Концепции современного естествознания

На грани архейской и следующей за ней протерозойской (от греч. proteros - более ранний, первый; zoe - жизнь) эры в результате горообразовательных процессов произошло значительное перераспределение суши и моря на Земле.

Протерозой - огромный по продолжительности (около 2 млрд. лет) этап исторического развития Земли. Это эра возникновения жизни на Земле. Жизнь становится важным геологическим фактором. Живые организмы изменяют форму и состав земной коры. В результате фотосинтетической деятельности неузнаваемо изменился состав атмосферы. К этой эре относится образование крупнейших залежей железных руд (курские, криворожские) органогенного происхождения.

Между протерозойской и палеозойской эрами (около 600 млн. лет назад) происходил очередной период интенсивного горообразования. Вновь перераспределяются площади суши и моря на Земле. Накопленные в течение протерозоя мощные слои осадков в результате сжатий, поднятий дна моря превратились в горные породы.

Палеозойская эра (от греч. palaios - древний, zoe - жизнь) - первая эра фанерозойского эона. Продолжительность - около 240-350 млн. лет. Это эра активного горообразования. Животный мир развился от примитивных морских животных до наземных пресмыкающихся, а растительный - до хвойных растений. Из полезных ископаемых появляются каменный уголь, нефть, горючие сланцы, фосфориты.

Следующая эра - мезозойская (от греч. mesoa - средний, zoe - жизнь). Ее продолжительность - около 173 млн. лет. Это время интенсивного горообразования на периферии Тихого, Атлантического и Индийского океанов, эра господства гигантских пресмыкающихся на суше, в морях и в воздухе (динозавров, ихтиозавров и др.). Появляются многочисленные насекомые, костистые рыбы, птицы, млекопитающие, а из растений - лиственные деревья.

Около 60-70 млн. лет назад началась кайнозойская (от греч. kainos - новый, zoe - жизнь) и продолжается в настоящее время. Она характеризуется интенсивными горообразовательными процессами, неоднократными наступлениями моря на сушу и его отступлениями. Около 0,7 - 1,8 млн. лет назад произошло резкое изменение климата, сопровождавшееся мощным материковым оледенением, охватившим огромные площади в Евразии и Северной Америке. Накопление гигантских запасов льда на суше привело к существенному понижению уровня Мирового океана (на 60-70 м). В конце кайнозойской эры появился человек.

3. Внутреннее строение Земли

Современные концепции геосферных оболочек

Шарообразность Земли, расположение на ней основных масс твердого, жидкого и газообразного вещества, а также многие ее физико-химические свойства позволили для удобства ее исследования выделить внутри Земли и вокруг нее ряд концентрических оболочек различной плотности и химического состава. Впервые такой подход к изучению нашей планеты предложил австрийский геолог Э. Зюсс. В своем трехтомном труде «Лик Земли» он обобщил представления предшественников о строении и развитии земной коры и назвал выделяемые по различным признакам концентрические оболочки Земли геосферами.

В настоящее время в направлении от периферии к центру Земли различают магнитосферу, атмосферу, гидросферу, земную кору, мантию Земли и ее ядро. Земная кора, гидросфера, атмосфера, магнитосфера описаны подробно. Что касается мантии и ядра, то они исследованы недостаточно. Для их изучения применяются методы, основанные главным образом на способности световых, звуковых и ударных волн по-разному распространяться в различных сферах.

Центральная область Земли - ядро. Оно ограничено сферической поверхностью на глубине 2900 км. Вещество ядра обладает повышенной плотностью и электропроводностью. Радиус ядра 3470 км. Предполагают, что ядро состоит из двух частей: внутренней (радиусом 1300 км) твердой и очень плотной от огромного сжатия оболочки, состоящей из металлического железа, и внешней оболочки из расплавленных минералов с температурой 5000-6000^о С.

83% объема Земли и 67 % ее массы составляет ее мантия. Верхняя граница мантии проходит на глубине от 5-10 до 70 км. Нижняя - на глубине 2900 км. Предполагается, что мантия Земли сложена в основном оливином - минералом, содержащим кремний, железо и магний. Благодаря высокому давлению вещество мантии, по - видимому, находится в твердом кристаллическом состоянии, за исключением атмосферы. Температура в мантии не превышает 2000-2500^о С. С процессами в мантии Земли связаны тектонические движения земной коры, извержения вулканов и другие процессы.

Земная кора - твердая внешняя оболочка земного шара толщиной в среднем 35-40 км. Различают два вида земной коры - материковую или континентальную и океаническую.

Материковая земная кора состоит из трех слоев: верхнего осадочного, среднего «гранитного» и нижнего «базальтового», названных по их преимущественному составу. Мощность материковой коры - 35-40 км под равнинами и 70 км в области гор.

Океаническая земная кора не имеет «гранитного» слоя, а ее осадочный слой обладает меньшей мощностью по сравнению с материковой корой. Океаническая кора имеет мощность от 5 до 10 км.

Земная кора подвержена постоянным тектоническим движениям. Одна из современных теорий, объясняющих динамику процессов в земной коре, называется теорией неомобилизма. Ее появление относится к концу 60-х годов XX в. и вызвано сенсационным открытием на дне океана цепи горных хребтов, оплетающих земной шар. Ее длина превышает 72 тыс.км. Компьютерные программы, построенные на основе теории неомобилизма, позволили смоделировать динамические процессы, происходившие внутри Земли и на ее поверхности в относительно близкие эпохи прошлого.

Ученые считают, что геосферные оболочки возникли в результате дифференциации вещественного состава первичной Земли. Они отличаются по плотности и химическому составу.

