Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
1 монета
doc

Лекции по Концепциям современного естествознания (Горбачёв В. В.)

Отличительные свойства живой материи. Биология как наука о живом. Концептуальные уровни биологии

Предбиологические структуры, представляющие собой гигантские органические молекулы, - предел химической эволюции вещества. Следующий принципиально иной уровень сложности в организации материи по сравнению с атомарно-молекулярным – живая материя. Живая природа (коротко - жизнь) является предметом изучения биологии. Живая природа отличается от других форм организации материи по ряду признаков:

• Любой живой организм, начиная с бактерии, состоит из большого числа атомов – макроскопичность. Иначе упорядоченность, необходимая для жизни, разрушилась бы флуктуациями.

• Организм содержит одновременно объект совокупность множества взаимодействующих элементов, обеспечивающие разнообразные биохимические процессы – гетерогенность;

• Все живые организмы имеют сходный химический состав (97% состава определяются шестью элементами: кислород, углерод, водород, азот, сера, фосфор);

• Живые системы существуют конечное время. Свойство самовоспроизведения сохраняет биологический вид. С другой стороны, конечность жизни живых систем создает условия для их эволюции (сменяемости и совершенствования);

• Свойство всего живого – раздражимость, которая проявляется в виде реакции на воздействие извне;

• Живая система обладает дискретностью, т.е. состоит из отдельных элементов, взаимодействующих между собой. Система обладает свойствами, отсутствующими у ее элементов. В то же время живой системе присуще свойство целостности – все ее элементы функционируют только благодаря функционированию всей системы в целом.

Согласно определению живого, данному академиком М.В.Волькенштейном

жизнь есть свойство существования макроскопических гетерогенных открытых сильно неравновесных систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению.

Биологию можно определить как науку о живом, о строении живой материи и процессах с ее участием, о формах и развитии живого, распространенности живых организмов и их природных сообществ, взаимосвязях живой и неживой природы.

Три концептуальных уровня биологического знания:

Описательно-натуралистическая (традиционная) биология имеет долгую историю. Ее метод – тщательное наблюдение и описание явлений природы, а главная задача – их классификация (биологическая систематика).

Физико-химическая биология (экспериментальная) исследует молекулярный уровень живого с использованием методов рентгено-структурного анализа, электронной спектроскопии и др. Имеет большое прикладное значение как основы многих новейших направлений медицины.

Эволюционная биология имеет задачей последовательное развитие представлений об увеличении многообразия и сложности живого, включая изучение механизмов эволюции и научное решение проблемы происхождения жизни.

Концепция структурных уровней живой материи

Жизни как природному явлению присуща своя иерархия уровней организации. Концепция структурных уровней живого включает представления о соподчиненности структурных уровней, системности и органической целостности живых организмов.

Молекулярно-генетический уровень – на нем совершается скачок от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого. Биохимической основой этого уровня являются белки.

Белки- органические соединения входящие в состав всех живых организмов. Белки являются биополимерными макромолекулами, т.к. состоят из большого числа повторяющихся и сходных по составу низкомолекулярных соединений (мономеров). В состав белка входит 20 аминокислот (мономеров), различные сочетания и перестановки которых обеспечивают множество вариантов.

Характерным свойством аминокислот, содержащихся в живых системах, является то, что они способны поворачивать влево плоскость поляризации светового луча. Это означает, что свойством живой материи является ее молекулярная асимметрия (молекулярная хиральность).

Первоначально казалось, что фундаментальную основу жизни составляют именно белковые молекулы. Дальнейшие исследования позволили выявить то специфическое, что на молекулярном уровне отличает живое от неживого. Наиболее важным было выделение из ядра клетки веществ, обладающих свойствами кислот, и названными нуклеиновыми кислотами. Один тип этих кислот получил широко используемой сокращение РНК (рибонуклеиновая кислота), с другой – ДНК (дизоксирибонуклеиновая кислота). Способность клеток поддерживать высокую организацию зависит от т.н. генетической информации, которая сохраняется в ДНК. ДНК обладает способностью сохранять и передавать наследственную информацию организмов. ДНК состоит из двух мономерных цепей, закрученных одна вокруг другой. Генетическая информация записана в цепи ДНК в виде последовательности нуклеотидных остатков, содержащих одно из четырех нуклеотидных оснований: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т). Информационное содержание обеих цепей ДНК идентично, т.к. каждая из них содержит последовательность нуклеотидов, строго соответствующую последовательности другой цепи (цепи комплиментарны). Это соответствие достигается благодаря наличию водородных связей между направленными навстречу друг другу основаниями двух цепей – G и С или А и Т. Удвоение (репликация) ДНК происходит вследствие того, что цепи расходятся, а потом каждая цепь служит основой, на которой собирается комплиментарная ей новая цепь ДНК. В результате образуются две дочерние двуспиральные, не отличимые по строению от родительской ДНК молекулы.

ДНК, находящиеся в клетке, составляют основу хромосомы. В хромосомах находятся гены – участки молекулы ДНК, содержащие информацию об одном из набора белков организма.

Клеточный уровень. Любой организм состоит из клеток (в простейшем случае – из одной клетки). Клетка является мельчайшей элементарной живой системой и служит первоосновой строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов. Клетки обладают разнообразием форм, размеров, функций. Существуют клетки, не содержащие ядра (прокариоты), которые исторически являются предшественниками клеток, имеющих ядра (эукариотов). К миру живого относятся также вирусы – мельчайшие неклеточные организмы, размером от 20 до 300 нм (примерно в 50 раз мельче бактерий), которые находятся на границе между живой и неживой материей. Не имея клеточной структуры, они способны ее воспроизводить, внедряясь в среду чужих клеток.

Клетки существуют как самостоятельные организмы (например, простейшие, бактерии) и в составе многоклеточных организмов, в которых имеются клетки, различные по строению и функциям. Размеры клеток варьируются в пределах от 0.1 мкм до 155 мм (яйцо страуса). Живой организм может содержать миллиарды разнообразных клеток.

В каждой клетке различают две основных части: ядро и цитоплазму. Структурными элементами ядра клетки являются хромосомы, содержащие молекулы ДНК. В хромосомах в линейном порядке расположены гены. Совокупность всех генов организма составляет его генотип.

Тканевый уровень. Совокупность однотипных клеток образуют живую ткань, из которой состоят различные органы живых существ.

Организменный (онтогенетичнеский) уровень. Система совместно функционирующих органов образуют организм. На этом уровне проявляется большое разнообразие живых систем.

Популяционно-видовой уровень образован совокупностью видов и популяций живых систем. Популяция – это совокупность организмов одного вида, обладающих единым генофондом (совокупностью генов), занимающих определенную территорию. Вид состоит обычно из нескольких популяций. На этом уровне реализуется биологический эволюционный процесс.

Биоценотический уровень образован биоценозами – исторически сложившимися устойчивыми сообществами популяций, связанными друг с другом и с окружающей средой обменом веществ.

Биосферный уровень представляет собой совокупность биоценозов, которая образует биосферу Земли.

Отдельные структурные уровни живого являются объектами изучения различных разделов биологии: молекулярный уровень изучается молекулярной биологией и генетикой, клеточный уровень –цитологией, микробиологией, анатомия и физиология изучают жизнь на тканевом и организменном уровнях, зоология и ботаника – на организменном и популяционно-видовом уровнях, экология рассматривает биоценотический и биосферный уровни.

Человек формирует еще один структурный уровень материального мира – социум.

Концепция структурных уровней дает возможность описать живые организмы не только по уровням их сложности и закономерностям функционирования, но и расположить в иерархическом порядке, при котором каждый предыдущий уровень входит в последующий, образуя единое целое живой системы. Тем самым представление уровней организации органично сочетается с целостностью организма. Критерием выделения основных уровней выступают специфичные дискретные структуры и фундаментальные биологические взаимодействия. На каждом уровне выделяют элементарную единицу и элементарные явления.

Элементарная единица - это структура, закономерное изменение которой, приводит к элементарному явлению. Элементарной единицей на молекулярно - генетическом уровне является ген, на клеточном уровне - клетка. На организменном уровне - особь, на популяционном уровне - совокупность особей одного вида - популяция. Совокупность элементарных единиц и явлений на соответствующем уровне отражает содержание эволюционного процесса.

Важным является то, что переход от одного уровня к другому происходит скачкообразно, дискретно в соответствии с основными принципами квантовой механики, и такие переходы в физическом представлении есть неравновесные фазовые переходы, которым в синергетике соответствуют бифуркации. Кстати, и гибель живого организма можно рассматривать как фазовый переход «жизнь - не жизнь».

С гармонией развития организма как целого, так и его частей, хорошо согласуется известный нам универсальный для всего современного естествознания принцип дополнительности Бора. Согласно этому принципу, можно высказать и парадоксальную мысль: познание жизни и сама жизнь несовместимы!

Относительно живого организма как целостной системы Энгельгардт В.А. выделял три признака, характеризующих взаимоотношения между целым и частями.

• возникновение в системе взаимодействующих связей между целым и частями.

• утрата некоторых свойств частей при вхождении их в состав целого.

• появление у возникающего целого новых свойств, определяемых как свойствами основных частей, так и возникновением новых связей между частями.

Представления о целом и части, используемые не только в системном анализе, но и в философии, полезны в применении их в физике живого, поскольку живым организмам присущи гармоническая иерархичность и целевая функция. Действительно, рассматривая любые явления и свойства живой и неживой природы, мы обязательно сталкиваемся с проблемой целого и части – все наблюдаемые объекты являются частями более общего понятия целого и, в свою очередь, состоят из каких-то частей. Эти представления применимы к эволюции любой сложной неравновесной системы с нелинейной динамикой ее развития в процессах самоорганизации.

Сейчас уже является общепринятым положением, что живые организмы являются открытыми неравновесными системами и, естественно, поэтому хочется применить те же физические законы, которые используются для объяснения и даже управления физико-химическими процессами в объектах неживой природы.

Термодинамика и энергетика живых существ.

Живая система, как и любая иная природная система, подчиняется законам термодинамики. Ее элементы постоянно разрушаются и образуются вновь. Этот процесс называется биологическим обновлением. Для его обеспечения необходим постоянный приток вещества и энергии извне, а также вывод во внешнюю среду части продуктов биохимических процессов, включая тепло. Таким образом, любые живые организмы являются открытыми неравновесными термодинамическими системами. Если условия существования системы неизменны, т.е. потоки вещества и энергии остаются постоянными, то неравновесное состояние является стационарным. Для живых систем это означает следующее:

• В течение времени жизни системы ее элементы подвергаются распаду, обусловленному увеличением энтропии;

• Для компенсации неупорядоченности, возникающей в результате распада, в системе совершается работа по синтезу новых элементов взамен распавшихся; эта работа приводит к уменьшению энтропии (негоэнтропии) в живой системе, но одновременно повышает энтропию в окружающей среде.

Таким образом, для возникновения и существования живого организма необходимы источники, снабжающие его веществом и энергией, обладающие высокой негоэнтропией. Этими источниками являются органические вещества с запасенной в них химической энергией.

Круговорот веществ. Пищевые цепочки.

Часть организмов синтезируют органические вещества из неорганических веществ (например, углекислого газа и воды) под действием солнечного света (фотосинтез) или в процессе окисления (хемосинтез, характерный для некоторых бактерий). Такие организмы называются автотрофами. Большинство автотрофов – зеленые растения, осуществляющих фотосинтез. При фотосинтезе энергия ЭМ излучения аккумулируется в виде энергий химических связей органических соединений.

СО2 +Н2О (+hν)  углеводород + О2

Другая часть организмов (например, все животные и человек) называются гетеротрофами и потребляют энергию из готовых органических веществ, синтезированных автотрофами. Извлечение энергии из питательных веществ происходит при их расщеплении (катаболизме). Освободившаяся энергия расходуется на синтез необходимых веществ (анаболизм) при использовании кислорода (дыхании)

углеводород + О2  СО2 +Н2О + энергия

Регулирование притока кислорода при дыхании позволяет регулировать процесс выделения энергии и запасать ее часть для использования в определенной ситуации в нужном месте организма. Хранение энергии производится в виде химических связей промежуточных соединений аденозинтрифосфатов (АТФ) и затрачивается по мере необходимости на процессы синтеза в клатках, перенос веществ в организме, механическое движение, выделение тепла и др.

Между автотрофами и гетеротрофами существует пищевая (трофическая) связь. Живые системы образуют пищевые цепочки:

энергия солнечного ЭМ излучения  растения, осуществляющие фотосинтез  травоядные  хищники  … микробы, перерабатывающие вещество отмерших организмов в неорганическое вещество. Впоследствии молекулы этих веществ могут участвовать в образовании живых существ. Таким образом, в биосфере сформирован глобальный круговорот веществ, который обусловлен т.н. геохимическими циклами.

Сохранение энергии и изменение энтропии.

Питательные органические вещества, поглощаемые гетеротрофами, обладают большей упорядоченностью (негэнтропией), чем выделяемые продукты обмена, т.е. гетеротрофы переносят упорядоченность из внешней среды в самих себя. Для автотрофом эта же цель достигается за счет выполнения работы и высокой негэнтропии поглощаемого ЭМ излучения Солнца.

Таким образом, назначение обмена веществ живой системы с внешней средой (метаболизма) состоит в поддержании определенного уровня организации этой системы и ее частей. Метаболизм необходим для противодействия увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой системе. Он состоит в отборе извне химических веществ и энергии для синтеза необходимых организму веществ, а также вывод из живой системы всего, что не может быть использовано.

С точки зрения глобального энергетического баланса источником энергетического потока, проходящего через все пищевые цепочки, служит солнечное ЭМ излучение, а финалом - выделение тепла при переработке бактериями органических останков. Высвободившаяся в биосфере энергия возвращается в мировое пространство главным образом в виде ЭМ волн инфракрасного диапазона (теплового). Принципиально важно, что энтропия поступающего на Землю коротковолнового ЭМ солнечного излучения меньше, чем излучаемого землей инфракрасного излучения. За счет этой отрицательной разности энтропий поддерживается упорядоченность в биосфере Земли.

Объекты живой природы являются открытыми системами. Обмен живых организмов веществом и энергией с окружающей средой способствует росту свободной энергии и отрицательной энтропии в них, т.е. оттоку энтропии из организма, и тем самым поддерживается их неравновесное состояние. Для сохранения стационарного неустойчивого состояния живой организм непрерывно потребляет энергию извне. Такая ситуация полностью аналогична поведению диссипативной структуры.

В 1935 г. Э. Бауэр предложил механизм биологической эволюции, основанной на представлении, что живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет свободной энергии постоянную работу против равновесия, т.е. по существу до появления синергетики он рассматривал живой организм как открытую неравновесную систему. Неравновесное состояние живой материи и ее сохраняющаяся работоспособность обеспечиваются ее молекулярной структурой, причем эта работоспособность обусловлена свободной энергией, присущей данной молекулярной структуре. Бауэр ввел для живого организма понятие устойчивого термодинамического неравновесия, которое проявляется при наличии трех условий:

• само наличие свободной энергии, проявляющееся без всякого внешнего воздействия, т.е. свойства спонтанной деятельности организма.

• реакция на внешние воздействия, выравнивающая градиент энергии и восстанавливающая его первоначальное значение (в биологическом понимании это свойства раздражимости и возбудимости).

• накопление свободной энергии путем работы против факторов, ведущих к равновесию, что в биологии означает свойства целесообразного поведения и приспособительной деятельности.

А что означает с точки зрения физики целесообразное поведение системы? Ответ на этот вопрос, как и на многие другие вопросы современного естествознания, пока не является однозначным. С одной стороны, это выполнение этой системой основных физических законов и, прежде всего, законов сохранения, поддержание состояния устойчивости и стабильности системы. Для человека с общебиологической точки зрения - это устойчивое стабильное состояние существование его как вида, т.е. сохранение человеческой жизни на Земле.

Энтропия, связанная с равномерным распределением вероятности состояний, максимальна в хаосе, и, следовательно, хаос не предполагает развития системы, т.е. ее эволюции (не забываем, правда, из синергетики следует, что в диссипативных системах из хаоса может возникнуть порядок). А как отмечал Ф. Ауэрбах, принцип изменения - это принцип поведения энтропии: «Принцип сохранения энергии имеет то единственное значение, что ничто не может совершаться вопреки его требованиям, но это не значит, что что-нибудь действительно истекает из него, по его инициативе. Он является надсмотрщиком, но не предпринимателем. Он имеет распределительный, но не производственный характер». Из первого закона термодинамики следует, что развитие, эволюция подчиняется закону сохранения и превращения энергии в том смысле, что энергия переходит в процессах жизнедеятельности из одной формы в другую. С другой стороны, изменение энтропии по Ауэрбаху приводит к развитию, т.е. в конечном счете к возникновению жизни. С точки зрения физики, жизнь - это есть борьба живого с энтропией. Конечно, надо осторожно относиться к прямому применению понятий термодинамики к развитию живой природы. Тем не менее - это разумный и следующий шаг по отношению к описательному биологическому пониманию эволюции.

Без развития система перестает существовать. Развитие сложных систем, происходит через неустойчивости, которые могут быть и стационарными, устойчивыми («устойчивое неравновесие» по Бауэру). Налицо философский постулат единства и борьбы противоположностей. В этом смысле устойчивость живой системы и состоит в ее развитии, но это развитие определяется возникающими неустойчивостями. Заметим, что вдали от равновесия вещество становится более активным.

Биологическая эволюция.

