Естествознание прошло три стадии и вступило в четвертую. 1 Стадия древнегреческой натурфилософии

Вид материала

Документы

Содержание Третий элементарный эволюционный фактор Четвертый элементарный эволюционный фактор 4.4. Начало жизни на Земле Первичная атмосфера не содержала свободного кислорода Первый этап

Подобный материал:

• Тема задания, 528.22kb.
• Встранах Европы стадии возбуждения уголовного дела не придается особого значения, точнее,, 347.47kb.
• Болезнь, и болезнь коварная. Различают три его стадии, 23.76kb.
• Петровым Юрием Николаевичем урок, 107.94kb.
• Мифологические основания древнегреческой философии: «от Мифа к Логосу», 30.7kb.
• Мифологические основания древнегреческой философии: «от Мифа к Логосу», 101.87kb.
• Домашнее задание: а) разбор статьи, б) краткое содержание 1 урока + 1 общий рисунок(свой, 883.36kb.
• История древнегреческой литературы Содержание учебного материала, 119.06kb.
• Союза Радиолюбителей России (срр). Классификация программы. По уровню создания программа, 812.08kb.
• Презентация День народного единства, 420.63kb.

мутационный процесс, одновременно являющийся и поставщиком элементарного эволюционного материала. Но сам по себе этот фактор не способен оказывать направляющее воздействие на эволюционный процесс. Для этого нужен вто­рой фактор - популяционные волны, или «волны жизни», - ко­личественные колебания в численности популяций под воздей­ствием различных причин - сезонной периодики, климатиче­ских, природно-катастрофических и пр.

Эволюционная роль «волн жизни» проявляется в двух пла­нах. Во-первых, в изменении частот генов в популяциях, приво­дящем к снижению наследственной изменчивости. Процесс этот, названный американским генетиком С. Райтом «дрейфом ге­нов», а Н. П. Дубининым - «генетико-автоматическим процес­сом», всегда имеет место при резком снижении численности по­пуляции. Генотипически это сопровождается увеличением гомозиготности, что связано с увеличением числа близкородствен­ных скрещивании. Другое проявление «волн жизни» сводится к изменениям в концентрации различных мутаций, а также к уменьшению разнообразия генотипов, содержащихся в популя­ции. А это в свою очередь может привести к изменениям на­правленности и интенсивности действия отбора.

Третий элементарный эволюционный фактор - это изоля­ция. Нарушая свободное скрещивание, изоляция закрепляет возникшие как случайно, так и под действием отбора различия в наборах и численности генотипов в изолированных частях популяции. Различают два типа изоляции: территориально-механическую, или пространственно-географическую, и био­логическую, или репродуктивную. Смысл первой ясен из на­звания. Биологическая же изоляция имеет пять форм: этологическую (различия в поведении особей), экологическую (раз­личия в предпочтении разных мест обитания), сезонную (раз­личия в сроках размножения), морфологическую (различия в размерах, структуре как всего тела организма, так и отдельных его органов), генетическую (различия наследственного аппа­рата, приводящие к несовместимости половых клеток). Общим итогом изоляции является возникновение независимых гено­фондов двух популяций, которые в итоге могут трансформи­роваться в самостоятельные виды.

Четвертый элементарный эволюционный фактор естест­венный отбор. Его генетическая сущность дифференциро­ванное (неслучайное) сохранение в популяции определенных генотипов и избирательное их участие в передаче генов сле­дующему поколению. Здесь важно подчеркнуть, что естествен­ный отбор воздействует не на отдельный фенотипический при­знак, не на отдельный ген, а на всю генетическую систему. Его роль проявляется на уровне фенотипа, который формируется в результате взаимодействия генотипа со средой.

В настоящее время известны три формы отбора. Это дви­жущий отбор, при котором в результате новых мутаций или перекомбинаций уже имеющихся генотипов или при измене­нии условий среды в популяции возникают новые генотипы с селективными свойствами. Тогда может возникнуть новый вектор, или направленность, отбора. Под контролем такого отбора генофонд популяции изменяется как единое целое, то есть отсутствует дивергенция дочерних форм.

