Биологическая концепция возникновения жизни

Размещено на http://www.allbest.ru

Биологическая концепция

биологический научный жизнь эволюция

Предпосылки к формированию биологической концепции появились в эпоху Великих географических открытий, сделавших доступными для наблюдений и исследований практически весь мир. Начиная с XV в., европейцы узнали о существовании множества разных стран и народов, совсем не похожих на них, имевших совершенно другие традиции и обычаи. Многие из этих народов находились на уровне каменного века. Вначале господствовало убеждение, что народы отличаются по уровню своего развития, потому что такими их создал Бог.

Но с начала XIX в. в естествознание начинает проникать идея всеобщей связи и развития, которая в антропологии трансформировалась в представление о том, что народы могут находиться на разных ступенях общественного прогресса. Основная заслуга в этом принадлежит Э. Тайлору, который в середине XIX в. разработал основные положения классического эволюционизма -- теории, утверждающей единство человеческого рода, развивающегося по единым законам. Тогда же были высказаны предположения о том, что разные народы движутся по ступеням общественного развития с разной скоростью, но путь, который им предстоит пройти, у всех один. Так в науке была сформулирована принципиальная возможность изучения древней истории современных народов через исследование сохранившихся бесписьменных народов.

Параллельно с этими исследованиями появились и первые научные представления о происхождении человека как закономерном результате эволюции животного мира Земли. Подтверждениями длительного эволюционного развития человека, свидетельством того, что он далеко не всегда был цивилизованным, стали находки каменных орудий труда, созданных первобытными людьми. Впервые эти идеи были высказаны К. Линнеем, который в своей «Системе природы» отнес человека к животному миру и отвел ему место рядом с человекообразными обезьянами. Во второй половине XVIII в. естествоиспытатели Ж. Бюффон и П. Кампер показали глубокое сходство в строении основных органов человека и животных, прежде всего высших обезьян, заложив таким образом основы научной приматологии. Это позволило поставить на новый, более высокий уровень вопрос о границах между человеком и высшими приматами.

В первой половине XIX в. ученые накопили материал, достаточный для разработки научной теории антропосоциогенеза. Среди сделанных открытий особое место занимают исследования французского археолога Буше де Перта, который собрал множество каменных орудий труда, принадлежавших первобытному человеку. Его открытия отодвинули время появления человека с библейских шести тысяч лет далеко в прошлое. Несмотря на развернутую консервативными кругами обструкцию этих открытий, в середине XIX в. они были признаны, а археологи стали использовать термины «палеолит» и «неолит».

К этому времени в науке сложились теоретические предпосылки появления теории антропосоциогенеза. В частности, этому способствовало проникновение идей эволюционизма в биологию. Но, признавая эволюцию органического мира, даже самые смелые естествоиспытатели не решались поставить человека в один ряд с животными и растениями. Так, Ламарк, автор первой эволюционной концепции, опубликованной в 1809 г., высказал предположение о возможном происхождении человека от шимпанзе, но не счел возможным развить его дальше. Он предпочел ограничиться замечанием, что человек происходит не только от животных.

Биология - (от греч. bios - жизнь и logos - учение) - это совокупность наук о живой природе. Об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Классическая биология - это биология по преимуществу наблюдательная. В классической биологии эксперимент еще не рассматривался как важный метод эмпирического познания органических объектов.

Зарождение научной биологии

Стихийно-эмпирическое накопление знаний (под стихийно-эмпирическим познанием понимается такой метод получения знаний, при котором данный процесс еще не отделен от общественно-практической деятельности людей). Поэтому, основным методом разработки новых производственных технологий, при сохранении стихийно-эмпирического познания, являются практические действия людей, непосредственно направленные на объекты или предметы производственного процесса) о мире органических явлений длилось тысячелетиями. Но долгое время знания о биологических явлениях не выделялись из общей совокупности знаний о природе в самостоятельную отрасль. Биологические знания излагались вперемешку со знаниями о химических, физических, географических, климатических, метеорологических, социально-исторических явлениях. Специфика биологического объекта просто не фиксировалась, стихийно-эмпирически накапливаясь в основном как побочный продукт деятельности ремесленников, крестьян, путешественников, алхимиков, паломников, купцов, фармацевтов, лекарей и др. Природа выступала как нерасчлененное целое.

В эпоху Возрождения ситуация в сфере познания живого изменилась. Здесь особое место принадлежит XVI в. В истории биологии этот период выделяется как начало глубокого перелома в способах познания живого. Ренессансный гуманизм, пересмотрев представление о месте человека в природе, возвысил роль человека в мире, вплоть до того, что божественность стали рассматривать как один из атрибутов человечности. В человеке видели венец, светоч природы, полагая, что уже в силу одного этого он достоин самого тщательного изучения, внимания и заботы. Отражением главной ориентации той эпохи -- ориентации на человека, на совокупность его ближайших потребностей и прежде всего на решение наиболее близких ему медицинских проблем -- было быстрое развитие биологического познания. Известный историк естествознания П. Таннери, характеризуя данный период развития биологии, писал: “...История науки в первой половине ХVI столетия была в сущности только историей медицины”'. В сторону человека развернулась даже алхимия; результатом слияния алхимии с медициной стала ятрохимия. Основоположник ятрохимии Парацельс утверждал, что “настоящие цели алхимии заключаются не в изготовлении золота, а в приготовлении лекарств”.