Сущность процесса биологической эволюции проявляется в непрерывном приспособлении биологических видов к разнообразным и постоянно меняющимся условиям окружающей среды и в появлении все более сложных организмов. Биологическая эволюция направлена от простых организмов к сложным.

• Из множества явлений живой природы Дарвин сумел выделить три принципиальных фактора эволюционного развития живого: изменчивость - неотъемлемое свойство живых организмов, в природе нет двух тождественных организмов;

• Наследственность - некоторые изменения наследуются потомством;

• Естественный отбор – отбор признаков, способных приспособлению вида к изменяющимся условиям существования.

Естественный отбор считается основным фактором эволюции. Обычно рождается значительно больше организмов, чем доживает до размножения. Выживают и дают большое потомство те особи, которые обладают более благоприятными для борьбы за существование сочетанием унаследованных индивидуальных качеств.

Биологические законы эволюции Дарвина также могут быть наполнены физическим смыслом. Изменчивость (физически - стохастичность) создает поле возможностей, путей развития той или иной системы, наследственность ограничивает это поле, а отбор реализующейся формы развития определяется некоторыми правилами или принципами. Принципы отбора - это те законы (физики, биологии, общественного развития), которые из допустимых движений развития с некоторой вероятностью отбирают при самоорганизации системы те, которые мы наблюдаем в реальности.

В классической динамике реальные движения отбираются из множества виртуальных с помощью известных нам законов Ньютона, которые и являются простейшими принципами отбора для механики Ньютона - Галилея. К этим же правилам отбора относятся и те следствия человеческого опыта и поведения, на которые человек неосознанно опирается в своей практической деятельности, принимая то или иное решение.

Классическое эволюционное учение было дополнено и обосновано с молекулярно-генетической точки зрения, результатом явилась современная синтетическая теория эволюции. В молекулярной биологии изменчивость проявляется на генетическом уровне в виде т.н. мутаций. Мутации происходят случайным образом под воздействием внутренних и внешних факторов. Мутационный процесс обуславливает разнообразие особей в популяции. Направление эволюции определяется естественным отбором.

В СТЭ элементарной единицей эволюции является популяция. На популяционно-видовом уровне происходит микроэволюция. Микроэволюционные изменения доступны наблюдению. Макроэволюция происходит на надвидовом уровне и отражает самые общие закономерности развития живого. Наблюдать макроэволюционные изменения гораздо сложнее, однако успехи молекулярной биологии позволяют непосредственно изучать результаты макроэволюции путем исследований макромолекул, изъятых из ныне живущих и ископаемых форм.

Важными факторами микроэволюции являются:

Популяционные волны, представляющие собой колебания численности популяций под воздействием множества меняющихся условий (изменения климата, урожайности кормов и др.);

Изоляция усиливает генетические различия изолированных популяций; единый генофонд разрывается на несколько изолированных, что может привести к образованию новых видов.

Образование новых видов происходит двумя путями:

• Разделение исходного вида на два и более новых;

• Гибридизация, т.е. объединение двух разных наборов генов и образование их гибрида

К закономерностям макроэволюции относятся:

Прогрессивная направленность эволюции в целом выражается в появлении организмов со все более высоким уровнем организации и большей приспосабливаемостью к изменению условий существования. В ходе эволюции образовались организмы разного уровня сложности – от простейших одноклеточных до млекопитающих. Высший уровень сложности связан с появлением человека. Все эти уровни представлены в живом мире и продолжают эволюционировать.

Неравномерность темпов эволюции, определяющаяся сложным сочетанием внутренних факторов и изменяющимися условиями окружающей среды.

Принцип необратимости эволюции. Ископаемые и ныне существующие формы необязательно составляют единую последовательность. Многие виды в процессе эволюции исчезают (т.н. тупиковые ветви эволюции). Исчезнувшие в процессе эволюции виды никогда впоследствии не восстанавливаются в прежней форме. Поэтому важно максимальное сохранение существующих на Земле видов. Их утрата приводит к невосполнимым потерям генофонда, возникшего в ходе длительного эволюционного процесса. Необратимые процессы эволюции живого задают биологическую стрелу времени.

Биологическая эволюция.

Концепция происхождения жизни.

Проблема происхождения жизни является одной из важнейших в естествознании и имеет большое мировоззренческое значение. Исторически сформировалось несколько концепций возникновения жизни:

• Концепция сверхъестественного (божественного) происхождения живого – креационизм – основана на вере и не относится к области науки, ничего не дает в познавательном плане;

• Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества возникла в древности, ее придерживался еще Аристотель. В 17 веке биолог Ф.Реди сформулировал т.н.принцип Реди: живое возникает только из неживого. В 19 веке Луи Пастер окончательно опроверг концепцию самопроизвольного зарождения жизни, показав, что якобы наблюдаемый эффект появления жизни там, где она отсутствовала, связан с жизнедеятельностью бактерий. Он разработал методику избавления от бактерий, которая получила название пастеризации.

• Концепция стационарного состояния предполагает, что Земля и жизнь на ней существовала всегда, причем в неизменном состоянии. Эта концепция противоречит данным, накопленным различными науками (палеонтологией, эмбриологией, селекцией и др.).

• Концепция панспермии связывает появление жизни на Земле с ее занесением из космического пространства. Эта концепция подтверждается обнаружением органических веществ в метеоритном и кометном веществе, она разделяется многими учеными, интерес к ней периодически возрастает.

• Концепция биохимической эволюции является общепринятой в естествознании в настоящее время. Она предполагает, что жизнь зародилась на Земле естественным путем в результате химических, а затем биохимических процессов.

Научная постановка проблемы происхождения жизни принадлежит Ф.Энгельсу, считавшему, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе эволюции материи. Современные представления о происхождении жизни восходят к гипотезам А.И.Опарина в России и Дж.Холдейна в Англии в 1920-х годах.

Земля, образовавшаяся из протопланетного облака 4.5 млрд лет назад, имела температуру в несколько тысяч градусов. По мере остывания сформировалась земная кора и атмосфера, состоящая, в основном, из тяжелых газов (аммиак, двуокись углерода, метан, пары воды). Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, необходимым, т.к. формирование предбиологических соединений лучше происходит в восстановительной среде, чем в окислительной. С изменением температуры и давления конденсация воды привела к возникновению океанов. Осадочные породы, свидетельствующие о появлении крупных водоемов, датируются временем 3.8 млрд лет назад. Опарин полагал, что сложные органические вещества могли синтезироваться из более простых при активационном воздействии мощного солнечного коротковолнового излучения, существовавшего в то время из-за отсутствия защитного слоя, характерного для современной атмосферы. Разнообразия находящихся в древнем океане простых соединений, громадная площадь поверхности, высокие температуры и интенсивности активирующего излучения, а также длительность процессов химической эволюции позволяют предположить, что в приповерхностном слое водной среды синтезировались и накопились органические вещества. Они стали тем «первичным питательным бульоном», в котором могли сформироваться предбиологические структуры – белки и нуклеиновые кислоты. Предположительно они образовались в первый миллиард лет существование Земли, не оставивший следов в ее палеонтологической летописи. Возраст древнейших организмов, следы которых обнаружены в геологических отложениях, оценен в 3.2-3.5 млрд лет. Это минерализованные микроорганизмы, похожие на простейшие бактерии и микроводоросли. Это не относительно сложные и не самые древние формы простейших организмов. Таким образом, остается открытым вопрос о характере предбиологической системы, появившейся в результате химической эволюции в «темный» миллиард лет земной истории.

Существует два основных подхода к решению этого вопроса:

Идея голобиоза, которой придерживался и Опарин, опирается на экспериментально установленную возможность образования коллоидных гелей (студнеобразных смесей) при смешивании белков (коацервация). Согласно гипотезе Опарина, образование поверхностно обособленных гелевых структур непосредственно предшествовало началу биогенеза.

Идея генобиоза утверждает первичность возникновения в результате химической эволюции молекулярной системы со свойствами генетического кода. В рамках этого подхода возник вопрос о первичности одного из двух типов информационных молекул РНК и ДНК и установлена первичность РНК.

Переход от неживого к живому осуществился после того, как на базе предшествующих предбиологических структур возникли и развились зачатки двух основных жизненных систем:

• Система обмена веществ (метаболизм);

• Система воспроизводства живой клетки.

Переход «аминокислоты – живая клетка» до сих пор остается необъяснимым, а разработка целостной модели – комплексной научной задачей. Первоначально допускалась возможность случайной «сборки» молекулы, способной нести и передавать генетическую информацию, в результате многократных актов взаимодействия простых органических веществ. Однако оценки показали, что вероятность подобного события имеет порядок 1/102000 и не может реализоваться за время, отведенное геологической историей. Современная точка зрения на биохимическую эволюцию базируется на идеях самоорганизации в открытых сильнонеравновесных системах.

Итак, при рассмотрении проблемы возникновения жизни естественным путем, т.е. в ходе биохимической эволюции, можно выделить три основных этапа:

• Синтез исходных органических соединений их неорганических веществ в условиях первичной атмосферы и состоянии поверхности ранней Земли;

• Синтез биополимеров из накопившихся органических соединений;

• Самоорганизация сложных органических соединений, возникновение и совершенствование процессов обмена веществ и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.

Не все пока ясно относительно первых двух этапов, а в отношении третьего этапа некоторый прогресс в понимании наметился лишь в последние годы. Пока не удается прояснить конкретные механизмы перехода от неживого к живому. Но можно надеяться, что это произойдет по мере разработки уже выдвинутых гипотез или появления новых идей. Концепция биохимической эволюции совместно с представлениями о возможности и закономерностях самоорганизации в открытых неравновесных системах указывает принципиальный путь решения проблемы происхождения жизни.

Лекция 15.

Молекулярно генетический и клеточный уровень живой материи.

Строение клетки.

Клетка находится в межклеточном веществе, обеспечивающем их механическую прочность, питание и дыхание. Основные части клетки:

• Мембрана

• Цитоплазма

• Ядро. Клетка покрыта мембраной, ограждающей и защищающей внутреннее содержимое клетки. У клеточной мембраны есть поры, обеспечивающие ее избирательную проницаемость.

Цитоплазма – полужидкая слизистая бесцветная масса, содержащая 75-80% воды, 10-12% белков и аминокислот, 4-6% углеводов, 2-3% жиров и липидов, 1% неорганических веществ. В цитоплазме расположены мельчайшие структуры – органоиды. Органоиды обеспечивают жизнедеятельность клетки.

Эндоплазматическая сеть участвует в синтезе органических веществ, накапливает и транспортирует их, регулирует обмен веществ между клеткой и окружающей средой. Гранулы, содержащиеся в ЭПС, представляют собой рибосомы.

Рибосомы состоят из РНК и белка, осуществляют уникальную функцию синтеза белковых молекул из аминокислот.

Комплекс Гольджи участвует в транспорте продуктов биосинтеза, Доставляет белки, выработанные в рибосомах, к другим органоидам, а также к поверхности клетки для их выведения.

Лизосомы содержат набор ферментов, разрушающих белки, углеводы, липиды. К пищевой частице, поступившей в цитоплазму, подходят лизосомы, образуется пищеварительная вакуоль. Вещества, образовавшиеся в результате пищеварения, поступают в цитоплазму и используются клеткой.

В митохондриях происходит извлечение энергии, заключенной в питательных веществах, а также синтез АТФ(аденозинтрифосфорной кислоты).

Клеточный центр состоит из двух палочковидных телец – центриолей, участвует в процессе деления клетки, в образовании веретена деления.

Клеточные включения содержат углеводы, жиры и белки, периодически синтезируются в клетке, накапливаются в виде капель и зерен, используются в процессе обмена веществ.

Ядро - самый большой органоид, открыто в 1831 г. шотландским ученым Робертом Брауном. Ядро играет главную роль в передаче наследственности. Форма и размеры ядра зависят от формы и размера клетки. Большинство клеток содержат одно ядро (существуют клетки безъядерные и многоядерные). Внутреннее содержимое ядра составляет ядерный сок. В ядре всегда присутствуют одно или несколько ядрышек, в которых образуются рибосомы. Важнейшей составляющей ядра является хроматин. В ядре расположены нитевидные образования – хромосомы. В ядре клетки тела человека (кроме половых) содержится по 46 хромосом. В соматических клетках все хромосомы представлены парами (диплоидный набор). В половых клетках каждая из хромосом находится в одинарном числе (гаплоидный набор). Хромосомы являются носителями наследственной информации, передающейся от родителей потомству.

Функции клетки

1. Обмен веществ

Обмен веществ выполняет две основные функции - обеспечение клетки строительным материалом и обеспечение клетки энергией. Из веществ, поступающих в клетку, -аминокислот, глюкозы, органических кислот, нуклеотидов, - в клетке непрерывно происходит биосинтез белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот. Из продуктов биосинтеза формируется тело клетки, ее мембрана, органоиды. Реакции биосинтеза особенно активно идут в молодых клетках, но постоянно происходят и в клетках, закончивших рост и развитие, т.к. состав клетки в течение ее жизни постоянно обновляется.

Любое проявление жизнедеятельности (биосинтез, движение, выделение тепла) нуждаются в затрате энергии. В клетке энергия выделяется за счет энергии химических реакций, выделяющейся при расщеплении поступающих в клетку веществ. Из межклеточного вещества клетки постоянно поглощают глюкозу, аминокислоты, кислород, минеральные соли, а выводят углекислый газ, воду, мочевину и т.д.

Пластический и энергетический обмен неразрывно связаны между собой: все реакции пластического обмена нуждаются в затрате энергии, а для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный синтез ферментов. Обмен веществ является основным условием поддержания жизни клетки, источником ее роста, развития и функционирования.

Живые клетки способны реагировать на изменения условий окружающей среды (раздражимость), при этом в клетках меняется скорость биосинтеза и распада веществ, потребление кислорода, температура.

2. Деление клетки.

Наиболее распространенным способом деления соматических клеток является митоз. Во время митоза клетка проходит ряд последовательных фаз, в результате которых каждая дочерняя клетка получает такой же набор хромосом, какой был у материнской клетки.

В период интерфазы число хромосом удваивается. Вдоль каждой хромосомы из имеющихся в клетке химических соединений синтезируется ее точная копия. Удвоенная хромосома состоит из двух половинок – хроматид. Каждая из хроматид содержит одну молекулу ДНК. В период интерфазы также удваиваются все важнейшие структуры клетки. Интерфаза длится в среднем 10-20 часов.

Затем наступает процесс деления клетки – митоз, во время которого клетка проходит четыре фазы:

Профаза – центриоли делятся и расходятся к разным полюсам, от них протягиваются нити, образующие веретено деления. В конце профазы ядерная оболочка распадается.

Метафаза характеризуется наличием хорошо видных хромосом, о в экваториальной плоскости клетки. Каждая хромосома состоит из двух нитей – хроматид, и имеет перетяжку – центромеру, к которой прикрепляются нити веретена делении. После деления центромеры каждая хроматида становится самостоятельной дочерней хромосомой.

В анафазе дочерние хромосомы расходятся к разным полюсам клетки.

В телофазе вокруг хромосом возникает ядерная оболочка, формируется ядрышко.

В процессе деления цитоплазмы все ее органоиды равномерно распределяются между дочерними клетками. Весь процесс митоза продолжается обычно 1-2 часа.

В результате митоза все дочерние клетки содержат одинаковый набор хромосом, т.е. один и тот же генетический материал. Без сохранения генетического материала в бесчисленных клеточных поколениях невозможно было бы функционирование органов и тканей многоклеточного организма, эмбриональное развитие, поддержание структурной целостности тканей при постоянной утрате клеток в процессе их функционирования, восстановление органов и тканей после повреждения.

Хромосомы состоят из двух длинных полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой, образующих молекулу ДНК. Хромосомы делятся на аутосомные – парные хромосомы, одинаковые у мужских и женских особей, обозначаемых порядковыми номерами (у человека 44 аутосомы, 22 пары с номерами с 1 по 22) и половые (ХХ у женщин и ХУ у мужчин). Хромосомы человека содержат приблизительно 3 миллиарда оснований нуклеотидов ДНК.

Ген

Вдоль всей длины молекулы ДНК линейно располагаются гены. Ген – структурная и функциональная единица наследственности, представляющая отрезок молекулы ДНК (от нескольких сотен до миллионов пар нуклеотидов) и контролирующая развитие определенного признака или свойства. Средний размер гена в хромосоме- примерно 50 тыс пар нуклеотидов.

Ген – материальный носитель наследственной информации, передаваемой от родителей потомкам. Аллельной парой генов называются два гена, расположенных в гомологичных хромосомах (парных хромосомах, одинаковых по форме, размерам и набору генов) в строго идентичных участках и влияющих на развитие одного и того же признака.

Механизм передачи наследственной информации изучается генетикой. Истоком генетики являются работы чешского монаха Грегора Иоганна Менделя (1865, доклад в Обществе естествоиспытателей "Опыты над растительными гибридами".). Открытые Менделем законы наследования признаков позволили предположить корпускулярную природу наследственности.

Законы Менделя

1. Закон доминирования признаков : при скрещивании организмов, различающихся по одной паре контрастных признаков, первое поколение единообразно по фенотипу и генотипу. По фенотипу все поколения характеризуются доминантным признаком, по генотипу все поколения гибридно-гетерозиготные.

При скрещивании чистых линий гороха с пурпурными цветками и гороха с белыми цветками Мендель заметил, что взошедшие потомки растений были все с пурпурными цветками, среди них не было ни одного белого. Итак, гибриды первого поколения всегда единообразны по данному признаку и приобретают признак одного из родителей. Этот признак (более сильный, доминантный), всегда подавлял другой (рецессивный).