Вторая форма отбора получил название стабилизирующего. Ею роль сводится к тому, что в конкретных условиях на основе разных генотипов в популяции становится преобладающим оптимальный для этих условии фенотип. При длительной не­изменности таких условий стабилизирующий отбор как бы ох­раняет ставший устойчивым фенотип от давления любой фенотипической изменчивости.

Третья форма отбора называется дизруптивной. Ее роль в том, чтобы внутри популяции могли возникнуть отчетливо различающиеся формы. При снижении возможности скрещи­вания между такими популяциями, например, в условиях изо­ляции, может происходить их дальнейшее расхождение, вплоть до образования новых видов.

СТЭ не является застывшей концепцией. У нее есть ряд труд­ностей, на которых основываются недарвиновские концепции эволюции, как уже упоминавшиеся выше, так и недавно воз­никшие, например, пунктуализм. Сторонники этой концепции считают, что процесс эволюции идет путем редких и быстрых скачков, а в 99 % своего времени вид пребывает в ста­бильном состоянии (стазисе). В предельных случаях скачок к новому виду может совершаться в течение одного или несколь­ких поколений, и в популяции, состоящей всего из десятка особей.

Эта гипотеза опирается на широкую генетическую базу, за­ложенную рядом фундаментальных открытий в молекулярной генетике и биохимии. Пунктуализм отверг генетико-популяционную модель ви­дообразования, идею Дарвина о том, что разновидности и подвиды являются зарождающимися видами, и сфокусировал свое внимание на молекулярной генетике особи как носителе всех свойств вида.

Ценность этой концепции заключается в идее разобщенно­сти микро- и макроэволюции и независимости управляемых ими факторов. Тем не менее, возможно, в будущем СТЭ и недарвиновские концепции эволюции, дополняя друг друга, объединятся в но­вую единую теорию жизни.


19

Происхождение и сущность жизни

Многовековые исследования и попытки решения этих вопро­сов породили разные концепции возникновения жизни:

         креационизм - сотворение жизни Богом;

         концепция самопроизвольного зарождения из неживого вещества;

         концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;

         концепция внеземного происхождения жизни в соответствии с которой жизнь занесена из Космоса.

 

Концепция креационизма, по существу, не явля­ется научной, поскольку она возникла в рамках религиозного миро­воззрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой ее сотворил Бог. Тем самым практи­чески снимается вопрос о научном решении проблемы проис­хождения и сущности жизни. Тем не менее, эта концепция продолжала и продолжает пользоваться довольно большой популярностью.

Остальные концепции появились позже, но вплоть до XIX века ни одна из них не смогла сформировать единую био­логическую картину мира и тем самым дать приемлемое объ­яснение происхождению жизни.

В XIX веке в биологии возникли концепции:

1) механистиче­ский материализм - не признавал качественной специфики живых орга­низмов и представлял жизненные процессы как результат дей­ствия химических и физических процессов. С этой точки зре­ния живые организмы выглядели как сложные машины. Но аналогия между живым существом и машиной не объясняет именно того, что она призвана объяснять: причину целесооб­разной организации живых существ. Такой подход неверен в самой своей основе. Ведь машины не возникают сами собой в природных условиях. Их целесообразность, приспособлен­ность строения к выполнению определенной работы нельзя вывести из взаимодействия закономерностей неорганического мира. Она является продуктом созидательной деятельности человека, его целенаправленных творческих усилий. В силу этого механицизм и его более поздняя разновидность - редукционизм (пытавшийся свести явления жизни к химическим и физическим процессам как своим элементарным составляю­щим) - всякий раз беспомощно останавливались перед про­блемой происхождения жизни.

2) витализм - противоположная точка зрения (от лат. vitalis - жизненный), 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 нематериаль­ным началом и т. д. Между обоими направлениями шла ожесточенная борьба идей о происхождении и сущности жизни.

