Биологическая эволюция

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

по теме «Биологическая эволюция»

1. Научные факты, обосновывающие эволюционность живого

Для живой природы постоянное развитие -- характерная черта, которая, впрочем, долго не замечалась человеком. На протяжении многих веков общепринятым было восприятие всего многообразия живого как результата единовременного акта творения Природы в ее окончательном, неизменном виде. Это примитивное представление, оформленное религиозными догматами, имело своей объективной основой ограниченные возможности непосредственного человеческого восприятия мира и скудность строгих научных данных. Распространение идеи о непрерывном развитии, эволюции, происходящей в природе, становление эволюционной парадигмы в биологии началось в конце XVIII в. Выдающийся вклад в формирование эволюционного мышления биологов принадлежит Ж.Б. Ламарку. Проблемы, поставленные Ламарком, были решены Ч. Дарвиным. В своей знаменитом труде «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859 г.) он изложил разработанную им эволюционную теорию.

Эволюционность живой природы подтверждается биологией и родственными ей науками. Главными свидетельствами являются данные палеонтологии, систематики, информация о распространенности видов на Земле сейчас и в ранние периоды, морфологическое и биохимическое сходство живых организмов, данные эмбриологии и многие другие. Кратко рассмотрим некоторые из них.

Палеонтология занимается изучением и систематизацией любых сохранившихся в геологических породах следов древней жизни, остатков погибших в далекие эпохи организмов. Объектами палеонтологии являются, например, фрагменты тел древних животных, найденные в вечной мерзлоте в Сибири; отпечатки древних растений в каменноугольных образцах; насекомые, замурованные в янтаре и многие другие органические остатки, Хронологически систематизированная совокупность данных палеонтологии называется палентологической летописью. В самых древних горных породах, содержащих ископаемые остатки, встречаются следы организмов очень немногих типов, и все они имеют простое строение; более поздние породы содержат следы большего разнообразия живого мира и организмов со все более сложным строением. Очевиден вывод о эволюции живой природы.

Этот вывод подтверждается и сравнительной эмбриологией. При изучении эмбрионов (зародышей) у разных групп позвоночных было открыто явление рекапитуляции: при своем развитии эмбрион в определенной мере повторяет эволюционную историю той группы организмов, к которой он относится.

Естественная классификация биологических объектов, основанная на структурном сходстве между организмами, также убедительно иллюстрирует наличие эволюционного процесса и его последствия.

Наконец, селекция (искусственное выведение сортов растений, пород животных), представляет собой модель эволюции в условиях, созданных человеком. Это искусственно направляемая эволюция.

Итак, обширная научная информация однозначно подтверждает факт эволюции живого. В процессе исторического развития Земли возрастали разнообразие и сложность биологических объектов.

2. Исторически сформированные концепции происхождения жизни

Эволюция жизни предполагает ее истоки, начало. Проблема происхождения жизни является одной из важнейших не только в биологии, но и во всем естествознании и имеет большое мировоззренческое значение, на основе которых решалась данная проблема.

Концепция сверхъестественного (божественного) происхождения живого -- креационизм, основана на вере и поэтому не относится к области науки. Не вдаваясь в подробности, заметим лишь, что в познавательном плане она принципиально бесплодна.

Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества появилась в древности; ее придерживался еще Аристотель.

В XVII в. биолог Ф. Реди противопоставил ей принцип: живое возникает только из живого (так называемый принцип Реди или концепция биогенеза). Уже в XIX в. Л.Пастер окончательно опроверг концепцию самопроизвольного зарождения, показав, что эффект неоднократного появления жизни там, где она не существовала, связан с бактериями. Методика избавления от бактерий получила название пастеризация (по имени своего разработчика).

Концепция стационарного состояния предполагает, что Земля и жизнь на ней существовали всегда, причем в неизменном виде. Эта концепция носит абсолютно умозрительный характер и не согласуется с перечисленными выше свидетельствами эволюционности живого.

Концепция панспермии связывает появление жизни на Земле с ее занесением из космического пространства. Теоретическая возможность панспермии подтверждается обнаружением следов органических соединений в метеоритном и кометном веществе. В 1975 г. предшественники аминокислот найдены в лунном грунте. Эта концепция разделялась многими учеными, и интерес к ней периодически возрастает. Но нужно отметить, что на основе этих взглядов во второй половине XX в. возникло множество разнообразных псевдонаучных гипотез и совсем уж примитивных фантазий на тему космических пришельцев - «сеятелей жизни».