2. Закон расщепления: при моногибридном скрещивании (скрещивании организмов, различающихся по проявлениям одного изучаемого признака, за которые отвечают аллели одного гена), во втором поколении гибридов наблюдается расщепление в соотношении 3:1 : около 3/4 гибридов второго поколения имеют доминантный признак, около 1/4 - рецессивный.

Скрещивание гетерозиготных особей приводит к образованию потомства, часть которого несет доминантный признак, а часть — рецессивный. Рецессивный признак у гибридов первого поколения не исчезает, а только подавляется и проявляется во втором гибридном поколении. Расщепление - это распределение доминантных и рецессивных признаков среди потомства в определенном числовом соотношении.

3. Закон независимого наследования — каждая пара признаков наследуется независимо от других пар и дает расщепление 3:1 по каждой паре (как и при моногибридном скрещивании). Когда скрещивались растения, отличающиеся по нескольким признакам, в потомстве они комбинировались таким образом, как будто их наследование происходило независимо друг от друга.

Основные положения теории наследственности Менделя в современной интерпретации:

За наследственные признаки отвечают дискретные (отдельные, не смешивающиеся) наследственные факторы (гены);

Каждый диплоидный организм содержит пару аллелей данного гена, отвечающих за данный признак; один из них получен от отца, другой - от матери;

Наследственные факторы передаются потомкам через половые клетки (гаметы), в каждую из них попадает только по одному аллелю из каждой пары.

Термин «ген» введен датским биологом Иогансеном в 1909 г. Американский генетик Т.Х.Морган в 1911 г. начал разрабатывать хромосомную теорию наследственности, в рамках которой было доказано, что гены расположены в хромосомах и что сосредоточенные в одной хромосоме гены передаются от родителей потомкам совместно (группа сцепления). До середины 20 века среди биологов господствовало мнение, что генетический материал в хромосомах представляют белки. Знаменательной вехой явилось экспериментальное доказательство генетической роли ДНК О.Эвели, К.Маклеодом и М Маккарти и раскрытие Дж.Уотсоном и Ф.Криком двухспиральной структуры молекулы ДНК. Химическая структура гена, связанная с линейным расположением нуклеотидов в цепи ДНК, позволяет сохранять закодированную с помощью генетического кода наследственную информацию.

Генетический код – свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. ДНК содержит четыре нуклеотида (Аденин, Гуанин, Цитозин, Тимин), в РНК Тимин заменен Урацилом. Для построения белков в природе используются 20 различных аминокислот, набор аминокислот универсален для всех живых организмов. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определенной последовательности. Эта последовательность определяет строение белка и его биологические свойства. Генетический код устанавливает соответствие между последовательностью нуклеотидов в ДНК и последовательностью аминокислот в белке.

Расшифровка структуры генетического кода (1961 г., Ф.Крик с сотрудниками) показала его

Триплетность (каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью из трех нуклеотидов – кодоном);

Однозначность (каждый кодон кодирует единственную аминокислоту);

Универсальность (код един для всех живых организмов планеты, т.е. одни и те же кодоны кодируют одни и те же 20 аминокислот всех живых организмов).

Генетический код был расшифрован вскоре после открытия двуспиральной структуры ДНК в 60 гг. 20 века. Генетический код состоит из 64 возможных кодонов, из них 61 – смысловой, соответствующий 20 аминокислотам, а 3 – стоп-коды, указывающие на окончание синтеза (УАА, УАГ, УГА). Отдельные аминокислоты кодируются группами (сериями) кодонов. 18 серий из 20 содержат от 2 до 6 кодонов, две серии не вырождены.

Расшифровка генетического кода – одно из самых выдающихся открытий ХХ века. В настоящее время исследуются молекулярные механизмы кодирования, пути возникновения и эволюции генетического кода, его универсальность, помехоустойчивость, симметрия и регулярность, и т.д.

Реализация генетического кода в организме

Генетическая информация определяет строение, рост, развитие, обмен веществ, психический склад, предрасположенность к наследственным заболеваниям. Генетическая информация заложена в наследственных структурах в виде генетического кода. Сохранение видовых признаков обеспечивается системой воспроизводства организма, которая в закодированном виде содержит полную информацию для построения белка из запасенного клеткой органического материала. Свои функции система воспроизводства осуществляет посредством ДНК И РНК. ДНК хранит генетическую информацию, заложенную вдоль цепи ДНК. РНК 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 (удвоение молекул ДНК, необходимое для последующего деления клетки);

Транскрипции (перенос кода ДНК путем образования одноцепочечной информационной молекулы РНК на одной из двух нитей ДНК);

Трансляции (синтез белка на основе генетического кода информационной РНК).

Таким образом, главное в механизме самовоспроизводства – свойство ДНК самокопироваться и строго равноценное деление репродуцированных хромосом. После этого клетка может делиться на две идентичные.

Совокупность всех генов организма образуют его геном. Понятие генома, в отличии от генотипа, является генетической характеристикой вида в целом (генотип – совокупность генов данного организма, характеризует особь). По оценкам геном человека содержится примерно 22000 генов, кодирующих белок (первоначальная оценка была - около 100 тыс генов). Число генов у человека ненамного превосходит число генов у более простых организмов, например, у дрозофилы. Гены неравномерно распределены по хромосомам. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими «избыточными» последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и РНК. В настоящий момент значимость такого распределения генов не вполне изучена.

С 1990 г. интенсивно разрабатывается международная генетическая программа «Геном человека». Ее основными задачами являются идентификация генов человека и выяснение первичной нуклеотидной последовательности (секвенирование) человеческого генома. Основная часть программы – секвенирование - уже завершена, что само по себе не обеспечивает понимания функциональной значимости исследуемых последовательностей, а является предпосылкой для дальнейшего изучения. Расшифрована полная генетическая структура нуклеотидных последовательностей 2, 7, 19 и 22 хромосом и митохондрального генома человека, большого количества генов, контролирующих наследственные болезни.

Мутация генов.

Гены характеризуются относительной устойчивостью, что определяет признаков и свойств из поколения в поколение, без чего не было бы устойчивых форм жизни. Однако в естественных условиях происходит спонтанный процесс изменения генов – мутация – приводящий к появлению новых измененных признаков. Группа мутантных аллелей одного гена составляет серию множественных аллелей (пример: 3 аллеля группы крови у человека АВО, 1(О-О), 2(А-О, В-О, А-А), 3(В-В), 4 (А-В), более 10 аллелей, контролирующих окраску глаз у дрозофилы – абрикосовый, коралловый, цвета слоновой кости, вишневый, темно-красный и др.).

В конце 1920-х годов советские генетики А.С.Серебровский и Н.П.Дубинин экспериментально показали, что ген не является единицей мутации, а состоит из нескольких субъединиц, способных мутировать. Весь ген (базиген) может состоять из отдельных центров (трансгенов), каждый из которых несет сходную функцию. Мутация может нарушить деятельность одного из трансгенов, не затрагивая других. Идея о сложном строении гена была подтверждена экспериментами по внутригенному кроссинговеру. Модель двойной спирали ДНК позволила объяснить на молекулярном уровне механизм возникновения мутаций:

• Замена основания в одном кодоне приводит к изменению одной аминокислоты в белке;

• Вставка или выпадения одного основания в цепи ДНК приводит к изменению всех последующих кодонов и нарушению синтеза белка.

Последствия такой мутации могут быть губительными для клетки и организма в целом. На основе подобного анализа выяснена природа многих сотен молекулярных болезней (одних лишь гемаглобинопатий несколько десятков) и разработаны методы перинатальной молекулярно-генетической диагностики.

В настоящее время изучение генетического механизма позволяет влиять на наследственность на молекулярном уровне. Новое направление молекулярной биологии – генная инженерия, разрабатывает методики целенаправленного манипулирования макромолекулами живых систем. С помощью генной инженерии первым был получен инсулин, затем интерферон, затем гормон роста. Бактериальные или дрожжевые клетки, в которые введен ген инсулина человека, нормально функционируют и продуцируют человеческий инсулин. То же самое уже проделано с генами гормона роста, свертываемости крови и др.

Благодаря вмешательству в структуру ДНК были изменены качества десятков пород животных и сортов растений. В частности, был выведен картофель, устойчивый против колорадского жука. Однако, отдаленные последствия употребления в пищу ГМ продуктов остаются неясными. В связи с этим в ряде европейских стран введен запрет на использование ГМ продуктов.

Есть и другие методы практического использования генетики. Так, с помощью генетической экспертизы можно с чрезвычайно высокой точностью устанавливать кровное родство людей. Эти методы применяются в повседневной юридической практике. Пример – идентификация останков царской семьи Романовых.

Генная инженерия является не только одним из самых перспективных направлений прикладной биологии, но и источником совершенно новых этических, моральных и юридических проблем. Одним из ярких и последних примеров подобного рода является т.н. клонирование, т.е. создание генетической копии живых организмов. В связи с намеченными в США на перспективу исследованиями по клонированию человека этот вопрос перерос в острую этическую и правовую проблему, имеющую международный характер. В январе 1998 г. В Париже 19 европейских государств подписали протокол соглашения о запрете клонирования человека. В перечне участников соглашения по разным причинам не оказалось ряда стран с высокоразвитой генетикой, в том числе Великобритании (здесь впервые было практически осуществлено копирование животного, и эта страна не захотела утратить свои приоритетные позиции), а также США, Германии, России.

Эволюция человека.

Одной из основных задач естествознания является вопрос о происхождении и эволюции Homo sapiens (антропогенез), определение его места в животном мире и перспектив развития. В настоящее время на эти вопросы пытаются дать ответ пять основных концепций происхождения человека:

• Креационизм – человек сотворен Богом;

• Эволюционная концепция – человек произошел от общих с обезьянами предков путем биологической эволюции;

• Трудовая концепция – в появлении человека решающую роль сыграл труд;

• Мутационная концепция – приматы превратились в людей вследствие мутаций или природных аномалий;

• Космическая концепция – человек как потомок инопланетян, в силу каких-либо причин попавших на Землю.

С биологической точки зрения эволюции появление вида Homo sapiens -«человека разумного» - является лишь одной из ступеней макроэволюции. Эта ступень является высшей, поскольку этот вид обладает принципиально новым признаком – разумным поведением.

Человека принято считать биосоциальным объектом, т.е. различать в человеке его биологические и социальные компоненты.

До XIX века общепринятой была религиозная точка зрения на происхождение человека. Научные исследование проблемы связано со становлением эволюционной концепции в биологии. В труде «Происхождение человека и половой отбор», опубликованном в 1871 г., на громадном фактическом материале по сравнительной анатомии, зоогеографии, палеонтологии Чарльз Дарвин впервые выдвинул научную гипотезу об эволюционном происхождении человека от обезьяноподобного предка. Дарвин обосновал два положения : о животном происхождении человека и о том, что современные человекообразные обезьяны представляют собой боковые ветви эволюции, а человек ведет свое происхождение от каких-то более ранних вымерших форм.

В гипотезе Дарвина не учитывались особенности разумного поведения человека и социальный аспект антропогенеза. Ф.Энгельс развил трудовую теорию антропогенеза, согласно которой принципиальной являлась роль труда, связанного с использованием орудий труда, а затем и разделение труда, что стало основой первичных форм социального опыта. Формирование социального отношений и биологическая эволюция являлись параллельными и взаимосвязанными процессами у предков человека.

Эволюция гоминид. Ископаемые предки человека

В настоящее время большинство ученых склоняются к тому, что прародиной человека была Восточная Африка, палеогеографическая обстановка которой характеризовалась разломами земной коры, вулканическими извержениями, выходами радиоактивных пород и повышенным радиационным фоном, что могло привести к ускорению темпов эволюции. Теплый, устойчивый влажный климат благоприятствовал развитию животных и растительных видов.

Приведенная картинка дает общее представление о времени существования ископаемых предков человека и их предполагаемых родственных связях. Очень важно иметь в виду, что, скорее всего, известные нам ископаемые гоминиды - лишь малая часть их подлинного разнообразия! Палеонтологическая летопись гоминид крайне неполна. Реально существовало гораздо больше разных гоминид, чем это показано на картинке. Собственно, даже эта относительно "свежая" картинка уже успела заметно устареть. В последние годы открытия новых родов и видов гоминид резко участились.

Долгое время ученые считали, что эволюция человека была более-менее линейной: одна форма сменяла другую, и каждая новая была прогрессивнее, ближе к современномe человеку , чем предыдущая. Сейчас ясно, что все было гораздо сложнее. Эволюционное древо гоминид оказалось весьма разветвленным. Временные интервалы существования многих видов сильно перекрываются. Иногда несколько разных видов гоминид, находящихся на разных "уровнях" близости к человеку , сосуществовали в одном и том же биотопе. Ситуация, когда семейство гоминид представлено одним-единственным видом (как сейчас) - в принципе нетипична. Например, еще в сравнительно недавнем прошлом - всего-навсего 50 тысяч лет назад - на Земле существовало как минимум целых 4 вида гоминид: Homo sapiens, H.neandertalensis, H.erectus и H.floresiensis.

Эволюционные линии, ведущие к человеку и шимпанзе, разделились (по молекулярным данным) примерно 5,5 - 6,5 млн. лет назад (или, возможно, несколько раньше - до 8 млн. лет). "Человеческая" линия, или семейство Hominidae, характеризуется важнейшим общим признаком - бипедализмом (хождением на двух ногах). Понятно, что переход к двуногому хождению был связан с существенными изменениями образа жизни. Поэтому возникновение нового семейства Hominidae - это одновременно и формирование новой адаптивной зоны.

В последние годы в Африке обнаружен целый ряд древних (миоценовых) гоминид, которые жили примерно в то самое время, когда произошло разделение эволюционных линий, ведущих к шимпанзе и человеку. Все эти древнейшие гоминиды уже ходили на двух ногах, однако многие из них обитали не в саванне, а в лесу. Это ставит под вопрос старую теорию о том, что переход к двуногости был связан с выходом наших предков из леса в саванну.

Australopithecus afarensis Вост. Африка, 4-3 млн. лет назад. Этот вид существовал долго и, возможно, дал начало нескольким эволюционным линиям. Найдены остатки более 300 особей (в том числе известная "Люси"). Маленькая мозговая коробка (430 куб. см., ненамного больше, чем у шимпанзе). Но есть и много отличий от обезьян, главное из которых - хождение на двух ногах.

Homo habilis 2.4 - 1.5 млн. лет назад, Вост. Африка. Объем черепа около 670 куб. см. Этот древнейший представитель рода Homo уже изготавливал примитивные каменные орудия (отсюда и название - " человек умелый"). Орудия эти представляют собой грубо обработанную гальку. Habilis имел 1,5 метра в высоту и предположительно весил около 45 килограммов.

Homo ergaster Ранее этих африканских древних людей (живших 1.9 - 1.6 млн. лет назад) объединяли в один вид с азиатскими Homo erectus, но позже большинство ученых стали относить их к особому виду. Объем мозга 880 куб. см.

Переход от древнейших людей (H.habilis/H.rudolfensis) к H.ergaster был важнейшим качественным скачком в эволюции гоминид. Дело тут не только в несколько большем объеме мозга. Возможно, именно H.ergaster является "автором" двух важнейших изобретений: обоюдоострого рубила, по форме напоминающего клык хищного зверя (H.habilis пользовались только оббитой галькой с единственным режущим краем) и использования огня (древнейшие кострища, обнаруженные в Африке, имеют возраст более 1 млн. лет). Впрочем, не исключено, что эти изобретения были сделаны не эргастерами, а их прямыми потомками - ранними представителями H.erectus (см. ниже). Несомненно, впрочем, что при переходе от H.habilis/H.rudolfensis произошло два важных изменения:

1) Резко увеличились размеры тела. Это связывают непосредственно со вторым изменением, а именно:

2) Возросла доля животной пищи в рационе. Традиционно это объясняли тем, что H.ergaster научился более эффективно охотиться на крупную и среднюю дичь. В последнее время, однако, приводятся аргументы в пользу того, что H.ergaster был все-таки падальщиком, и просто научился более эффективно конкурировать с другими падальщиками.

Homo erectus Первая находка этого вида - черепная крышка, обнаруженная на Яве Эженом Дюбуа. Это был первый ископаемый человек , обнаруженный за пределами Европы. Находка была описана под именем Pithecanthropus erectus. Позже на Яве найдено еще около 40 экземпляров этого вида. Похожие остатки (до 300 индивидуумов) были обнаружены в пещере Чжоукоудянь под Пекином. Они были описаны как Sinanthropus pekinensis. В 50-е гг. XX в. Майер предположил, что все эти находки, а также некоторые другие, сделанные в Азии и Европе, относятся к одному и тому же широко распространенному виду (Homo erectus).

У представителей erectus, живших 1,5 миллиона лет назад, объем головного мозга составлял около 900 кубических сантиметров. Более поздние erectus, жившие 700-500 тыс. лет назад, были обладателями головного мозга объемом приблизительно 1100 кубических сантиметров. Предполагают, что H.erectus произошел от африканского H.ergaster примерно 1.6 млн. лет назад и заселил юг Азии, включая острова Индонезии. Раньше считали, что H.erectus вымер ок. 300 000 лет назад, уступив место более прогрессивным популяциям Homo. Однако недавно показано, что отдельные популяции H.erectus просуществовали очень долго и даже были современниками человека разумного (H.sapiens).

