Кукк В.А., Сергеев С.В., Решетников Б.А. Учебное пособие концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

220

1 2 3 4

70–140 Мезозойская Мел

Полуобезьяны,

вымирание динозавров,

выход на первый план

млекопитающих

140–185 Юра Первые птицы

185–225 Триас

Господство

пресмыкающихся

225–270 Пермь Наземные позвоночные

270–320 Карбон Животные

320–400 Девон

Папоротники, хвощи,

предки современных

форм рыб

400–420

Палеозойская

Силур

Массовый выход

растений, а потом и

животных на сушу

420–480 Ордовик

Панцирные рыбы –

первые позвоночные

животные

480–570 Кембрий

Членистоногие,

иглокожие, медузы

570–1200 Синий

Многоклеточные

животные

(медузы, губки, черви)

1200–1500

Протерозойска

Енисей

Появляются

многоклеточные

водоросли

1500–1900 Саян

Начало бурного развития

жизни

1900–2700 Архейская

Не

расчленена

Одноклеточные

водоросли

и бактерии

2700–3500 Катархейская

Не

расчленена

Бактериоподобные

одноклеточные

организмы,

предполагаемые

простейшие, доклеточные

формы жизни

Окончание табл. 2

221

13.2. Концепции развития органического мира

Концепция развития Ж.-Б. Ламарка

Первая попытка построения целостной концепции развития

органического мира была предпринята французским естествоиспытателем

Ж.-Б. Ламарком. В отличие от многих своих предшественников теория

эволюции Ламарка опиралась на факты. Мысль о непостоянстве видов

возникла у него вследствие глубокого изучения строения растений и

животных. В основу его эволюционной теории положено представление о

развитии, постепенном и медленном, от простого к сложному, и о роли

внешней среды в преобразовании организмов. У животных активное

использование органов ведет к их совершенствованию, а ослабленное их

употребление — к деградации. Приобретённые в ходе индивидуального

развития свойства, по Ламарку, передаются потомству. Животных он наделял

внутренним стремлением к определенным изменениям, целям. Поэтому

концепцию Ламарка называют автогенетической и телеологической. Ламарк,

допускал и творение мира Богом, и развитие природы по ее собственным

законам (тоже созданным творцом).

Теория Ламарка не получила признания современников. В это время

наука еще не была готова к принятию идеи эволюционных преобразований.

К тому же доказательства причин изменяемости видов, приводимые

Ламарком, не были достаточно убедительными.

Теория катастроф Ж. Кювье

В первой четверти XIX в. были достигнуты большие успехи в таких

областях биологической науки, как сравнительная анатомия и палеонтология.

Основные заслуги в развитии этих областей биологии принадлежат

французскому ученому Жоржу Леопольду Кювье, который прославился,

прежде всего, своими исследованиями по сравнительной анатомии.

Исследуя строение органов позвоночных животных, он установил, что все

органы животного представляют собой части единой целостной системы.

Вследствие этого строение каждого органа закономерно соотносится со

строением всех других. Ни одна часть тела не может изменяться без

соответствующего изменения других частей. Это означает, что каждая часть

тела отражает принципы строения всего организма.

В процессе своих исследований Кювье заинтересовался историей Земли,

земных животных и растений. Он потратил многие годы на ее изучение,

сделав при этом много ценных открытий. В результате проделанной им

огромной работы он пришел к трем безусловным выводам:

– Земля на протяжении своей истории изменяла свой облик;

– одновременно с изменением Земли изменялось и ее население;

– изменения земной коры происходили и до появления живых существ.

222

Совершенно бесспорным для Кювье было убеждение в невозможности

возникновения новых форм жизни. Однако многочисленные палеонтологи-

ческие данные неопровержимо свидетельствовали о смене форм животных

на Земле.

Когда была установлена разная степень древности вымерших животных.

