целом) у эукариотических клеток лежит митоз (у бактерий – простое деление). В многоклеточном организме, зародившемся в результате полового процесса, все клетки, несмотря на их различия и специализацию, представляют собой клон, развившийся из оплодотворённой яйцеклетки. Однако такой организм-клон и генетически, и своими признаками будет отличаться от родительских организмов. Благодаря бесполому (вегетативному) размножению многоклеточный организм может развиться из одной соматической (неполовой) клетки, из группы таких клеток или из части родительского организма. В природе такое размножение, или клонирование, широко распространено у грибов, водорослей, простейших, а также у многих высших растений. У многоклеточных животных клонирование возможно либо в форме почкования, либо как деление тела животного на части и восстановление каждой части до целого организма. Так могут размножаться кишечнополостные, губки, многие черви, мшанки, а из хордовых – оболочники. Классический, издавна известный пример животного, которое, будучи разделено на десятки и даже сотни частей, способно к воссозданию (регенерации) из каждой части целого организма – гидра. Естественное клонирование позвоночных животных встречается редко и возможно, по-видимому, только на ранних стадиях зародышевого развития. Так, однояйцевые близнецы у животных и человека происходят от одной оплодотворённой яйцеклетки в результате её митотиче-ского разделения, т. е. клонирования. Подобное клонирование характерно для броненосцев, у которых обычны однояйцевые двойники. Искусственное, т. е. осуществляемое человеком, клонирование широко применяется как в научных, так и в практических целях. Наряду с различными способами вегетативного размножения, известными с древности, в растениеводстве всё шире входит в практику т. н. микрораз-множение – выращивание посадочного материала из одиночных клеток с применением методов культуры клеток и тканей. Клонирование бактерий и соматических клеток растений и животных используется в микробиологии, в генетике, в практических направлениях биотехнологии и клеточной инженерии, во всех тех теоретических и практических работах, когда необходимо иметь генетически однородный материал. Особый интерес вызывают эксперименты, связанные с клонированием позвоночных животных и человека. Исследования в этом направлении ведутся давно. В 1987 г. отечественные учёные в Пущинском научном центре осуществили первое клонирование млекопитающего – мыши. Для этого из яйцеклетки мыши удаляли ядро, а затем вводили в яйцеклетку ядро из эмбриональной мышиной клетки. Т. е. был использован генетический материал соматической, но недифференцированной (неспециализированной) эмбриональной клетки. В 1997 г. шотланд-ским учёным удалось клонировать овцу, используя в качестве донора генетического материала эпителиальные клетки молочной железы. Зародыш вводили (имплантировали) в организм приёмной матери, которая и вынашивала ягнёнка. В этом случае, что представляет принципиальный интерес, использовалась в качестве донора специализированная соматическая клетка. Таким образом, эти эксперименты доказали, что можно получать генетически идентичные копии (клоны) млекопитающих, используя их соматические клетки. Предполагается, что клонирование найдёт широкое применение в животноводстве. В принципе не представляется невероятным выращивание из хорошо сохранившихся в вечной мерзлоте соматических клеток вымерших животных (напр., мамонта) полноценного организма. Эксперименты по клонированию человека осуждаются международными организациями и запрещены в ряде стран как неприемлемые в нравственном отношении. Тем не менее в кон. 2002 г. в мире появились неподтвержденные сообщения о рождении детей, клонированных из соматических клеток.