Особенности развития биологии в XVI--XVII вв. во многом определялись практическими потребностями развивавшегося капиталистического хозяйства, прежде всего его аграрного сектора, социально-классовыми потрясениями, ростом влияния материалистической философии на естествознание в целом и биологию в частности, институционализацией научной деятельности. На смену средневековой феодальной упрощенной культурно-бытовой сфере жизнедеятельности приходит буржуазный образ жизни, сформировавшийся в среде городской бюргерской культуры. Его важнейшими атрибутами были, в частности, цветоводство и садоводство. В XV--XVI вв. потребности медицины обусловили появление разного рода травников, а затем и создание “аптекарских садов”, которые впоследствии превратились в ботанические сады; широко развивалась практика сбора гербариев. Мир животных тоже становится объектом интереса. В эпоху Возрождения значительно совершенствуется организация коневодства и конных заводов. А при дворах многих европейских правителей создаются даже настоящие зоопарки. На таком фоне повышается интерес к растению и животному как таковому. Как совершенно справедливо отмечал первооткрыватель итальянского Возрождения Я. Буркхард, “всем этим была... создана... благоприятная почва для развития научной зоологии, как и ботаники”'.

Значительные изменения происходят в способе биологического познания -- вырабатываются стандарты, критерии и нормы исследования органического мира. На смену стихийности, спекулятивным домыслам, фантазиям и суевериям постепенно приходит установка на объективное, доказательное, эмпирически обоснованное знание. Благодаря коллективным усилиям ученых многих европейских стран такая установка обеспечила постепенное накопление колоссального фактического материала. Значительную роль в этом процессе сыграли Великие географические открытия, эпоха которых раздвинула мировоззренческий горизонт европейцев -- они узнали множество новых биологических, геологических, географических и других явлений. Фауна и флора вновь открытых стран и континентов не только значительно расширили эмпирический базис биологии, но и поставили вопрос о его систематизации.

Сущность и определение жизни

Долгое время в науке существовало два основных подхода к решению вопроса о жизни - механицизм и витализм. Они приняли законченную форму в XIX веке в результате ожесточенных дискуссий между их представителями.

Механистический материализм, характерный для классической науки Нового времени, не признавал качественной специфики живых организмов и представлял жизненные процессы как результат действия химических и физических процессов. Поэтому механицизм отождествлял живые организмы со сложными машинами. Но такой подход неверен в самой своей основе, ведь аналогия между живым существом и машиной не объясняет причину целесообразности живого организма. Механицизм и его более поздняя разновидность - редукционизм, всякий раз беспомощно останавливались перед проблемой сущности жизни.

Противоположной точкой зрения стал витализм, который объяснял качественное отличие живого от неживого наличием в живых организмах особой «жизненной силы», отсутствующей в неживых предметах и не подчиняющейся физическим законам. Такое решение проблемы сущности жизни тесно связано с признанием факта творения ее Богом, разумным материальным началом и т.д.

К концу XX в. биологи стали намного больше знать о том, что такое жизнь, как она устроена, каковы ее существенные признаки. Тем не менее, современные предположения о сущности жизни во многом остаются гипотетичными. С этим связано отсутствие общепринятого определения жизни.

На обыденном уровне мы все интуитивно понимаем, что представляет собой живое, а что - неживое. Однако при попытке четко сформулировать определение жизни возникают большие трудности, так как сущность жизни понимается и определяется неоднозначно.

Большинство ученых убеждено, что жизнь представляет собой особую форму существования материального мира. До конца 1950-х годов в научной и философской литературе общепринятым было знаменитое определение Ф. Энгельса, в котором говорилось, что жизнь есть способ существования белковых тел, состоящий и постоянном самообновлении химических составных частей этого тела. Но постепенно стало очевидным, что субстратная основа жизни не сводиться только к белкам, а функциональная - к присущему белковым телам обмену веществ.

Также ученым удалось точно установить, что качественное отличие живого от неживого заключено в структуре их соединений, строении и связях, особенностях функций, характеристике и организации протекающих внутри организма процессов. Кроме того, жизнь отличается динамичностью и лабильностью. Но при этом можно говорить о полном тождестве химических элементов, входящих в состав живого и неживого.

На основании новых данных во второй половине XX в. появились новые определения жизни. Среди них - определение жизни как апериодического кристалла, данное Э. Шредингером. Интересно определение жизни как космической организованности материи Г. Югая. Существуют также определения, подчеркивающие энергетический аспект жизни - ее противостояние энтропийным процессам. А в определении канадского биолога Г. Селье жизнь понимается как процесс непрерывной адаптации организмов к постоянно изменяющимся условиям внешней и внутренней среды. При этом организм оказывается способным поддерживать стабильность всех своих структур и функций, не смотря на воздействие различных внешних факторов.

Современная биология в вопросе о сущности жизни все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. Акцент делается на то, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни. Таково определение жизни Б.М. Медникова. Он называет жизнью активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфических структур, обладающих следующими свойствами: наличие генотипа и фенотипа; репликация генетических программ матричным способом; неизбежность ошибок на микроуровне при репликации, приводящих к мутациям; многократное усиление этих изменений в ходе формирования фенотипа и их селекция со стороны факторов внешней среды.

В этом определении акцент сделан на то, что жизнь связана с воспроизведением характерной для каждого вида упорядоченности. При этом организм воспроизводит себя и поддерживает свою целостность за счет использования элементов окружающей среды с более низкой упорядоченностью.

