Курс лекций по "Концепции современного естествознания"

При всех различиях  дарвинистского и популяционно-генетического подходов между ними существует известное родство, выражающееся в признании естественного отбора важнейшим фактором эволюции. Этот вывод весьма актуален для понимания биологической эволюции. Рассмотрим ходы мыслей, которые ведут к нему.

Согласно популяционно-генетическому  подходу, факторы эволюции надо искать по двум адресам: либо в генетических основаниях живого, либо на стороне  неживого, среды. В этом ключе формулируется  как единство, так и противоположность, с одной стороны, генных механизмов и, с другой стороны, влияния среды, естественного отбора.

Какие генные механизмы  могут влиять на эволюцию?  Менделевские механизмы, генные мутации, приток и  отток генов, дрейф генов, экспрессия генов (другого не видно). 

  Многообразие живых организмов и их классификация. Многообразие живых организмов -основа организации и устойчивости биосферы. 

Среди организмов выделяю гетеротрофы и автотрофы. Гетеротрофы (от греч. heteros — другой + trophe — пища) используют для питания готовые органические вещества. К гетеротрофам относятся животные, грибы, многие микроорганизмы. Автотрофы (от греч. autos— сам и trophe — пища) используют для питания, осуществляемого путем фотосинтеза или хемосинтеза, неорганические вещества, например углекислый газ, азот, аммиак. Автотрофными организмами являются водоросли, некоторые микроорганизмы, зеленые растения.

Ученые полагают, что ранняя биота начиналась с  гетеротрофных организмов, которые  использовали для ассимиляции имевшиеся  в первичном океане органические молекулы. Исчерпав свою питательную базу, они либо вымерли, либо перешли к автотрофному способу питания

.

Два главных  пути осуществления фотосинтеза  — аэробный (выделяется кислород) и  анаэробный (без выделения кислорода).

Суммарный процесс  анаэробного фотосинтеза выражается уравнением:

 Итоговое  уравнение аэробного фотосинтеза:

В биосфере аэробный фотосинтез играет значительно большую  роль, чем анаэробный. Именно при  аэробном фотосинтезе выделяется кислород, столь необходимый для жизни аэробов, а это почти все животные и растения, а также многие грибы и микроорганизмы. Благодаря указанному фотосинтезу в атмосфере Земли появился свободный кислород и озоновый слой, защищающий организмы от разрушающего влияния ультрафиолетового излучения. Кислород мог накопиться в атмосфере лишь после того, как океан освободился от железа и других металлов, окисляемых кислородом. Это произошло примерно 2 млрд лет тому назад. В то время на Земле впервые сложились условия для появления животных, потребляющих кислород при дыхании, в результате чего оказывается возможным окисление белков, жиров и углеводов. Ежегодно благодаря аэробной фотосинтезиру-ющей деятельности растений из атмосферы поглощается около 200 млрд т углекислого газа и выделяется примерно 145 млрд т свободного кислорода.

Что касается хемосинтеза, то он выступает как процесс окисления  неорганических соединений, аммиака, соединений серы. Для его осуществления требуется  кислород. Хемосинтезирующие бактерии, средой обитания которых являются почвы и воды, играют важную роль в разрушении ядовитых соединений, например сероводорода, и в обогащении почвы ценными элементами питания растений, например нитрат-ионами. В сравнении с аэробным фотосинтезом (первоначально он осуществлялся синезелеными водорослями и их предками) влияние хемосинтеза на становление современной биосферы незначительное.

В отсутствие молекулярного  кислорода главной формой диссимиляции организмов, по преимуществу бактерий и грибов, являлось брожение, расщепление богатых энергией органических веществ до менее энергоемких продуктов. Брожение — эволюционно более ранняя и энергетически менее рациональная форма получения энергии из питательных веществ по сравнению с кислородным окислением. Для большинства современных организмов не брожение, а дыхание является главной формой диссимиляции. Дыхание характерно не только для человека и животных, но и для растений и даже одноклеточных организмов.

Отметим также, что энергетический обмен в клетках  всех организмов неизменно связан с образованием и гидролизом адено-

зинтрифосфатной кислоты (АТФ), универсального энергетического  компонента всего живого.