Земную кору и верхний слой верхней мантии объединяют в общую твердую оболочку - литосферу. Общая ее мощность составляет, вероятно, 50-200 км. Она имеет важное значение, так как создает твердый слой на поверхности Земли, на котором возникает жизнь. Она содержит в себе полезные ископаемые, необходимые для жизни человека, имеет особый органический слой - почву, создающую условия для жизни растительных организмов, которые, в свою очередь, являются пищей для человека и животных.

Гидросфера - водная оболочка Земли, совокупность всех природных вод планеты. Она включает мировой океан, воды суши и находится в тесном взаимодействии с литосферой (подземные воды), атмосферой (водяной пар), и живыми организмами. Гидросфера едина, так как все воды взаимосвязаны и находятся в постоянном круговороте. В.И. Вернадский писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов…Все земное вещество…ею проникнуто».

Атмосфера - газовая оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести и участвующая в ее суточном и годовом вращении. Впервые термин «атмосфера» ввел в практику М.В. Ломоносов. Атмосфера состоит из смеси газов, называемой воздухом. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли. Четко выраженной верхней границы она не имеет. Условно ее проводят на высоте около 2000-3000 км.

С высотой температура, давление и плотность воздуха в атмосфере меняются. В зависимости от этого принято деление атмосферы на несколько слоев: тропосфера (толщина 16-18 км над экватором), стратосфера (50-55 км), мезосфера (80-85 км), термосфера (от 85 до 600-800 км). Атмосфера защищает Землю от влияния открытого космоса, поддерживает температурное равновесие и благоприятный режим, содержит азот, входящий в состав почти всех живых организмов, и кислород, необходимый для дыхания. Одним из важнейших компонентов атмосферы является изотоп кислорода - озон. Озоновый слой, являясь экраном от ультрафиолетового излучения, играет исключительно важную роль в сохранении жизни на Земле.

Особая комплексная оболочка Земли, в пределах которой соприкасаются, проникают друг в друга и взаимодействуют верхняя часть литосферы, гидросферы, нижняя часть атмосферы называется географической оболочкой. Границы географической оболочки разные ученые определяют по-разному. Верхняя граница совпадает с границей тропосферы или озоновым экраном, а нижняя - граница земной коры или нижняя граница ее осадочного слоя.

Целостность географической оболочки обеспечивается постоянным обменом веществ и энергией между сушей, атмосферой, мировым океаном и организмами. Учение о географической оболочке было разработано А.А. Григорьевым.

Основные понятия темы:

Земля - третья по счету от Солнца планета в Солнечной системе.

Нептунизм - концепция, согласно которой все горные породы отложились в виде осадков из Всемирного океана.

Плутонизм - концепция, согласно которой все процессы на Земле обусловлены ее внутренним теплом.

Униформизм - концепция о неизменности геологических явлений в истории Земли.

Ядро Земли - центральная область Земли, ограниченная сферической поверхностью на глубине 2900 км.

Мантия Земли - одна из внутренних оболочек, расположенная между Земной корой и ядром.

Земная кора - твердая внешняя оболочка земного шара толщиной в среднем 35-40 км, часть литосферы.

Эра геологическая - длительный этап геологической истории и развития жизни на Земле, соответствующий времени образования определенных горных пород.

Литосфера - верхняя оболочка Земли.

Атмосфера - газовая оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести и участвующая в ее суточном и годовом вращении.

Гидросфера - водная оболочка Земли, совокупность всех природных вод планеты.

Тема 13. Особенности биологического уровня организации материи

1. Биология как система наук о живой природе

Термин «биология» был введен впервые в XIX веке Жаном Батистом Ламарком. Биология изучает бесчисленные формы живых организмов, их строение, функции, индивидуальное развитие, взаимоотношение друг с другом и с окружающей средой. Предмет биологии - жизнь, которая является наиболее сложной формой организации и движения материи. Поэтому она представляет собой систему наук и ее структуру можно рассматривать с разных точек зрения. По объекту исследования в биологии выделяют вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию. По свойствам и проявлениям живого биология подразделяется на морфологию (строение организмов), физиологию (функционирование организмов), молекулярную биологию (микроструктура живых тканей и клеток), экологию (образ жизни растений и животных, их связи с окружающей средой), генетику (законы наследственности). По уровню организации изучаемых живых объектов в биологии выделяют: анатомию (строение организма), гистологию (строение тканей), цитологию (строение живых клеток).

Исторически биология развивалась как описательная наука о многообразных формах и видах растительного и животного мира. Поэтому важнейшее место в ней занимали методы анализа, систематизации и классификации огромного эмпирического материала, накопленного натуралистами.

Поиски единой основы живых форм привели к изучению их сначала на клеточном, а затем на молекулярном уровне. Попытки создания классификаций видов растений и животных привели к идеям и принципам теории эволюции. Описательная биология послужила эмпирическим фундаментом, на котором сформировался единый, целостный взгляд на многообразный мир живых систем, связанный с изучением структуры биологических систем, структурных уровней организации живой материи. Поэтому в развитии биологии обычно выделяют три основных этапа:

этап систематики (К. Линней);

эволюционный этап (Ч. Дарвин);

этап биологии микромира (Г. Мендель).

Развитие биологии все больше убеждает ученых в единстве природы, в связи органического и неорганического миров.

2. Основные концепции происхождения жизни. Сущность живого

В биологии сложились четыре подхода к объяснению феномена жизни:

Витализм - объяснение специфики жизни наличием в организмах особой «жизненной силы» (vitalis - жизненный).

Редукционизм - сведение процессов жизнедеятельности к совокупности определенных химических реакций.

Композиционизм считает основной причиной функционирования явлений жизни межорганизменные связи.

Функционализм возник в связи с обсуждением вопроса о возможности жизни на других планетах, природа и структура живого может различаться, сходство же будет проявляться только в функциях.