Для того чтобы понять сущность жизни, необходимо, прежде всего, установить, что такое живое и чем оно отличается от неживого. К числу свойств живого обычно относят следующие признаки:

* живые организмы характеризуются сложной упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах;

* живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно используют солнечную энергию;

* живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешнее раздражение - универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных;

* живые организмы не только изменяются, но и усложняются;

* все живое размножается. Способность к самовоспроизведению - один из самых главных признаков жизни, так как в этом проявляется действие механизма наследственности и изменчивости, определяющих эволюцию всех видов живой природы;

* живые организмы передают потомкам заложенную в их генах информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Ген - единица наследственности, являющаяся мельчайшей внутриклеточной структурой. Генетический материал определяет направление развитие организма. Вот почему потомки похожи на родителей. Однако эта информация и процессе передачи несколько меняется, искажается, что делает потомков отличными от своих родителей;

* живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни. В обобщенном и упрощенном варианте все отмеченное можно выразить в выводе, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе. Естественно, что все эти признаки должны быть отражены в определении жизни. Таким образом, можно предложить следующее определение: жизнь - высшая из природных форм движения материи, она характеризуется самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.

Гипотезы возникновения жизни на Земле

Вопросы о происхождении природы и сущности жизни издавна стали предметом интереса человека в его стремлении разобраться в окружающем мире, понять самого себя и определить свое место в природе. Происхождение жизни - одна из трех важнейших мировоззренческих проблем наряду с проблемой происхождения нашей Вселенной и проблемой происхождения человека. Многовековые исследования и попытки решения этих вопросов породили разные концепции возникновения жизни.

Креационизм - божественное сотворение живого; концепция многократного самопроизвольного (спонтанного) зарождения жизни из неживого вещества (ее придерживался еще Аристотель, который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы); концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда; концепция панспермии - внеземного происхождения жизни; 5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам. Концепция креационизма Согласно креационизму, возникновение жизни на Земле не могло осуществиться естественным, объективным, закономерным образом; жизнь является следствием божественного творческого акта. Возникновение жизни относится к определенному событию в прошлом, которое можно вычислить. В 1650 г. архиепископ Ашер из Ирландии вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н.э., а в 9 часов утра 23 октября и человека. Это число он получил из анализа возрастов и родственных связей всех упоминаемых в Библии лиц. Однако к тому времени на ближнем Востоке уже была развитая цивилизация, что доказано археологическими изысканиями. Впрочем, вопрос сотворения мира и человека не закрыт, поскольку толковать тексты Библии можно по-разному.

Концепция спонтанного зарождения жизни. Теория спонтанного зарождения жизни возникла в Вавилоне, Египте и Китае как альтернатива креационизму. В ее основе лежит понятие о том, что под влиянием естественных факторов живое может возникнуть из неживого, органическое из неорганического. Она восходит к Эмпедоклу и Аристотелю: определенные “частицы” вещества содержат некое “альтернативное начало”, которое при определенных условиях может создать живой организм. Аристотель считал, что активное начало есть в оплодотворенном яйце, солнечном свете, гниющем мясе. У Демокрита начало жизни было в иле, у Фалеса - в воде, у Анаксагора - в воздухе. Аристотель на основе сведений о животных, которые поступали от воинов Александра Македонского и купцов-путешественников, сформировал идею постепенного и непрерывного развития живого из неживого и создал представление о “лестнице природы” применительно к животному миру. Он не сомневался в самозарождении лягушек, мышей и других мелких животных. Платон говорил о самозарождении живых существ из земли в процессе гниения. Идея самозарождения получила широкое распространение в средневековье иэпоху Возрождения, когда допускалась возможность самозарождения не только простых, но и довольно высокоорганизованных существ, даже млекопитающих (например, мышей из тряпок). Например, в трагедии В. Шекспира “Антоний и Клеопатра” Леонид говорит Марку Антонию: “Ваши египетские гады заводятся в грязи от лучей вашего египетского солнца. Вот, например, крокодил...”. Известны попытки Парацельса разработать рецепты искусственного человека (гомункулуса). Гельмонт придумал рецепт получения мышей из пшеницы и грязного белья. Бэкон тоже считал, что гниение - зачаток нового рождения. Идеи самозарождения жизни поддерживали Галилей, Декарт, Гарвей, Гегель, Против теории самозарождения в XVII в. выступил флорентийский врач Франческо Реди. Положив мясо в закрытый горшок, Ф. Реди показал, что в гнилом мясе личинки мясной мухи не самозарождаются. Сторонники теории самозарождения не сдавались, они утверждали, что самозарождение личинок не произошло по той лишь причине, что в закрытый горшок не поступал воздух. Тогда Ф. Реди поместил кусочки мяса в несколько глубоких сосудов. Часть из них он оставил открытыми, а часть прикрыл кисеей. Через некоторое время в открытых сосудах мясо кишело личинками мух, тогда как в сосудах, прикрытых кисеей, в гнилом мясе никаких личинок не было. В XVIII в. теорию самозарождения жизни продолжал защищать немецкий математик и философ Лейбниц. Он и его сторонники утверждали, что в живых организмах существует особая “жизненная сила”. По мнению виталистов (от лат. “вита” - жизнь), “жизненная сила” присутствует всюду. Достаточно лишь вдохнуть ее, и неживое станет живым ”. Микроскоп открыл людям микромир. Наблюдения показывали, что в плотно закрытой колбе с мясным бульоном или сенным настоем через некоторое время обнаруживаются микроорганизмы. Но стоило прокипятить мясной бульон в течение часа и запаять горлышко, как в запаянной колбе ничего не возникало. Виталисты выдвинули предположение” что длительное кипячение убивает “жизненную силу”, которая не может проникнуть в запаянную колбу. В XIX в. Даже Ламарк в 1809 г. писал о возможности самозарождения грибков. С появлением книги Дарвина “Происхождение видов” вновь встал вопрос о том, как же все-таки возникла жизнь на Земле. Французская Академия наук в 1859 г. назначила специальную премию за попытку осветить по-новому вопрос о самопроизвольном зарождении. Эту премию в 1862 г. получил знаменитый французский ученый Луи Пастер. Пастер провел эксперимент, соперничавший по простоте со знаменитым опытом Реди. Он кипятил в колбе различные питательные среды, в которых могли развиваться микроорганизмы. При длительном кипячении в колбе погибали не только микроорганизмы, но и их споры. Помня об утверждении виталистов, что мифическая “жизненная сила” не может проникнуть в запаянную колбу, Пастер присоединил к ней S-образную трубку со свободным концом. Споры микроорганизмов оседали на поверхности тонкой изогнутой трубки и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипяченная питательная среда оставалась стерильной, в ней не наблюдалось самозарождения микроорганизмов, хотя доступ воздуха (а с ним и пресловутой “жизненной силы”) был обеспечен. Так было доказано то, что в наше время какой бы то ни было организмможет появиться только из другого живого организма. Концепция стационарного состояния Сторонники теории вечного существования жизни считают, что на вечно существующей Земле некоторые виды вынуждены были вымереть или резко изменить численность в тех или иных местах планеты из-за изменения внешних условий. Четкой концепции на этом пути не выработано, поскольку в палеонтологической летописи Земли есть некоторые разрывы и неясности. С идеей вечного существования жизни во Вселенной связана и следующая группа гипотез. Концепция панспермии Теория панспермии (гипотеза о возможности переноса Жизни во Вселенной с одного космического тела на другие) не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни и переносит проблему в другое место Вселенной. Либих считал, что “атмосферы небесных тел, а также вращающихся космических туманностей можно считать как вековечные хранилища оживленной формы, как вечные плантации органических зародышей”, откуда жизнь рассеивается в виде этих зародышей во Вселенной. В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствии с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую. Эта гипотеза была поддержана многими выдающимися учеными. Подобным образом мыслили Кельвин, Гельмгольц и др. в начале нашего века с идеей радио панспермии выступил Аррениус. Он описывал, как с населенных другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счет светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями для жизни, они начинают новую жизнь на этой планете. Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, или появления НЛО. Полеты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной жизни на планетах солнечной системы, которая появилась после открытия Скиапарелли каналов на Марсе. Концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