С течением биологического времени эволюция живых организмов дала огромное множество видов. Этому  не приходится удивляться. ДНК каждого вида организмов содержит специфическое распределение четырех азотистых оснований: аденина, ти-мина, гуанина и цитозина. Это открывает простор для огромного разнообразия организмов, оцениваемых числом порядка 10¹⁰⁰. В настоящее время на Земле существует около 1,5 • 10⁶ видов организмов, т.е. реализована лишь малая часть тех возможностей, которые имеются в биосфере.

Многообразие  видов (каждый вид состоит из особей, которые при скрещивании между  собой дают плодовитое потомство) классифицируют в соответствии с категориями систематики: царство—тип—подтип—класс—отряд—семейство—род—вид. В каждой из категорий могут быть введены подгруппы. Наиболее общая таксономическая категория — царство. Современные биологи обычно выделяют пять царств (Прокариоты, Простейшие, Грибы, Растения и Животные). Таблицf дают представление о многообразии организмов и их эволюции в истории Земли.

Интересно, что  между представителями всех групп  живых организмов существует определенное родство. На это указывает, например, сравнение нуклеотидных последовательностей (генов) рибосомной РНК. Эти гены содержат высококонсервативные медленно изменяющиеся последовательности. Из этих данных следует, что в ходе эволюции эукариотических, то есть обладающих отчетливо сформированными ядрами, клеток линии растений, животных и грибов дивергирова-ли от общего предка  

Таблица 1 Обзор царств организмов и некоторых важных подгрупп.

Царство: Прокариоты (Prokariota)

Очень маленькие  одноклеточные организмы: клетки не имеют ядра; ряд из них образует колонии; размножение бесполое, делением. Обмен ДНК возможен путем конъюгации, трансформации и трансдукции.

Архебактерии  (Аrchebacteria). Цианобактерии [СуапоЬасtеria). \. Истинные бактерии (Еиbateria)

Царство: Простейшие (Protista).

Одноклеточные организмы; клетки имеют вид эуцитов (с ядром); ряд из них образует колонии; размножение бесполое - делением или половое; конъюгация; анизо- или оогамия

Эвгленовые  [Euglenophyceae). Жгутиковые (Flagellata). Кремнеземные водоросли (Diatomophuceae). Споровики (Sporozoa). Корненожки (Rhizopoda) Реснитчатые (Ciliata).

Царство: Грибы (Мусobionta)

Одно- или  многоклеточные организмы; клетки имеют  вид эуцитов (с ядрами). Многоядерные скопления плазмы не разделены на клетки или цепочки клеток (гифы), образуют сплетения (мицелий). Редко одиночные клетки. Гетеротрофы

Слизневые грибы  (Myxomycota). Истинные грибы {Еитуcota). Фикомицеты (Ооmycota) 

Царство: Растения (Рlantae)

Чаще всего  многоклеточные организмы; клетки имеют  вид эуцитов. Автотрофны благодаря фотосинтезу, важнейшие фотосинтетические пигменты - хлорофилл a и b Способность к свободной перемене мест отсутствует. Многоклеточные формы по уровню организации делятся на таллофиты (пластовые растения) без дифференциации тканей или почти без нее и кормофиты (растения с побегами), которые обладают высокой степенью дифференциации тканей и способностью к образованию органов; разделены на корень и побег. Размножение половое со сменой поколений и возрастающей редукцией гаметофита у эволюционно более молодых форм

Водоросли (Phycophyta). Папоротниковидные (Pteridophyta). Моховидные (Bruophyta) Семенные растения (Spermatophyta) 

Царство: Животные (Аnimalia).

Многоклеточные  организмы; клетки-эуциты. Гетероморфны (чаще более низкоорганизованные  животные). Обладают свободой перемены мест

Губки {Роrifera). Моллюски (Molluska). Кишечнополостные (Сое1епtanata). Кольчатые черви (Аппеlida).. Гребневики (Сtепоphora). Членистоногие (Аrthrophoda)). Плоские черви (Рlanthelminthes). Иглокожие (Echinodermata). Круглые черви (Aschlmintes). Хордовые (Chordata)

_______________________________________________________________

Процесс биологической  эволюции далеко не всегда был единообразным. Данные палеонтологии, науки о вымерших растениях и животных, свидетельствуют о катастрофических событиях на Земле, приводивших к массовому вымиранию видов. Причиной таких событий чаще всего были обледенения, резкое изменение концентрации кислорода в атмосфере, столкновение Земли с крупными метеоритами . Самая гигантская биологическая катастрофа произошла

примерно 250 млн  лет тому назад вследствие грандиознейшего обледенения, случившегося, возможно, из-за того, что сверхконтинент Пангея прошел через полюс. Что касается вымирания динозавров около 65 млн лет тому назад, то, видимо, оно явилось следствием столкновения Земли с гигантским метеоритом, окутывания ее плотными облаками пыли и газа.