H.erectus безусловно уже умел пользоваться огнем (многометровый слой золы в кострище в пещере Чжоукоудянь; кострища возрастом более 1 млн. лет обнаружены в Африке) и пожирал себе подобных (человеческие кости, расщепленные вдоль, чтобы извлечь мозг, и т.п.). Характернейший каменный инструмент H.erectus - обоюдоострое, похожее на зуб рубило, было универсальным орудием, но в первую очередь, вероятно, служило для разделки туш ("ашельская культура").

Homo heidelbergensis К этому виду обычно относят формы, переходные между H.erectus и H.sapiens, жившие примерно от 800 000 до 200 000 лет назад. Нижняя челюсть очень похожа на человеческую, но без подбородочного выступа (обычно это связывают с неразвитостью - или слабой развитостью - речи). После того, как генетический анализ показал, что линии неандертальцев и современных людей разошлись 500-600 тыс. лет назад, "гейдельбергского человека " уже нельзя считать просто "общим предком" тех и других (как это показано на вышеприведенном эволюционном древе). Либо он - предок только неандертальцев, либо в пределах этого вида нужно искать две параллельные, но не скрещивающиеся линии, ведущие к неандертальцам и совр. людям соответственно. Кстати, в том, что гейдельбержец был непосредственным предком неандертальца, сейчас сомнений практически нет. Гейдельбержцы, по-видимому, уже владели метательным оружием. В Германии найдены метательные копья (из стволов молодых елей с заточенным комлем, без наконечников) возрастом около 400 тыс. лет. Центр тяжести у них расположен так же, как у современных метательных копий.

Homo neanderthalensis Неандертальцы населяли Европу и Зап. Азию (от Испании до Узбекистана) в конце плейстоцена (200 000 - 28 000 лет назад). Климат тогда был холоднее, и за время существования неандертальцев несколько раз наступали ледниковые эпохи. Неандертальцы, по всей видимости, НЕ являются прямыми предками совр. людей , они независимо произошли от питекантропов. Сравнение митохондриальных ДНК показало, что линии, ведущие к неандертальцу и современному человеку , разошлись 500-600 тыс. лет назад. Неандертальцы отличаются от совр. человека более низким лбом, выступающим затылком, надбровными дугами. Объем мозга - как у совр. людей или даже больше. Уже умели разводить огонь. Питались почти исключительно мясом (охота), каннибализм был очень распространен. Появились первые мистические/религиозные верования: они уже хоронили своих мертвецов и украшали могилы цветами.

Культура неандертальцев (т.н. "мустьерская", или, что то же самое, среднепалеолитическая культура) - это, прежде всего, обоюдоострые рубила, заточенные более качественно, чем аналогичные орудия H.erectus; а также разнообразные отщепы, использовавшиеся для разделки туш. У неандертальцев имелись также деревянные копья для ближнего боя с каменными наконечниками. В более позднее время, уже во время контактов с сапиенсами (см. ниже) у неандертальцев появляются зачатки искусства (ожерелье из медвежьих когтей, нечто вроде "флейт" - кости с просверленными дырочками, которые, впрочем, могли служить для разведения огня, а не для музыкальных упражнений; см. также внизу - сообщение о недавно найденной неандертальской "скульптуре".

Homo sapiens Объем мозга в среднем 1300 куб. см. Древнейшие находки в Африке - 195 000 лет назад; в Зап. Азии - более 90 000 лет назад. Примерно 60-80 тыс. лет назад началась великая экспансия H.sapiens. Вначале, по-видимому, они двинулись в южную и юго-восточную Азию, где не было неандертальцев, и единственными конкурентами могли быть реликтовые популяции H.erectus (например, на Яве - см. выше) и экзотические эндемичные формы, подобные H.floresiensis. Представители этой "волны" расселения проникли в Австралию (ок. 50 тыс. лет назад), где, по-видимому, вызвали чрезвычайно быстрое опустынивание континента и массовое вымирание крупных животных. Несколько позже (45-40 тыс. лет назад) произошло вторжение сапиенсов в "исконные земли" неандертальцев - Европу. Довольно долго (40-28 тыс. лет назад) сапиенсы и неандертальцы жили на одной территории. Вероятно, неандертальцы были постепенно вытеснены сапиенсами, хотя подробности этой борьбы до сих пор не известны (были ли прямые столкновения или только конкурентное вытеснение за счет более эффективных методов охоты?). У сапиенсов, хлынувших в Европу, в самом начале этой экспансии произошел качественный скачок в культурном развитии. В археологии этот момент соответствует переходу от среднего палеолита (т.н. мустьерская культура, носителями которой были преимущественно неандертальцы) к позднему палеолиту. Европейских сапиенсов возрастом 40 тыс. лет и менее традиционно называют кроманьонцами. У них впервые появилось настоящее искусство (наскальная живопись, см. здесь); резко ускорился технический прогресс; усовершенствовались приемы охоты. Последнее, впрочем, имело и негативный эффект ( возможна роль первобытных охотников в массовом вымирании крупных животных в конце плейстоцена - примерно 10 тыс. лет назад).

Согласно одной из гипотез, расовые различия совр. людей унаследованы от H.erectus; человек современного типа независимо развился в нескольких районах из местных популяций H.erectus. Согласно другой гипотезе, совр. человек появился лишь однажды в каком-то небольшом районе (в Африке), оттуда он расселился по всему Старому Свету, вытеснив (истребив) всех архаичных людей - питекантропов и неандертальцев (см. статью в National Geographic (англ.). Молекулярные данные свидетельствуют в пользу второй гипотезы - единого происхождения H.sapiens примерно 150-200 тысяч лет назад. Все современные люди весьма мало отличаются друг от друга генетически (генетические различия между расами людей в целом меньше, чем между разными особями шимпанзе в одном стаде).

Современно состояние и дальнейшая биологическая эволюция вида Homo sapiens

Вопрос о продолжении биологической эволюции человека в настоящее время остается открытом, т.к. время наблюдения за видом Homo sapiens продолжается несколько веков, что несравнимо с общей длительностью биологической эволюции (порядка миллиона лет). Тем не менее, есть основания полагать, что по мере развития человеческой цивилизации биологическая эволюция постепенно утратила ведущую роль, т.к. ослабевали важнейшие факторы биологической эволюции (естественный отбор). Мощными факторами, сглаживающими действие естественного отбора, стали социальные институты и развитая медицинская помощь. В эволюционном процессе генетическая информация потеряла главенствующую роль, ее функцию стала выполнять социальная информация.

Эволюционный парадокс 1940-е годы, генетик С.Н.Давиденков): если бы человек и дальше эволюционировал как обычный биологический вид, то все решения были бы найдены, но в ходе биологической эволюции человек вышел из-под влияния естественного отбора и остался незавершенным.

• Выживать стали не те, кто крепче физически, а те, кто лучше пользуются приобретенными и все возрастающими знаниями, как добыть пищу, защититься от болезней и т.д.

• Остались неразрешенные противоречия (между размерами головы ребенка и размерами малого таза женщины, что сильно осложняет роды).

• Противоречия между инстинктами и различными типами поведения (человеку может быть плохо и если он ведет себя в соответствии с инстинктами, и если он действует им наперекор.

Необходимо отметить, что эволюция каждого биологического вида имеет финал. Из всех когда-либо существовавших видов 99,999% исчезло. Среднее время существование рода плотоядных – около 10 млн лет, а среднее время существование вида гораздо короче. Существует и космогонический аспект проблемы будущего человечества, связанная с переходам Солнца в стадию красного гиганта примерно в течение 4 млрд лет. В принципе существует и конечная вероятность глобальных катастроф, связанных с космическим окружением Земли и Солнечной системы. Наконец, социальный аспект дальнейшего существования человека как вида связан со способностью человеческой цивилизации противостоять саморазрушительным тенденциям. Социальные факторы способны привести к финалу историю человечества задолго до обострения биологических проблем эволюции, а тем более – до космогонического финала планеты Земля.

Улучшение биологического вида Homo sapiens. Евгеника.

Исчез естественный механизм улучшения генофонда человека. При этом быстро растет число мутагенных факторов. Увеличивается количество людей, страдающих наследственными заболеваниями. Все это может привести к дальнейшему ухудшению генофонда. Для характеристики состояния человека и как биологического вида, и как индивида используется категория здоровья. Здоровье индивида представляет собой степень сохранения и изменения биологических и психологических функций организма. Здоровье популяции есть результат социально-природного процесса развития жизнеспособности, включающий адаптацию в изменяющихся условиях. Одним из важнейших показателей популяционного здоровья является средняя продолжительность жизни.

Наследственное здоровье человека, а также о пути улучшения его наследственных свойств исторически рассматривалось в рамках евгéники (от _el. ευγενες — «хорошего рода», «породистый»). В современной науке многие проблемы евгеники, особенно борьба с наследственными заболеваниями, решаются в рамках генетики (генной инженерии) человека.

Различают позитивную и негативную евгенику. Цель "позитивной евгеники " — содействие воспроизводству людей с признаками, которые рассматриваются, как ценные для общества (отсутствие наследственных заболеваний, хорошее физическое развитие, иногда — высокий интеллект). Цель "негативной евгеники " — прекращение воспроизводства лиц, имеющих наследственные дефекты, либо тех, кого в данном обществе считают физически или умственно неполноценными.

В Спарте неполноценных по тем или иным критериям детей, с отклонениями от норм, принятых в Спарте, бросали в пропасть. Платон писал, что не следует растить детей с дефектами, или рожденных от неполноценных родителей. Неполноценным, а также жертвам собственных пороков должно быть отказано в медицинской помощи, а «моральных выродков» следует казнить. С другой стороны, идеальное общество, по Платону, обязано поощрять временные союзы избранных мужчин и женщин с тем, чтобы они оставляли высококачественное потомство.

Основные принципы евгеники были сформулированы английским психологом Фрэнсисом Гальтоном в конце 1883 года. Он предложил изучать явления, которые могут улучшить наследственные качества будущих поколений (одаренность, умственные способности, здоровье). Первые эскизы теории были представлены им в 1865 году в статье «Наследственный талант и характер» («Hereditary Talent and Character»), более детально разработаны в книге «Наследование таланта» («Hereditary Genius», 1869). Гальтон в 1883 году ввел понятие евгеники для обозначения научной и практической деятельности по охране и улучшению наследственности человека.

Гальтон был расистом и считал африканцев неполноценными. В своей книге «Тропическая Южная Африка» он написал: «Слабые нации мира неизбежно должны уступить дорогу более благородным вариететам человечества….» Он также считал, что бедные и больные не достойны иметь потомство.

В нацистской Германии (1933—1945) проводились евгенические программы в целях предотвращения вырождения немецкого народа, как представителя «арийской расы»:

* Программа эвтаназии Т-4 — уничтожение психических больных, и вообще больных более 5 лет, как нетрудоспособных.

* Уничтожение гомосексуалистов

* Лебенсборн — Зачатие и воспитание в детских домах детей от служащих СС, прошедших расовый отбор, то есть не содержащих «примесей» еврейской и вообще не арийской крови у их предков.

* «Окончательное решение еврейского вопроса» (полное уничтожение)

* План «Ост» — Захват восточных территорий и «сокращение» местного населения, как относящегося к низшей расе.

Использование евгенических идей расистами оттолкнуло многих ученых и задержало развитие евгеники, сделав сам термин непопулярным, однако рассмотрение проблем, сформулированных в рамках евгеники, становится все более актуальным.

В развитых странах на практике растет т. н. генетический груз, как результат сохранения маложизнеспособных особей за счет сокращения числа спонтанных абортов (отсеивающих при естественном процессе беременности часть возникших мутационных нарушений), в том числе путем перевода беременных в режим «на сохранение» (обычно подразумевается сохранение каждой имеющейся беременности).

Второй причиной роста генетического груза является развитие медицины, которое позволяет дойти до репродуктивного возраста лицам, имеющим значительные врожденные генетические аномалии или заболевания. Эти заболевания ранее были препятствием к передаче дефектного генетического материала следующим поколениям. В связи с этими факторами концепция евгеники в отношении человека сегодня более актуальна, нежели 100 лет назад.

Способом сокращения генетического груза является превентивное консультирование родителей в медико-генетических центрах. Евгенические принципы сегодня частично реализуется в рекомендациях по желательной / нежелательной беременности — пока что такие оценки проводятся на основании опроса и/или биотестирования лишь небольшой категории лиц, входящих в т. н. «группу риска». Социальной компенсацией для лиц, не имеющих шансов на рождение собственного здорового потомства, являются методы искусственного оплодотворения, а также институт усыновления.

Возможности современной науки для улучшения человеческого генофонда

В настоящее время бурно развивается новое направление в медицине - генотерапия, в рамках которого, как предполагают, будут найдены методы лечения большинства наследственных болезней. Таким образом, актуальность отсева "дефективных" членов общества (т.е. актуальность "негативной евгеники ") существенно снизится или полностью исчезнет.

Кроме этого, разрабатываются эффективные методы не только исправления, но и научно обоснованного улучшения генома различных организмов. Когда у человечества появится возможность целенаправленного изменения любого отдельно взятого генома, полностью потеряет смысл "позитивная евгеника ".

О потенциальных возможностях этого направления говорят результаты последних опытов по улучшению генома мышей:

* существенное улучшение некоторых видов памяти

* улучшение цветового зрения

* существенное продление периода активной молодости

* усиление регенерации тканей

* увеличение физической силы и выносливости

* снижение риска раковых заболеваний

* снижение риска ожирения

Социально-трудовая сущность человека

Рассмотрение вопросов происхождения человека нельзя свести к действию исключительно биологических факторов эволюции. На определенном этапе в эволюцию предков человека должен был включиться еще и некоторый надбиологический, социокультурный фактор.

Впервые этот фактор был серьезно изучен Ф.Энгельсом в работе «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека». Согласно Энгельсу труд – не только средство преобразования окружающей среды и удовлетворения потребностей человека, но и средство изменения самого человека. Идея о роли труда в происхождении человека не потеряла своего значения и по сей день, все специалисты по палеантропологии признают решающую роль труда в антропосоциогенезе.

Переход от использования найденных природных предметов для обороны и охоты к систематическому изготовлению орудий труда был революционным скачком в развитии человека. Трудовая деятельность стала ведущей стороной в отношении человека и окружающего его мира:

• позволяет выделить объективные свойства предметов и орудий труда;

• результаты и техника труда существуют и развиваются по объективным закономерностям;

• трудовой процесс способствует выработке и накоплению стихийно-эмпирических знаний о мире;

• под влиянием труда постепенно преобразуется психология гоминид – труд требует развития мышления, целеполагания, воображения, чувственного отражения, волевых качеств, т.е. сознания;

• трудовой процесс изначально имеет общественную природу и предполагает определенное разделение труда;

• кроме биологических формируются и социально-культурные потребности;

• труд, общественное производство предполагает постепенное формирование системы социального наследования приобретенных знаний, навыков и опыта.

Генезис человека – это единый процесс морфофизиологического превращения животного в человека (антропогенез) и стадных объединений животных в человеческое общество (социогенез).

Сознание

Становление технологических отношений связано с разделением производственного цикла на ряд операций. Этапы производства даже простого орудия труда разделены во времени, а это выдвигает особые требования к организации производства, к психике, к развитию памяти. Особенно важно, что в процессе производства орудий труда нужно заранее учитывать его специфическое назначение, организовать и координировать с другими свои действия, направленные на достижение цели. В сфере сознания происходит разграничение целеполагания и целереализации. Если однозвенному процессу производства орудий труда соответствует предметное сознание, то многозвенному процессу – образное сознание.

Согласно учению академика Ивана Петровича Павлова (Нобелевская премия 1904 г.) поведение животных и человека связано с двумя типами рефлексов – бесусловных (генетически закрепленных) и условных (приобретенных). Но человеку свойственно еще и сознание – высшая форма отражения мозгом окружающей действительности, связанная со способностью передачи информации другим индивидам в абстрактном обобщенном виде, которая реализуется прежде всего посредством речи. Речь – видовой признак человека, обусловлена особенностями строения его головного мозга.

При рассмотрении процесса возникновения сознания важную роль играет увеличение объема мозга в процессе эволюции. Этот процесс называется «цефализация», и именно он обусловил предпосылки для развития речи, мышления и трудовой деятельности. Развивалась и обогащалась новыми связями прежде всего кора головного мозга, которая у современного человека имеет около 15 миллиардов нервных клеток– нейронов. Простейшей структурной единицей мозга является не индивидуальный нейрон, а их ансамбль, наделенный сложными взаимосвязями. Один ансамбль управляет одной функцией организма. Эволюция мозга шла не только за счет увеличения числа нейронов, но и за счет определенной их упорядоченности и образования мозговых центров, контролирующих сложные поведенческие реакции. Особенности строение мозга передаются генетически, большая часть генов человека отвечает за формирование мозга и поддержание его активности. Кроме того, для человеческого мозга характерна асимметрия полушарий, их функциональная специализация. Левое полушарие обеспечивает такие функции, как двигательное поведение, речь, абстрактное познание мира, а правое – непосредственное восприятие и эмоционально-чувственное познание мира.

Информация, необходимая деятельности мозга, обеспечивается нервной системой, передающей ее от органов чувств к мозгу. У многоклеточных организмов вся внешняя информация воспринимается нервными клетками – рецепторами разных видов (механическими, термическими и др.). Степень чувствительности рецепторов ограничены эволюционным приспособлением к конкретным условиям. Так чувствительность рецепторов зрительного восприятия человека ограничена оптическим диапазоном, органы слуха воспринимают упругие колебания среды в звуковом диапазоне, тепловые рецепторы кожи позволяю различать температуры в диапазоне нескольких десятком градусов. Узость «рабочих» диапазонов рецепторов существенно ограничивает восприятие разнообразия окружающего мира, но достаточна для биологического существования вида. Мощным инструментом в преодолении ограничений – абстрактное мышление.

