Концепции современного естествознания

В качестве движущих сил эволюции Ч. Дарвин выделил изменчивость, вызывающую разнообразие признаков организмов, наследственность, передающую изменения потомкам, и естественный отбор, который происходит в борьбе организмов за существование.

Происхождение человека Чарльз Дарвин обосновал в своей книге "Происхождение человека и половой отбор", изданной в 1871 г.

9. Генетика

квантовый атом эволюция генетика мышление

Механизм наследственной передачи признаков Ч. Дарвин объяснял с позиций теории пангенезиса, предложенной им в 1868 г. Согласно этой теории, все клетки организма образуют свои уменьшенные копии, которые попадают в половые клетки и при оплодотворении дают начало соответствующим органам и тканям. Однако эта теория была умозрительной, и сам Дарвин признавал ее временный характер. Кроме того, считалось, что наследственные признаки передаются непрерывно. Это значит, что новый признак, появившийся у организма, в результате последующих скрещиваний с обычными формами постепенно исчезнет из популяции, подобно тому, как крупинка сахара, растворенная в большом количестве воды, не сделает эту воду слаще. Такое соображение против теории Дарвина было приведено ученым Дженкинсом. Дарвин вынужден был назвать этот довод "кошмаром Дженкинса", поскольку не знал на него ответа.

Начало исследованиям закономерностей передачи наследственной информации положил австрийский естествоиспытатель Грегор Иоганн Мендель (1822 - 1884). Будучи сначала простым монахом, а затем настоятелем монастыря в г. Брюнне (в настоящее время - г. Брно в Чехии), он провел там основную часть своей жизни.

Сначала Мендель скрещивал горох, отличающийся по одному признаку, в частности, по желтому и зеленому цветам. При этом он выбирал особи, несущие эти признаки в чистом виде, т.е. растения, которые при самоопылении всегда давали семена того же цвета. При скрещивании двух чистых форм с разной окраской семян, в первом поколении все потомство оказалось одинаковым, т.е. несло признак одного родителя. Признак, который проявился в потомстве, Мендель назвал доминантным или преобладающим. Противоположный признак, который оказался подавленным, был назван рецессивным. В случае с горохом, желтая окраска была доминантной, а зеленая - рецессивной. Затем Мендель продолжил скрещивание потомков первого поколения между собой. Во втором поколении уже наблюдались особи, несущие не только доминантный признак, но и рецессивный, причем их количество соотносилось как 3 : 1. Наконец, он сделал попытку обобщить законы наследования на несколько признаков (например, учитывал не только цвет горошин, но и их форму, гладкую или морщинистую). Отсюда он пришел к выводу, что признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются в потомстве во всех возможных сочетаниях. Эти закономерности Мендель сформулировал в виде законов.

Первый закон Менделя (закон расщепления). Единицы наследственности представлены у каждой особи парами. При образовании половых клеток две единицы каждой пары расщепляются и переходят в разные половые клетки, так что каждая половая клетка содержит одну и только одну единицу каждого типа.

Второй закон Менделя (закон независимого распределения). Расщепление каждой пары единиц при образовании половых клеток происходит независимо от других пар единиц, так что в половой клетке члены различных пар сочетаются случайным образом.

Немецкий ученый Рудольф Вирхов (1821 - 1902) сделал открытие:

Клетки размножаются только делением, т.е. любая клетка возникает только из другой клетки. Образование клеточных структур из неклеточного вещества происходить не может.

Деление клеток, в свою очередь, обусловливается делением ядер и зависит от поведения специфических внутриядерных структур, которые были названы хромосомами. Количество хромосом в ядрах клеток всегда постоянно, при этом в половых клетках организма присутствует одинарный набор хромосом, а во всех остальных (соматических) - удвоенный. У человека, например, удвоенный набор составляет 46 хромосом.

Между поведением хромосом и наследственных факторов Менделя имеется сходство. Действительно, по Менделю, признаки контролируются парами факторов, а в клетках содержатся пары хромосом.

Во время деления половых клеток хромосомы расходятся по разным половым клеткам, и в каждой клетке оказывается по одной хромосоме из пары. При оплодотворении (т.е. слиянии половых клеток разных особей) пары хромосом снова восстанавливаются, причем, одна хромосома наследуется от одного родителя, а вторая - от другого. Поскольку количество хромосом любого организма значительно меньше, чем число признаков этого организма, это означает, что одна хромосома должна содержать множество факторов наследственности.

В 1909 году датский биолог Вильгельм Людвиг Иогансен (1857 - 1927) предложил для этих факторов термин "ген" (от genos - происхождение). Ген стали понимать как основную единицу наследственности.

Ген - единица наследственного материала, представляющая собой участок молекулы ДНК, ответственный за формирование какого-либо признака.

10. Модель молекулы ДНК

В начале двадцатого века утвердилась точка зрения, позволяющая считать хромосомы генетическим материалом, отвечающим за передачу наследственных признаков. Изучение хромосом показало, что они состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белка. Исключение составляют отдельные вирусы, у которых вместо ДНК присутствует рибонуклеиновая кислота (РНК).

В 1928 г. английский микробиолог Фредерик Гриффит проводил исследования двух форм бактерий, одна из которых вызывает заболевание пневмонией, а другая безвредна. Он вводил мышам убитые нагреванием болезнетворные бактерии и одновременно безвредные бактерии, при этом мыши все равно умирали, а после вскрытия обнаруживалась только живая болезнетворная форма бактерий. Гриффит предположил, что от убитых бактериальных клеток к живым передается некий фактор, который заставляет их перестраиваться и вызывать заболевание. Позже было показано, что этим фактором является ДНК.