Ученые-экспериментаторы вплоть до середины XIX века придерживались идеи самопроизвольного зарождения жизни из различных матери­альных образований, в том числе из гниющей земли, отбросов и иных объектов. Этой точки зрения придерживались такие крупные ученые и выдающиеся мыслители, как Аристотель, врач Парацельс, эмбриолог Гарвей, Коперник, Галилей, Де­карт, Гете, Шеллинг и др. Их авторитет во многом определил длительный срок существования идеи самозарождения и ее широкое распространение. Достаточно сказать, что ни опыты Ф. Реди (XVII в.), который доказал невозможность самозаро­ждения червей из гниющего мяса при отсутствии мух и провоз­гласил знаменитый принцип «все живое - от живого», ни даже опыты, показавшие, что в прокипяченных органических настоях не могут самопроизвольно зарождаться микроорганизмы, не ока­зали сильного влияния на господствующую в науке концепцию спонтанного самозарождения.

Лишь в 60-е годы XIX века в развернувшейся между Ф. А. Пуше и Л. Пастером дискуссии, потребовавшей экспери­ментальных исследований, удалось строго научно обосновать несостоятельность этой концепции. Опыты Пастера продемон­стрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда были ранее занесены их заро­дыши. Если же сосуд с питательной средой оградить от занесе­ния в него микробов, то не произойдет никакого самозарожде­ния. Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали научную несостоятельность концепции спонтанного самоза­рождения организмов. Но и они не давали ответа на вопрос, откуда взялась жизнь.

Примерно в этот же период времени (1865 г.) на стыке кос­могонии и физики немецким ученым Г. Рихтером разрабатыва­ется гипотеза занесения живых существ на Землю из космоса - так называемая концепция панспермии. Согласно этой идее, зародыши простых организмов могли попасть в земные усло­вия вместе с метеоритами и космической пылью и положить начало эволюции живого, которая в свою очередь породила все многообразие земной жизни. Концепцию панспермии раз­деляли такие крупные ученые, как С. Аррениус, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский, что способствовало ее широкому распро­странению среди ученых. В 1908 г. шведский химик Сванте Аррениус поддержал ги­потезу происхождения жизни из космоса. Он высказал мысль, что жизнь на Земле началась тогда, когда на нашу планету из космоса попали зародыши жизни. «Частицы жизни», носящие­ся в бескрайних просторах космоса, переносимые давлением света от звезд, оседали то здесь, то там, осеменяя ту или иную планету.

Тем не менее пока и эта гипотеза полного научного обос­нования не получила. Хотя спектр возможных условий для су­ществования живых организмов достаточно широк, все же считается, что они должны погибнуть в космосе под действием ультрафиолетовых и космических лучей. К тому же эта гипоте­за не решает проблемы происхождения жизни, а лишь выносит ее за пределы земли - если жизнь была занесена на землю из космоса, то где и как она возникла? Есть вариант этой гипоте­зы, утверждающий вечность жизни во вселенной. Считается, что после большого взрыва, в результате которого образова­лась наша вселенная, в процессе появления вещества на самых ранних этапах эволюции вселенной произошло разделение этого вещества на живое и неживое, и жизнь существует столь­ко же времени, сколько и весь космос.

Наряду с гипотезой панспермии в современной научной литературе сохраняется также гипотеза о случайном характере возникновения на Земле первичной живой молекулы, которая появилась лишь раз за все время существования нашей плане­ты. В силу этого обстоятельства экспериментальную проверку данной гипотезы произвести невозможно. Эта гипотеза получила широкое распространение среди генетиков в связи с от­крытием роли ДНК в явлениях наследственности. Г. Меллер в 1929 г. развивал мысль, что чисто случайно на Земле возникла единичная «живая генная молекула», обладавшая внутримоле­кулярным жизнеопределяющим строением, которое она про­несла неизменным через все развитие земной жизни. Долгое время моделью такой «живой молекулы» считали частицу нуклеопротеида вируса табачной мозаики, но сейчас стало оче­видным, что вирусы нельзя рассматривать как промежуточный этап на пути возникновения жизни: сперва должна была воз­никнуть жизнь, а затем вирус. Тем не менее, идея случайного возникновения ДНК до сих пор широко распространена в научной литературе, хотя веро­ятность такого события очень мала.