В соответствии с этими подходами существует несколько концепций происхождения жизни. Наиболее распространенными из них являются следующие:

Креационизм - жизнь была создана сверхъестественным путем в определенное время.

Самопроизвольное (спонтанное) зарождение: жизнь возникала неоднократно из неживого вещества. Ван Гельмонт (1577-1644) описал эксперимент, в котором он за 3 недели якобы создал мышей. Для этого понадобились грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом служил человеческий пот. Опровержение этому дал в 1688 г. Франческо Реди из Флоренции. До сих пор важное значение в биологии имеет знаменитый «принцип Реди», согласно которому жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (биогенез). Реди провел такой эксперимент: он взял четыре больших сосуда, в первый поместил змею, во второй - немного рыбы, в третий - угрей, в четвертый - кусок молодой телятины. Эти сосуды он плотно закрыл и запечатал. То же самое поместил в четыре других сосуда, но оставил их открытыми. Видел мух, свободно влетающих и вылетающих из этих сосудов. В результате в открытых сосудах были обнаружены маленькие белые червячки (личинки мух), а в запечатанных сосудах не было ни одной личинки.

Ладзаро Спалланцани в 1765 г. доказал, что кипячение убивает все формы живых существ. А в 1860 г. Луи Пастер предложил свои знаменитые способы пастеризации и стерилизации (стерилизация - обработка неживых предметов, которые могут быть заражены живыми существами).

Теория стационарного состояния - жизнь существовала всегда, также как и Вселенная. Виды живого существовали всегда и у них есть только две возможности: либо изменение численности, либо вымирание.

Теория панспермии - жизнь на Землю занесена из других частей Галактики или Вселенной. В 1865 году немецкий ученый-медик Г. Рихтер утверждал, что зародыши предков организмов могли быть занесены с метеоритами и космической пылью. Эта гипотеза широко распространена среди ученых, наиболее видными ее сторонниками являются У. Томсон, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский. В 1907 г. шведский естествоиспытатель С. Аррениус выдвинул сходную гипотезу, которая и получила название панспермии: во Вселенной вечно существуют «семена жизни», которые, попадая в благоприятные условия, рождают жизнь.

Теория биохимической эволюции - жизнь возникла в результате физико-химических процессов. В 1924 г. А.И. Опарин (биохимик) опубликовал книгу «Происхождение жизни», в которой изложил гипотезу возникновения жизни на Земле.

В современной биологии все теории делятся на две большие группы: голобиоза и генобиоза.

Голобиоз - методологический подход, признающий первичность структур типа клеточной, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментов. Появление нуклеиновых кислот - завершение эволюции.

Генобиоз признает первичность молекулярной системы со свойствами генетического кода. Дж. Холдейн высказал предположение: первичной была макромолекулярная система, подобная гену и способная к саморепродукции, так называемый «голый ген».

Имеются и промежуточные варианты: белковые и нуклеиновые молекулы появились одновременно и подверглись коэволюции, т.е. одновременной и взаимосвязанной эволюции. Контраргумент: белковые и нуклеиновые макромолекулы структурно и функционально настолько различны, что нереально их одновременное появление и сосуществование. К 1980-м гг. усилились позиции генобиоза.

Очевидно на современном уровне исследования, что в определении жизни должны быть зафиксированы функциональные и субстратные моменты. Жизнь - высшая из природных форм движения материи, для которой характерны самообновление, саморегуляция, самовоспроизведение разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.

3. Уровни организации живой материи и ее свойства

Выделяют несколько уровней организации живой материи:

Молекулярный - на этом уровне обеспечиваются все важнейшие процессы жизнедеятельности организма (обмен веществ, сохранение энергии и т.п.);

Клеточный - клетка является структурной и функциональной единицей всего живого;

Тканевой - совокупность сходных по строению клеток, которые объединены общими функциями;

Органный. Органы - это структурно-функциональное объединение нескольких видов тканей.

Организменный имеет два уровня: одноклеточный и многоклеточный, представляющий собой целостную систему органов, специализирующихся на выполнении различных функций.

Популяция - совокупность организмов одного вида, объединенная общим местом обитания.

Биогеоценоз - совокупность организмов разных видов и различной сложности со всеми факторами среды обитания; взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов.

Биосфера - система высшего порядка, охватывает все явления жизни на нашей планете. На этом уровне происходят превращение веществ, круговорот веществ и превращение энергии.

Свойства живой материи:

Единство химического состава. В состав живого организма входят те же элементы, что и в состав неживой природы, однако соотношение их разное. В живом организме 97% химического состава приходится на углерод, водород, кислород, азот, фосфор, серу. В неживой природе широкое распространение имеют кремний, железо, магний, натрий.

Обмен веществ (метаболизм). В неживой природе также существует обмен веществами, однако они просто переносятся с одного места на другое или меняется их агрегатное состояние (например, смыв почвы, превращение воды в пар или лед).

Размножение - способность к самовоспроизведению.

Наследственность - способность передавать свои признаки, особенности развития из поколения в поколение. Она обусловлена ДНК.

Изменчивость - способность организмов приобретать новые признаки. Она создает разнообразный материал для естественного отбора. Связана с наследственностью.

Рост и развитие.

Раздражимость - активная реакция организма на внешнее воздействие.

Ритмичность - повторение одного и того же состояния через определенные промежутки времени. Обусловлено различными космическими или планетарными системами.

Относительная энергозависимость. Живые организмы существуют только до тех пор, пока в них поступает энергия в виде пищи; прямо или косвенно они используют энергию Солнца.

Гомеостаз - саморегуляция, самоподдержание организма; способность сохранять стационарное состояние и выживать в условиях непрерывно меняющейся среды.

Противостояние энтропийным процесса (негэнтропийность)..