Высшим продуктом мозга является мышление. Мышлению свойственны такие процессы как абстракция, обобщение, анализ и синтез, постановка определенных задач и нахождение путей их решения, выдвижение гипотез и идей. Способность мышления к опосредованному отражению действительности выражается в способности человека к акту умозаключения, логического вывода, доказательства. Мышление расширяет возможности человека, позволяя с помощью анализа фактов, доступных непосредственному восприятию, познать то, что недоступно органам чувств. Благодаря этой способности Галилей закрутил Землю, Коперник выселил человека из центра Вселенной, Дарвин подорвал веру в божественное происхождение человека.

Коллективность человеческих объединений обусловлена характером передачи опыта. Если в биологическом мире опыт передается через естественный отбор, то накопленный в процессе труда социальный опыт надо передавать каждый раз заново от одной особи к другой, от поколения к поколению. Трудовые навыки не закрепляются генетически, и каждое новое поколение должно усваивать опыт предыдущих поколений, чтобы трудиться эффективно.

Огромную роль в этом процессе сыграло развитие языка, как специфически человеческого канала общения. Биосоциальное общение у антропоидов поддерживалось некоторыми средствами коммуникации – язык жестов, звуковые сигналы, выражающие радость, злобу, возбуждение и т.д. Развитее речи привело к возникновению названий предметов и явлений, что легло в основу успешной предметно-практической деятельности, развития производства и общения. Язык объединял первобытных людей и разделял на «своих» и «чужих». В языковой форме были реализованы первые примитивные формы верований: фетишизм, тотемизм, магия. Язык не только отражал мир, но и творил его.

С точки зрения палеопсихологии качественный перелом, превративший животных в человека , произошел совсем недавно - на уровне ранних кроманьонцев - и был связан именно с появлением речи - второй сигнальной системы. Действительно, с этого времени (~30 тыс. лет назад) наблюдается резкое ускорение технического прогресса, каменные орудия начинают совершенствоваться быстрее, чем строение тела (и мозга), что свидетельствует о появлении какого-то принципиально нового фактора (речь и общество). Формируется коллективное мышление, основанное на речи.

Важнейшей функцией речи (и мышления) является торможение инстинктов. Возможно, именно эта способность сознательного логического мышления тормозить инстинктивные импульсы и стала одним из важнейших приобретений неоантропа, обеспечивших его победу и выход на путь цивилизации. Не возможно построить эффективный социум без подчинение своей воли внешним инструкциям (приказам вождя и т.п.) "Внушаемость", способность подчиняться нуждам коллектива – против "необузданности", невнушаемости – сейчас почти общепризнано, что именно эта разница была ключевой в противостоянии кроманьонцев и неандертальцев. Огромную роль в развитии общества играет механизм проникновения социального в индивидуальную психику через речь. Именно через речь социальная система действует на поведение человека.

Становление социальных отношений способствовало замене зоологического индивидуализма на отношения социальной коллективности. Стаи и стада могут существовать и без коллективистских инстинктов, однако преимущество в ходе эволюции получают сообщества с инстинктами, направленными не только на личную защиту, но и на защиту потомства, на защиту стаи в целом. Естественный отбор повел человечество по пути создания эмоционального комплекса совести.

Если поведение животных жестко связано с окружающим миром и направляется инстинктами, то поведение человека определяется средой менее жестко и является менее зависимым от инстинктов. Эта независимость, с одной стороны, привела к ослаблению физических функций (притупление слуха, обоняния и остроты зрения, уменьшение скорости и физической силы), а с другой стороны создает возможность для появления самостоятельного мышления, чувствования, воли и возникновения совершенно нового явления – памяти и фантазии. Необходимо отметить, что комплекс этических норм, эмоций и инстинктов человека оказался необычайно широким и сложным. Многие противоестественные с точки зрения вульгарного дарвинизма нормы и виды поведения оказались совершенно естественными и наследственно закреплены. Однако нельзя забывать, что все это грозит человеку отдаленной опасностью потери инстинкта и опасностями противоестественной жизни, вызываемой оттеснением инстинктов.

Существенную роль в процессе социализации сыграл переход от эндогамной организации животного стада к брачно-семейным отношениям. Стадо человекообразных обезьян основано на «гаремной организации» и соперничестве самцов за право обладания гарема. Все половые связи ограничиваются стадом, связи с особями других стад практически исключены. В человеческом обществе одним из самых древних запретов, принявших затем форму абсолютного морального запрета (табу) было кровосмешение. Это имело значение для дальнейшей эволюции человека, т.к. потомство близкородственных браков наиболее восприимчиво к мутагенным факторам. Кроме того, зкзогамия (поиск брачного партнера в других общинах) способствовала внутристадному миру, без чего невозможна успешная производственная деятельность.

Одной из наиболее отличительных черт первобытной общины была забота о старых и больных сородичах, что необъяснимо с точки зрения биологической целесообразности. Человеческий род взял на себя и несет все более и более тяжкий груз нетрудоспособных людей. Но, как показывает история, там, где общество становится на путь селекции людей по принципу выживания сильнейшего, рано или поздно наступает деградация. Немалое число великих в раннем детстве были крайне слабыми, болезненными и явно нежизнеспособными. В их числе Ньютон и Кеплер, Руссо и Шиллер, Гюго и Диккенс, Лермонтов и Гоголь, Достоевский и Чехов, Гейне и Шопен. В суровой Спарте тщедушных младенцев сбрасывали со скалы, а в Афинах им сохраняли жизнь. Спарта не дала миру ни одного гения, только полководцев, а Афины прославились именами Сократа и Платона, Гиппократа и Аристотеля. В этом парадокс развития человечества, согласно которому выживают не самые сильные, а самые умные и гуманные.

Особо надо остановиться на отношении первобытного человека к убийству. В антропологии существует представление о человеке как о «сверхубийце», который является единственным представителем животного мира, убивающем себе подобных. В первобытных общинах существовал строжайший запрет на убийство сородича, что вовсе не исключало убийство чужака. Достаточно распространено было людоедство и членовредительство, жестокость и насилие. С другой стороны, во многих культурах Востока был очень рано освящен индуистский принцип «ахинса», т.е. непричинения зла всему живому и абсолютный отказ от убийства. Подобная двойственность в отношении человека к убийству сохранилась и в настоящее время – убийство карается законом и осуждается обществом, но смертная казнь существует во многих странах и поддерживается общественным мнением, а убийство врага во время военных действий считается доблестью.

Биоэтика

Успехи современной биологии и медицины дали специалистам настоящую власть над жизнью и смертью. Новый опят биомедицинских технологий – уничтожение жизни на эмбриональном уровне, трансплантология, эвтаназия – не может быть однозначно оценено как правильное или неправильное на основе традиционных моральных норм. В этих условиях формируется биоэтика – система новых этических стандартов в сфере экспериментальной и теоретической деятельности в области медицины, а также при практическом применении результатов данных исследований.

Сегодня заново решаются многие традиционные для медицинской этики вопросы, в частности вопрос об информировании больного о его болезни и ходе ее лечения. Множество проблем порождает современная реанимационная практика. Возникает принципиально новый морально-этический вопрос: кто должен принимать решение о смерти – сам умирающий, его родственники или врач. В тесной связи с возможностью продления жизни с помощью специальных аппаратов находится эвтаназия – добровольная безболезненная смерть безнадежно больного пациента. Еще одной областью биоэтики является трансплантология. Ведь основным источником человеческих органов, подлежащих трансплантации, являются умирающие пациенты. Таким образом, у современной медицины появилась новая функция – смертообеспечерие, которая у традиционной медицины отсутствовала.

Существует еще одна сложная этическая проблема – определение, кому должен быть пересажен тот или иной орган, при том что законы большинства стран запрещают покупку донорских органов.

По-прежнему обсуждается право женщины на аборт, на ее свободный выбор – сохранять или нет жизнь своего ребенка. С точки зрения традиционной морали – это вытеснение нормы «не убий». Также встает проблема оценки суррогатного материнства – как оценить вынашивание и рождение чужого ребенка за вознаграждение.

В последнее время успехи генной инженерии создали возможность генной модификации и клонирования не только низших, но и высших организмов, включая человека. Это сразу вызвало самое широкое обсуждение не столько технических, сколько моральных проблем этих открытий.

Таким образом новая этика – биоэтика – оперирует понятиями моральности убийства, моральности отключения жизнеподдерживающей аппаратуры, необходимости достойной смерти для смертельно больных людей, возможности использования человеческого биоматериала как для опытов, так и для трансплантологии. Новая этика выходит из подчинения естественным законам природы, что было характерно для традиционной морали, расширяя права человека вопреки природе. Это неизбежно приводит к изменению представлений о добре и зле, которые традиционно являлись регулятором человеческих взаимоотношений. Поэтому важнейшей задачей биоэтики является не оценка конкретных биомедицинских технологий, а формулирование новых правил и норм, охраняющих природу (в том числе и человеческую) от натиска человеческой культуры. Биоэтика должна сформировать новое мировоззрение, основанное на интересах не человека с его крайнем антропоцентризмом, но природы в целом. Для этого человечеству придется решать не только вопросы моральности новых биотехнологий, но и серьезнейшие экологические проблемы, ставящие под угрозу само его существование.

Человек отличается от прочих биологических существ тем, что с одной стороны, биологической, выступает как индивид – представитель вида Homo sapiens, а с другой стороны, социальной, - как личность. Личность – категория духовная, культурная, зависящая от многих факторов. Двуединая природа человека, принципиально выделяющая его из мира животных, позволяет рассматривать человека как особый уровень организации живой материи. Степень проявления той или иной стороны двойственной человеческой природы зависит от жизненных обстоятельств. Главной задачей современного общества является создание таких условий, в которых биологический аспект перестает быть определяющим, а социальный аспект получает наилучшее возможное развитие.

Социальная сущность стала итогом длительного коллективного развития человека, что вызвало развитие определенных способностей, отсутствующих у животных:

• способность к целенаправленным, планомерным действиям;

• способность к творческому отражению действительности (сбор и понятийная обработка наблюдений и знаний);

• способность к речи и письму;

• способность к совместному труду, в том числе при его разделении;

• создание новых социальных форм общения и моральных норм;

• создание искусственной среды на основе расширяющегося познания природы.

ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА

В данной модели стволовые структуры показаны серым цветом, мозжечок отмечен желтым, а кора полушарий большого мозга разделена на доли, которые окрашены в разные цвета. Оранжевым цветом отмечены лобные доли (lobus frontalis), которые отделены центральной бороздой от теменных долей (lobus parietalis, показаны зеленым). Лобные и теменные доли каждого полушария граничат с височными долями (lobus temporalis, отмечены красным), которые отделены от них латеральной бороздой. Синим цветом показаны затылочные доли (lobus occipitalis), которые частично отделяются от теменных долей теменно-затылочной бороздой.

Головной мозг является высшим органом нервной системы. Он управляет функциями организма и регулирует его взаимоотношения с окружающей средой. Головной мозг – симметричная структура, как и большинство других частей тела. При рождении его вес составляет примерно 0,3 кг, тогда как у взрослого он – ок. 1,5 кг. Анатомически головной мозг подразделяют на ствол головного мозга , мозжечок и передний мозг . В переднем мозгу выделяют большие полушария, таламус, гипоталамус и гипофиз (одну из важнейших нейроэндокринных желез). От ствола и спинного мозга отходят нервы, по которым к мозгу стекается информация от внутренних и наружных рецепторов, а в обратном направлении идут сигналы к мышцам и железам. От головного мозга отходят 12 пар черепно-мозговых нервов.

Головной и спинной мозг защищены костными футлярами – черепом и позвоночником. Кровоснабжение головного мозга обеспечивают в первую очередь сонные артерии; у основания мозга они разделяются на крупные ветви, идущие к различным его отделам. Хотя вес мозга составляет всего 2,5% веса тела, к нему постоянно, днем и ночью, поступает 20% циркулирующей в организме крови и соответственно кислорода. Существуют защитные механизмы, способные поддержать мозговой кровоток в случае кровотечения или травмы.

Внутри мозга различают серое вещество, состоящее преимущественно из тел нервных клеток и образующее кору, и белое вещество – нервные волокна, которые формируют проводящие пути (тракты), связывающие между собой различные отделы мозга , а также образуют нервы, выходящие за пределы ЦНС и идущие к различным органам. Клетки ЦНС называются нейронами; их функция – обработка информации. В мозгу человека от 5 до 20 млрд. нейронов.

Большие полушария – самая большая часть мозга , составляющая у взрослых примерно 70% его веса. В норме полушария симметричны. Они соединены между собой массивным пучком аксонов (мозолистым телом), обеспечивающим обмен информацией.

Каждое полушарие состоит из четырех долей: лобной, теменной, височной и затылочной. В коре лобных долей содержатся центры, регулирующие двигательную активность, а также, вероятно, центры планирования и предвидения. В коре теменных долей, расположенных позади лобных, находятся зоны телесных ощущений, в том числе осязания и суставно-мышечного чувства. Сбоку к теменной доле примыкает височная, в которой расположены первичная слуховая кора, а также центры речи и других высших функций. Задние отделы мозга занимает затылочная доля, расположенная над мозжечком; ее кора содержит зоны зрительных ощущений.

Области коры, непосредственно не связанные с регуляцией движений или анализом сенсорной информации, именуются ассоциативной корой. В этих специализированных зонах образуются ассоциативные связи между различными областями и отделами мозга и интегрируется поступающая от них информация. Ассоциативная кора обеспечивает такие сложные функции, как научение, память, речь и мышление.

Подкорковые структуры. Ниже коры залегает ряд важных мозговых структур, или ядер, представляющих собой скопление нейронов. К их числу относятся таламус, базальные ганглии и гипоталамус. Таламус – это основное сенсорное передающее ядро; он получает информацию от органов чувств и, в свою очередь, переадресует ее соответствующим отделам сенсорной коры. В нем имеются также неспецифические зоны, которые связаны практически со всей корой и, вероятно, обеспечивают процессы ее активации и поддержания бодрствования и внимания. Базальные ганглии – это совокупность ядер (т.н. скорлупа, бледный шар и хвостатое ядро), которые участвуют в регуляции координированных движений (запускают и прекращают их).

Гипоталамус – маленькая область в основании мозга , лежащая под таламусом. Богато снабжаемый кровью, гипоталамус – важный центр, контролирующий гомеостатические функции организма. В гипоталамусе регулируются водный обмен, распределения запасаемого жира, температура тела, половое поведение, сон и бодрствование.

Ствол мозга расположен у основания черепа. Он соединяет спинной мозг с передним мозгом . Самая нижняя часть ствола – продолговатый мозг – непосредственно переходит в спинной. В продолговатом мозгу расположены центры, регулирующие деятельность сердца и дыхание в зависимости от внешних обстоятельств, а также контролирующие кровяное давление, перистальтику желудка и кишечника.

Мозжечок расположен под затылочными долями больших полушарий. Мозжечок осуществляет регуляцию тонких автоматических движений, координируя активность различных мышечных групп при выполнении стереотипных поведенческих актов; он также постоянно контролирует положение головы, туловища и конечностей, т.е. участвует в поддержании равновесия. Согласно последним данным, мозжечок играет весьма существенную роль в формировании двигательных навыков, способствуя запоминанию последовательности движений.

Эволюция биосферы

Биосфера – оболочка Земли, структура и энергетика которой определяется совокупной деятельностью живых организмов. Понятие «биосферы как области жизни» восходит к Ламарку. Термин «биосфера» введен австрийским геологом Зюссом (1875 г.) для обозначения оболочки Земли, населенной совокупностью живых организмов. Заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит В.И.Вернадскому.

Биосфера включает нижние слои атмосферы (до озонового слоя, 20-25 км), часть литосферы и всю гидросферу. Нижняя граница биосферы опускается в среднем на 2-3 км под поверхностью суши и на 1-2 км под дно океана. Биосфера состоит из двух взаимодействующих компонент – живых организмов и среды их обитания.

Основные положения теории В.И.Вернадского:

• Принцип целостности биосферы; «Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в механизме биосферы»;

• Принцип гармонии биосферы и ее организованности; в биосфере «все учитывается и все организовывается с той же точностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях светил и начинаем видеть в системах атомов веществ и атомов энергии»;

• Ведущая роль живого в формировании облика Земли как небесного тела;

• Космическая роль биосферы в трансформации энергии; «Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли».

Вернадский выделил семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ:

• живое вещество;

• биогенное вещество (горючие ископаемые, известняки и др., т.е. вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами);

• косное вещество (образуется в процессах, в которых живые организмы не участвуют);

• биокосное вещество (создается одновременно живыми организмами и в ходе процессов неорганической природы, например почвы);

• радиоактивное вещество;

• рассеянные атомы;

• вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).

Центральное место в концепции биосферы занимает живое вещество – совокупность всех живых организмов, в данный момент существующих. Живое вещество связано с окружающей средой обменом веществ - биогенным током атомов. Живое вещество распределено в биосфере крайне неравномерно. Максимум приходится на приповерхностные участки суши (особенно велика масса тропических лесов) и гидросферы (до 200 м глубины). Более 90% всего живого вещества приходится на наземную растительность. Общая масса живого вещества в биосфере оценивается в 1.8-3.5 1018 г (в пересчете на сухое вещество) и составляет лишь незначительную часть биосферы (3 1024 г). Тем не менее, живое вещество считается наиболее мощным геохимическим и энергетическим фактором, ведущей силой планетарного развития.