Прямые доказательства генетической роли ДНК были получены в 1952 г. при исследовании вирусов американским генетиком Альфредом Херши. За объект исследования им были взяты вирусы, которые нападают на клетки бактерий. Каждый вирус состоит из белковой оболочки, внутри которой содержится ДНК или РНК. Сначала выращивались вирусы, белковая капсула которых содержала радиоактивный изотоп. При этом в зараженных клетках бактерий следов радиоактивности не обнаруживалось. Затем использовались вирусы, у которых радиоактивный изотоп содержался в ДНК. В этом случае зараженные клетки бактерий оказывались тоже радиоактивными. Этот эксперимент послужил непосредственным доказательством того, что в бактериальную клетку попадает именно ДНК вируса.

ДНК выступает в роли передатчика наследственной информации.

Исследования химического состава ДНК и РНК показали:

Каждая молекула нуклеиновой кислоты состоит из множества звеньев - нуклеотидов. Нуклеотид, в свою очередь, содержит фосфорную кислоту, сахар и азотистое основание.

Азотистые основания для каждой нуклеиновой кислоты бывают 4 видов: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), и цитозин (Ц) для ДНК, а для РНК в этом наборе вместо тимина содержится урацил (У).

Английский ученый Морис Уилкинс получил рентгенограммы (рентгеновские снимки) молекул ДНК. Американский биохимик Эрвин Чаргафф установил, что в молекуле ДНК аденина всегда столько же, сколько тимина, а количество гуанина совпадает с количеством цитозина. Это наводило на мысль:

В молекуле ДНК азотистые основания соединяются попарно.

Взяв за основу открытия Уилкинса и Чаргаффа, американские исследователи Джеймс Уотсон и Френсис Крик осуществили построение пространственной модели ДНК.

Молекула ДНК представляет собой последовательность нуклеотидов в виде двух спиралей, скрученных вместе слева направо. Вертикальный остов спирали образуют фосфорная кислота и сахар, входящие в состав нуклеотидов. Азотистые основания располагаются перпендикулярно этому остову, образуя "мостики" между двумя спиралями. При этом всегда аденин одной спирали соединяется с тимином другой, а гуанин, соответственно, соединяется с цитозином.

Правило комплиментарности, или соответствия. Последовательность оснований одной спирали ДНК полностью определяет последовательность оснований другой спирали.

Благодаря спариванию оснований осуществляется связь между цепочками молекулы ДНК. Вся эта структура напоминает винтовую лестницу, ступеньками которой служат пары азотистых оснований.

Уотсон и Крик показали далее, что предложенная ими структура ДНК обладает свойствами, необходимыми для того, чтобы признать ее носителем генетической информации. Любая информация должна иметь свой материальный носитель и должна быть представлена в нем в закодированной форме. Кодирование подразумевает совокупность знаков или сигналов и правило, по которому им будет поставлено в соответствие то или иное сообщение. Например, кодом для информации может служить алфавит русского языка, содержащий 33 буквы, и азбука Морзе, содержащая только два сигнала: тире и точку.

Поскольку молекулы ДНК должны нести информацию о синтезе всех белков данного организма, то генетический код определяет соответствие между последовательностью азотистых оснований молекулы ДНК и чередованием аминокислот в белках.

Для его реализации используются 4 символа - 4 азотистых основания. Известно, что в образовании белков участвуют 20 аминокислот. Следовательно, каждой аминокислоте должна соответствовать определенная последовательность оснований.

Возникает вопрос: сколько азотистых оснований должна содержать такая последовательность? Если она будет содержать только одно из четырех азотистых оснований, то и возможных аминокислот будет только четыре. Если в ней будет два основания, то разные парные сочетания четырех видов оснований дадут 16 различных комбинаций, что тоже не достаточно для кодирования 20 аминокислот. Наконец, если взять последовательность трех оснований, то из них можно составить 64 различных сочетания, и, следовательно, их с избытком хватит для описания белковых структур. Такое предположение было выдвинуто американским физиком русского происхождения Георгием Антоновичем Гамовым (1904 - 1968) и доказано экспериментально Ф. Криком в 1961 г. Таким образом, было показано, что молекула ДНК содержит информацию о структуре белков.

Каждая аминокислота кодируется тремя азотистыми основаниями (триплетом).

Однако генетический материал должен не только нести информацию о данном организме, но и передавать ее потомству. Дж. Уотсон и Ф. Крик предположили, что двойная спираль ДНК может раскручиваться и разделяться пополам. Разделение спиралей происходит последовательно от одного конца молекулы к другому и одновременно сопровождается достраиванием каждой половины до полной молекулы в соответствии с принципом комплиментарности (соответствия).

Из одной молекулы ДНК получаются две идентичные молекулы, каждая из которых состоит из одной старой цепочки нуклеотидов и одной новой. В 1962 г. М. Уилкинсу, Дж. Уотсону и Ф. Крику была вручена Нобелевская премия за разработку пространственной модели ДНК.

Следующим этапом исследований в этой области стала расшифровка генетического кода, т.е. для каждой из 20 аминокислот были установлены конкретные триплеты азотистых оснований. Расшифровка генетического кода показала, что одна и та же аминокислота может быть выражена несколькими последовательностями оснований. Генетический код является универсальным: во всех живых организмах одни и те же аминокислоты кодируются одинаково.

11. История исследования проблемы происхождения человека

Еще в Древней Греции философ Анаксимандр (ок. 610 - 547 до н. э.) в своем труде "О природе" выдвинул идею о происхождении человека от рыб.

Древнеримский врач Гален (ок. 130 - 200) установил сходство в строении тела человека и обезьян и сделал вывод о близости этих двух форм.

В средние века всяческие попытки обсуждения происхождения человека, выходящие за рамки официальной религии, пресекались самым кардинальным образом.