Кювье выдвинул теорию катастроф. Согласно этой теории причиной вымира-

ния были периодически происходившие крупные геологические катастрофы,

уничтожавшие на больших территориях животных и растительность. Потом

территории заселялись видами, проникавшими из соседних областей.

Последователи и ученики Кювье, развивая его учение, пошли еще дальше,

утверждая, что катастрофы охватывали весь земной шар. После каждой

катастрофы следовал новый акт творения. Таких катастроф и, следовательно,

актов творения они насчитывали 27.

Теория катастроф получила широкое распространение. Однако целый ряд

ученых выражали свое критическое отношение к ней. Бурным спорам между

приверженцами неизменности видов и сторонниками стихийного эволюцио-

низма положила конец глубоко продуманная и фундаментально обос-

нованная теория образования видов, созданная Ч. Дарвином и А. Уоллесом.

Эволюционная теория Ч. Дарвина

Основные положения теории Ч. Дарвина были опубликованы в 1859 г. в

книге "Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение

благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь". В 1871 г. Ч. Дарвин

опубликовал труд "Происхождение человека и половой подбор". Здесь общая

теория эволюции конкретизирована в процессе решения вопроса о естествен-

ном происхождении человека из животного мира. Основные понятия теории

Дарвина — изменчивость живых организмов, борьба за существование,

естественный отбор. Вес начинается с изменения отдельных особей,

индивидуальная изменчивость — основа эволюционного процесса.

Дарвин различает два типа изменчивости. Первый он называет

"индивидуальной" или "неопределенной" изменчивостью. Она передается по

наследству. Второй тип он характеризует как "определенную" или

"групповую" изменчивость. Ей подвержены те группы организмов, которые

оказываются под воздействием определенного фактора внешней среды.

Позднее в биологии неопределенные изменения стали называть мутациями, а

"определенные" — модификациями.

С точки зрения теории эволюции Ч. Дарвина:

– в любой популяции, виде живых организмов наблюдается изменчивость

составляющих ее особей;

– некоторые из этих изменений унаследованы от родительских особей,

получены от рождения, а другие являются результатом приспособления к

окружающей среде, приобретены в течение жизни;

– рождается, как правило, значительно большее число организмов, чем

доживает до размножения: многие гибнут на стадии семян, зародышей,

223

птенцов, личинок. Выживают лишь те организмы, которые получили по

наследству полезный в данных условиях жизни признак.

Таким образом, Дарвин последовательно решил проблему детерминации

органической эволюции в целом, объяснил целесообразность строения

живых организмов как результат естественного отбора. Он показал, что эта

целесообразность всегда носит относительный характер, так как любое

приспособление оказывается полезным только в конкретных условиях

существования. Этим он нанес серьезный удар идеям телеологии в

естествознании.

Слабым местом в теории Дарвина были представления о наследствен-

ности, которые подвергались серьезной критике его противниками. Действи-

тельно, если эволюция связана со случайным появлением изменений и

наследственной передачей приобретенных признаков потомству, то каким

образом они могут сохраниться и даже усиливаться в дальнейшем? Ведь в

результате скрещивания особей с полезными признаками с другими особями,

которые ими не обладают, они передадут эти признаки в ослабленном виде.

В конце концов, в течение ряда поколений случайно возникшие изменения

должны ослабнуть, а затем и вовсе исчезнуть. Сам Дарвин вынужден был

признать эти доводы убедительными, при тогдашних представлениях о

наследственности их невозможно было опровергнуть.

Теорией Дарвина завершились длительные поиски естествоиспытателей,

которые пытались найти объяснение многим чертам сходства, наблюдаемым

у организмов, относящихся к разным видам. Дарвин объяснил это сходство

родством и показал, как идет образование новых видов, как происходит эво-

люция — направленный процесс, связанный с выработкой приспособлений

по мере прогрессивного усложнения строения и функций животных и

растений.