Таким образом, на протяжении веков менялись взгляды на эту проблему, но наука все еще далека от ее решения. И сегодня продолжаются споры о сущно­сти жизни: является ли она просто чрезвычайно упорядочен­ным состоянием обычных атомов и молекул, из которых со­стоит «живое вещество», или существуют пока не открытые элементарные «частицы жизни», переводящие обычные хими­ческие и физические вещества в живое состояние. Веских дока­зательств и аргументов в пользу справедливости той или иной точки зрения нет.

Очевидно, более целесообразно рассматривать жизнь как особую форму движения материи, закономерно возникшую на определенном этане ее развития. Разумеется, возникновение жизни содержало элемент случайности, но оно было не абсо­лютно случайным, а в основе своей закономерным, необходи­мым. Видимо, появление жизни произошло, когда химическая эволюция после одной из точек бифуркации привела к появлению живого организма и началу биологической эволюции.

Поэтому сегодня наиболее перспективным направлением для естествознания является исследование возникновения жиз­ни на нашей планете из неживой материи в ходе процессов са­моорганизации.

Гипотеза происхождения жизни А. И. Опарина (1924 г.) явилась первой научной концепцией, доказавшей на основе экспериментов возможность естественного возникновения простейших организмов из неорганических веществ. Ученый выступил с утверждением, что монополия биотического синтеза органических веществ характерна лишь для современного периода существования нашей планеты.

В начале своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней осуществлялись абиотические синтезы углеродных соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Затем шло постепенное усложнение этих соединений, формирование из них индивидуальных обособленных систем, превращение их в протобионты, а затем в первичные живые вещества.

А. И. Опарин стал рассматривать появление жизни как естественный процесс, который состоял из первоначальной химической эволюции, протекавшей на ранних этапах развития планеты и перешедший постепенно на качественно новый уровень - биохимическую эволюцию.

Этот процесс с самого начала был неразрывно связан с геологической эволюцией Земли. Опарин предположил и экспериментально доказал, что под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетового излучения в газовых смесях, содержащих пары воды, аммиака, цианистого водорода, метана и др., появляются аминокислоты, нуклеотиды, полипептиды, другие вещества, свойственные живым организмам.

Согласно гипотезе Опарина, возникновение и развитие химической эволюции произошло в ходе образования и накопления в первичных водоемах исходных органических молекул, которые скапливались в сравнительно неглубоких местах, прогреваемых солнцем, богатым ультрафиолетовым излучением при отсутствии озонового слоя атмосферы.

Ультрафиолетовые лучи обеспечивали энергией протекание химических реак­ции между органическими соединениями. Таким образом, в некоторых зонах первичных водоемов протекали случайные химические реакции. Большая их часть быстро завершилась из-за недостатка исходного сырья. Но в хаосе химических ре­акций произвольно возникали и закреплялись реакции цикли­ческих типов, обладавшие способностью к самоподдержанию. Результатом этих реакций и стали коацерваты - пространственно обособившиеся целостные системы. Существенной их особенностью была способность поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возмож­ность первичного обмена веществ со средой. Естественный отбор способствовал сохранению наиболее устойчивых коацерватных систем. Система, описанная Опариным, представляла собой открытую химическую микроструктуру и уже была наделена способностью к обмену веществ, хотя еще не имела системы для передачи ге­нетической информации на основе функционирования нуклеиновых кислот.

В ходе естественного отбора возникли важнейшие свойства жизни, отличающие ее от предыдущего этапа развития. Возникшие целостные многомолекулярные системы, обособленные от окружающей среды определенной гра­ницей раздела, сохраняли с ней взаимодействие по типу откры­тых систем. Только такие системы, черпающие из внешней среды вещества и энергию, могли противостоять нарастанию энтропии и даже способствовать ее уменьшению в процессе своею роста и развития, что является характерным признаком всех живых су­ществ.