Так, например, в середине XV века был объявлен еретиком и сожжен Самуил Сарс, который доказывал, что человечество имеет более древний возраст, чем описывает Библия, а в 1619 г. был сожжен другой еретик - итальянский философ Джулио Чезаре Ванини (1585 - 1619), утверждавший, что некоторые народы произошли от обезьян.

В начале XVIII века стали появляться первые свидетельства древности человека - были найдены первобытные орудия труда, относящиеся к каменному веку и человеческие кости вместе с костями давно вымерших животных.

Хотя в те времена не существовало методов оценки возраста ископаемых остатков, эти находки по косвенным признакам признавались очень древними.

Формирование антропологии - науки о происхождении и развитии человека - началось в конце XVIII века, когда в 1760 г. вышла в свет книга К. Линнея "Родственники человека", в которой автор сделал попытку найти место человека в созданной им классификации живой природы. Он выделил отряд приматов. Он же ввел название рода людей как "Человек разумный".

Однако первый эволюционный подход к этому вопросу принадлежит Ж.-Б. Ламарку, который попытался раскрыть механизм происхождения человека с позиций своей теории.

По мнению Ж.-Б. Ламарка, основными факторами эволюции человека послужили изменения внешней среды, в первую очередь, исчезновение лесов, которое способствовало переходу обезьяноподобных предков к жизни на земле и хождению на двух конечностях.

"Упражнение" органов, в данном случае задних конечностей, привело к появлению прямой осанки и укорочению рук, особенности питания привели к изменениям в строении челюстей. Однако, эволюционная теория Ламарка не получила широкого признания, а палеонтология еще не обладала достаточным количеством фактического материала и подходящими методами исследований для того, чтобы привести доказательства эволюции человека.

Примечателен тот факт, что один из основоположников палеонтологии, Жорж Кювье, был одним из наиболее ярых противников концепции эволюции человека и утверждал, что ископаемый человек никогда не существовал. Возможно, большую роль в этом сыграл тот факт, что все ископаемые останки, предположительно принадлежавшие древним людям, которые попадали к нему на исследования, по роковой случайности на проверку оказывались костями слонов, черепах и даже ихтиозавров, но не имели ничего общего с человеческими. Авторитет Кювье в ученом мире был настолько велик, что не многие решались оспаривать его утверждения.

Великий немецкий поэт Иоганн Вольфганг Гeте (1749 -1832) посвятил немало времени изучению проблемы происхождения человека и даже написал статью, в которой использовал методы сравнительной анатомии, чтобы доказать несомненное родство человека и животных. Однако его статью к печати не приняли.

Ситуация в корне изменилась после выхода в свет трудов Ч. Дарвина. В 1871 году вышла его книга "Происхождение человека и половой отбор", где он обосновал животное происхождение человека с позиций теории эволюции. Его

эволюционная теория позволила построить картину развития живой природы и человека как неотъемлемой ее части.

Биолог Эрнст Геккель в книге "Естественная история мироздания" впервые предположил существование в далеком прошлом промежуточной формы между человекообразными обезьянами и первыми людьми.

Ее поиски начались еще в XIX веке и привели к открытию целого ряда "недостающих звеньев" в эволюции человека.

Оказывается, что по ДНК человек и человекообразные обезьяны очень похожи. Если мы возьмем ДНК шимпанзе и ДНК человека и сопоставим их друг с другом, то, окажется, что мы близки не только внешне, но и по ДНК. В среднем, мы отличаемся только одним из ста нуклеотидов. В среднем каждый сотый нуклеотид отличается, значит, мы на 99 процентов генетически тождественны шимпанзе, то есть очень близки.

У шимпанзе имеется группа крови 1 и 2. Причем, это не просто аналоги групп крови. Это не аналоги, это совершенно идентичные человеческим группы крови. То есть, можно переливать кровь от шимпанзе к человеку, что и было сделано французским ученым Труазье, который поставил такой смелый эксперимент. Он перелил кровь от шимпанзе к человеку, и результат был блестящим.

В мозгу шимпанзе находятся такие поля, такие области, которые соответствуют в человеческом мозгу полям, связанным с речью, с трудом, с тонкими манипуляциями. То есть, полная система эволюционных заготовок, чтобы из такого существа получился человек. Конечно, все это развито не настолько сильно, как у человека.

Узоры пальцев, ладоней чрезвычайно близки у человека и человекообразных обезьян. У них имеются речевые центры в мозгу. Но тут же встает вопрос - а почему не разговаривают человекообразные? Дело в том, что гортань устроена по-разному у человека и человекообразных обезьян. Гортань у человека расположена ниже, это позволяет значительно расширить диапазон произносимых звуков. Обезьяны этого не могут. Но это не значит, что невозможен никакой речевой контакт с обезьянами. В 60-е годы блестящие эксперименты были проделаны американскими исследователями. Они учили обезьян языку глухонемых. И добились блестящих результатов. С обезьяной стало возможным беседовать в течение получаса так, как с ребенком 5-летнего возраста.

12. Ископаемые останки предков человека

В 1934 году в Индии были обнаружены останки древнего человека. Он был назван рамапитеком, в честь индийского бога Рамы. Сравнение зубов человекоподобных обезьян, рамапитека и человека показывает, что у рамапитека клыки существенно меньше обезьяньих, и в целом по строению челюсти он близок к человеку. Отсутствие больших клыков означает, что они не служили больше оружием, в качестве которого могли использоваться камни и палки.

Наземная жизнь рамапитеков сочеталась с жизнью на деревьях (подобно шимпанзе), они могли частично двигаться на задних конечностях.

Возраст останков оценивается примерно в 14 млн. лет. Останки рамапитеков впоследствии были обнаружены также на территории Африки.