В настоящее время наиболее, широкое признание получила гипотеза о происхождении жизни на Земле, сформулированная советским ученым акад. А. И. Опариным и английским ученым Дж. Холдейном. Эта гипотеза исходит из предположения о постепенном возникновении жизни на Земле из неорганических веществ путем длительной абиогенной (небиологической) молекулярной эволюции. Теория А. И. Опарина представляет собой обобщение убедительных доказательств возникновения жизни на Земле в результате закономерного процесса перехода химической формы движения материи в биологическую. Образование простых органических соединений. На начальных этапах своей истории Земля представляла собой раскаленную планету. Вследствие вращения при постепенном снижении температуры атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных слоях концентрировались атомы легких элементов (водорода, углерода, кислорода, азота), из которых и состоят тела живых организмов. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: вода, метан, углекислый газ, аммиак, цианистый водород, а также молекулярный водород, кислород, азот. Физические и химические свойства воды (высокий дипольный момент, вязкость, теплоемкость и т. д.) и углерода (трудность образования окислов, способность к восстановлению и образованию линейных соединений) определили то, что именно они оказались у колыбели жизни. На этих начальных этапах сложилась первичная атмосфера Земли, которая носила не окислительный, как сейчас, а восстановительный характер. Кроме того, она была богата инертными газами (гелием, неоном, аргоном). Эта первичная атмосфера уже утрачена. На ее месте образовалась вторая атмосфера Земли, состоящая на 20% из кислорода -- одного из наиболее химически активных газов. Эта вторая атмосфера -- продукт развития жизни на Земле, одно из его глобальных следствий. Дальнейшее снижение температуры обусловило переход ряда газообразных соединений в жидкое и твердое состояние, а также образование земной коры. Когда температура поверхности Земли опустилась ниже 100°С произошло сгущение водяных паров. Длительные ливни с частыми грозами привели к образованию больших водоемов. В результате активной вулканической деятельности из внутренних слоев Земли на поверхность выносилось много раскаленной массы, в том числе карбидов -- соединений металлов с углеродом. При взаимодействии карбидов с водой выделялись углеводородные соединения. Горячая дождевая вода как хороший растворитель имела в своем составе растворенные углеводороды, а также газы (аммиак, углекислый газ, цианистый водород), соли и другие соединения, которые могли вступать в химические реакции. С особым успехом, видимо, протекали процессы роста молекул при наличии группы - N = C = N -. У этой группы большие химические возможности к росту за счет как присоединения к атому углерода атома кислорода, так и реагирования с азотистым основанием. Так постепенно на поверхности молодой планеты Земля накапливались простейшие органические соединения. Причем накапливались в больших количествах. Для того чтобы те или иные растворенные вещества вступали между собой во взаимодействие, нужна достаточная концентрация их в растворе. Важно и то, что более сложные органические соединения являются более стойкими перед разрушающим действием ультрафиолетового излучения, чем простые соединения. Анализ возможных оценок количества органического вещества, которое накопилось неорганическим путем на ранней Земле, впечатляет: по некоторым расчетам за 1 млрд. лет над каждым квадратным сантиметром земной поверхности образовалось несколько килограммов органических соединений. Если их все растворить в мировом океане, то концентрация раствора была бы приблизительно 1%. Это довольно концентрированный “органический бульон”. В таком “бульоне” мог вполне успешно развиваться процесс образования более сложных органических молекул. Таким образом, воды первичного океана постепенно насыщались разнообразными органическими веществами, образуя “первичный бульон”. Насыщению такого “органического бульона” в немалой степени способствовала и деятельность подземных вулканов. “Первичный бульон” и образование коацерватов. Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ, возникновением белковых тел. В водах первичного океана концентрация органических веществ увеличивалась, происходили их смешивание, взаимодействие и объединение в мелкие обособленные структуры раствора. Такие структуры можно легко получить искусственно, смешивая растворы разных белков, например желатина и альбумина. Эти обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры выдающийся русский ученый А.И. Опарин назвал коацерватными каплями или коацерватами. Коацерваты -- мельчайшие коллоидальные частицы -- капли, обладающие осмотическими свойствами. Коацерваты образуются в слабых растворах. Вследствие взаимодействия противоположных электрических зарядов происходит агрегация молекул. Мелкие сферические частицы возникают потому, что молекулы воды создают вокруг образовавшегося агрегата поверхность раздела. Исследования показали, что коацерваты имеют достаточно сложную организацию и обладают рядом свойств, которые сближают их с простейшими живыми системами. Например, они способны поглощать из окружающей среды разные вещества, которые вступают во взаимодействие с соединениями самой капли, и увеличиваться в размере. Эти процессы в какой-то мере напоминают первичную форму ассимиляции. Вместе с тем в коацерватах могут происходить процессы распада и выделения продуктов распада. Соотношение между этими процессами у разных коацерватов неодинаково. Выделяются отдельные динамически более стойкие структуры с преобладанием синтетической деятельности. Однако все это еще не дает основания для отнесения коацерватов к живым системам, потому что они лишены способности к самовоспроизведению и само регуляции синтеза органических веществ. Но предпосылки возникновения живого в них уже содержались. Коацерваты объясняют, как появились биологические мембраны. Образование мембранной структуры считается самым “трудным” этапом химической эволюции жизни. Истинное живое существо (в виде клетки, пусть даже самой примитивной) не могло оформиться до возникновения мембранной структуры и ферментов. Биологические мембраны -- это агрегаты белков и липидов, способные отграничить вещества от среды и придать упаковке молекул прочность. Мембраны могли возникнуть в ходе формирования коацерватов. Повышенная концентрация органических веществ в коацерватах увеличивала возможность