4. Клеточная теория. Единство органического мира

Представление о структурных уровнях организации живой материи сформировалось под влиянием клеточной теории строения живых тел. Клетка - это единица живого, мельчайшая система, которая обладает всеми свойствами живого и является носителем генетической информации.

В 1839 г. Т. Шванн и М.Я. Шлейден создали клеточную теорию. Ее основные положения:

· Клетки - основные элементы жизни, мельчайшие единицы, которые можно еще считать живыми.

· Все организмы состоят из одной или многих клеток, сходных по строению. Это является свидетельством единства происхождения и развития всего живого.

Современная клеточная теория дополняет эти положения следующими:

· Жизнь обеспечивается только клеткой.

· Новые клетки могут возникать из предсуществующих путем их деления.

· Целостность и системная организация многоклеточных организмов обеспечивается взаимодействием клеток.

Исследования в области цитологии показали, что клетки имеют общие свойства и в строении, и в функциях. Они реализуют обмен веществ, саморегуляцию своего состояния, передают наследственную информацию. Клетки существуют и как отдельные организмы (одноклеточные), и в составе многоклеточных организмов. Они имеют разный срок существования. Жизненный цикл клетки оканчивается делением или гибелью. Размеры клеток также очень разнообразны. Клетки образуют ткани, несколько типов тканей образуют органы. Однако в природе встречаются организмы, не имеющие клеточной структуры. Это вирусы.

Клетки делятся на два типа: безъядерные и ядерные. Безъядерные клетки называются прокариоты (бактерии, сине-зеленые водоросли) и исторически являются предшественниками вполне развитых, имеющих ядро клеток, появившихся около 3 млрд. лет тому назад, - эукариотов. Прокариоты имеют в своем составе нити молекул нуклеиновых кислот, которые выполняют функцию управления. Только расположены они в цитоплазме, а не в ядре. Безъядерные клетки выполняют все функции, свойственные типичным клеткам. У эукариотов нити управления внутриклеточным обменом находятся в ядре клетки, в очень длинных цепях молекул нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), исходной структурной единицей которых является ген. Это природное кибернетическое устройство, которое содержит инструкцию, информацию, коды, определяющие характер деятельности клетки по обмену веществ и самовоспроизводству. Гены обеспечивают важнейшие функции жизнедеятельности и клетки, и организма в целом.

Важнейшими свойствами клетки, обеспечивающими ее главные функции, являются метаболизм (обмен веществ) и гомеостаз (сохранение стабильности условий внутренней среды клетки).

Поток информации в клетке обеспечивается нуклеиновыми кислотами. Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. ДНК входит в состав ядра, в состав хромосом. Хромосомы - материальная основа наследственности, представляющая собой ряд линейно сцепленных генов. Каждый ген отвечает за какой-то элементарный признак, поэтому наследственность дискретна. Поток веществ и информации в клетке нуждается, а энергии; процессы, обеспечивающие энергетические потребности клетки составляют поток энергии. Поток энергии в клетке регулируется законами биоэнергетики В. Скулачёва. В качестве источников клеточной энергии используются простые сахара (глюкоза), процессы дыхания (образуются углекислый газ и вода) и брожения (образуются спирт или молочная кислота). Большую роль в биоэнергетике клетки играют фотосинтез и хемосинтез.

Основные понятия темы:

Витализм - объяснение специфики жизни наличием в организмах особой «жизненной силы».

Редукционизм - сведение процессов жизнедеятельности к совокупности определенных химических реакций.

Композиционизм - признание межорганизменных связей основной причиной функционирования явлений жизни.

Функционализм - такой подход к определению живого, согласно которому природа и структура живого могут различаться, сходство же будет проявляться только в функциях.

Голобиоз - методологический подход к объяснению происхождения жизни, признающий первичность структур типа клеточной, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментов и из которых появляются нуклеиновые кислоты, кодирующие генетическую информацию.

Генобиоз - методологический подход к объяснению происхождения жизни, признающий первичность молекулярной системы («макромолекулы») со свойствами генетического кода.

Жизнь - высшая из природных форм движения материи, для которой характерны самообновление, саморегуляция, самовоспроизведение разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.

Гомеостаз - самоподдержание организма, способность сохранять стабильное состояние в любых ситуациях.

Клетка - единица живого, мельчайшая система, обладающая всеми свойствами живого и являющаяся носителем генетической информации.

Вирусы - организмы, не имеющие клеточной структуры.

Прокариоты - безъядерные клетки.

Эукариоты - клетки, имеющие ядра.

Ген - элементарная единица наследственности.

Хромосомы - материальная основа наследственности, представляющая собой ряд линейно сцепленных генов.

Тема 14. Генетика и эволюция

1. Концепции эволюционизма в биологии

Современные представления о характере и законах функционирования живых организмов были бы невозможны без эволюционного подхода к анализу природы.

Эволюция - это процесс исторического развития органического мира. Сущность этого процесса состоит в непрерывном приспособлении к разнообразным и постоянно меняющимся условиям окружающей среды, в возрастающем со временем усложнении организации живых существ. В ходе эволюции осуществляется преобразование одних видов в другие.

Главное в эволюционной теории - идея исторического развития от сравнительно простых форм жизни к более высокоорганизованным.

Формированию исторических взглядов на живую природу способствовали работы К. Линнея «Система природы», «Философия ботаники». Ученый изучил более 10 тысяч видов растений и 4200 видов животных. Разработанная им систематика была очень простой и удобной и получила высокую оценку ученых. Недостаток ее состоял в ее искусственности. Она позволяла распознавать растения, но не раскрывала их природу. Кроме того, К. Линней ошибочно считал количество видов неизменным (сколько их создал Бог).

Развитие ботаники и зоологии привело к возникновению идей эволюционного развития природы и отказу от представлений о неизменности видов.