В 1924 г. в Южной Африке английским исследователем австралийского происхождения были обнаружены древние останки, которые принадлежат так называемым обезьянолюдям, жившим 3,5 - 4 млн. лет назад. Они названы австралопитеками (от лат. australis - южный).

Австралопитек - это не обезьяна, а промежуточное существо между человеком и обезьяной. Особенностью австралопитеков и других родственных форм, обнаруженных позднее, была способность к прямохождению и сходное с человеческим строение зубов.

Способность передвижения на двух ногах возникла в результате естественного отбора при переходе к жизни на равнине, однако, австралопитеки еще не могли преодолевать таким образом большие расстояния. При этом верхние конечности освободились от передвижения и могли служить для осязания и захвата пищи. Некоторые косвенные данные подтверждают стадный образ жизни у австралопитеков. Орудиями охоты служили камни и дубинки.

В 1960-м году в Танзании английский антрополог обнаружил останки древних существ, возраст которых составлял 2 - 2,5 млн. лет. Эти существа отличались от австралопитеков несколько большим объемом мозга и развитием способности к изготовлению простейших орудий и жилищ и поддержанию огня. Этот тип существ был назван гомо хабилис, или человек ловкий, человек умелый. Фактор непосредственно уже перед становлением человека - это высокоразвитый мозг и связанная с ним рассудочная деятельность. "Рассудочная деятельность" означает возможность предвидеть результат той или иной деятельности, то есть целеполагание, другими словами. Обезьяна способна расколоть, разбить камень и даже, может быть, выбрать из этих кусков тот, который ей понравится. Но заранее запланировать форму камня она не может. Австралопитеки, по-видимому, не могли изготовлять орудия.

Итак, между австралопитеком и человеком умелым проходит как раз тот рубеж, когда существо способно запланировать результат своей деятельности.

Огромное достижение теории антропогенеза - знание времени появления первой человеческой популяции - 2,5 миллиона лет тому назад. Это произошло в Южной Африке.

Ошибкой стадиальной теории было то, что одно звено надстраивалось над другим. На самом деле это дерево, причем здесь обязательно и сосуществование, и конкуренция.

Голландским врачом на острове Ява были обнаружены останки существа: черепная крышка, бедренная кость и зубы. Оно было названо им питекантропом. Он отличался заметным ростом и размерами черепа, имел скелет, близкий к человеческому. Его возраст примерно 650 тыс. лет.

В 1927 году в Китае, недалеко от Пекина, нашли остатки другого ископаемого существа, более развитого, чем питекантроп. Его назвали синантропом (от лат. Sina - Китай), что означает "китайский человек". Аналогичные останки древнейших людей были найдены в Германии (гейдельбергский человек), Алжире и в других местах. Это были крепко сложенные, могучие люди, прекрасные охотники.

Гейдельбергский человек первым вступил на землю Европы.

Уже первый гейдельбергский человек в Европе строил очень неплохие жилища, причем каменные.

Далее эволюция привела к появлению древних людей, первые останки которых были обнаружены в 1856 г. на территории Германии в долине Неандерталь. Человек, которому они принадлежали, был назван по имени долины неандертальцем. Неандертальский человек произошел, несомненно, от гейдельбергского человека. Анатомически современный человек тоже произошел от гейдельбергского человека. Но, как считается, произошел он не в Европе, а в Африке.

Первый гейдельбергский человек был в Африке. Одна ветвь его пошла через Гибралтар в Европу и дала неандертальца, а другая - через Босфор, Дарданеллы и дала современного человека.

Гейдельбергский человек то ли потеснил, то ли просто истребил неандертальца.

Интернациональная группа немецкого исследователя Крингса добыла ДНК из костей неандертальца и сравнила с ДНК современного человека. Ученые пришли к выводу:

Неандерталец был бесконечно далек от нас генетически.

Настолько далек, что, видимо, расхождение ветвей неандертальского и современного человека произошло примерно 500 тысяч лет тому назад, если не больше. Причем, опять-таки в Африке. А в основном Европа и Азия заселялись уже потомками переселенцев из Африки, людьми современного физического облика, так называемого человека современного анатомического типа.

В 1868 г. Во Франции в пещере Кро-Маньон обнаружили скелет человека, развитие которого существенно превосходило всех древних людей. Он был назван кроманьонцем. Предположительно, первые кроманьонцы появились 80 тыс. лет назад и некоторое время сосуществовали с неандертальцами.

Сохранились не только ножи, наконечники стрел и другие сложные орудия труда, изготавливаемые кроманьонцами, но и образцы наскальной живописи, что свидетельствует о развитии у них абстрактного мышления.

Окончательно современный тип человека закончил формироваться около 10 тыс. лет назад.

Долгое время предполагалось, что эволюция человека биологически остановилась, дальше она не идет, и человечество дальше эволюционирует только в историческом плане. Российский ученый, профессор Савельев, специалист по мозгу, пришел к выводу:

Даже такая система, как мозг, продолжала эволюционировать, во всяком случае, в течение последнего века и, очевидно, продолжает дальше и будет продолжать эволюционировать.

13. Исследование проблемы происхождения человека с помощью ДНК

Если сравнить ДНК разных людей, то окажется, что они отличаются друг от друга только на одну десятую процента, то есть только каждый тысячный нуклеотид разный, а 999, в среднем, одинаковые. И более того, если посмотреть по ДНК на все генетическое разнообразие у людей, у самых разных представителей человечества, то окажется, что этих различий гораздо меньше, чем различий между особями шимпанзе в одном и том же стаде.

Все люди - генетические братья и сестры.

Человечество, будучи на разных континентах, в разных географических условиях, распалось на расы.

Все расы представляют собой единый биологический вид.