взаимодействия между молекулами и усложнения органических соединений. Коацерваты образовывались в воде при соприкосновении двух слабо взаимодействующих полимеров. Кроме коацерватов в “первичном бульоне” накапливались полинуклеотиды, полипептиды и различные катализаторы, без которых невозможно образование способности к самовоспроизведению и обмену веществ. Катализаторами могли быть и неорганические вещества. Так, Дж. Берналом в свое время была выдвинута гипотеза о том, что наиболее удачные условия для возникновения жизни складывались в небольших спокойных теплых лагунах с большим количеством ила, глинистой мути. В такой среде очень быстро протекает полимеризация аминокислот; здесь процесс полимеризации не нуждается в нагревании, так как частицы ила выступают в качестве своеобразных катализаторов. Возникновение простейших форм живого. Главная проблема в учении о происхождении жизни состоит в объяснении возникновения матричного синтеза белков. Жизнь возникла не тогда, когда образовались пусть даже очень сложные органические соединения, отдельные молекулы ДНК и др., а тогда, когда начал действовать механизм ковариантной редупликации. Именно поэтому завершение процесса биогенеза связано с возникновением у более стойких коацерватов способности к самовоспроизведению составных частей, с переходом к матричному синтезу белка, характерному для живых организмов. В ходе предбиологического отбора наибольшие шансы на сохранение имели те коацерваты, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению. Переход к матричному синтезу белков был величайшим качественным скачком в эволюции материи. Однако механизм такого перехода пока не ясен. Основная трудность здесь состоит в том, что для удвоения нуклеиновых кислот нужны ферментные белки, а для создания белков -- нуклеиновые кислоты. Как разорвать эту “замкнутую цепь”? Иначе говоря, нужно объяснить, как в ходе предбиологического отбора объединились способности к самовоспроизведению полинуклеотидов с каталитической активностью полипептидов в условиях пространственно-временного разобщения начальных и конечных продуктов реакции. Существуют разные гипотезы на сей счет, но все они, так или иначе, не полны. Однако в настоящее время наиболее перспективными здесь являются гипотезы, которые опираются на принципы теории самоорганизации, синергетики, на представления о гиперциклах, т.е. системах, связывающих самовоспроизводящиеся (автокаталитические) единицы друг с другом посредством циклической связи. В таких системах продукт реакции одновременно является и ее катализатором или исходным реагентом. Потому и возникает явление самовоспроизведения, которое на первых этапах вовсе могло и не быть точной копией исходного органического образования. О трудностях становления самовоспроизведения свидетельствует само существование вирусов и фагов, которые представляют собой, по-видимому, осколки форм предбиологической эволюции. В последующем предбиологический отбор коацерватов, по-видимому, шел по нескольким направлениям. Во-первых, в направлении выработки способности накопления специальных белковоподобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций. В результате строение нуклеиновых кислот изменялось в направлении преимущественного “размножения” систем, в которых удвоение нуклеиновых кислот осуществлялось с участием ферментов. На этом пути и возникает характерный для живых существ циклический обмен веществ. Во-вторых, в системе коацерватов происходил и отбор самих нуклеиновых кислот по наиболее удачному сочетанию последовательности нуклеотидов. На этом пути формировались гены. Самовоспроизводящиеся системы со сложившейся стабильной последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте уже могут быть названы живыми. В проблеме возникновения жизни еще много неопределенного, она еще далека от своего окончательного разрешения. Так, например, не ясно, почему все белковые соединения, входящие в состав живого вещества, имеют только “левую симметрию”. Какие механизмы предбиологической эволюции могли к этому привести? Первые обитатели нашей планеты были гетеротрофами и питались за счет органических веществ, растворенных в первородном океане. Прогрессивное развитие первичных живых организмов обеспечило в дальнейшем такой огромный скачок, как возникновение аутотрофов, использующих солнечную энергию для синтеза органических соединений из простейших неорганических. Разумеется, не сразу возникло такое сложное соединение, как хлорофилл. Первоначально появились более простые пигменты, способствовавшие усвоению, прежде всего органических веществ. Постепенно в первородном океане стали иссякать органические вещества, накопившиеся в нем абиогенным путем. Появление аутотрофных организмов, в первую очередь зеленых растений, обеспечило дальнейший непрерывный синтез органических веществ, а, следовательно, существование и дальнейшее развитие жизни. Возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами (ускорение эволюции во времени). Так, развитие от первичных протобионтов до аэробных форм потребовало около 3 млрд лет, тогда как с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн лет; птицы и млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн лет, приматы выделились за 12-15 млн. лет, для становления человека потребовалось около 3 млн лет. Возможно ли возникновение жизни на Земле сейчас? Из того, что мы знаем о происхождении жизни на Земле, ясно, что процесс возникновения живых организмов из простых органических соединений был крайне длительным. Чтобы на Земле зародилась жизнь, понадобился длившийся много миллионов лет эволюционный процесс, в течение которого сложные молекулярные структуры, прежде всего нуклеиновые кислоты и белки, прошли отбор на устойчивость, на способность к воспроизведению себе подобных. Если сейчас на Земле где-нибудь в районах интенсивной вулканической деятельности и могут возникнуть достаточно сложные органические соединения, то вероятность сколько-нибудь продолжительного существования этих соединений ничтожна. Они немедленно будут окислены или использованы гетеротрофными организмами. Это прекрасно понимал еще Ч. Дарвин: в 1871 г. он писал: “Но если бы сейчас... в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т.п., химически образовался белок, способный к дальнейшим, все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено или поглощено, что было невозможно в период до возникновения живых существ”. Жизнь возникла на земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена.