Общепринятой в естествознании в настоящее время можно считать концепцию биохимической эволюции. Согласно современному варианту концепции, жизнь зародилась на Земле естественным путем в результате химических, а затем -- биохимических процессов. Причем, это явилось не маловероятной случайностью, а достаточно вероятным результатом самоорганизации.

Научная постановка проблемы происхождения жизни принадлежит Ф. Энгельсу, считавшему, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе эволюции материи. Современные представления о жизни восходят к гипотезам Опарина и Холдеина. А.И. Опарин в России и Дж. Холдейн в Англии в 1920-е гг. утверждали, что данные химии и геохимии, полученные к тому времени, достаточны для того, чтобы представить естественный процесс развития систем, имеющих признаки живого. В концепции биохимической эволюции важную роль играет эволюция самой планеты Земля.

3. Особенность условий на ранней Земле

Образовавшись из протоплазменного облака примерно 4,6 млрд. лет назад, Земля была космическим объектом с температурой в несколько тысяч градусов. По мере остывания планеты образовалась земная кора, нестабильная из-за высокой вулканической активности и глобальных подвижек. Согласно гипотезе Опарина, атмосферу ранней Земли составляли, в основном, тяжелые газы (аммиак, двуокись углерода, метан, пары воды). Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, необходимым условием возникновения предбиологических образований, так как органические вещества гораздо легче синтезируются в восстановительной среде, чем в окислительной. Вода оставалась в газообразном состоянии до тех пор, пока изменение совокупности параметров «температура-давление» не привело к ее конденсации.

По современным представлениям появление жизни тесно связано с возникновением земных океанов. Первые осадочные породы, свидетельствующие о появлении крупных водоемов, датируются временем 3,8 млрд. лет назад. Опарин полагал, что сложные органические вещества могли синтезироваться из более простых при активационном воздействии мощного солнечного коротковолнового излучения, существовавшего в тот период без фильтрующего слоя современной атмосферы. Для построение любого сложного органического соединения, необходимого для живой материи, достаточно небольшого набора мономеров.

Разнообразие находящихся в древнем океане простых соединений, громадная площадь поверхности, высокие температуры и интенсивные потоки активирующего излучения, атмосферные электрические разряды, а также большая длительность процессов химической эволюции позволяют предположить, что в водной среде синтезировались, а в поверхностном водном слое и первичном грунте постепенно накопились органические вещества. Они стали тем «первичным питательным бульоном», в котором могли сформироваться системы органических веществ, необходимых для последующего возникновения предбиологических структур - белки и нуклеиновые кислоты. В лаборатории Опарина моделировались условия, напоминающие описанные, и в этих условиях выполнялись эксперименты по синтезу органических веществ. В результате были синтезированы не только аминокислоты, но и другие сложные соединения. Подобного рода эксперименты с успехом были проведены и- во многих других исследовательских центрах.

Возраст древнейших организмов, следы которых обнаружены в геологических отложениях, оценен в 3,2-3,5 млрд. лет. Это минерализовавшиеся микроорганизмы, похожие на простейшие бактерии и микроводоросли. Эти организмы стоят на гораздо более высоком уровне организации, чем самые сложные из известных органических соединений. Но нет сомнений, что это не самые древние формы простейших организмов. Истоки жизни уходят в первый миллиард лет существования Земли, не оставивший следов а ее геологической летописи. Центральным вопросом концепции биохимической эволюции является вопрос о характере предбиологической системы, появившейся в результате химической эволюции в тот «темный» миллиард лет земной истории. Этот вопрос решается приверженцами данной концепции на основе двух разных подходов.

Первый подход реализован в гипотезах, построенных на идее голобиоза, то есть первичности структуры типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ. Такого подхода придерживался и Опарин. Реконструируя возможный ход биохимической эволюции, Опарин опирался на установленную экспериментально возможность образования коллоидных гелей (студнеобразных смесей), образующихся при смешении белков и других высокомолекулярных соединений. Этот процесс был назван коацервацией. Согласно гипотезе Опарина образование поверхностно обособленных гелевых структур (коацерватов) и было тем центральным событием, которое предшествовало началу биогенеза, то есть подлинной биологической эволюции на уровне первичной клеточной структуры.

Альтернативный подход к данной проблеме использован в группе гипотез, утверждающих первичность возникновения в результате химической эволюции молекулярной системы со свойствами генетического кода. Это идея генобиоза, получившая наибольшее признание на современном этапе развития концепции биохимической эволюции. В рамках этого подхода возник вопрос о первичности одной из двух типов информационных молекул ДНК и РНК, и установлена первичность РНК.

Скачок эволюции «аминокислоты-живая клетка» до сих пор остается непознанным. Весь этот скачок с помощью с помощью ряда гипотез разбивается на цепочку шагов, но каждый шаг -- во многом загадка, а вся схема -- комплексная гипотеза.