Существуют две точки зрения на процесс расообразования. По одной из них, когда первый человек современного физического типа выходил из Африки, то из одной какой-то точки выходило много ветвей, которые и привели к образованию разных рас. Эта точка зрения называется гипотезой Ноева Ковчега. Согласно другой, от разных типов людей произошли разные расы. Такая точка зрения называется гипотезой канделябра, потому что соответствующий чертеж похож на канделябр.

Работы генетиков подтверждают гипотезу Ноева ковчега: все человечество в его сегодняшнем разнообразии произошло от одной небольшой популяции, которая находилась в Африке.

Изучаются несколько типов ДНК, которые по-своему могут помочь в распознании эволюции человека. Есть ДНК ядерная - ДНК хромосом, и есть ДНК внеядерная - ДНК, находящаяся в митохондриях.

Y-хромосома наследуется по отцовской линии, и по ней можно проследить миграции мужской части населения.

Митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии. Ее исследование позволяет проследить миграцию и, вообще, судьбу популяций с материнской стороны.

При исследовании ДНК выделяется определенный фрагмент ДНК, и с помощью современных методов, например, методов цепной реакции, его можно выделить и размножить. У разных людей различие может быть в длине этого фрагмента. Размер может не меняться, но за счет мутации может измениться его состав, когда один нуклеотид заменяется на другой (мутация - изменение последовательности нуклеотидов в ДНК). Если фрагменты различны по длине, то после цепной реакции фрагменты следует пропустить через гель - плотное желе. Оно представляет собой решетку, через которую проходят фрагменты ДНК. Фрагменты продвигаются под действием электрического поля, приложенного к гелю. Если фрагмент короткий, он легко преодолевает решетку. Длинный фрагмент продвигается дольше и как бы застывает. После этого процесса электрофореза ДНК видны две полоски у данного человека по данному фрагменту. Это значит, что один фрагмент человек получил от одного родителя, а второй - от другого. У второго человека эти фрагменты могут быть другой длины. У третьего человека оба фрагмента могут быть одинаковой длины. Одни фрагменты отличаются, а какие-то могут совпадать. Изучая много фрагментов, можно найти много различий по их размерам. Как правило, это происходит, когда мы изучаются ядерные ДНК. А когда изучается митохондриальная ДНК, используются тоже разные методы и в том числе методы, основанные на сопоставлении состава ДНК. Например, фрагменты могут быть одинаковой длины, но иметь разный нуклеотидный состав. В таком случае проводится секвенирование и выявляется различие.

Секвенирование - определение последовательности нуклеотидов.

Этими методами современная генетика может изучать тысячи фрагментов ДНК. Можно получить генотипический портрет человека по многим характеристикам.

Исторически первое исследование подобного рода было проведено с использованием митохондриальных ДНК. Ученые взяли выборку от аборигенов Африки, Азии, Европы, Америки и сравнивали митохондриальные ДНК разных индивидов. Было обнаружено, что разнообразие митохондриальных ДНК выше всего в Африке. Типы митохондриальных ДНК на других континентах были менее разнообразны. Значит, у африканцев было больше времени на то, чтобы накопить эти изменения. Иными словами, африканцы имели больше времени на биологическую эволюцию.

Генетики по митохондриальным ДНК доказали, что женщины произошли в Африке. Изучение Y-хромосомы показало, что и мужчины происходят из Африки.

Благодаря исследованиям митохондриальной ДНК можно установить не только то, что человек произошел из Африки, но и определить время его происхождения. Время появления митохондриальной праматери человечества было установлено благодаря сравнительному изучению митохондриальной ДНК шимпанзе и современного человека. Зная темп мутационной дивергенции - 2-4 % за миллион лет - можно определить время разделения двух ветвей, шимпанзе и современного человека. Это произошло примерно 5-7 миллионов лет назад. При этом темп мутационной дивергенции считается постоянным.

Когда говорят о митохондриальной Еве, не имеют в виду особь. Говорят о возникновении путем эволюции целой популяции особей со сходными признаками. Считается, что митохондриальная Ева жила в период резкого сокращения численности наших предков, приблизительно до десяти тысяч особей.

Изучая митохондриальную ДНК разных популяций, генетики высказали предположение:

Еще до выхода из Африки популяция предков разделилась на три группы, давшие начало трем современным расам - африканской, европеоидной и монголоидной.

Считается, что это произошло приблизительно 60-70 тысяч лет назад.

Дополнительные сведения о происхождении человека были получены при сравнении генетических текстов митохондриальной ДНК неандертальца и современного человека. Ученым удалось прочитать генетические тексты митохондриальной ДНК костных останков двух неандертальцев. При сравнении митохондриальной ДНК современного человека и неандертальца были найдены очень большие различия. Так, например, митохондриальная ДНК неандертальца отличается от митохондриальной ДНК современного человека. Если взять какой-то участок ДНК, то из 370 нуклеотидов отличаются 27. А если сравнить генетические тексты современного человека, его митохондриальную ДНК, то обнаружится отличие только по восьми нуклеотидам.

Неандерталец и современный человек - совершенно отдельные ветви, эволюция каждого из них шла независимо друг от друга.

Сопоставляя митохондриальную ДНК людей из разных континентов, ученые определили основные пути миграции древнего человека. Такие оценки позволяет сделать изучение не только митохондриальной ДНК, но и Y-хромосомы. В целом они находятся в соответствии друг с другом. Данные о миграции, составленные при генетических исследованиях, находятся в некотором соответствии с данными археологических находок.

14. Мышление животных

Наука конца ХХ века весомо доказала правоту предсказания Дарвина:

"Разница между психикой высших животных и человека, как бы ни была она велика, это разница в степени, а не в качестве".

И доказательства этому были получены разнообразными методами. Например, американские ученые около 30 лет обучают обезьян простым аналогам языка человека.