  Сравнение признаков особей позволяет выделить их инвариантные черты, присущие всем без исключения организмам. В этой связи оказывается возможным  дать характеристику живому. Речь идет о своеобразии феномена жизни.

  Живые организмы  — это автономные самовоспроизводящиеся  открытые системы, построенные в  основном из Сахаров, аминокислот, нуклеотидов  и жирных кислот. Сахара и аминокислоты зеркально асимметричны. Живые существа — одно- или многоклеточные организмы. К признакам жизни относятся: обмен веществ, обмен энергией и информацией; гомеостаз (состояние динамического равновесия); самовоспроизведение себе подобных, самообновление, саморазвитие, пространственное движение, наследование свойств предков; индивидуальность и способность к образованию относительно самостоятельных надорганизменных образований (биогеоценозов и экосистем);

раздражимость, реакция на среду и приспособление к ней, реализация инстинктивных  и приобретенных форм поведения; конечность существования (смертность).

  Жизнь —  это форма реализации перечисленных  выше признаков живых существ. Жизнь  — естественный феномен, возникший  в силу весьма своеобразных свойств  космоса и Земли. Неживая природа  — это живая природа в возможности, но не в действительности. Живая и неживая природа — две разные формы существования, они несводимы друг к другу. Несостоятельны попытки представления неживой природы как живой (ги-лозоизм) и живой природы в качестве неживой (физикализм). Разнокачественность неживой и живой природы не означает их полнейшей разобщенности, между ними существуют вполне реальные переходы. Живое возникает на основе неживого, а после реализации жизненной программы возвращается в свою первоначальную обитель, оба процесса происходят без малейшего

вмешательства каких-либо сверхъестественных сил  и в деталях изучаются учеными.

  Часто острейшие  дискуссии ведутся вокруг вопроса  о возможности сведения биологических  наук к физике и химии. В этих дискуссиях далеко не всегда проводят четкое различие между на-

уками и их объектами  изучения. Физика и химия имеют  своими объектами изучения как неживую, так и живую природу. Определенность физики и химии существенно зависит  от поля их приложения. Биофизика и  биохимия — это уже биология, соответственно физическая и химическая. Но важно понимать, что биофизика и биохимия — это не та физика и химия, которые используются при интерпретации неживых явлений природы. На уровне законов нет принципиальной разницы между, например, биофизикой и физикой звезд: там и там действуют одни и те же фундаментальные законы типа закона сохранения энергии. На уровне событий биофизика резко отличается от физики звезд (в звездах отсутствуют ДНК и РНК, в особях не происходят реакции термоядерного синтеза).

Из изложенного  выше следует важный вывод: при обсуждении вопроса о сводимости биологии к физике и химии надо четко различать два уровня анализа: событийный и номотетический (от греч. потов — закон). При номотетическом анализе вопрос о сведении биологии к физике и химии просто-напросто некорректен, ибо нет никакого различия между биофизикой и биохимией, с одной стороны, и физикой и химией неживой природы — с другой. При событийном анализе упомянутое выше различие существует и, следовательно, вопрос о сведении биологии к физике и химии приобретает смысл, впрочем, довольно тривиальный. На событийном уровне биофизика и биохимия, физика и химия неживой природы — это принципиально разные несоизмеримые сущности. Было бы довольно забавно, если бы некто вознамерился свести, редуцировать обмен веществ в биологической клетке к термоядерному синтезу в звездах.

Итак, биофизика  и биохимия — это биологические  дисциплины, в обоих случаях речь идет о характеристике наук на событийном уровне. Но биология не исчерпывается  биофизикой и биохимией, она включает многие науки, в том числе этологию (науку о поведении животных) и зоопсихологию (науку о психике животных). В данной связи возникает вопрос о таких феноменах, которые, возможно, выходят за пределы компетенции биофизики и биохимии. На наш взгляд, это действительно имеет место тогда, когда животные начинают использовать, например, знаковые конструкции. В дальнейшем вопрос о надфизико-химических этапах биологического знания будет обсужден более подробно.