Первоначально допускалась возможность случайной «сборки»: в результате многократных актов взаимодействия простых органических веществ случайно образовалась молекула, способная нести и передавать генетическую информацию. Однако подсчеты показали, что за время, отведенное геологической историей для синтеза простейших организмов, осуществить его случайным перебором практически невозможно. Поэтому гипотеза случайного соединения не пользуется признанием. Английский астрофизик Фред Хойл высказался по этому поводу столь красочно, что его слова вошли в фольклор: эта идея «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке «Боинга-747».

Современная точка зрения на биохимическую эволюцию базируется на идеях о самоорганизации в открытых сильнонеравновесных системах.

Итак, при рассмотрении проблемы возникновения жизни естественным путем, то есть в рамках концепции биохимической эволюции, можно выделить три основных этапа предположительного сценария перехода от живого к неживому:

ѕ этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы и состояния поверхности ранней Земли;

ѕ этап синтеза биополимеров из накопившихся органических соединений;

ѕ самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществом и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки. Не все пока ясно с первыми двумя этапами, а в отношении третьего этапа некоторое прояснение наметилось лишь в самые последние годы.

В связи с данной концепцией возникает естественный вопрос об исключительности условий биохимической эволюции на планете Земля и соответственно об уникальности известной нам формы жизни. Постулируя, что в условиях, сходных с теми, которые имелись на молодой Земле, развитие живого вполне вероятно, можно прийти к естественному выводу о том, что в каких-то местах громадной Вселенной должны встречаться формы жизни, сходные с земными. На этой принципиальной позиции стоят многие ученые. Тем самым подхватывается мысль Джордано Бруно о множественности обитаемых миров.

Исходя из данных астрономии, можно однозначно заключить, что в ближайших к нам звездных системах условий для образования цивилизаций не существует. Но не исключается существование примитивных форм жизни. Так, группа американских ученых считает, что ею обнаружены свидетельства примитивной одноклеточной жизни, существовавшей на Марсе в далеком прошлом. В виду скудности подобного материала сейчас нельзя сделать однозначных выводов по данной проблеме. Возможно, что в этом помогут будущие марсианские экспедиции.

4. Принципы биологической эволюции

Под биологической эволюцией понимают процесс исторического развития живого мира от древнейших форм жизни до современных и будущих форм. Сущность процесса эволюции проявляется в непрерывном приспособлении биологических видов к разнообразным условиям окружающей среды и в появлении все более сложно устроенных организмов. Можно коротко сказать, что биологическая эволюция направлена от простых биологических форм к сложным.

Решающий вклад в становление эволюционной концепции в биологии сделан Ч. Дарвином. Из множества явлений живой природы он сумел выделить три принципиальных фактора эволюционного развития живого, объединяемых краткой формулой: изменчивость, наследственность, естественный отбор. Эти принципы базируются на следующих выводах из наблюдений над миром живого.

В любой популяции всегда наблюдается изменчивость составляющих ее особей. В природе невозможно обнаружить два тождественных организма. Изменчивость является неотъемлемым свойством живого и проявляется постоянно.

Некоторые из этих изменений наследуются потомством.

Обычно рождается значительно большее число организмов, чем доживает до размножения. Причем, выживают и дают большее потомство чаще те особи, которые обладают более благоприятным для борьбы за существование сочетанием индивидуальных унаследованных качеств. Таким образом природа осуществляет отбор признаков, способствующих приспособлению вида к изменяющимся условиям существования.

Естественный отбор, являющийся результатом борьбы за существование, -- основной фактор эволюции, направляющий эволюционные изменения. Эти изменения становятся заметными после смены многих поколений.

В ходе развития биологии классическое дарвинистское эволюционное учение было значительно дополнено и уточнено. Ключевые положения этого учения получили обоснование с молекулярно-генетической точки зрения. В результате возникла современная синтетическая теория эволюции (часто используется сокращение СТЭ).

Важное понятие эволюционного учения «борьба за существование» ввел Т. Мальтус, опубликовавший в 1788 г. «Трактат о народонаселении», В нем показана перспектива ничем не сдерживаемого увеличения населения при ограниченности ресурсов. Он показал экспоненциальный характер роста численности населения при свободной реализации репродуктивного потенциала человека. И Мальтус, и Дарвин считали борьбу за существование результатом несоответствия между быстрым ростом популяций и ограниченностью ресурсов.