Мышление - это оперирование конкретно-чувственными и понятийными образами.

Одно из определений мышления дал советский психолог Александр Романович Лурия. Он говорил о том, что мышление возникает в ситуации, когда у субъекта нет готового решения, то есть привычного, сформированного за счет обучения, или же инстинктивного.

Существует целый ряд методов для исследования зачатков мышления у животных. Они чрезвычайно многочисленны, но можно разделить их на две основные группы. С одной стороны, разработаны тесты, позволяющие выяснить, в какой мере животные могут решать новые задачи в новых ситуациях. Другая группа тестов позволяет оценить способность животных к обобщению и абстрагированию, а у высших животных - к оперированию символами.

В 60-е годы в Московском университете была организована Лаборатория физиологии генетики и поведения. Одним из первых объектов экспериментов оказались вороны. Было разработано несколько элементарных логических задач. Первая из них наиболее популярна, это так называемая задача на экстраполяцию направления движения раздражителя, который исчезает из поля зрения птицы. Голодные птицы просовывают головы через щель, видят перед собой две кормушки - одну с кормом и вторую - пустую. Затем кормушки разъезжаются и скрываются за непрозрачными преградами. Для животного возникает новая ситуация, которую надо разрешить при первом же предъявлении. Животное должно мысленно представить себе траекторию направления движения корма после исчезновения из поля зрения и решить, с какой стороны нужно обойти ширму, чтобы получить корм. С помощью предъявления этой задачи была получена широкая сравнительная характеристика способности элементарной рассудочной деятельности животных. Наибольших успехов достигают хищные млекопитающие и дельфины. И прекрасно решают эту задачу некоторые птицы.

Голодная сойка в одной из американских лабораторий оторвала полоску от газеты, постеленной в клетку, согнула ее пополам с помощью клюва и через прутья подскребала к себе кусочки корма, которые валялись снаружи.

Одно из важнейших проявлений мышления животных - это способность к изготовлению и применению орудий.

В настоящее время в Кембридже исследуют новокаледонскую ворону, вид эндемик, который в природе добывает пищу, регулярно изготовляя и применяя орудия разной формы. Двух птиц, выращенных в неволе, в изоляции от сородичей, привезли в лабораторию и предложили им решить новую для них задачу. Экспериментальная установка представляла собой прозрачный цилиндр, на дно которого помещали ведерко с кормом. Рядом выкладывали палочки, короткие и длинные, прямые и изогнутые. Птицы в достоверном большинстве случаев выбирали крючок, чтобы подцепить ведерку за ручку и достать из этого цилиндра.

И однажды возникла совершенно неожиданная ситуация, когда среди предложенных для выбора инструментов не оказалось крючка. И тогда одна из ворон по кличке Бетти, схватила проволочку, заклинила ее в щели стола, загнула, сделала крючок и поддела это самое пресловутое ведерко.

Оказалось, что способность приматов, особенно человекообразных, к обобщению и к абстрагированию чрезвычайно высока. То есть животные, обобщив некие стимулы по общему для них существенному признаку, могут переносить выработанную реакцию на совершенно новые стимулы, применять это обобщение к стимулам другого класса.

Например, животное научили выбирать по признаку сходства с образцом стимулы разного цвета: образец красный - выбирай красный, образец синий - выбирай синий. И так далее. Многие животные продолжают выбирать правильно, если им показать совершенно новые цвета. Это допонятийный уровень обобщения.

Для исследования способности ворон к обобщению признака "большее число элементов" и к символизации использовался выбор по образцу. Птице на специальном подносе предъявляют две кормушки. Кормушки накрыты крышками - карточками (стимулами для выбора). В процессе обучения птица узнает, что корм (черви) находится только в одной из двух кормушек, и старается найти его. О том, в какой из кормушек лежит подкрепление, животное может узнать, сопоставив изображение на карточке-образце, которая находится между кормушками, с изображениями на карточках для выбора. Если птица видит на карточке-образце множество, например, из четырех элементов и скидывает карточку, накрывающую кормушку, на которой также изображено четыре элемента, она найдет искомого червяка. Число элементов на карточках доходило до 25. Была приведена серия экспериментов, в которых птицам предоставлялась возможность свободно выбрать между двумя кормушками, накрытыми карточками с изображениями цифр. Птица могла выбрать любую карточку и получала при этом то количество червей, которое соответствовало изображенному на карточке символу или комбинации символов. Итак, способность к символизации, по крайней мере, ее зачатки, присутствуют у такой специфической группы позвоночных, как птицы.

Американская исследовательница Ирен Пепперберг с 1978-го года работает с попугаем по кличке Алекс. Она обучает его специфическим методом "модель-соперник". Алекс выучивает слова, соревнуясь и подражая второму экспериментатору, который получает поощрение, если произносит нужное слово и отвечает на вопросы лучше, чем Алекс. Попугай усвоил небольшой лексикон и с его помощью активно отвечает на вопросы. С помощью этого диалога Ирен пытается охарактеризовать суть когнитивных способностей попугая. То есть те вопросы, которые экспериментаторы задают птицам с помощью карточек и каких-то еще стимулов, Ирен задает Алексу впрямую. Она, например, показывает ему какое-то количество предметов и спрашивает: сколько их здесь? Он отвечает - 5. И может пояснить: "Два зеленых и три красных, один круглый и четыре кубика" и т.д. Это исследование очень многоплановое. Это очень ценная работа. Она совпадает с данными российских ученых о способности птиц к обобщению и абстрагированию.

15. Биосфера

Биосфера - оболочка Земли, состав, структура и характеристики которой обусловлены прошлой и современной деятельностью живых организмов.