Элементарными ячейками биосферы служат биогеоцинозы, образованные биоценозами (сообществами животных, растений, микроорганизмов) в совокупности со средой обитания, причем живое вещество служит системообразующим фактором, связывающим биосферу в единое целое. В биогеоценозах происходит непрерывный процесс обмена веществом и энергией, обусловленный питанием, дыханием и размножением организмов и связанными с ними процессами создания, накопления и распада органических веществ. Организмы берут из окружающей среды химические элементы, строящие их тела, и возвращают из после смерти и в процессе жизни в ту же самую среду. Происходит циклическая миграция атомов химических элементов – биогеохимические циклы, в ходе которых атомы большинства химических элементов многократно проходят через живое вещество (весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 200 лет, углекислый газ – за 200-300 лет, вода – за 2 млн лет). Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, S, P, Cr и т.д.), создаются их новые соединения, в том числе почвы и органоминеральное топливо.

Многообразие живых систем – основа организации и устойчивости биосферы, каждый биологический вид выполняет свою функцию в биосферном циркулировании вещества и энергии, в обмене информацией и осуществлении обратных связей. Высокая степень согласованности всех видов жизни в биосфере – результат коэволюции, т.е. единой эволюции взаимодействующих биосистем, и интеграции, т.е. усиления взаимодействия и взаимозависимости живого и неживого. Считается, что за все время существования Земли существовало около 500 млн видов живых организмов (в настоящее время – около 1.2 млн видов животных и 0.5 млн видов растений), минеральных же видов неживой материи, составляющих косное вещество – лишь около 10 тыс видов. Совокупность живых организмов выступает как мощный геологический фактор, играющий существенную роль в жизни планеты и действующий на протяжении длительного времени. Существование жизни на Земле коренным образом изменило облик нашей планеты и его составляющие – ландшафт, климат, состав атмосферы и т.д.

Биосфера, возникнув практически одновременно с Землей, непрерывно эволюционирует, что позволяет определить место биосферы как особого уровня организации живой материи. Эволюция биосферы представляет собой процесс самоорганизации в открытой неравновесной системе планетарного масштаба. Источником упорядоченности в биосфере является отрицательный энтропийный баланс при непрерывном обмене энергией с окружением. Биосфера возникла и развивается за счет негэнтропии солнечного излучения.

Естественные факторы глобальных воздействий на биосферу:

• Малые астрономические факторы (изменение земной орбиты и наклона земной оси) являются источником значительных периодических перестроек в климате планеты, а вместе с тем - и биосферы. Эти глобальные процессы имеют периоды в сотни и десятки тысяч лет.

• Изменение геомагнитного поля Земли, в том числе возмущение в результате вспышек на Солнце (оказывает влияние на самочувствие и здоровье людей);

• Естественные ионизирующие факторы: солнечный ветер. Потоки космических частиц воздействуют на биосферу и на ее биологические компоненты и имеют характерную временную периодичность, называемую космическими циклами. Циклы, связанные с солнечной активностью, длятся примерно 11 лет. Влияние солнечной активности на биосферу Земли носит название солнечно-земных связей (А.Л.Чижевский). Существуют радиоактивные провинции, характеризующиеся повышенным радиационным фоном (торфяники болотистой Хибинской тундры).

• Стихийные бедствия – ураганы, землетрясения, цунами, засухи, снегопады и т.д. Ежегодный ущерб от них оценивается в 30 млрд долларов, ежегодное число человеческих жертв в мире – 250 тыс человек.

Появление человека разумного качественным образом изменило биосферу. Постепенно происходит переход от простого биологического приспособления к целенаправленному изменению окружающей природы. Живое вещество, преобразуя косное, создает биосферу. Аналогично человек, преобразуя биосферу, создает техносферу. Все биоценозы лишь поддерживаю системную целостность путем обмена веществом и энергией, а человек, помимо этих функций, производит овеществление природы, создавая новые искусственные предметы.

Техносфера.

Человек принципиально отличается от других живых существ способностью целенаправленно преобразовывать окружающую среду, создавая, создавая в дополнение к естественной среде обитания (геосфере и биосфере) искусственную среду обитания. Масштабы преобразующей деятельности человека огромны и ее темпы постоянно увеличиваются. В наши дни т.н. техномасса (все, созданное человеком за год) уже на порядок превышает биомассу (вес диких живых организмов). Это тревожный сигнал, требующий повышенного внимания к балансу составляющих системы «природа-биосфера-человек».

Уровень воздействия человека на окружающую среду зависит в первую очередь от технической вооруженности общества. Она была крайне мала на начальных этапах развития человечества, однако с развитием человечества ситуация изменилась кардинальным образом, что поставило перед человечеством целый ряд новых, чрезвычайно острых проблем. Техника все меньше остается вспомогательной силой для человека, все больше проявляется ее автономность. Сейчас мы уже можем говорить о техновеществе как совокупности всех существующих технических устройств и систем (техноцинозов). В состав техновнщества включают:

• Технические устройства, добывающие полезные ископаемые и вырабатывающие энергию;

• Технический блок по переработке полученного сырья и производству средств производства;

• Техника, производящая средства потребления;

• Технические предметы по передаче, использованию и хранению информации;

• Автономные многофункциональные системы (роботы, автономные межпланетные станции и др.);

• Техносистемы по переработке и утилизации отходов.

Таким образом, структура техновещества все больше воспроизводит аналогичную организацию природных живых систем.

По масштабам своего воздействия на планету техновещество в состоянии спорить с живым веществом. В результате преобразований человеком естественной среды обитания можно говорить о реальном существовании нового ее состояния – о техносфере. Техносфера представляет собой совокупность технических устройств и систем вместе с технической деятельностью человека. Техносфера включает в себя техногенное вещество, технические системы, живое вещество, верхнюю часть земной коры, атмосферу, гидросферу, а в последнее время – и околоземный космос.

Роль техносферы в жизни современного общества очень велика, быстро возрастает и по некоторым прогнозам приобретает определяющий характер. Техносфера все больше преобразует природу, изменяя прежние и создавая новые ландшафты, активно влияя на другие сферы и оболочки Земли, причем не всегда это влияние носит положительный характер.

Экологические проблемы человечества.

Технические ландшафты из отходов производства, уничтожение признаков жизни в целых регионах, загнанная в резервации природа - вот реальные плоды отрицательного влияния человека, вооруженного техникой, на окружающую природу.

Природа, несмотря на все ее бесконечное разнообразие, есть единое целое. Поэтому в настоящее время в науке все больше распространяется холистический подход (целостный). В природе невозможно воздействовать на отдельную живую систему, не повлияв одновременно на другие составляющие биосферы. Результаты ответной реакции непредсказуемы, они плохо поддаются прогнозированию:

• человек распахивает землю – смывается плодородный слой почвы;

• вырубаются леса под сельхозугодья – почва лишается влаги и становится бесплодной;

• уничтожаются хищники – снижается сопротивляемость травоядных и ухудшается их генофонд.

Игнорирование человеком диалектического характера природы приводит к отрицательным последствиям как для природы, так и для человека. Ф.Энгельс: «Не будем, однако, слишком обольщаться нашими победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит. Каждая из этих побед имеет, правда, в первую очередь, те последствия, на которые мы рассчитывали, но во вторую и в третью очередь совсем другие, непредвиденные последствия, которые часто уничтожают последствия первых».

Отрицательным как для природы, так и для общества становится бесцеремонное вмешательство человека в окружающую среду в наши дни, т.к. последствия его из-за высокого уровня развития техники зачастую носят глобальный характер и порождают глобальные экологические проблемы.

Термин «экология», впервые употребленный немецким биологом Геккелем в 1886 г., обозначает науку о взаимоотношениях живых организмов с окружающей средой. Однако, говоря сейчас о проблемах экологии, мы фактически имеем в виду науку, изучающую проблемы человеческого общества и окружающей среды.

Первая конференция ООН по проблемам окружающей среды состоялся в 1072 г. и с тех пор термин «экология» прочно вошел в нашу жизнь. Главная задача экологии - исследование закономерностей, связанных и воспроизводством, гибелью и миграцией живых организмов, и выработка методов управления этими процессами в условиях возрастающего влияния человека на окружающую среду. Экология стала теоретической базой охраны природы. Базовой моделью экологии является экосистема – единый природный комплекс, образованный относительно однородными по составу живыми организмам (растительность, животные, микроорганизмы и т.д.) и средой их обитания (почвы, горные породы, водная среда, климат, влажность и т.д.).

Сегодня экологическую ситуацию в мире можно считать критической. Налицо уже не локальные, а глобальные экологические проблемы:

• Уничтожены и продолжают уничтожаться тысячи видов растений и животных;

• В значительной мере истреблен лесной покров;

• Мировой океан загрязняется и перестает быть регулятором природных процессов;

• Атмосфера во многих местах загрязнена до предельно допустимых норм, чистый воздух становится дефицитом;

• На Земле практически не осталось места, где бы не находилось искусственно созданных человеком элементов.

С началом космических полетов проблемы экологии переместились в открытое космическое пространство. Неутилизированные отходы накапливаются в космосе, что становится все более острой проблемой. На Луне американские астронавты обнаружили многочисленные обломки искусственных спутников земли. Не решен вопрос о влиянии космических полетов на появление озоновых дыр в атмосфере Земли.

Катастрофические результаты влияния человека на природу впервые были восприняты через список истребленных человеком видов растений и животных- только за исторически обозримое время более 100 видов крупных млекопитающих и примерно столько же видов птиц. Среди них – дронт (о.Маврикий в Индийском океане), Стеллерова корова (побережье тихого океана) и др. Уже а палеолите древний человек начал оказывать влияние на численность животных. Не без его участия исчезли лесные слоны и носороги, позднее та же участь постигла мамонта, шерстистого носорога, гигантского оленя.

Не менее разрушительной оказалась деятельность человека по отношению к растительности. С давних пор во всех странах мира шла неумеренная вырубка лесов, сначала для развития сельского хозяйства, а потом – ради древесины. За последние 100 лет флора Франции потеряла по крайней мере 20 видов растений. На острове св. Елены поселившиеся в XVI веке европейцы уничтожили покрывающий остров густой лес, и к концу XIX века из местной флоры сохранилось лишь 79 видов, а занесено было культурных и сорных растений – 970 видов.

Существенное значение в нарушении биотических связей водных животных и растений играют гидротехнические сооружения.

Таким образом, антропогенные изменения ведут к обеднению видового состава и упрощению биоценотических связей; упрощение же почти всегда связано со снижением устойчивости систем к внешним воздействиям.

Происходит загрязнение окружающей среды вредными газовыми выбросами, сточными промышленными водами, отходами сельскохозяйственных предприятий, бытовыми отходами. Промышленностью и транспортом выводится в атмосферу много вредных веществ. По прогнозам ученых в 2070 году концентрация атмосферного углекислого газа может повыситься в 2 раза, что приведет к повышению средней температуры нижнего слоя воздуха на 2.5 градуса и глобальному потеплению климата.

Большой вред биосфере приносят разного рода отходы, городской и бытовой мусор. Если его распределить по земной поверхности , то мусор покроет ее в течение 15 лет слоем 5 метров.

Осуществляется также и сознательное загрязнение среды ядохимикатами специально для уничтожения хозяйственно вредных насекомых и сорняков, что явно нарушает равновесие биоценозов. Живое вещество активно приспосабливается к новым условиям существования в присутствии человека. Так, многократно возросла устойчивость и невосприимчивость многих насекомых и грызунов к ядам и пестицидам. Появились мутировавшие виды, приспособленные к техногенной и загрязненной среде обитания.

Антропогенное загрязнение окружающей среды можно сгруппировать по следующим категориям:

инградиентное – внесение химических веществ, которые количественно или качественно чужды естественным биоценозам;

параметрическое – связанное с изменением физических параметров окружающей среды;

биоценотическое – заключается в воздействии на состав и структуру популяции живых организмов, составляющих биоценоз;

стациально-деструктивное – изменение ландшафтов и экологических систем в процессе природопользования.

В последние столетие резко увеличилась и продолжает возрастать численность населения Земли. По отношению к своей популяции человек нарушил важный принцип равновесия «пищевой пирамиды» - в природных системах на высоких звеньях пищевых цепочек не бывает большой биомассы и численности организмов. Это нарушение стало возможным за счет развития сельского хозяйства (и соответствующего увеличения численности отдельных сортов и пород), а также вложению дополнительной энергии (например, при внесении удобрений). Нарушение принципа равновесия неизбежно вызывает изменение в круговороте веществ, накопление отходов и загрязнение окружающей среды.

Кроме того, созданное человеком, как правило, не способствует созданию новых запасов энергии. Бесконечное же потребление полезных ископаемых и живого вещества ставит на грань катастрофы само существование не только разумной жизни, но и жизни как таковой. Современное человечество использует не только энергетические ресурсы биосферы, но и небиосферные источники (атомные). Некоторые антропогенные процессы при этом направлены противоположно по отношению к естественному ходу их в биосфере (например, освобождение законсервированного углерода и его окисление). В конечном итоге это приводит к экологическим кризисам в биосфере.

Антропогенное воздействие на природу – прямое осознанное или косвенное неосознанное воздействие человека и результатов его деятельности, вызывающее изменение природной среды и естественных ландшафтов:

• Изменение структуры земной поверхности;

• Изменение состава биосферы, круговорота и баланса входящего в нее вещества;

• Изменение энергетического и теплового баланса;

• Изменения, вносимые в биоту.

В современных условиях антропогенное воздействие достигло таких масштабов, что привело к глобальному экологическому кризису, т.е. к такому изменению среды обитания, которое делает проблематичным дальнейшее выживание человека и других биологических видов. В настоящее время глобальный экологический кризис включает четыре основных компонента: кислотные дожди, парниковый эффект, загрязнение планеты токсикантами и так называемые озоновые дыры.

Современный кризис часто называют «кризисом редуцентов», поскольку природные редуценты уже не успевают очищать биосферу от антропогенных отходов или принципиально не способны это сделать в силу чуждого природе характера синтетических отходов. (Существуют три трофических уровня: 1) продуценты — растения; 2) консументы первичные (растительноядные животные) и вторичные (плотоядные); 3) сапротрофы-редуценты, разрушающие органическое вещество). Иначе говоря, биосфера потеряла способность к самовосстановлению. Необходимо отметить, что наблюдается не только усиление действия человека на окружающую среду, но и возрастание ответной реакции – усиление различных природных катастроф, а также усиление коллизий социального характера.

Природные катастрофы и климат

Климат планеты меняется на наших глазах, что подтверждают природные катастрофы, все чаще обрушивающиеся на Землю. Появляются сообщения о небывалых наводнениях, разрушительных циклонах, тайфунах и смерчах. По сравнению с 60-ми годами ХХ века число природных катастроф увеличилось вчетверо, а материальный ущерб, приносимый стихиями, по крайней мере, удесятерился. По расчетам климатологов, средняя температура планеты в конце XXI века поднимется на 3 градуса. За сто лет наблюдений уровень мирового океана поднялся на 20 см, а в последние годы поднимается на 3 см в год. Вода в верхних слоях океана прогрелась на 0.5 градуса.

Ученые считают, что на 95% потепление вызвано деятельностью человека, а не природными процессами. Основные источники парникового эффекта – углекислый газ и метан, выделяющиеся в результате деятельности промышленности. Суть парникового эффекта состоит в следующем: Земля получает энергию от Солнца, в основном, в видимой части спектра, а сама излучает, главным образом, инфракрасные лучи. Однако многие газы (пары Н2О, СО2, СН4), в атмосфере прозрачны для видимого света, но активно поглощают инфракрасные, удерживая тепло в атмосфере. Прогнозы ученых показывают, что при сохранении выбросов на прежнем уровне первым пострадает от большой жары Южное полушарие, африканские пустыни захватят тысячи квадратных километров, возникнут пустыни в Испании, Греции, на Ближнем Востоке, в южных штатах США. На месте вечной мерзлоты в Сибири будет вызревать пшеница, а на берегах Балтийского и Северного морей появятся тропические растения. Однако жителям Севера придется встретиться с новыми для них инфекциями (тропическая малярия, желтая лихорадка). Столкновение населения северных широт с неизвестными болезнями, которые по оценкам могут поражать ежегодно до 80 млн человек – одна из серьезнейших проблем климатических перемен.

Перемены климата ударят как по Югу, так и по Северу. Потепление на 10 градусов вызовет таяние полярных людов и подъем уровня мирового океана на 5-6- метров, что приведет к затоплению многих территорий. Бури еще неведомой силы будут атаковать не только экватор, но и средние широты. Ученые прогнозируют шторма, которые смогут сокрушить небоскребы Нью-Йорка и Токио, и в считанные секунды уничтожат созданное поколениями людей.

Озоновый слой

Озоновый слой является защитным слоем биосферы Земли, т.к. именно озон способен удерживать ультрафиолетовое излучение Солнца. В результате хозяйственной деятельности человека, особенно с поступлением в атмосферу хлорфторуглеродов, использовавшихся в качестве наполнителей аэрозольных упаковок, наблюдается уменьшение озонового слоя («озоновые дыры») над Антарктидой (продвигается в сторону Африки) , а с недавнего времени и в Северном полушарии. В результате многочисленных исследований ученых всего мира (в том числе НАСА и Всемирной метеорологической организации) постепенное разрушение озонового слоя привело к уничтожению планктона в океане. С этим же связывают увеличение в последние годы числа онкологических и глазных заболеваний. Кроме того, прямое попадание ультрафиолетовых лучей на Землю увеличивает темп таяния ледников.