Эволюция жизни на Земле

Эволюция одноклеточных организмов

Различие между прокариотами и эукариотами заключается в том, что прокариоты могут жить как в бескислородной среде, так и в среде с разным содержанием кислорода, в то время как для эукариотов, за немногим исключением, обязателен кислород.

Сравнение прокариот и эукариот по потребности в кислороде приводит к заключению, что прокариоты возникли в период, когда содержание кислорода в среде изменялось. Ко времени же появления эукариот концентрация кислорода была высокой и относительно постоянной.

Первые фотосинтезирующие организмы появились около 3 млрд. лет назад. Это были анаэробные бактерии, предшественники современных фотосинтезирующих бактерий. Именно они образовали самые древние среди известных строматолитов. Обеднение среды азотистыми органическими соединениями вызывало появление живых существ, способных использовать атмосферный азот. Такими организмами являются фотосинтезирующие азотфиксирующие сине-зеленые водоросли, осуществляющие анаэробный фотосинтез. Они устойчивы к продуцируемому ими кислороду и могут использовать его для собственного метаболизма. Поскольку сине-зеленые водоросли возникли в период, когда концентрация кислорода в атмосфере изменялась, вполне очевидно, что они -- промежуточные формы между анаэробами и аэробами.

Считается, что хемосинтез, в котором источником атомов водорода для восстановления углекислого газа является сероводород (такой хемосинтез осуществляют современные зеленые и пурпурные серные бактерии), предшествовал более сложному двустадийному; фотосинтезу, при котором источником атомов водорода являются молекулы воды. Второй тип фотосинтеза характерен для зеленых растений.

Фотосинтезирующая деятельность первичных одноклеточных имела два последствия, оказавшие решающее влияние на всю дальнейшую эволюцию живого.

Во-первых, фотосинтез освободил организмы от конкуренции за природные запасы абиогенных органических соединений, количество которых в среде значительно сократилось. Развившиеся посредством фотосинтеза автотрофное питание и запасание питательных готовых веществ в растительных тканях создали затем условия для появления громадного разнообразия автотрофных и гетеротрофных организмов.

Во-вторых, фотосинтез обеспечивал насыщение атмосферы достаточным количеством кислорода для возникновения и развития организмов, энергетический обмен которых основан на процессах дыхания.