С возникновением дарвинизма на первый план биологических исследова-

ний выдвинулись четыре задачи:

1) сбор доказательств самого факта эволюции;

2) накопление данных об адаптивном характере эволюции и единстве ор-

ганизационных и приспособительных признаков;

3) экспериментальное изучение взаимодействия наследственной изменчи-

вости, борьбы за существование и естественного отбора как движущей силы

эволюции;

4) изучение закономерностей видообразования и макроэволюции.

13.3. Становление классической биологии

Рост антидарвинистских настроений в XIX–XX вв. имел вполне объек-

тивные причины — из поля зрения дарвинистов выпал ряд

фундаментальных, важных для эволюционной теории вопросов, ради

которых она создавалась. Это причины сохранения в историческом развитии

системного единства организма, механизмы включения в эволюционный

процесс онтогенетических перестроек, неравномерность темпов эволюции,

224

причины макро- и прогрессивной эволюции, крупномасштабные события в

эпохи биотических кризисов [15].

Неоламаркизм — первое крупное антидарвинистское учение, возникшее

еще в конце XIX в., который основывался: на признании адекватной

изменчивости, возникающей под непосредственным или косвенным

влиянием средовых факторов и обеспечивающей прямое приспособление

организма к ним; на идее наследования приобретенных таким образом

признаков; на негативном отношении к созидательной роли естественного

отбора.

Неоламаркистские концепции утратили свое влияние к 30-м гг. ХХ в.,

хотя отдельные их идеи находили поддержку еще в начале 70-х гг.

Крупнейшим проявлением неоламаркизма в отечественном естествознании

была концепция Т.Д. Лысенко о наследственности как свойстве всего

организма.

В начале XX в. возникает генетика — учение о наследственности и на-

следуемости измененных признаков. Основателем ее считается австрийский

естествоиспытатель Г. Мендель, который ставил свои опыты еще в 1860-х гг.

Но датой рождения генетики считается 1900 г. — в это время Г. де Фриз,

К. Корренс, Э. Чермак вторично установили правила наследования признаков

в поколениях гибридных форм, открытые Менделем в 1865 г.

Первые генетики противопоставили данные своих исследований дарви-

низму, в результате чего в эволюционной теории возник глубокий кризис.

Выступление генетиков против учения Дарвина вылилось в широкий фронт,

объединяющий несколько течений — мутационизм, гибридогенез,

преадаптационизм и др. — под общим названием генетического

антидарвинизма. Открытие устойчивости генов трактовалось как их

неизменность, что способствовало распространению антиэволюционизма (У.

Бетсон). Мутационная изменчивость отождествлялась с эволюционными

преобразованиями, что исключало необходимость в процессе отбора как

главной причины эволюции.

Венцом была теория номогенеза Л.С. Берга, созданная в 1922 г. Основу ее

составила идея, что эволюция есть запрограммированный процесс. Берг

считал, что организму присуща внутренняя сила неизвестной природы,

действующая целенаправленно, независимо от внешней среды, в сторону ус-

ложнения организации. В доказательство этого Берг приводил много данных

по конвергентной и параллельной эволюции разных групп растений и

животных.

На современном этапе своего развития теория биологической эволюции

отличается от дарвиновской в следующем:

– в ней ясно выделяется элементарная структура, с которой начинается

эволюция. В настоящее время такой элементарной структурой принято

считать популяцию, а не отдельную особь или вид, который включает в себя

несколько популяций;

– в качестве элементарного проявления процесса эволюции современная

теория рассматривает устойчивое изменение генотипа популяции;

225

– она более аргументированно и обоснованно истолковывает факторы и

движущие силы эволюции, выделяя среди них факторы основные и не основ-

ные.

Современное эволюционное учение видит свою главную задачу в том,

чтобы на основе углубленного познания механизма эволюционных

процессов предсказать возможности эволюционных преобразований, а, в

свою очередь, на этой основе управлять эволюционным процессом. Всё

возрастающую роль в решении этой задачи играет одна из наиболее перспек-

тивных отраслей биологической науки — генетика.