Кислотные дожди

Загрязнение атмосферы большим количеством оксидов серы и азота, образующихся в результате сжигания топлива, может увеличить кислотность осадком до предела, не переносимого живыми организмами. Соединения серы, вступая в реакцию с парами воды, образуют разбавленную серную кислоту, а оксиды азота - разбавленную азотную кислоту. В результате выпадения «кислотных» осадков» из почв выводятся биогенные вещества, повреждаются или даже уничтожаются леса, может нарушиться химический баланс экосистемы. Именно кислотные дожди считают основной причиной сильного закисления прудов и озер (до концентраций, сравнимых с уксусом), приводящего к гибели рыб и многих водных растений.

Загрязнение воды и его последствия

Интенсивное развитие промышленности, транспорта, перенаселение ряда регионов планеты привело к значительному загрязнению гидросферы. По данным Всемирной организации здравоохранения 80% всех инфекционных заболеваний в мире связано с неудовлетворительным качеством питьевой воды. По данным ООН в мире выпускается до 1 млн наименований продукции, из которых 100 тыс являются химическими соединениями, в том числе 15 тыс потенциальных токсикантов. По экспертным оценкам, до 80% всех химических соединений, поступающих во внешнюю среду рано или поздно попадают в водоисточники. Наука пока не в состоянии дать полную картину ущерба, нанесенного воде.

Еще 25 лет назад никто не мог предположить, что мы будем покупать питьевую воду в бутылках. Ситуация с питьевой водой даже в России характеризуется как критическая – это прямая угроза здоровью населения. Во многих водных объектах концентрация загрязняющих веществ превышает ПДК, установленные санитарными и рыбоохранными правилами. Если не будут предприняты экстренные меры и установлена устойчивая мировая практика управления водными ресурсами, кризис с пресной водой неизбежен.

В последнее время возникло новое направление – экология человека, задача которого – исследование адаптивных способностей человека в изменяющейся среде обитания. Опасность заключается в том, что, несмотря на огромные адаптационные возможности человека, они не соответствуют темпам неблагоприятных изменений в среде обитания. Появляются новые болезни: аллергические, лучевые, токсические, происходят генетические изменения в организме. В связи с крайне неблагоприятной экологической ситуацией в крупных промышленных городах во много раз возросло количество заболеваний верхних дыхательных путей. Сверхвысокий ритм жизни и информационные перегрузки приводят к резкому увеличению сердечно-сосудистых, нервно-психических, онкологических заболеваний.

Для человечества сегодня жизненно необходимо изменение отношения к природе и к самому себе. Человечество, несмотря на всю свою нынешнюю мощь и независимость, является составной частью природы., не может существовать и развиваться вне ее. В свою очередь природа вполне может обойтись без человека. Так происходило многие миллиарды лет. Осмысление такой взаимосвязи и зависимости – насущная проблема человечества, имеющая не только утилитарное, но и нравственное, этическое и эстетическое значение.

Учение В.И.Вернадского о биосфере и ноосфере

Огромное влияние человека на природу и масштабные последствия его деятельности послужили основой для создания учения о ноосфере. Современная человеческая цивилизация характеризуется двумя противоположными тенденциями. С одной стороны, непрерывно усиливается техногенное давление на биосферу. С другой стороны, возрастает осознание мировым сообществом ответственности за эволюцию биосферы. Проблема выживания человечества объективно приводит к поиску путей гармонического существования цивилизации и биосферы – коэволюции человека и биосферы.

Осмысление перспектив коэволюции человека и биосферы привело французского палеонтолога и философа Тейяра де Шардена к мысли о возможности появления в будущем некоего коллективного человеческого сознания, способного контролировать направление эволюции. В новом состоянии биосфера переходит в сферу разумного взаимодействия человека со средой – ноосферу (термин другого французского ученого Э.Леруа, предложенный в 1927 г. и означающий «сфера разума). Де Шарден рассматривал ноосферу как некое идеальное образование, внебиосферную оболочку мысли, окружающую Землю.

Один из создателей учения о ноосфере, В.И.Вернадский использовал понятие ноосферы при построении своей концепции совместной эволюции биосферы и человека, предполагающей реконструкцию биосферы в интересах человечества как единого целого. Очень важным в учении В.И.Вернадского о ноосфере было то, что он первым осознал и попытался осуществить синтез естественных и общественных наук при изучении проблем глобальной деятельности человека, активно перестраивающего окружающую среду. По мнению Вернадского, с появлением и развитием человеческого общества в эволюции биосферы намечается переход от биогенеза к ноогенезу- развитию под влиянием созидательной разумной деятельности человека. Он считал ноосферу неизбежной формой развития биосферы, которую она примет в будущем.

В трудах Вернадского указан ряд конкретных условий, необходимых для становления и существования ноосферы:

• Заселение человеком всей планеты.

• Резкое преобразование средств связи и обмена между странами.

• Усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли.

• Начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере.

• Расширение границ биосферы и выход в космос.

• Открытие новых источников энергии.

• Равенство людей всех рас и религий.

• Увеличение роли народных масс в решении вопросов внутренней и внешней политики.

• Свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государственном строе условий, благоприятных дл свободной научной мысли.

• Продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся – не допустить недоедания и голода, нищеты и чрезвычайно ослабить болезни.

• Разумное преобразование первичной природы Земли с целью удовлетворения всех материальных, эстетических и духовных потребностей численно возрастающего населения.

• Исключение войн из жизни общества.

В настоящее время реализованы многие признаки, позволяющие говорить о постепенном переходе биосферы в ноосферу. Сам Вернадский, замечая нежелательные, даже разрушительные последствия хозяйственной деятельности человека на Земле, считал их издержками. Он верил в человеческий разум, гуманизм научной деятельности, торжество добра и красоты. Ноосфера – символ веры, идеал разумного вмешательства в биосферные процессы под влиянием научных достижений. В неё надо верить и предпринимать усилия для ее становления.

В настоящее время под ноосферой понимается сфера взаимодействия человека и природы, в которой разумная человеческая деятельность становится главным определяющим фактором развития. Гармоническая связь всех ее структурных составляющих (человеческого общества, совокупности научных знаний, техники и технологий, биосферы) есть основа устойчивого существования и развития ноосферы. Значение концепции ноосферы заключается в естественно-научном и философском обосновании модели вероятного и целесообразного направления коэволюции человеческого общества и биосферы.

Лекция 13.

Популяционно-видовой уровень организации живой материи. Биологическая эволюция.

Описательная (традиционная) биология.

Возникновение описательной биологии связано с именем Аристотеля, который тщательно изучил и описал около 500 видов животных, заложил традицию систематизации видов и составил первую зоологическую классификацию, проведя деление на кровяных и бескровных. К кровяным относятся живородящие (млекопитающие) и яйцеродные (птицы, амфибии, рыбы, змеи), а к бескровным – мягкотелые (головоногие), панцирные (ракообразные), моллюски, насекомые, пауки, черви. Кроме того, Аристотель описал существа, которые находятся между животными и растениями (губки, медузы).

В современном виде описательная биология существует во многом благодаря работам Карла Линней.

Карл Линне́й (1707 - 1778) — шведский врач и натуралист, автор наиболее удачной классификации растений и животных, ставшей базисом для научной классификации живых организмов. Считают, что Карл Линней для биологии — это как Дмитрий Иванович Менделеев для химии и Исаак Ньютон для физики.

Свои главные труды Линней опубликовал, не достигнув и 30-летнего возраста. Его «Система природы» при жизни ученого выдержала 12 изданий и до сих пор считается самой переиздаваемой научной книгой. Всего же он написал около 70 книг. По масштабу личности и широте охвата этот великий ученый не уступал Михаилу Ломоносову. Линней участвовал в создании шведской Академии наук и в 32 года стал ее первым президентом. Заведовал ботаническим садом в Голландии и морским госпиталем. Диссертацию доктора философии Линней защитил по теме «Новая гипотеза перемежающихся лихорадок».

Линней известен как коллекционер и «укротитель хаоса». Он классифицировал всю природу: животных и растения, почвы и минералы, человеческие расы и болезни, лекарства и яды, публикации коллег-ученых и, кстати, самих этих коллег — в полном соответствии с их научными заслугами. Несмотря на свою веру в бога, он всё же честно поместил человека в царство животных, в класс млекопитающих, отряд приматов. Линней ввел в ботаническую практику обязательный сбор гербария: только в Лондоне, в Линнеевском обществе ныне хранится более 19 тысяч гербарных листов, собственноручно собранных Линнеем. На биологическом факультете МГУ есть часть его гербария. Именно Линней, разглядывая пестики и тычинки, выяснил, что у растений, как и у животных, есть половое размножение.

Всего Линней описал больше 7 тысяч видов растений и около 4 тысяч видов животных, среди которых 2 тысячи видов насекомых.

В историю науки Линней вошел как великий реформатор биологии. Созданная им стройная система растительного и животного мира завершила огромный труд ботаников и зоологов за предшествующие 300 лет. А знаний, требовавших обобщения, к середине XVIII века накопилось достаточно, поскольку предыдущий, XVII век, был временем великих географических открытий и описания великого множества невиданных животных и растений с разных континентов.

Линней разделил природный мир на три царства: минеральное, растительное и животное. Линней ввел четкую иерархию живого, выделив царства, классы, отряды, роды, виды и вариации. Каждое живое существо получило место в этой системе. Само понятие «вида» первым предложил именно Линней. Огромной его заслугой считают и то, что он ввел бинарную номенклатуру — то есть назвал каждый вид именем из двух слов. Первое имя — родовое, объединяющее внешне похожие виды, а второе название — видовое, образное и краткое, как прозвище. Например: крапива жгучая, береза белая, медведь бурый, олень благородный. Названия эти до сих пор даются на латыни, даже линнеевское правило писать латинское название курсивом ботаники до сих пор не нарушают.

Современное состояние описательной биологии.

Сейчас известно около 1,7 миллионов видов живых организмов. Однако многие виды всё еще до сих пор не открыты. Есть мнение, что человечеству известно 90% видов позвоночных животных и всего 10% видов насекомых, а грибов — и вовсе лишь 5% существующих видов. Всего же на Земле, по разным оценкам, обитает от 10 до 100 миллионов видов живых организмов.

Линнеевскую систему живого много раз дополняли и совершенствовали, особенно с появлением эволюционной теории, но до сих пор эта система служила надежным фундаментом биологических наук. В последние 20 лет биология переживает время новых реформ — теперь систематики могут опираться не только на внешнее сходство организмов, но и на данные прямого анализа генов, то есть последовательностей нуклеотидов в ДНК.

Недавно канадские ученые предложили проанализировать определенный фрагмент ДНК всех известных живых организмов, чтобы каждый вид получил свой ДНК-паспорт, напоминающий штрих-код. Эта работа, по предварительным расчетам, займет у мирового научного сообщества около 10 лет. Полная «паспортизация» всех живых организмов по ДНК откроет человечеству новые горизонты и пригодится, например, в медицинской диагностике, ветеринарии и криминалистике, а также в работе карантинных служб или для контроля состава лекарственных препаратов, созданных на основе растений или животных.

История развития эволюционных учений.

Первым биологом, который попытался создать стройную и целостную теорию эволюции был французский учёный-естествоиспытатель Жан Батист Пьер Антуан де Моне Ламарк (1744 — 1829). Не оценённая современниками, полвека спустя его теория стала предметом горячих дискуссий, которые не прекратились и в наше время.

Ламарк успешно занимался ботаникой, в его трехтомном сочинении "Флора Франции" было описано множество растений и дано руководство к их определению. Он был избран членом Парижской академии наук, а в 1781 году его назначили главным ботаником французского короля. В 1793 году, когда Ламарку уже было под пятьдесят, его научная деятельность в корне изменилась. Королевский ботанический сад, где работал Ламарк, был преобразован в Музей естественной истории. Свободных кафедр ботаники в музее не оказалось, и ему предложили заняться зоологией. Через десять лет он сделался таким же знатоком в области зоологии, каким был в ботанике. Он знал теперь о животных и растениях почти все, что было известно науке того времени. Ламарк решил написать такую книгу, в которой не описывались бы отдельные организмы, а были бы разъяснены законы развития живой природы, было показано, как появились животные и растения, как они изменялись и развивались и как достигли современного состояния.

Ламарк предположил, что животные и растения не созданы такими, каковы они есть, а развивались в силу естественных законов природы, т.е. рассматривал эволюцию органического мира. Лишь немногие ученые до Ламарка высказывали догадки об изменяемости видов, но только Ламарку с его колоссальным запасом знаний удалось разрешить эту задачу. Ламарк заслуженно считается творцом первой эволюционной теории, предшественником Дарвина.

Свою книгу Ламарк напечатал в 1809 году и назвал ее "Философия зоологии", хотя там речь идет не только о животных, но и о всей живой природе. Сущность теории Ламарка заключается в том, что животные и растения не всегда были такими, какими мы их видим теперь. Жизнь на Земле возникла естественным путем в виде очень простых организмов. С течением времени они постепенно изменялись, совершенствовались, пока не дошли до современного, знакомого нам состояния.

Развитие растений и животных зависит от двух главных причин:

• Первая причина заключается в том, что весь органический мир сам по себе стремится непрерывно изменяться и улучшаться - это его неотъемлемое внутреннее свойство, которое Ламарк назвал стремлением к прогрессу. Это предположение Ламарка объясняло постепенное усложнение организмов, появление новых органов и тканей.

• Вторая причина, от которой зависит, эволюция органического мира, - это воздействие на организмы той обстановки, в которой они живут. Эта обстановка, или жизненная среда, слагается из воздействия на животных и на растения пищи, света, тепла , влаги, воздуха, почвы и т. д. Среда эта весьма разнообразна и изменчива, поэтому она воздействует на организмы различным образом.

Ламарк считал, что растения и самые низшие животные изменяются под воздействием окружающей среды прямо и непосредственно, приобретая ту или иную форму, те или иные свойства. Например, растение, выросшее на хорошей почве, получает совсем иной облик, нежели растение того же вида, выросшее на плохой почве. Растение, выращенное в тени, непохоже на растение, выращенное на свету, и т. д. Животные же изменяются по-другому. Под влиянием изменения среды у них образуются различные новые привычки и навыки. И привычка, вследствие постоянного повторения и упражнения различных органов, развивает эти органы.

Например, если животное питается листьями высоких деревьев, ему приходится все время вытягивать шею. Шея тренируется, крепнет и немножко удлиняется. Потомство такого животного уже от рождения получит чуть более длинную шею. Так, по мнению Ламарка, появились жирафы. Если какая-то птица перестает летать, переходит к наземной жизни, то ее крылья от долгого неупотребления атрофируются. Так возникли нелетающие птицы с рудиментарными крыльями.

Кроме того, Ламарк считал, что признаки, которые приобретают организмы под влиянием среды, могут передаваться по наследству.

Таким образом, две причины (с одной стороны - врожденное стремление к совершенствованию, с другой стороны - влияние среды) создают, согласно учению Ламарка, все многообразие органического мира.

Замечательный палеонтолог, эволюционист и философ Пьер Тейяр де Шарден, один из открывателей знаменитого пекинского синантропа, полагал, что повышение уровня организации живых существ, неуклонно происходящее в ходе эволюции, не может быть объяснено отбором случайных, ненаправленных мутаций и служит доказательством присутствия какой-то особой направляющей силы. Шарден называл ее радиальной энергией, потому что, по его мнению, она движет эволюцию к некому абсолютному средоточию, или центру - "точке Омега".

Современная наука отрицает, что в органическом мире существует необъяснимое стремление к совершенствованию. Влияние же условий окружающей среды на организмы, которое занимает большое место в учении Ламарка, признается и современной биологией. Дарвин под конец своей жизни признал, что он не обратил достаточного внимания на изменение организмов под влиянием окружающей их среды. Идеи Ламарка о влиянии среды на организмы интересны не только для истории биологии. В наше время они приобрели и практическое значение: воздействием среды люди стали изменять свойства растений и животных.

Главная заслуга Ламарка в том, что он первый, за полвека до Дарвина, предложил теорию о естественном возникновении и развитии органического мира.

Сущность процесса биологической эволюции проявляется в непрерывном приспособлении биологических видов к разнообразным и постоянно меняющимся условиям окружающей среды и в появлении все более сложных организмов. Биологическая эволюция направлена от простых организмов к сложным.

Теория эволюции Дарвина.

Чарлз Ро́берт Дарвин (1809-1882)— английский натуралист и путешественник, одним из первых осознал и наглядно продемонстрировал, что все живые организмы эволюционируют во времени от общих предков.

Во время обучения в университетах Эдинбурга и Кембриджа Дарвин получил глубокие знания в области зоологии, ботаники и геологии, навыки и вкус к полевым исследованиям. Большую роль в формировании его научного мировоззрения сыграла книга выдающегося английского геолога Чарльза Лайеля «Принципы геологии». Лайель утверждал, что современный облик Земли складывался постепенно под влиянием тех же естественных сил, что действуют и в настоящее время. Дарвин был знаком с идеями ранних эволюционистов, в том числе Ламарка, но они не казались ему убедительными.

Решающим поворотом в его судьбе стало кругосветное путешествие на корабле «Бигль» (1832—1837). По словам самого Дарвина, в ходе этого путешествия на него произвели самое сильное впечатление: «1) открытие гигантских ископаемых животных, которые были покрыты панцирем, сходным с панцирем современных броненосцев; 2) то обстоятельство, что по мере продвижения по материку Южной Америки близкородственные виды животных замещают одни других; 3) тот факт, что близкородственные виды различных островов Галапагосского архипелага незначительно отличаются друг от друга. Было очевидно, что такого рода факты, так же как и многие другие, можно было объяснить только на основании предположения, что виды постепенно изменялись, и проблема эта стала преследовать меня».