Когда же появились эукариотические клетки? Значительное количество данных об ископаемых эукариотах позволяет сказать, что их возраст составляет около 1,5 млрд. лет. В эволюции одноклеточной организации выделяются ступени, связанные с усложнением строения организма, совершенствованием генетического аппарата и способов размножения.

Прогрессивным явлением в филогенезе простейших было возникновение у них полового размножения. Постепенно в ходе прогрессивной эволюции произошел переход к разделению генеративных клеток на женские и мужские.

Эволюция многоклеточных организмов

Следующая после возникновения одноклеточных ступень эволюции заключалась в образовании и прогрессивном развитии многоклеточных организмов. Эта ступень отличается большой усложненностью переходных стадий (форм), из которых выделяются колониальная одноклеточная, первично-дифференцированная, централизованно-дифференцированная.

Колониальная одноклеточная стадия.

Колониальная одноклеточная стадия считается переходной от одноклеточного организма к многоклеточному и является наиболее простой из всех стадий в эволюции многоклеточной организации.

Первично-дифференцированная стадия.

Первично-дифференцированная стадия в эволюции многоклеточных организмов характеризуется началом специализации по «принципу разделения труда» у членов колонии. На первично-дифференцированной стадии происходит специализация функций на тканевом, органном и системно-органном уровнях. Так, у кишечнополостных сформировалась простая нервная система, которая, распространяя импульсы, координирует деятельность двигательных, железистых, стрекательных, репродуктивных клеток. Нервного центра как такового еще нет, но центр координации имеется.

Централизованно-дифференцированная стадия.

С кишечнополостных начинается развитие централизованно-дифференцированной стадии в эволюции многоклеточной организации. На этой стадии усложнение морфофизиологической структуры идет через усиление тканевой специализации, начиная с возникновения зародышевых листков, детерминирующих морфогенез пищевой, выделительной, генеративной и других систем органов. Возникает хорошо выраженная централизованная нервная система. Одновременно совершенствуются способы полового размножения -- от наружного оплодотворения к внутреннему, от свободной инкубации яиц вне материнского организма к живорождению.

Заключительным этапом в эволюции централизованно-дифференцированной стадии стало возникновение человека.

Эволюция растительного мира

В протерозойскую эру (около 1 млрд. лет назад) эволюционный ствол древнейших эукариот разделился на несколько ветвей, от которых возникли многоклеточные растения (зеленые, бурые и красные водоросли), а также грибы. Большинство из первичных растений свободно плавало в морской воде, часть прикреплялась ко дну.

Существенным условием дальнейшей эволюции растений был образование субстрата на поверхности суши в результате воздействия бактерий на минеральные вещества и под влиянием климатических факторов. В конце силурийского периода почвообразовательные процессы подготовили возможность выхода растений на сушу (41 млн. лет назад).

Первыми растениями, освоившими сушу, были псилофиты. Затем возникли другие группы наземных сосудистых растений: плауны, хвощи, папоротники, размножающиеся спорами и предпочитающие водную среду. Примитивные сообщества этих растений широко распространились в девоне. В этот же период появились и первые голосеменные, возникшие от древних папоротников и унаследовавшие от них внешний древовидный облик.

Переход к размножению семенами имел большое значение, так как освободил процесс полового размножения от связи со средой.

Значительного разнообразия достигла наземная флора в каменноугольный период. Среди древовидных широко распространились плаунообразные, достигавшие в высоту 30 м и более, из первичных голосеменных господствовали разнообразные птеридоспермы и кордаиты, напоминавшие стволами хвойные и имевшие длинные лентовидные листья. Начавшийся в пермский период расцвет голосеменных, в частности хвойных, привел к их господству в мезозойскую эру. К середине пермского периода климат стал засушливее, что во многом отразилось на изменениях в составе флоры. Сошли с арены гигантские папоротники, древовидные плауны, каламиты и исчез столь яркий для той эпохи колорит тропических растений.

Опыление насекомыми и внутреннее оплодотворение создали значительные преимущества цветковых над голосеменными, что обеспечило их расцвет в кайнозое.

Итак, можно отметить следующие основные особенности эволюции растительного мира:

1) постепенный переход к преобладанию диплоидного поколения над гаплоидным;

2) половое "размножение, не зависимое от капельно-воздушной среды; переход от наружного оплодотворения к внутреннему, возникновение двойного оплодотворения.

3) в связи с прикрепленным образом жизни на суше растение расчленяется на корень, стебель и лист, развиваются сосудистая проводящая система и защитные ткани;

4) совершенствование органов размножения и перекрестного опыления у цветковых в сопряженной эволюции с насекомыми - развитие зародышевого мешка для защиты растительного эмбриона от неблагоприятных влияний внешней среды; возникновение разнообразных способов распространения семян и плодов физическими и биологическими способами.

Эволюция животного мира

История животных изучена наиболее полно в связи с тем, что они обладают скелетом и поэтому лучше сохраняются в окаменелых остатках. Самые ранние следы животных обнаруживаются в конце докембрия (700 млн. лет назад). Предполагается, что первые животные произошли либо от общего ствола всех эукариот, либо от одной из групп древнейших водорослей. Наиболее близки к предкам простейших животных одноклеточные зеленые водоросли. Не случайно, например, эвглену и вольвокс, способных и к фотосинтезу, и к гетеротрофному питанию, ботаники относят к типу зеленых водорослей, а зоологи -- к типу простейших животных.