Естественный отбор сохранял те целостные системы, в ко­торых более совершенной была функция обмена веществ, способствовавшая быст­рому росту системы и ее динамической устойчивости в данных условиях существования.

Выживающие в ходе естественного отбора системы имели специфическое строение белков и нуклеотидов, которые и обусловили появление наследственности. В органической химии известны примеры реакций такого типа. Их отбор и выживание следует рассматривать как возможный качественный скачок, создавший предпосылки для перехода от химической эволюции к биологической. Вместе с отбором и совершенствованием циклических комплексов происходил от­бор и совершенствование участвующих в этих реакциях орга­нических молекул.

Популярность концепции Опарина в научном мире очень велика. Его ученики и последователи и сегодня продолжают исследования в этом направлении. Но у этой концепции есть как сильные, так и слабые стороны.

  4.4. Начало жизни на Земле

 

Сегодня можно уверенно утверждать, что развитие природы носит направленный характер, выражающийся в нарастании сложности и упорядоченности вещества и его структур во Вселенной. Жизнь одна из самых высоких известных чело­веку форм упорядоченности вещества, которая может воз­никнуть только по достижении развивающейся Вселенной определенной стадии эволюции и только в таких ее локаль­ных системах, где существуют необхо­димые условия для столь высокого уровня упорядоченности вещества. Пока известно только одно место во Вселенной, где есть жизнь, это наша планета Земля.

Наша планета наилучшим образом подходит дня зарождения жизни. Возраст Земли предполагается равным 4,6 млрд. лет, а первые осадочные породы, свидетельствующие о появлении крупных водоемов, заполненных жидкой водой, датируются возрастом 3,8-4 млрд. лет.

За счет дегазации лав, вы­плавлявшихся из верхней мантии при интенсивном вулканизме, на Земле постепенно возникли атмосфера и гидросфера. При дегазации вулкани­ческих лав на поверхность Земли поступали, прежде всего, пары воды и газообразные соединения углерода, серы, азота.

Вначале атмосфера была такой тонкой, что парниковый эффект был ничтожен. В таком случае средняя температура поверхности Земли была около 15 °С. А при такой температуре все пары воды должны были конденсироваться, за счет этого и образовались океаны.

Первичная атмосфера не содержала свободного кислорода, поскольку его не содержали те газы, которые выбрасывались при извержении вулканов. Это подтверждает анализ пузырьков газа, обнаруженных в протоархейских по­родах. 60% этих газов составляла углекислота, ос­тальное - соединения серы, аммиака, другие окислы углерода. Что касается воды первичного океана, то исследователи схо­дятся на том, что ее состав был близок к современному. Для этого есть немало доказательств. Но так же, как и в первичной атмосфере, в первичном океане не было свободного кислорода. Свободный кислород, современной атмосферы и океана являются результатом жизнедеятельно­сти первичного живого вещества.

Для построения любого сложного органического соедине­ния, входящего в состав живых тел, нужен небольшой набор блоков-мономеров. Установлено, что 29 мономеров описывают биохимическое строение любого живого организма. Основными из них являются:

         аминокислоты - из них по­строены все белки;

         азотные соединения - составные части нук­леиновых кислот;

         глюкоза - источник энергии,

         жиры - структурный материал мем­бран клеточных структур и источник энергии и др.

 

После того, как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организовываться биополи­меры - белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самовоспроизводства. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных части­цах, например, на глине или гидроксиде железа, образующих ил водоемов. Кроме того, органические вещества могли обра­зовать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен также процесс объединения родственных мо­лекул в разбавленных растворах.

В начальный период формирования нашей планеты воды, пропитывающие земной грунт, непрерывно перемещали рас­творенные в них вещества из мест их образования в места на­копления. Там формировались протобионты системы орга­нических веществ, способных взаимодействовать с окружаю­щей средой, то есть расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды разнообразных богатых энергией веществ.

Далее образуются микросферы - шаровидные тела, возни­кающие при растворении и конденсации абиогенно получен­ных белковоподобных веществ.