Границы биосферы - это границы существования жизни. Биосфера Земли включает в себя гидросферу, нижнюю часть атмосферы и верхние слои литосферы. Наиболее "заселенными" являются суша и приповерхностный слой океана. Причем, на суше абсолютное большинство организмов составляют зеленые растения (99,2 %).

Биосфера - это целостная организованная система живого вещества. Все явления в ней - часть ее единого механизма.

В биосфере можно выделить несколько составляющих компонент.

1. Живое вещество, под которым подразумевается вся совокупность организмов на планете (растения, животные, микроорганизмы). Общая биомасса живых организмов в биосфере составляет приблизительно 2,2·10¹² т.

2. Биогенное вещество, представляющее собой не сами организмы, а продукты их жизнедеятельности (в частности, нефть, известняки и т.д.).

3. Косное вещество, образование которого не связано с жизнедеятельностью организмов (результат процессов, проходящих в недрах планеты, метеориты). Косное вещество в биосфере в десять тысяч раз превосходит по объему живое вещество.

4. Биокосное вещество, которое является совместным результатом процессов в живой неживой природе (почвы).

Экологическая система, или биогеоценоз, является элементарной единицей биосферы. Каждая экосистема включает в себя живые организмы и среду их обитания.

Примерами экосистем могут служить болота, луга, лесные массивы.

Каждый биогеоценоз является саморегулирующейся системой, в которую поступает солнечный свет, почвенные вещества, атмосферные газы, вода и происходит выделение теплоты, кислорода, углекислого газа и продуктов жизнедеятельности.

Биотическая, т.е. живая часть экосистемы, образуется совокупностью живых организмов.

Организмы-производители, - это автотрофы (самопитающиеся), производящие органические вещества в процессе фотосинтеза.

К ним относятся растения, а также сине-зеленые водоросли и некоторые виды бактерий.

Организмы-потребители - гетеротрофы (питающиеся другими), которые потребляют готовые органические вещества.

Причем потребители первого порядка питаются веществами растительного происхождения (травоядные животные), а потребители высших порядков используют в качестве пищи вещества животного происхождения (плотоядные животные).

Организмы-разрушители тоже являются гетеротрофами. Они разлагают остатки мертвых организмов до простых органических и неорганических соединений.

К ним относятся бактерии и грибы.

Все виды организмов связаны в экосистеме цепями питания, которые показывают поток энергии от одних организмов к другим.

Каждое звено в такой цепи называется трофическим уровнем. Можно сказать, что каждый живой организм годится в пищу кому-то еще. В этом проявляется единство живой природы. Например:

сок розового куста тля божья коровка паук насекомоядная птица хищная птица

На каждом трофическом уровне происходит потеря части энергии, и, следовательно, понижается продукция вещества. Потери энергии связаны затратами на поддержание жизнедеятельности организмов на каждом трофическом уровне, поэтому каждому последующему звену цепи энергии остается все меньше и меньше. Например, 10 000 кг водорослей обеспечивают накопления 1 000 кг вещества членистоногих, которые, в свою очередь, дают 100 кг мелкой рыбы, затем 10 кг хищной рыбы и, наконец, 1 кг человека. Таким образом, возникает пирамида, которая показывает снижение продукции вещества на каждом трофическом уровне.

Нарушение связей между трофическими уровнями может привести к самым тяжелым последствиям. Известен случай, когда для борьбы с малярией в Индонезии использовали ДДТ, который уничтожил комаров. Но одновременно ДДТ попал в организмы тараканов, и они стали активнее истребляться ящерицами. ДДТ вызвал у ящериц ослабление рефлексов, и они чаще оказывались жертвами кошек. Так как эти ящерицы питались гусеницами, разрушающими тростниковые хижины, то гусеницы стали быстрее обычного размножаться и разрушать жилища. Кошки также отравились ДДТ и стали гибнуть, что привело к распространению крыс, зараженных чумой. Этот пример показывает также, что в реальных системах связи между организмами могут быть значительно сложнее. Чаще всего животные питаются разнообразной пищей и в свою очередь, могут служить пищей для многих других. Поэтому вместо пищевых цепей часто изображают пищевые сети.

Все необходимое для жизни человек получает из биосферы. Туда же он сбрасывает бытовые и промышленные отходы. Долгое время Природа справлялась с теми нарушениями, которые человек вносил в ее деятельность и сохраняла равновесие.

В настоящее время деятельность человека стала соизмеримой с силами Природы, и Природа уже не способна выдерживать напор преобразующей деятельности человека. Это приводит к формированию глобального экологического кризиса, сопровождающегося обострением так называемых глобальных экологических проблем.

К ним относятся: проблема народонаселения ("демографический взрыв"), изменение состава атмосферы и климата, изменение состояния водных систем, истощение природных ресурсов.

Общий подход к решению экологических проблем - достижение сбалансированного развития человечества путем реализации программ по предотвращению экологических катастроф. К таким программам можно отнести сдерживание роста населения, развитие новых малоотходных технологий производства, поиск новых, более "чистых" источников энергии и т.п.

Французский ученый Э. Леруа ввел понятие "ноосфера" для обозначения биосферы, преобразованной трудом человека и измененной научной мыслью. Главные компоненты ноосферы - это человечество, производство и Природа, составляющие единую систему.

16. Синергетика

В 70-х годах XX века возникла новая наука - синергетика - наука о самоорганизации.

Самоорганизация - образование упорядоченных структур, происходящее не за счет действия внешних факторов, а в результате внутренней перестройки системы.

Возникновение синергетики связано, в основном, с именами бельгийского физика и химика И.Р. Пригожина, лауреата Нобелевской премии 1977 г., немецкого физика Г. Хакена и других ученых.

Разномасштабные самоорганизующиеся системы, независимо от того, к какому разделу науки он относятся, имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям.