По возвращении из плавания Дарвин начинает обдумывать проблему происхождения видов. Он собирает данные об изменчивости животных и растений в природе и в условиях одомашнивания. Через много лет, вспоминая, как возникла его теория, Дарвин напишет: «Вскоре я понял, что краеугольным камнем успехов человека в создании полезных рас животных и растений был отбор. Однако в течение некоторого времени для меня оставалось тайной, каким образом отбор мог быть применен к организмам, живущим в естественных условиях».

Идея о происхождении видов путем естественного отбора возникла у Дарвина в 1838 г. В течение 20 лет он работал над ней. В 1856 по совету Лайеля он начал готовить свою работу к публикации. В 1858 г. молодой английский ученый Альфред Уоллес прислал Дарвину рукопись своей статьи «О тенденции разновидностей к неограниченному отклонению от первоначального типа». Эта статья содержала изложение идеи происхождения видов путем естественного отбора. Дарвин был готов отказаться от публикации своего труда, однако его друзья геолог Ч. Лайель и ботаник Г. Гукер, которые давно знали об идее Дарвина и знакомились с предварительными набросками его книги, убедили ученого, что обе работы должны быть опубликованы одновременно.

Книга Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь» вышла в 1859 г., и ее успех превзошел все ожидания. Его идея эволюции встретила страстную поддержку одних ученых и жесткую критику других. Этот и последующие труды Дарвина «Изменения животных и растений при одомашнивании», «Происхождение человека и половой отбор», «Выражение эмоций у человека и животных» немедленно после выхода переводились на многие языки. Примечательно, что русский перевод книги Дарвина «Изменения животных и растений при одомашнивании» был опубликован раньше, чем ее оригинальный текст. Выдающийся русский палеонтолог В. О. Ковалевский переводил эту книгу с издательских гранок, предоставленных ему Дарвином, и публиковал ее отдельными выпусками.

Основные принципы эволюционной теории Ч. Дарвина. Сущность дарвиновской концепции эволюции сводится к ряду логичных, проверяемых в эксперименте и подтвержденных огромным количеством фактических данных положений:

• В пределах каждого вида живых организмов существует огромный разброс индивидуальной наследственной изменчивости по морфологическим, физиологическим, поведенческим и любым другим признакам. Эта изменчивость может иметь непрерывный, количественный, или прерывистый качественный характер, но она существует всегда.

• Все живые организмы размножаются в геометрической прогрессии.

• Жизненные ресурсы для любого вида живых организмов ограничены, и поэтому должна возникать борьба за существование либо между особями одного вида, либо между особями разных видов, либо с природными условиями. В понятие «борьба за существование» Дарвин включил не только собственно борьбу особи за жизнь, но и борьбу за успех в размножении.

• В условиях борьбы за существование выживают и дают потомство наиболее приспособленные особи, имеющие те отклонения, которые случайно оказались адаптивными к данным условиям среды. Это принципиально важный момент в аргументации Дарвина. Отклонения возникают не направленно — в ответ на действие среды, а случайно. Немногие из них оказываются полезными в конкретных условиях. Потомки выжившей особи, которые наследуют полезное отклонение, позволившее выжить их предку, оказываются более приспособленными к данной среде, чем другие представители популяции.

• Выживание и преимущественное размножение приспособленных особей Дарвин назвал естественным отбором.

• Естественный отбор отдельных изолированных разновидностей в разных условиях существования постепенно ведет к дивергенции (расхождению) признаков этих разновидностей и, в конечном счете, к видообразованию.

Главная заслуга Дарвина в том, что он установил механизм эволюции, объясняющий как многообразие живых существ, так и их изумительную целесообразность, приспособленность к условиям существования. Этот механизм — постепенный естественный отбор случайных ненаправленных наследственных изменений.

Дарвин показал, что основой многообразия сортов растений и пород животных является изменчивость – процесс возникновения отличий у потомков по сравнению с предками, которое обуславливает многообразие особей в пределах сорта, породы. Дарвин выделил три сорта изменчивости:

• Определенную, или групповую, которая возникает под влиянием какого-либо фактора среды и выражается у всех особей одинаковым образом (больше корма – больше масса тела ), носит ненаследственный характер;

• Неопределенную, или групповую, которая проявляется специфично у каждой особи и носит наследственный характер; причины возникновения были Дарвину неизвестны;

• Коррелятивную, вызывающую изменение в каком-либо органе, если есть изменения в других органах.

Дарвин считал, что для эволюционного процесса важны лишь наследственные изменения. Основные факторы эволюции культурных форм - это наследственная изменчивость и отбор, производимый человеком (искусственный). В природе также осуществляется отбор, но он основан на приспособляемости к различным условиям окружающей среды. Численность особей одного вида в природе ограничивается количеством пищи, наличием хищников, изменением климатических условий и т.д. Очень большую роль играют взаимные противоречия между организмами. Противоречия принимают наиболее острый характер, когда организмы обладают сходными потребностями и близкой организацией. Поэтому наиболее острый характер имеет борьба за существование между особями одного вида. Естественным результатом противоречий между организмами и окружающей средой является гибель части особей. Выживание наиболее приспособленных особей Дарвин назвал естественным отбором.

Естественный отбор реализуется через действие естественных факторов среды и реализуется в накоплении мелких наследственных изменений. Схема действия естественного отбора по Дарвину:

• Изменчивость свойственна любой группе особей;

• Организмов рождается больше, чем может найти пропитание и выжить. Большая часть гибнет.

• Происходит борьба за существование.

• Выживают наиболее приспособленные, у которых индивидуальные отличия позволяют победить в борьбе за существование.

• Выжившие особи передают свои, оказавшиеся удачными изменения следующим поколениям, в результате каждое следующее поколение будет более приспособленным к среде обитания.

• Может случиться так, что некоторые особи приобретут одни изменения и окажутся приспособленными к среде одним способом, а другие окажутся приспособленными иначе. Тогда от одних предков при условии изоляции подобных групп может возникнуть два и более вида.

Таким образом, главным результатом эволюции является совершенствование приспособленности организмов к условиям обитания, что влечет за собой совершенствование их организации. Другой важный результат эволюции – нарастание многообразия видов и усложнение взаимоотношения организмов в природе. Поэтому в результате исторического развития преимущество получают, как правило, наиболее высокоорганизованные формы, что выражается в поступательном развитии органического мира на Земле от низших к высшим.

Формирование синтетической теории эволюции.

В начале ХХ века стало быстро развиваться экспериментальное изучение естественного отбора, экология, генетика. Идеи Дарвина в России встретили поддержку передовой интеллигенции. В 1864 г. «Происхождение видов» было опубликовано на русском языке.

Проблема наследования изменений была ключевой для судьбы дарвиновской теории. В 1920-х годах был осуществлен синтез дарвинизма и генетики. Решающую роль в осуществлении этого синтеза сыграл выдающийся отечественный генетик С.С. Ч е т в е р и к о в. На основании своих работ по анализу природных популяций он пришел к пониманию механизмов накопления и поддержания индивидуальной изменчивости. Одновременно с С. С. Четвериковым к синтезу идей корпускулярной генетики с классическим дарвинизмом пришли Р. Ф и ш е р, Дж. Х о л д е й н и С. Р а й т.

Классическое эволюционное учение было дополнено и обосновано с молекулярно-генетической точки зрения, результатом явилась современная синтетическая теория эволюции. В молекулярной биологии изменчивость проявляется на генетическом уровне в виде т.н. мутаций. Мутации происходят случайным образом под воздействием внутренних и внешних факторов. Мутационный процесс обуславливает разнообразие особей в популяции. Направление эволюции определяется естественным отбором.

В СТЭ элементарной единицей эволюции является популяция. Особи одного вида, живущие относительно обособленно от особей другого вида. Смешиванию популяций препятствуют различные барьеры – как географические (горы, крупные водные преграды и т.д.) и биологические. Главный объединяющий фактор популяции – это свободное скрещивание особей друг с другом. В популяции возникают и распространяются наследственные изменения, происходит наиболее острая борьба за существование, осуществляется естественный отбор. Мелкие индивидуальные изменения могут накапливаться и привести к расхождению признаков и формирования различий между отдельными группами особей. Таким образом, внутри популяций происходят начальные этапы эволюционного процесса, которые протекают внутри вида и приводят к формированию новых внутривидовых группировок. Этот процесс называют микроэволюцией. Микроэволюционные изменения доступны наблюдению.

Макроэволюция происходит на надвидовом уровне и отражает самые общие закономерности развития живого. Наблюдать макроэволюционные изменения гораздо сложнее, однако успехи молекулярной биологии позволяют непосредственно изучать результаты макроэволюции путем исследований макромолекул, изъятых из ныне живущих и ископаемых форм.

Важными факторами микроэволюции являются:

Популяционные волны, представляющие собой колебания численности популяций под воздействием множества меняющихся условий (изменения климата, урожайности кормов и др.);

Изоляция усиливает генетические различия изолированных популяций; единый генофонд разрывается на несколько изолированных, что может привести к образованию новых видов.

Образование новых видов происходит двумя путями:

• Разделение исходного вида на два и более новых;

• Гибридизация, т.е. объединение двух разных наборов генов и образование их гибрида

К закономерностям макроэволюции относятся:

Прогрессивная направленность эволюции в целом выражается в появлении организмов со все более высоким уровнем организации и большей приспосабливаемостью к изменению условий существования. В ходе эволюции образовались организмы разного уровня сложности – от простейших одноклеточных до млекопитающих. Высший уровень сложности связан с появлением человека. Все эти уровни представлены в живом мире и продолжают эволюционировать.

Неравномерность темпов эволюции, определяющаяся сложным сочетанием внутренних факторов и изменяющимися условиями окружающей среды.

Принцип необратимости эволюции. Ископаемые и ныне существующие формы необязательно составляют единую последовательность. Многие виды в процессе эволюции исчезают (т.н. тупиковые ветви эволюции). Исчезнувшие в процессе эволюции виды никогда впоследствии не восстанавливаются в прежней форме. Поэтому важно максимальное сохранение существующих на Земле видов. Их утрата приводит к невосполнимым потерям генофонда, возникшего в ходе длительного эволюционного процесса. Необратимые процессы эволюции живого задают биологическую стрелу времени.

Проблемы теории эволюции.

В качестве подтверждения теории эволюции видов выдвигались два аргумента – рудиментарные органы и теория эмбриональной рекапитуляции. Однако сейчас физиологи не считают бесполезным ни один человеческий орган, а теория рекапитуляции (в частности, наличие у человеческого эмбриона на некоторых стадиях развития жаберных щелей и хвоста) отвергается многими учеными-эмбриологами .

Что касается мутаций, то считается установленным, что 99,99% мутаций приводят к уродствам и летальному исходу. Для эволюции же необходимо множество одновременных безвредных мутаций. Вероятность улучшения жизни в результате мутаций близка к нулю.

Переходные формы от низших организмов к высшим не обнаружены до сих пор, также как и переходные формы от обезьяны к человеку.

Ученым до сих пор не удалось показать, как мутации могут разрушить межвидовые перегородки. Мутации не создают новые формы, а изменяют существующие. Естественный отбор может только уничтожить какую-либо информацию, а не создать новую, в то время как эволюция от более простых организмов к более сложным должна сопровождаться многократным возрастанием информации.

Остается открытым вопрос о возможности самозарождении жизни.

Генная инженерия. Клонирование.

ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ(генетическая инженерия), совокупность методов молекулярной генетики, направленных на искусственное создание новых, не встречающихся в природе сочетаний генов. Те или иные чужеродные для данного организма гены вводят в его клетки и встраивают в его геном с различными целями: для изучения строения и функций генетического аппарата, для эффективной наработки продукта данного гена (напр., гормона или антибиотика), для придания организму-хозяину каких-либо желаемых свойств (напр., для сельскохозяйственных растений и животных – большей продуктивности или большей устойчивости к инфекциям или паразитам), для замещения (компенсации) генов, дефекты которых вызывают наследственные заболевания, и др.

Генно-инженерная технология использует всё разнообразие сложных и тонких методов современной генетики, позволяющих работать с ничтожными количествами генетического материала. Основные этапы и операции генной инженерии включают: выделение из клеток ДНК, содержащей нужный ген; разрезание ДНК на мелкие фрагменты с помощью специальных ферментов; соединение фрагментов ДНК с т. н. векторами, обеспечивающими проникновение в клетку; клонирование (размножение) нужного гена; создание рекомбинантной (гибридной) ДНК из участков ДНК (генов) разного происхождения; введение (микроинъекция) генетического материала в культивируемые клетки организма-хозяина или в его яйцеклетку.

После того как в нач. 70-х гг. 20 в. был разработан метод получения рекомбинантных ДНК, чужеродные гены стали вводить в клетки бактерий, растений и животных. Такие организмы получили название трансгенных. Очень быстро генная инженерия нашла практическое применение как основа биотехнологии. Уже в 80-е гг. 20 в. с помощью бактериальных клеток, в которые вводили гены человека, ответственные за синтез гормонов инсулина и соматотропина и антивирусного белка интерферона, было налажено производство этих важных для медицины препаратов. В мощную индустрию превратилось получение и разведение используемых в сельском хозяйстве трансгенных растений и трансгенных животных.

Большинство учёных связывает с развитием генной инженерии решение таких сложных проблем, как обеспечение человечества продовольствием и энергией, успешную борьбу с болезнями и с загрязнением окружающей среды. Вместе с тем высказываются опасения, что ничем не ограниченные генетические эксперименты и широкое использование в пищу трансгенных организмов может привести к непредсказуемым последствиям и спорно с точки зрения традиционной морали и этики.

КЛОНИРОВАНИЕ, воспроизведение генетически однородных организмов (клеток) путём бесполого (вегетативного) размножения. При клонировании исходный организм (или клетка) служит родоначальником клона – ряда организмов (клеток), повторяющих из поколения в поколение и генотип, и все признаки родоначальника. Таким образом, сущность клонирования заключается в повторении одной и той же генетической информации. В основе точного копирования генетического материала (и организма в целом) у эукариотических клеток лежит митоз (у бактерий – простое деление). В многоклеточном организме, зародившемся в результате полового процесса, все клетки, несмотря на их различия и специализацию, представляют собой клон, развившийся из оплодотворённой яйцеклетки. Однако такой организм-клон и генетически, и своими признаками будет отличаться от родительских организмов.

Благодаря бесполому (вегетативному) размножению многоклеточный организм может развиться из одной соматической (неполовой) клетки, из группы таких клеток или из части родительского организма. В природе такое размножение, или клонирование, широко распространено у грибов, водорослей, простейших, а также у многих высших растений. У многоклеточных животных клонирование возможно либо в форме почкования, либо как деление тела животного на части и восстановление каждой части до целого организма. Так могут размножаться кишечнополостные, губки, многие черви, мшанки, а из хордовых – оболочники. Классический, издавна известный пример животного, которое, будучи разделено на десятки и даже сотни частей, способно к воссозданию (регенерации) из каждой части целого организма – гидра. Естественное клонирование позвоночных животных встречается редко и возможно, по-видимому, только на ранних стадиях зародышевого развития. Так, однояйцевые близнецы у животных и человека происходят от одной оплодотворённой яйцеклетки в результате её митотиче-ского разделения, т. е. клонирования. Подобное клонирование характерно для броненосцев, у которых обычны однояйцевые двойники.

Искусственное, т. е. осуществляемое человеком, клонирование широко применяется как в научных, так и в практических целях. Наряду с различными способами вегетативного размножения, известными с древности, в растениеводстве всё шире входит в практику т. н. микрораз-множение – выращивание посадочного материала из одиночных клеток с применением методов культуры клеток и тканей. Клонирование бактерий и соматических клеток растений и животных используется в микробиологии, в генетике, в практических направлениях биотехнологии и клеточной инженерии, во всех тех теоретических и практических работах, когда необходимо иметь генетически однородный материал.

Особый интерес вызывают эксперименты, связанные с клонированием позвоночных животных и человека. Исследования в этом направлении ведутся давно. В 1987 г. отечественные учёные в Пущинском научном центре осуществили первое клонирование млекопитающего – мыши. Для этого из яйцеклетки мыши удаляли ядро, а затем вводили в яйцеклетку ядро из эмбриональной мышиной клетки. Т. е. был использован генетический материал соматической, но недифференцированной (неспециализированной) эмбриональной клетки. В 1997 г. шотланд-ским учёным удалось клонировать овцу, используя в качестве донора генетического материала эпителиальные клетки молочной железы. Зародыш вводили (имплантировали) в организм приёмной матери, которая и вынашивала ягнёнка. В этом случае, что представляет принципиальный интерес, использовалась в качестве донора специализированная соматическая клетка. Таким образом, эти эксперименты доказали, что можно получать генетически идентичные копии (клоны) млекопитающих, используя их соматические клетки.

Предполагается, что клонирование найдёт широкое применение в животноводстве. В принципе не представляется невероятным выращивание из хорошо сохранившихся в вечной мерзлоте соматических клеток вымерших животных (напр., мамонта) полноценного организма. Эксперименты по клонированию человека осуждаются международными организациями и запрещены в ряде стран как неприемлемые в нравственном отношении. Тем не менее в кон. 2002 г. в мире появились неподтвержденные сообщения о рождении детей, клонированных из соматических клеток.

Показать полностью…
Похожие документы в приложении