Генетика

Генетика — это биологическая наука о наследственности и изменчивости

организмов и методах управления ими. Она является научной основой для

разработки практических методов селекции, т.е. создания новых пород

животных, видов растений, культур микроорганизмов с нужными человеку

признаками.

Центральным понятием генетики является "ген". Это — элементарная

единица наследственности, характеризующаяся рядом признаков. По своему

уровню ген — внутриклеточная молекулярная структура. По химическому

составу — это нуклеиновые кислоты, в составе которых основную роль

играют азот и фосфор. Гены располагаются, как правило, в ядрах клеток. Они

имеются в каждой клетке, и поэтому их общее количество в крупных

организмах может достигать многих миллиардов. По своему назначению

гены — своего рода "мозговой центр" клеток и, следовательно, всего

организма.

Генетика изучает два фундаментальных свойства живых систем —

наследственность и изменчивость, то есть способность живых организмов

передавать свои признаки и свойства из поколения в поколение, а также

приобретать новые качества. Наследственность создает непрерывную

преемственность признаков, свойств и особенностей развития в ряду

поколений. Изменчивость обеспечивает материал для естественного отбора,

создавая как новые варианты признаков, так и бесчисленное множество

комбинаций прежде существовавших и новых признаков живых организмов.

Признаки и свойства организма, передающиеся по наследству,

фиксируются в генах — участках молекулы ДНК (или хромосомы),

определяющих возможность развития одного элементарного признака или

синтез одной белковой молекулы. Совокупность всех признаков организма

называется фенотипом. Совокупность всех генов одного организма

называется генотипом. Фенотип представляет собой результат взаимодей-

ствия генотипа и окружающей среды. Эти открытия, термины и их

определения связаны с именем одного из основоположников генетики В.

Иогансена.

В основу генетики легли закономерности наследственности,

обнаруженные австрийским биологом Г. Менделем при проведении им серии

226

опытов по скрещиванию различных сортов гороха. Открытия Г. Менделя

были по достоинству оценены только после его смерти, а в России —

значительно позже, чем в других странах.

Заслуга Менделя в области генетики заключается, прежде всего, в четком

изложении и описании законов генетики, которые в честь своего

первооткрывателя были названы законами Менделя.

При скрещивании двух организмов, относящихся к разным чистым

линиям (двух гомозиготных

организмов — в их генотипах есть два

одинаковых аллельных

гена, то есть два абсолютно идентичных по

последовательности нуклеотидов гена), отличающихся друг от друга одной

парой альтернативных признаков, все первое поколение гибридов (FI)

окажется единообразным и будет нести признак одного из родителей. Это

первый закон Менделя.

Второй закон Менделя гласит, что при скрещивании двух потомков

первого поколения между собой (двух гетерозиготных

особей — признак в

таком случае записывается как Аа) во втором поколении наблюдается

расщепление в определенном числовом отношении: по фенотипу 3:1, по

генотипу 1:2:1 (Аа+Аа=АА+2Аа+аа).

При скрещивании двух гомозиготных особей, отличающихся друг от

друга по двум и более парам альтернативных признаков, гены и

соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и

комбинируются во всех возможных сочетаниях. Это третий закон Менделя.

Важным этапом в становлении генетики было создание хромосомной

теории наследственности, связанной с именем Г. Моргана. Он выявил

закономерности наследования признаков, гены которых находятся в одной

хромосоме — они наследуются совместно. Это называется сцеплением генов

(закон Моргана). Это открытие было связано с тем, что третий закон

Менделя действовал не во всех случаях. Морган логично заключил, что у

любого организма признаков много, а число хромосом невелико.

Следовательно, в каждой хромосоме должно находиться много генов.

Закономерность наследования таких генов он и открыл.

Следующим важным этапом в развитии генетики стало открытие роли

ДНК в передаче наследственной информации в 30-х гг. XX в. Началось

раскрытие генетических закономерностей на молекулярном уровне,

зародилась новая дисциплина — молекулярная генетика. В ходе

Гомозигота (от гомо... и зигота) — клетка или организм, у которого

гомологичные хромосомы несут одну и ту же форму данного гена.