Ж. Бюффон (Франция), Э. Дарвин (Англия), И. Гете (Германия) и другие натуралисты и мыслители высказывали научные догадки об эволюционном возникновении и развитии жизни на Земле. Однако они не были подкреплены фактами.

Наиболее полно по тем временам идея эволюции была изложена в работе видного французского биолога Ж.Б. Ламарка «Философия зоологии». Он выделяет две причины изменчивости видов: влияние и изменение условий жизни и наследственность. Постоянство видов, утверждает Ламарк, явление только кажущееся и связано оно с кратковременностью наблюдений за ними. По его мнению, несколько тысяч лет для природы - не более чем секунда. Ламарк считал, что высшие формы жизни произошли от низших в процессе эволюции. Он ошибочно полагал, что главная причина развития - это внутренне присущее живым организмам стремление к самосовершенству, заложенное в них творцом (Богом). Большое значение он придавал упражнению и неупражнению органов. Длинная шея у жирафа возникла, по мнению ученого, в результате постоянного упражнения этого органа несколькими поколениями по доставанию листьев с высоких деревьев и непосредственного закрепления этого изменения. Это в дальнейшем привело к очень распространенным, но научно совершенно необоснованным представлениям о наследовании признаков, приобретаемых под непосредственным воздействием среды.

В России мысли об изменчивости видов и возможности их эволюционного преобразования высказывал К.Ф. Рулье. Эти идеи поддерживал известный русский мыслитель А.И. Герцен.

Ошибки Ж.Б. Ламарка в понимании факторов эволюционного процесса преодолел Ч. Дарвин. В своей работе «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859), обобщив отдельные эволюционные идеи, онсоздал стройную теорию эволюции. Движущими силами эволюции он считал наследственную изменчивость и естественный отбор, а элементарной единицей эволюции - вид.

Дарвин сформулировал следующие положения:

Во-первых, изменчивость свойственна любой группе животных и растений, и организмы различаются во многих отношениях. Во-вторых, число организмов каждого вида, рождающихся на свет, больше того их числа, которое может найти пропитание и выжить, однако численность каждого вида в естественных условиях довольно постоянна. В-третьих, поскольку рождается больше особей, чем может выжить, происходит борьба за существование, конкуренция в борьбе за пищу и место обитания. В-четвертых, изменения организма, облегчающие его выживание в определенной среде, дают своему обладателю преимущество перед другими организмами, менее приспособленными к внешним условиям; идея выживаемости наиболее приспособленных организмов является ядром теории естественного отбора. В-пятых, выживающие особи дают начало следующему поколению, благодаря чему «удачные» положительные изменения передаются последующим поколениям.

Параллельно с теорией Дарвина развивались концепции, которые частично или полностью строились на других идеях. Так, в конце XIX - начале XX вв. сложился неоламаркизм, представленный тремя основными течениями: ортоламаркизм, механоламаркизм и психоламаркизм.

Представители ортоламаркизма считали, что направленность эволюции обусловлена внутренними изначальными свойствами организмов. Сторонники механоламаркизма объясняли эволюционные преобразования организмов их изначальной способностью целесообразно реагировать на изменение внешней среды. Психоламаркизм трактовал эволюцию как постепенное увеличение роли сознания в развитии от примитивных существ до разумных форм жизни.

Кроме этих концепций, не согласующихся с идеями Дарвина, можно также назвать телеогенез, сальтационизм, генетический антидарвинизм.

Вместе с тем, эволюционная теория Дарвина имела своих сторонников, которые примыкали к двум направлениям: классический и ортодоксальный дарвинизм. Классический дарвинизм прилагал усилия для того, чтобы, во-первых, подтвердить истинность эволюционных представлений, и, во-вторых, сочетать их с современными научными воззрениями. Ортодоксальный дарвинизм имел место в советской биологии 30 - 50-х годов XX века. Его представители абсолютизировали принципы эволюционной теории. Исходя из идеи о решающей роли внешней среды, советские ученые доказывали возможность радикального изменения природы растения (например, превращение озимой пшеницы в яровую).

Дарвиновский принцип «борьбы за существование», сформулированный для мира растений и животных, был перенесен в сферу социальных отношений. Так, английский социолог Г. Спенсер, разрабатывая «органическую теорию», трактовал социальные конфликты как естественную форму выражения дарвиновского принципа.

Таким образом, с появлением теории Дарвина началось развитие подлинно научных представлений об эволюции органического мира. Вторая половина XIX в. прошла под флагом борьбы за дарвинизм. В конце XIX в. эволюционные идеи начали проникать в конкретные биологические дисциплины.

2. Эволюция как основа многообразия и единства живых организмов

Микроэволюция и макроэволюция

Самым слабым местом в эволюционном учении Ч. Дарвина были представления о наследственности, которые подвергались серьезной критике его противниками. Действительно, если эволюция связана со случайным появлением полезных изменений и наследственной передачей приобретенных признаков потомству, то каким образом они могут сохраняться и даже усиливаться в дальнейшем? Этот недостаток дарвиновской теории был преодолен возникшей в XX в. новой наукой - генетикой.