Разнообразие и количество палеонтологических документов истории животных резко возрастают в породах, датируемых менее 570 млн. лет. В течение примерно 50 млн. лет довольно быстро появляются почти все типы животных с прочным скелетом. Возникновение Типа Хордовых относится ко времени менее 500 млн. лет.

Начало палеозоя отмечено образованием многих типов животных, из которых примерно треть существует и в настоящее время. В позднее кембрийское время появляются первые рыбы. В девоне возникают челюстные рыбы в результате таких крупных эволюционных преобразований, как превращение передней пары жаберных дуг в челюсти и формирование парных плавников. Первых челюстноротых представляли две группы: лучеперые и лопастеперые рыбы. Почти все живущие рыбы -- потомки лучеперых. Лопастеперые имели в плавниках костные опорные элементы, из которых развились конечности первых обитателей суши. Следовательно, все четвероногие позвоночные имеют свою далеким предком эту исчезнувшую группу рыб.

Наиболее древние представители амфибий - ихтиостеги - обнаружены в верхнедевонских отложениях (Гренландия). Они обладали пятипалыми конечностями, с помощью которых переползали по суше. Конкуренция с кистеперыми заставляла первых земноводных занимать местообитания, промежуточные между водой и сушей.

От примитивных амфибий ведут свое начало рептилии, широко расселившиеся на суше к концу пермского периода благодаря приобретению легочного дыхания и оболочек яиц, защищающих от высыхания. Первые рептилии уступили место гигантским рептилиям, динозаврам, появившимся 150 млн. лет назад. Вполне вероятно, что последние были теплокровными животными. В связи с теплокровностью динозавры вели активный образ жизни, чем можно объяснить их длительное господство и сосуществование с млекопитающими.

Уже в период господства динозавров существовала группа млекопитающих -- небольших по размеру животных с шерстным покровом, возникших от одной из линий хищных рептилий -- терапсид. Млекопитающие вышли на передний край эволюции благодаря таким прогрессивным особенностям, как более развитый мозг и связанная с этим большая активность, теплокровность, вскармливание потомства молоком.

Значительного разнообразия млекопитающие достигли в кайнозое, тогда же появились приматы. Третичный период был временем расцвета млекопитающих. Прогрессивная эволюция приматов оказалась уникальным явлением в истории развития жизни на Земле, в итоге она привела к возникновению человека.

Особенности эволюции животного мира:

1) прогрессивное развитие многоклеточных организмов и связанная с ним специализация тканей и всех систем органов. Свободный образ жизни и способность к перемещению в значительной мере определили совершенствование форм поведения, а также относительную независимость индивидуального развития от колебаний факторов внешней среды на основе развития внутренних регуляторных систем;

2) возникновение твердого скелета: наружного -- у членистоногих, внутреннего -- у позвоночных. Такое разделение определило разные пути эволюции этих типов животных. Наружный скелет членистоногих препятствовал увеличению размеров тела, именно поэтому все насекомые представлены мелкими формами. Внутренний скелет позвоночных не ограничивал увеличение размеров тела, которые постигли максимальной величины у мезозойских рептилий -- динозавров и ихтиозавров;

3) возникновение органо-полостных и совершенствование их на централизованно-дифференцированной стадии до млекопитающих. На этой стадии произошло разделение насекомых и позвоночных. Развитие центральной нервной системы у насекомых характеризуется| совершенствованием форм поведения по типу наследственного укрепления инстинктов. У позвоночных развился головной мозг и система условных рефлексов. Наблюдается ярко выраженная тенденция к повышению средней выживаемости отдельных особей.

Данный путь эволюции позвоночных привел к развитию форм группового адаптивного поведения, заключительным событием которогo стало возникновение биосоциального существа -- человека.

Эволюция биосферы

Эволюция биосферы обусловлена тремя группами факторов:

1) развитием Земли как космического тела и протекающими и ее недрах химическими преобразованиями;

2) биологической эволюцией живых организмов;

3) развитием человеческого общества.

С момента возникновения жизнь оформилась в виде примитивной биосферы, и с этого времени ее эволюция тесно сопряжена с возникновением разнообразных видов микроорганизмов, грибов, растений, животных. Число вымерших видов, некогда обитавших на земном шаре, определяется от одного до нескольких миллиардов. Многообразие видов, существовавших в прошлом и населяющих планету сейчас, есть результат исторического развития биосферы в целом.

Создателем современного учения о биосфере стал В.И. Вернадский.

Согласно выдвинутому В.И. Вернадским закону, названному им «вторым биогеохимическим принципом», эволюция видов и возникновение устойчивых форм жизни шли в направлении усиления биогенной миграции атомов в биосфере. Взаимосвязь эволюции органического мира с основными биогеохимическими процессами в биосфере В.И. Вернадский усматривал, прежде всего, в биогенных миграциях химических элементов, т.е. в «прохождении» их через организмы.

Основная структурная единица биосферы -- биогеоценоз. Свойства биосферы в значительной мере определяются свойствами структурных единиц. Входя в состав биосферы, биогеоценозы, естественно, связаны между собой. Совокупность геологических и космических факторов существенно изменяла условия жизни на Земле. Поэтому уже с момента зарождения живое приспосабливалось к этим изменениям, что сопровождалось увеличением многообразия органических форм. Постепенно захват новых, ранее непригодных зон жизни, привел к почти полному заселению всех возможных для существования живого мест обитания. Таким образом, эволюционные преобразования биосферы, обусловленные совместным действием биотических и абиотических факторов, -- необходимые условия для существования жизни на Земле.