Аллели (от греч. allelon — друг друга, взаимно) (аллеломорфы) — различные

формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах)

гомологичных (парных) хромосом; определяют варианты развития одного и того же

признака. В нормальной диплоидной клетке может присутствовать не более двух

аллелей одновременно.

Гетерозигота (от гетеро... и зигота) — клетка или организм, у которого

гомологичные

хромосомы несут разные формы (аллели) того или иного гена.

227

исследований было установлено, что основная функция генов — в

кодировании синтеза белков. За эти исследования в 1952 г. Дж. Бидл, Э.

Тэйтум и Дж. Ледерберг были удостоены Нобелевской премии [15].

Затем была установлена тонкая структура генов (1950 г., С. Бензер),

молекулярный механизм функционирования генетического кода, был понят

язык, на котором записана генетическая информация

Открытие способности генов к перестройке, изменению является

крупнейшим открытием современной генетики. Эта способность к

наследственной изменчивости получила в генетике название мутации (от лат.

mutatio — изменение). Она возникает вследствие изменения структуры гена

или хромосом и служит единственным источником генетического

разнообразия внутри вида. Причиной мутаций служат всевозможные физи-

ческие (космические лучи, радиоактивность и т.д.) и химические

(разнообразные токсичные соединения) причины — мутагены.

Изменчивость может быть обусловлена не только мутациями, но и

сочетаниями отдельных генов и хромосом, например, при половом

размножении — генетическая рекомбинация.

Одним из наиболее опасных видов мутагенов являются вирусы (от лат.

virus — яд). Вирусы — это мельчайшие из живых существ. Они не имеют

клеточного строения, не способны сами синтезировать белок, поэтому

получают необходимые для жизнедеятельности вещества, проникая в

живую клетку и используя чужие органические вещества и энергию. У

человека вирусы вызывают множество заболеваний.

Большая часть этих данных была получена в последние десятилетия

ХХ в., но уже основы генетики показали необходимость приложения ее

открытий к дарвиновской эволюции. Соединение дарвинизма с генетикой

началось в 20-е гг. ХХ в. и знаменовало начало пятого этапа в становлении

идеи развития в биологии. Объединение этих направлений между собой

стало основой современного дарвинизма, или синтетической теории

эволюции.

Синтетическая теория эволюции

Генетика привела к новым представлениям об эволюции, получившим

название неодарвинизма, который можно определить как теорию

органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерми-

нированных генетически. Другое общепринятое название неодарвинизма —

синтетическая, или общая, теория эволюции (СТЭ) введенное в 1926 г. В ней

элементарной единицей эволюции служит популяция, поскольку именно в ее

рамках происходят наследственные изменения генофонда. Кроме того,

механизм эволюции стал рассматриваться как состоящий из двух частей:

случайные мутации на генетическом уровне и наследование наиболее

удачных с точки зрения приспособления к окружающей среде мутаций, так

как их носители выживают и оставляют потомство.

Одним из основоположников СТЭ стал С. С. Четвериков.

228

Структурно СТЭ состоит из теорий микро- и макроэволюции. Теория

микроэволюции изучает необратимые преобразования генетико-

экологической структуры популяции, которые могут привести к

формированию нового вида. Реально вид существует в виде популяций.

Именно популяция является элементарной единицей эволюции.

Теория макроэволюции изучает происхождение надвидовых таксонов

(семейств, отрядов, классов и т.д.), основные направления в целом, включая

закономерности развития жизни на Земле в целом, включая возникновение

жизни и происхождение человека как биологического вида.

Суть синтетической теории эволюции состоит в следующем.

1. Главный движущий фактор эволюции — естественный отбор как

следствие конкурентных отношений борьбы за существование, особенно

острой внутри вида или популяции. Факторами видообразования являются

также мутационный процесс (мутации разных типов), дрейф генов

(генетико-автоматнческие процессы) и различные формы изоляции.