Еще во второй половине XIX в. австрийский естествоиспытатель Грегор Мендель, применив статистические методы для анализа результатов гибридизации (скрещивания) сортов гороха, сформулировал законы наследственности. В первом законе Менделя утверждается идея единообразия первого поколения гибридов, то есть проявления у них признаков одного из родителей. Это явление Мендель назвал доминированием, а сам признак доминантным. Поэтому первый закон часто называют законом доминирования. Подавленный признак был назван рецессивным. Второй закон Менделя гласит, что если потомков первого поколения, одинаковых по изучаемому признаку, скрестить между собой, то во втором поколении признаки обоих родителей проявляются в определенном числовом соотношении: ѕ особей будут иметь доминантный признак, а ј - рецессивный. Следовательно, рецессивный признак у гибридов первого поколения не исчез, а был только подавлен и проявился во втором гибридном поколении. В связи с этим второй закон Менделя называется законом расщепления. Третий закон Менделя - закон независимого комбинирования подтверждает, что при скрещивании двух гомозиготных особей (одинаковых по генотипу), отличающихся друг от друга по двум или более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга во всех возможных сочетаниях. Таким образом, Г. Мендель сформулировал важнейший принцип не возникшей еще генетики - принцип дискретности. Он гласит: признаки организма определяются отдельными (дискретными) факторами. Известность к Менделю пришла в 1900 г., когда его законы были переоткрыты К. Корренсом, Э. Чермаком, Х. де Фризом.

В 1909 году было введено понятие гена - элементарной единицы наследственности. Каждый ген отвечает за какой-то один наследственный признак. Было доказано, что гены расположены в хромосомах, находящихся в ядрах клеток. Хромосомы представляют собой тонкие длинные нити. Они располагаются по всему ядру, иногда образуя плотные клубки. Хромосомы состоят из молекул ДНК и белков. Ген представляет собой участок молекулы ДНК. Именно молекулы ДНК является носителем полной информации о наследственности. Благодаря исследованиям американского биолога Т. Моргана и его учеников, удалось определить расположение генов в хромосомах плодовой мушки дрозофилы. Ученый разработал хромосомную теорию наследственности, которая являла собой совокупность представлений о генах или носителях наследственности, их линейном расположении и сцеплении в хромосомах, об обмене генами между хромосомами.

Зародившаяся в начале XX века генетика первоначально занимала позиции антидарвинизма: преувеличивалось значение мутаций, отрицалась роль естественного отбора, высказывались идеи возможности эволюции при постоянстве гена. Такие представления способствовали даже распространению антиэволюционизма. Причиной тому явилась недостаточная разработанность вопросов о роли наследственной изменчивости в эволюции, селективной ценности начальных генов при возникновении ложных организмов, игнорирование фактических доказательств творческой роли отбора.

Хромосомная теория наследственности не снимала противоречий между дарвинизмом и генетикой. Важнейшим шагом по пути их преодоления явилось создание синтетической теории эволюции (СТЭ), ознаменовавшей создание единой системы биологического знания, воспроизводящей законы развития и функционирования органического мира как целого.

Основные положения синтетической теории эволюции можно свести к следующим:

- главным фактором эволюции считается естественный отбор, интегрирующий и регулирующий действия всех остальных факторов (онтогенетической изменчивости, мутагенеза, гибридизации, миграции, изоляции, пульсации численности).

- эволюционные изменения случайны и не направлены, исходным материалом организации популяции являются мутации;

- эволюция протекает дивергентно, постепенно, посредством отбора случайных мутаций, а новые формы образуются через наследственные изменения;

- макроэволюция, ведущая к образованию надвидовых групп, осуществляется только посредством микроэволюции, протекающей в популяциях и приводящей к образованию нового вида; каких-либо специфических механизмов возникновения новых форм жизни не существует.

В синтетической теории эволюции выделяют такие элементарные явления и факторы, как популяция - элементарная эволюционная структура; гипотетического состава популяции - элементарное эволюционное явление; генофонд популяции - элементарный эволюционный материал; мутационный процесс, «волны жизни», изоляция, естественный отбор - элементарные эволюционные факторы.

СТЭ описывает следующие формы естественного отбора: движущий - благоприятствующий лишь одному направлению изменчивости, когда происходит дивергенция дочерних форм; дизруптивный - разрывающий, благоприятствующий двум или нескольким направлениям изменчивости; стабилизирующий - благоприятствующий сохранению в популяции оптимального фенотипа и действующий против проявлений изменчивости.

Таким образом, уточнения, дополнения и исправления первоначальной теории эволюции Дарвина привели к возникновению синтетической теории эволюции. В отличие от дарвиновской в синтетической теории эволюции элементарной единицей эволюции служит популяция, поскольку именно в ее рамках происходят наследственные изменения генофонда. Другое существенное отличие состоит в четком разграничении в синтетической теории эволюции областей исследования микроэволюции и макроэволюции.

Понимание отношений между микро - и макроэволюцией предполагает ответ на вопрос, является ли синтетическая теория эволюции лишь теорией микроэволюции, или она одновременно объясняет и макроэволюцию? На этот вопрос пока что ученые не дали однозначного ответа. Одни считают, что теория эволюции является и теорией макроэволюции. Другие считают, что теория макроэволюции еще не создана. Снять это противоречие сможет более широкий синтез эволюционной теории и новой генетики.

Основными направлениями исследований ученых-генетиков в ХХ в. стали:

· Изучение элементарных материальных структур, которые являются носителями генетической информации, единицами наследственности.

· Исследование механизмов и закономерностей передачи генетической информации.

· Изучение механизмов реализации генетической информации, ее претворение в конкретные признаки и свойства организма.

· Выяснение причин и механизмов изменения генетической информации на разных этапах развития организма.

Крупнейшие открытия современной генетики связаны с установлением способности генов к перестройке - мутирование. Мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными. Одним из результатов мутаций может быть появление организма нового вида - мутанта. Причины мутаций (изменения генной информации) до конца не выяснены. Однако установлены основные факторы, вызывающие мутации, так называемые мутагены. Известно, например, что мутации могут вызываться некоторыми общими условиями, в которых находится организм: его питанием, температурным режимом и т.д. или действием экстремальных факторов, например, некоторых химических веществ или радиоактивных элементов. Одним из наиболее опасных видов мутагенов являются вирусы.