Если в сковородку с гладким дном налить минеральное масло, подмешать для наглядности мелкие алюминиевые опилки и начать нагревать, мы получим довольно наглядную модель самоорганизующейся открытой системы. При небольшом перепаде температур передача тепла от нижнего слоя масла к верхнему идет только за счет теплопроводности, и масло является типичной открытой хаотической системой. Но при некотором критическом перепаде температур между нижним и верхним слоями масла в нем возникают упорядоченные структуры в виде шестигранных призм - конвективных ячеек. В центре ячейки масло поднимается вверх, а по краям опускается вниз.

В 1951 г. Б.П. Белоусов обнаружил автоколебания в реакции окисления бромата калия КBrO₃ малоновой кислотой HOOC-CH₂-COOH в кислотной среде в присутствии катализатора - ионов церия Ce⁺³. Течение реакции меняется со временем, и раствор периодически меняет цвет от бесцветного (Ce⁺³) к желтому (Ce⁺⁴) и обратно. Наиболее эффектно выглядит колба, в которой вместо ионов церия используются ионы железа Fе⁺². Тогда раствор в колбе может часами со строгой, как часы, периодичностью изменять цвет во всем видимом диапазоне от рубиново-красного до небесно-голубого. В 1961 механизм реакции был объяснен аспирантом Белоусова А. Жаботинским. Самоорганизация в химических системах связана с поступлением извне новых веществ, которые обеспечивают продолжение реакции, и выведением в окружающую среду отработанных.

Важнейшие понятия синергетики - энтропия, обратимые и необратимые процессы, замкнутые и открытые системы, диссипативные системы, бифуркация, аттрактор и др.

Энтропия - мера беспорядка в системе.

На рубеже 20 - 30 гг. XX века годов понятие энтропии было применено к информационным системам.

Энтропия - мера вероятности информационных систем.

Информация - мера упорядоченности, энтропия - мера хаоса.

Понятие обратимого процесса является идеализацией. При изучении обратимых процессов (например, качание маятника в вакууме при отсутствии трения) нет смысла говорить о направлении течения времени, т.к. прошлое, настоящее и будущее в этом случае не отличаются. Но в реальности в случае с маятником всегда присутствует трение, колебания маятника будут затухающими, и прошлое, настоящее и будущее будут уже отличаться.

Эволюционным принципом необратимых процессов в живой природе стало II начало термодинамики.

II начало термодинамики. Энтропия изолированной системы возрастает.

Уже теория И. Канта и П. Лапласа об образовании упорядоченной Солнечной системы из хаотических туманностей противоречила II началу термодинамики. Но особенно ярко проявилось противоречие II начала термодинамики с эволюционной теорией Ч. Дарвина. Ведь согласно ей, в мире живого естественно протекающие процессы ведут к усложнению форм и структур, к увеличению порядка, избавлению от хаоса и удалению от равновесия. Все это привело к появлению понятия открытой системы, которое и позволило устранить упомянутые противоречия.

Открытые системы - системы, которые обмениваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой.

Устойчивые состояния систем не теряют своей устойчивости при флуктуациях (флуктуация - отклонение от среднего значения) физических параметров, поскольку система за счет внутренних взаимодействий способна погасить возникающие флуктуации. Неустойчивые системы, наоборот, при возникновении флуктуаций способны усиливать их, и в результате такого нарастания амплитуд возмущений система уходит из стационарного состояния.

Системы, в которых энергия упорядоченного движения переходит в энергию неупорядоченного движения и, в конечном счете, в тепло, называются диссипативными системами.

Практически все системы являются таковыми, поскольку трение и прочие силы сопротивления приводят к диссипации энергии (лат. dissipatio - разгонять, рассеивать).

При определенных условиях система может потерять устойчивость. В ней возникают и могут возрасти крупномасштабные флуктуации. При этом из хаоса могут возникнуть структуры, которые последовательно начнут переходить во все более упорядоченные. Образование этих структур происходит не из-за внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки системы, поэтому это явление и получило название самоорганизации. Пригожин назвал подобные упорядоченные структуры диссипативными структурами.

Бифуркация - разветвление в определенной точке графика, описывающего развитие системы.

Бифуркации - резкие, "взрывные" изменения системы. Например, если "бутылку" с сообщением бросить в реку точно на середину, она пойдет через правый или левый рукав в зависимости от случайного действия около точки "волнореза".

Возникновение нового качества происходит на основании усиления малых случайных движений элементов - флуктуаций. Это в частности объясняет тот факт, что в момент бифуркации состояния системы возможно не одно, а множество вариантов структурного преобразования и дальнейшего развития объекта.

Ситуацию, возникающую после воздействия флуктуации на систему и возникновения новой структуры, И. Пригожин назвал порядком через флуктуацию или "порядком из хаоса".

Точка или множество точек, к которому стремится прийти система, называется аттрактором.

Слово происходит от лат. attractio - притягиваю. Примером является устойчивое положение, к которому приходит колеблющийся маятник.

Условия самоорганизации систем таковы:

1. Система должна быть открытой, диссипативной и находиться вдали от термодинамического равновесия.

2. Если в случае закрытых систем самоорганизация (эволюция) ведет к росту энтропии и беспорядка, то в случае открытых систем происходит возникновение и усиление порядка через флуктуации. Именно флуктуации приводят в этом случае к "расшатыванию" старого порядка и возникновению нового. Энтропия падает, количество информации растет.

3. Система должна обладать достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, иметь некоторые критические размеры. В противном случае коллективное поведение элементов системы может не проявиться (самоорганизация не наступает).

4. Чем выше в своем эволюционном развитии находится система, тем более сложными и многочисленными будут факторы, которые влияют на ее самоорганизацию.