2. Эволюция протекает дивергентно, постепенно, через отбор мелких слу-

чайных мутаций. Новые формы могут образовываться через крупные

наследственные изменения (сальтации). Их жизненность также

определяется отбором.

3. Эволюционные изменения случайны и ненаправленны. Исходным мате-

риалом для эволюции являются мутации разного типа. Сложившаяся

исходная организация популяции и последовательные изменения условий

среды ограничивают и канализируют наследственные изменения в

направлении неограниченного прогресса.

4. Макроэволюция, ведущая к образованию надвидовых групп, осуществ-

ляется через процессы микроэволюции и каких-либо особых механизмов воз-

никновения новых форм жизни не имеет.

Опираясь на достижения современной генетики, крупный вклад в

развитие селекции, создание новых сортов растений, пород животных,

борьбу с их болезнями внесли выдающиеся отечественные биологи

Н.И. Вавилов, И.В. Мичурин, Н.П. Дубинин, Н.В. Тимофеев-Ресовский.

Синтетическая теория эволюции более доказательна, опирается на широ-

кое применение экспериментальных методов, на воспроизводимые опыты.

Она продолжает развиваться, совершенствуясь в процессе практического

применения для выработки обоснованных способов управления

эволюционным процессом с учетом многообразных экологических проблем

современности.

13.4. Многообразие живых организмов — основа организации

и устойчивости биосферы

В буквальном переводе термин "биосфера" обозначает сферу жизни, и в

таком смысле он впервые был введён в науку в 1875 г. австрийским геологом

и палеонтологом Э. Зюссом. Однако задолго до этого под другими

названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая

229

оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими другими

естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только

совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда

и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими

процессами, но при этом обращалось внимание на зависимость живой

природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого

термина "биосфера" в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя 30

лет после введения термина, не замечал обратного воздействия биосферы и

определял её как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и

во времени и обитающую на поверхности Земли".

Первым из биологов, который указал на огромную роль живых

организмов в образовании земной коры, был Ж.-Б. Ламарк. Он подчёркивал,

что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие

его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Под биосферой понимается совокупность всех живых организмов вместе

со средой их обитания, в которую входят: вода, нижняя часть атмосферы и

верхняя часть земной коры, населенная микроорганизмами.

Два главных компонента биосферы — живые организмы и среда их

обитания — непрерывно взаимодействуют между собой и находятся в

тесном, органическом единстве, образуя целостную динамическую систему.

Биосфера как глобальная суперсистема в свою очередь состоит из ряда

подсистем.

Отдельные живые организмы не существуют изолированно. В процессе

своей жизнедеятельности они соединяются в различные системы

(сообщества), например, в популяции. В ходе эволюции образуется другой,

качественно новый уровень живых систем, так называемые биоценозы —

совокупность растений, животных и микроорганизмов в локальной среде

обитания.

Эволюция жизни постепенно приводит к росту и углублению

дифференциации внутри биосферы. В совокупности с окружающей средой

обитания, обмениваясь с ней веществом и энергией, биоценозы образуют

новые системы — биогеоценозы (термин введен академиком В. Н.

Сукачевым в 1940 г.) или, как их еще называют, экосистемы (термин

английского ботаника А. Тенсли, 1935 г.). Они могут быть разного масштаба:

море, озеро, лес, роща и т.д.

Одним из первых в науке комплексное учение о биосфере стал

разрабатывать выдающийся русский ученый В. И. Вернадский. В отличие от

предшествующих исследователей природы, В. И. Вернадский не ограничивал

понятие биосферы только "живым веществом", под которым он понимал

совокупность всех живых организмов планеты. В биосферу он включал и все

продукты жизнедеятельности, выработанные за время существования жизни

[7].

Согласно представлениям Вернадского, живые организмы без пропусков

заполняют всю поверхность планеты. Размножением, питанием и дыханием