Началом жизни на Земле принято считать появление нук­леиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Пере­ход от сложных органических веществ к простым живым орга­низмам наукой пока не установлен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему, в соответствии с которой между коацерватами (сгустками органических веществ) могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приво­дило к образованию примитивной клеточной мембраны, обес­печивающей коацерватам стабильность. В результате включе­ния в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту.

Следующим шагом в организации живого должно было быть образование мембран, которые отграничивали смеси ор­ганических веществ от окружающей среды. С их появлением и сформировалась клетка «единица жизни», главное структурное отличие живого от неживого. Все основные процессы, опреде­ляющие поведение живого организма, протекают в клетках.

Сегодня не вызывает сомнений предположение В.И. Вернадского о том, что жизнь сразу возникла в виде прими­тивной биосферы, потому, что только разнообра­зие видов живых организмов могло обеспечить выполнение всех функций живого вещества в биосфере. В.И. Вернадский впервые нарисовал панораму исторического развития био­сферы и показал роль живого вещества в процессе эволюции Земли, неотделимость эволюции биосферы от геологической истории планеты.

Вернадский доказал, что жизнь является мощнейшей геоло­гической силой, вполне сравнимой с такими геологическими процессами, как горообразование, извержение вулканов, зем­летрясения и т. д. Жизнь не просто существует в окружающей ее среде, но активно формирует эту среду, преобразуя ее «под себя». Вернадский выделил биогеохимические функции жизни, отвечающие за это. К ним относятся:

1.       газовая - поглощение и выделение кислорода, углекислого газа и др.;

2.       окислительная - образование карбонатов, сульфидов, соединений с азотом, серой, фосфором, железом, марганцем и т.д.;

3.       восстановитель­ная - десульфирование, денитрификация и т.д.;

4.       концентра­ционная - концентрация отдельных химических элементов - фосфора, ка­лия, бора, азота, серы, кальция, натрия, цинка и др;

5.       синтетическая - синтез органического ве­щества.

 

Можно утверждать, что весь облик современной Земли, все ее ландшафты, осадочные, метаморфические породы (граниты, гнейсы, образовавшиеся из осадочных пород), запасы многих полезных ископае­мых, современная атмосфера являются результатом деятель­ности живого вещества.

Следы самых древнейших организмов обнаружены в кремнистых пластах Западной Австралии, возраст которых, а следователь­но, и возраст останков жизни оценен в 3,2 - 3,5 миллиарда лет. Это минерализовавшиеся нитчатые и округлые микроорга­низмы примерно десятка различных видов, напоминающие простейшие бактерии и микроводоросли. Организмы, видимо, имели внутренние структуры, в них присутствовали химиче­ские соединения, способные осуществ­лять фотосинтез. Обнаруженные древнейшие организмы бес­конечно сложны по сравнению с самым сложным из известных органических соединений неживого (абиогенного) происхож­дения. Нет сомнений в том, что это не самые ранние формы жизни и что существовали их более древние предшественники.

Истоки жизни уходят в первый миллиард лет существо­вания Земли как планеты, который не оставил следов в ее гео­логической истории. Есть данные, что известный биогео­химический цикл углерода, связанный с фотосинтезом в био­сфере, существенно стабилизировался более 3,8 миллиарда лет назад. А это позволяет считать, что фотоавтотрофная биосфе­ра существовала на нашей планете не менее 4 миллиардов лет назад. Но по всем данным цитологии и молекулярной биоло­гии, фотоавтотрофные организмы были вторичными в процес­се эволюции живого вещества.

Древнейшая жизнь, вероятно, существовала в качестве ге­теротрофных бактерий, получавших пищу и энергию от орга­нического материала абиогенного происхождения, образо­вавшегося еще раньше, на космической стадии эволюции Зем­ли. Исходя из этого предполагают, что жизнь могла возникнуть около 4-х млрд. лет назад, т. е существует столько времени, сколько существует сама планета.

Развитие биосферы Земли можно рассматривать как после­довательную смену трех этапов.

Первый этап -