Современная молекулярная биология установила, что изменчивость проявляется на генетическом, молекулярном уровне в виде так называемых мутаций и происходит непредсказуемо под воздействием внутренних и внешних случайных факторов (генная инженерия привнесла в изменчивость плановое начало.) Мутационный процесс обусловливает разнообразие особей в популяции. Случайный по своей природе, он не может задавать направление эволюции. Фактором, определяющим направленность эволюции, служит естественный отбор. Без естественного отбора случайные мутации постепенно приводили бы к размытию совокупности признаков вида (фенотипа).

Эволюция - единый процесс. Но в СТЭ различают два ее уровня: микроэволюцию (на популяционно-видовом уровне) и макроэволюцию (на надвидовом уровне). Микроэволюция происходит за относительно недолгое время на ограниченных территориях. Она протекает в популяциях и завершается видообразованием. В макроэволюции же проявляются самые общие закономерности и направление исторического развития как всей совокупности живого, так и отдельных надвидовых групп. В СТЭ признано, что элементарной единицей эволюции является популяция, а не вид (как считалось в классическом эволюционном учении). Микроэволюционные изменения доступны непосредственному наблюдению.

Образование видов происходит двумя путями. Первый -- разделение исходного вида на два и более новых. Второй -- гибридизация, то есть объединение двух разных наборов генов (генотипов) и образование гибрида. Процессы первичного обмена генетической информацией протекают внутри популяций, поэтому в пределах популяции протекают и процессы микроэволюции. Важными факторами микроэволюции являются популяционные волны и изоляция.

Популяционные волны (или волны жизни) представляют собой колебания численности особей в популяциях под воздействием множества меняющихся условий (климатических условий, урожайности кормов и т.д.). В периоды сильного уменьшения численности популяции резко изменяется концентрация редко встречающихся мутаций и генотипов, что повышает их роль в отборе и эволюции.

Изоляция проявляется в резком ограничении скрещивания особей разных популяций. Эволюционная суть изоляции состоит в разрыве единого генофонда вида на нескольких изолированных. Она усиливает генетические различия изолированных популяций, является обязательным условием эволюционного процесса.

К макроэволюционным закономерностям относятся следующие.

Прогрессивная направленность эволюции в целом, которая проявляется в появлении организмов со все более высоким уровнем организации и большей способностью приспосабливаться. В ходе эволюции образовались организмы разного уровня сложности -- от простейших одноклеточных до млекопитающих. Все эти уровни (не путать с видами) представлены в живом мире и продолжают эволюционировать. Высший уровень сложности связан с появлением и эволюцией мыслящего живого существа -- человека.

Неравномерность темпов эволюционного процесса определяется сложным сочетанием внутренних факторов и изменяющихся условий окружающей среды. Крупное, качественно новое изменение в строении и функциях (фенотипе) является мощным стимулятором эволюции, рождающим новые формы отбора. Такие изменения могут дать подавляющее преимущество в борьбе за существование и быстро привести к появлению новой группы организмов. Затем темпы эволюции этой группы могут и не оставаться столь же высокими.

Неверно было бы думать, что все ранее существовавшие виды живого (а теперь это ископаемые формы) должны вместе составлять некую единую последовательность, протянувшуюся от прошлого к настоящему. Многие виды в процессе эволюции исчезают (представляя собой тупиковые ветви эволюционного дерева). Исчезнувшие виды впоследствии никогда не восстанавливаются в прежней форме. В этом существо принципа необратимости эволюции. С молекулярно-генетической точки зрения это объясняется невозможностью повторение состава генофонда исчезнувшего вида. Вот почему важно максимальное сохранение существующих на Земле видов. Невыполнение этой задачи означает постепенную и уже невосполнимую утрату генофонда видов, возникших в ходе длительного эволюционного развития.

Эволюцию живой системы можно рассматривать как самоорганизацию в ней. Самоорганизующаяся система нелинейна: размножение само по себе обеспечило бы нелинейный рост численности. Ограниченный ресурс питания дает конкуренцию, приводящую к естественному отбору -- обратной связи между мутацией и ее целесообразностью. Отбор вместе с механизмом наследственности -- репликацией (схема «все или ничего») - обусловливает возникновение новых эффективных форм, то есть эволюционное совершенствование.

Эволюционная концепция в биологии успешно прошла испытание временем, воплотилась в теорию эволюции и является фундаментом всех биологических наук.

Список используемой литературы

1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 2008.

2. Недельский Н.Ф., Олейников Б.И., Тулинов В.Ф. Концепции современного естествознания. - М: Изд. Мысль, 2006.

3. Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания.- М.: Изд. ЮНИТИ, 2005.

4. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. - М.: Изд. ЮНИТИ, 2004.