3. Принципы воспроизводства и развития живых систем

Онтогенез и филогенез

Молекулярная биология уже заняла ведущее место среди наук о живой природе благодаря своим блестящим успехам. Она накопила факты и сделала обобщения, представляющие существенный вклад во все три основных раздела, из которых складывается эволюционная теория: доказательства реальности эволюции, учение о движущих силах эволюции и выяснение конкурентных путей, которыми шла эволюция (филогенетика). Вместе с тем принципы эволюционной теории проливают свет на происхождение и становление важнейших молекулярно-биологических структур и процессов и позволяют понять, в силу каких причин они неизбежно должны были приобрести именно те черты, какие наблюдаются на самом деле.

Важнейшей составляющей процесса развития любого организма является воспроизводство в клетках по определенному шаблону веществ и структур, необходимых для последующего деления клетки. Воспроизводство живых систем и сохранение видовых признаков обеспечивается системой воспроизведения организма. Она в закодированном виде содержит полную информацию для построения белка из запасенного клеткой органического материала. Свои функции система воспроизведения осуществляет посредством ДНК и РНК. Первая хранит генетическую информацию, заложенную вдоль собственной цепи. Вторая способна ее считывать, переносить в среду, содержащую необходимые для синтеза белка исходные материалы и строить из них белковые молекулы.

Процесс воспроизводства состоит из трех стадий: репликации, транскрипции, трансляции. Репликация - это удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клетки. Транскрипция представляет перенос кода ДНК путем образования одноцепочной информационной молекулы РНК на одной из двух нитей ДНК. Информационная молекула РНК - это копия части ДНК, группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. Далее происходит трансляция - синтез белка на основе генетического кода информационной РНК.

Таким образом, главное в механизме самовоспроизведения клеток - свойство ДНК самокопироваться и строго равномерное деление репродуктивных хромосом (ядер клеток, содержащих РНК). После этого клетка может делиться на две совершенно идентичные. Так как каждая клетка многоклеточного организма происходит от одной зародышевой как результат последовательных делений, то все клетки имеют одинаковый набор генов.

Наследственная информация, закодированная в управляющих структурах зародышевой клетки, реализуется в процессе онтогенеза. Содержание процесса онтогенеза составляет развитие особи, последовательности морфологических, физиологических и биохимических преобразований, претерпеваемых организмом от образования зародышевой клетки до смерти. В онтогенезе выделяются количественная (увеличение размеров и живой массы организма, продолжительность жизни) и качественная (дифференцировка, появление новых функций и структур) стороны. В ходе онтогенеза у высших животных и человека сменяются сравнительно четко отграничиваемые фазы: эмбриогенез, созревание, взрослое состояние, старение. У беспозвоночных и низших позвоночных наблюдаются разнообразные типы онтогенеза, нередко сопровождающиеся перестройкой всей структуры организма (метаморфоз). Новое в процессе развития организма возникает как благодаря непрерывному переходу организации зародыша на более высокий уровень, так и мутациям, вносящим в онтогенез принципиально новые компоненты. Эти новообразования выступают в единстве с моментами преформизма, поскольку реализуемые во взрослом организме наследственные признаки записаны уже в исходной зиготе на молекулах вещества ДНК, структурированного в генах. Противоречие между консервативной наследственной стороной развития организма и индивидуальной изменчивостью, прямо или косвенно связанные со средой и приспособлением, снимается в филогенезе. Филогенез - процесс исторического развития мира живых организмов как в целом, так и отдельных групп - видов, родов, семейств, отрядов (порядков), классов, типов, царств. Главным механизмом, регулирующим филогенез и происходящее в его ходе образование таксонов, является естественный отбор. Филогенез может представлять собой как прогрессивное развитие с повышением общего уровня жизнедеятельности и расширением адаптивных возможностей организма, так и регресс или попадание в эволюционный тупик.

В процессе филогенеза периоды плавного развития и выработки приспособлений к сравнительно стабильным условиям среды чередуются со скачкообразными переходами на высшую ступень организации, на которой вырабатываются качественно новые приспособления, функции и органы. Филогенез протекает на основе накопления индивидуальных изменений в ходе отдельных онтогенезов. Онтогенез в своем конкретном выражении служит проявлением и в определенной мере воспроизведением филогенеза. Вместе с тем ряд предковых стадий выпадает из онтогенеза, другие коренным образом преобразуются в результате приспособления к новым условиям.

Филогенез и онтогенез соединены многочисленными связями и зависимостями. Эти связи во многом даже в общих чертах остаются неясными. Более того, пока что не создана теория онтогенеза. Длительный путь от «белка до признака» еще даже не разведан, а без прохождения этого пути глубокое понимание и объяснение эволюционного процесса невозможно.

Основные понятия темы:

Генетика - это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.

Эволюция - направленный процесс исторического изменения организмов.

Онтогенез - индивидуальное развитие организма от момента зарождения до окончания жизни.

Филогенез - процесс исторического развития организмов.

Синтетическая теория эволюции - комплекс представлений о микро - и макроэволюции, сложившийся к середине XX века.

Микроэволюция - это совокупность эволюционных процессов, протекающих в популяциях и приводящих к образованию нового вида.

Макроэволюция - эволюционные процессы, ведущие к образованию надвидовых таксонов.

Тема 15. Человек как предмет естествознания

1. Естественнонаучная концепция антропогенеза

Проблема человека, его природы и сущности, его развития и предназначения - одна из главных проблем и философии, и науки, и религии.

Проблемой происхождения человека и его эволюцией занимается антропология. Она получила бурное развитие после создания теории эволюции Дарвина и пыталась найти ответ на вопрос, каким образом биологический организм, который принадлежит к типу хордовых, подтипу позвоночных, классу млекопитающих, отряду приматов, семейству гоминид, превратился в человека, биологическое и социальное существо, в носителя культуры.

Возникновение человека было и остается тайной. Вот почему версия о его божественном происхождении не теряет своей актуальности и поныне.

В настоящее время имеется несколько концепций происхождения человека на Земле:

1) креационизм (теологическая концепция);

2) от внеземных существ, посещавших Землю (паранаучная концепция);

3) естественнонаучная (натуралистическая) концепция: происхождение человека от высокоразвитых предков современных обезьян - гоминид;

4) космологическая концепция (В.И. Вернадский, П. Тейяр де Шарден): возникновение человека как необходимый этап космогенеза и превращение его в решающий фактор космической эволюции.

Естественнонаучная концепция в XX веке получила генетическое подтверждение. Оказалось, что из всех животных по генетическому аппарату ближе всех к человеку стоят шимпанзе.

Еще К. Линней в середине XVII в. включил человека в систему животного царства и объединил его с обезьянами в одном отряде приматов. Именно с этого времени проблема генезиса человека приобрела особую важность для естествознания. Для Ламарка факт сходства, единства и родства, а также общности происхождения высших животных и человека не вызывает никаких сомнений. Человек рождается как существо биологическое, не имея ни представлений, ни знаний, но, обладая органами, способными обеспечивать их появление и функционирование, благодаря воспитанию, опыту и окружающим его обстоятельствам, человек становится существом социальным.

В XIX в. начинается интенсивное осмысление проблемы антропогенеза. В 1859 году Ч.Дарвин в своей книге «Происхождение видов путем естественного отбора» вскрывает основные причины эволюции животного мира. Полученные результаты позволили ему сформулировать гипотезу о происхождении человека от высокоразвитых предков современных обезьян в книге «Происхождение человека и половой отбор» (1871 г.). Он писал: «Как бы ни было велико умственное различие между человеком и высшими животными - оно только количественное, а не качественное». Таким образом, именно он заложил традицию выведения всех особенностей человеческой жизнедеятельности из инстинктивных форм поведения животных.

Ф. Энгельс - представитель трудовой теории антропогенеза - считал, что труд изменяет характер действия естественного отбора, не отменяя действия биологических законов. Труд создал из обезьяны человека: формирование прямохождения, руки, речи, развитие мозга, абстрактного мышления, возникновения социума - все это социальные формы наследственности.

Однако теория антропогенеза не считается завершенной. Не решенными считаются следующие проблемы: 1) Какова движущая сила процесса происхождения человека? 2) Каковы управляющие этим процессом закономерности?

Согласно гипотезе Э. Геккеля предками человека были не современные обезьяны, а дреопитеки - древесные обезьяны, которые жили 70 млн. лет назад. От них одна линия пошла к шимпанзе и гориллам, другая - к человеку. Основные этапы эволюции предков человека выглядят примерно так:

20 млн. лет назад наступившее похолодание заставило их спуститься с деревьев. Останки этих существ были найдены в Индии - рамапитеки - 14 млн. лет назад (от Индии до Африки); сивапитек - предок орангутанга - 10 млн. лет назад жил в Азии. Зинджантроп - «человек умелый» (Homo habilis) изготовлял примитивные орудия труда - 2-5 млн. лет назад жил в Восточной Африке. Объем мозга 600-700 куб. см.

Австралопитек - южная обезьяна - жил 4-2 млн. лет назад.

Питекантроп - 1,9-0,65 млн. лет назад.

Синантроп жил 400 тыс. лет назад, найден на о. Ява, в Китае, объем мозга 900 куб. см. Рост -150-160 см. Рядом с останками найдены орудия труда, синантропы жили в пещерах.

Неандерталец жил 30-40 тыс. лет назад. Найден в Германии, объем мозга - 1500 куб. см. Впервые обнаружено захоронение трупов.

Кроманьонец - 40-18 тыс. лет назад. Во Франции, в пещере Кро-Маньон были найдены останки существа, близкого по облику, росту и объему черепа современному человеку.

Палеонтологическая летопись прерывается, поэтому очень трудно показать эволюцию человека. Генетически человек не изменялся после кроманьонца, продолжалась только его социальная эволюция.

В основе космологической концепции антропогенеза В.И. Вернадского лежит его знаменитое учение о биосфере. Более подробно это учение будет рассмотрено далее. Здесь важно отметить то, что биосфера - это динамическое целое, функции которого состоят в улавливании, ассимиляции и переносе энергии. Как целое, она включена в более широкое окружение - свою сферу обитания (геокосмическую); как закономерный этап эволюции материи она выполняет космическую функцию снижения энтропии и упорядочения хаоса; как системное образование она состоит из нескольких подсистем, между которыми также постоянно происходит обмен веществом и энергией. Поэтому картина эволюции мира не может быть получена простым суммированием отдельных ее форм, биосфера не состоит из каких-либо частей, она целостное природное тело. Именно в этом контексте Вернадский рассматривает антропогенез как космический процесс. Для Вер-надского человек - не просто мера организованности, космическая сила, но и формирующийся направляющий и организующий фактор самого процесса развития биосферы. Поэтому человек не только не является побочным продуктом эволюции природы или даже ее ошибкой, а выступает целью земного этапа эволюции материи.

Теория эволюции биосферы не может не быть также эволюцией человека как естественного тела природы. А значит, для природного существования человека необходимо три рода условий:

1. Космологические условия - некоторая совокупность и их определенная связь физических констант, определяющих облик нашей Вселенной, специфику протекания процессов, характер законов в познаваемой человеком части универсума, особенности физических и химических взаимодействий, и др.

2. Экологические условия - включенность человека в эволюционно сложившиеся связи и отношения организмов между собой и с факторами неорганического происхождения. Занимаемая человеком экологическая ниша влияет на процессы развития человеческой популяции, возникновение рас и т.п.