Новоженов В.А. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

272

сейчас стало очевидным, что вирусы нельзя рассматривать как

промежуточный этап на пути образования жизни. Сначала долж-

на возникнуть жизнь, а потом возникнуть вирусы.

Вероятность случайного возникновения жизни очень мала,

тем не менее, эта гипотеза до сих пор широко распространена в

научной литературе.

Первичная биохимическая эволюция

Среди астрономов, геологов и биологов принято считать,

что возраст Земли составляет примерно 4,5–5 миллиардов лет.

По мнению многих биологов, в далеком прошлом состояние

нашей планеты было мало похоже на нынешнее: по всей веро-

ятности, температура ее поверхности была очень высокой

(4000–8000

С), и по мере того, как Земля остывала, более туго-

плавкие вещества конденсировались и образовывали земную

кору. Поверхность планеты была, вероятно, голой и неровной,

так как на ней в результате вулканической активности, непре-

рывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, про-

исходило образование складок и разрывов.

Полагают, что в те времена атмосфера была совершенно не

такая, как теперь. Легкие газы – водород, гелий, азот, кислород и

аргон – уходили из атмосферы, так как гравитационное поле

нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удер-

жать. Однако простые соединения, содержащие (среди прочих)

эти элементы, должны были удерживаться; к ним относятся во-

да, аммиак, двуокись углерода и метан. До тех пор пока темпе-

ратура Земли не упала ниже 100

С, вся вода, вероятно, находи-

лась в парообразном состоянии. Атмосфера была, по-видимому,

«восстановительной», о чем свидетельствует наличие в самых

древних горных породах Земли металлов в восстановленной

форме, таких, как двухвалентное железо. Более молодые горные

породы содержат металлы в окисленной форме, например,

трехвалентное железо. Отсутствие в атмосфере кислорода бы-

ло, вероятно, необходимым условием для возникновения жизни;

лабораторные опыты показывают, что, как это ни парадоксально,

органические вещества (основа живых организмов) гораздо лег-

че создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере,

богатой кислородом.

273

В 1923 г. А.И. Опарин высказал мнение, что атмосфера пер-

вичной Земли была не такой, как сейчас, а примерно соответст-

вовала сделанному выше описанию. Исходя из теоретических

представлений, он полагал, что органические вещества, возмож-

но, углеводороды, могли создаваться в океане из более простых

соединений; энергию для этих реакций синтеза, вероятно, дос-

тавляла интенсивная солнечная радиация (главным образом

ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовал-

ся слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По

мнению Опарина, разнообразие находившихся в океанах про-

стых соединений, площадь поверхности Земли, доступность

энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в

океанах постепенно накопились органические вещества и обра-

зовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть

жизнь. Эта идея была не нова: в 1871 г. сходную мысль высказал

Ч. Дарвин: «Часто говорят, что все необходимые для создания

живого организма условия, которые могли когда-то существо-

вать, имеются и в настоящее время. Но если (ох, какое это

большое «если») представить себе, что в каком-то небольшом

теплом пруду, содержащем всевозможные аммонийные и фос-

форные соли, при наличии света, тепла, электричества образо-

вался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще бо-

лее сложные превращения, то в наши дни такой материал не-

прерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случить-

ся до того, как появились живые существа».

В 1953 г. Стенли Миллер в ряде экспериментов моделиро-

вал условия, предположительно существовавшие на первобыт-

ной Земле. В созданной им установке, снабженной источником

энергии, ему удалось синтезировать многие вещества, имеющие

важное биологическое значение, в том числе ряда аминокислот,

аденин и простые сахара, такие как рибоза. После этого Орджел

в Институте Солка в сходном эксперименте синтезировал нук-

леотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые

нуклеиновые кислоты).

Позднее возникло предположение, что в первичной атмо-

сфере в относительно высокой концентрации содержалась дву-

окись углерода. Недавние эксперименты, проведенные с исполь-

зованием установки Миллера, в которую, однако, поместили

смесь СО

и Н

О и только следовые количества других газов,

дали такие же результаты, какие получил Миллер. Теория Опа-

рина завоевала широкое признание, но она оставляет нерешен-

274

ными проблемы, связанные с переходом от сложных органиче-

ских веществ к простым живым организмам. В этом аспекте тео-

рия биохимической эволюции предлагает общу ю схему, прием-

лемую для большинства современных биологов. Однако они не

пришли к единому мнению о деталях этого процесса.

Опарин полагал, что решающая роль в превращении нежи-

вого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности

белковых молекул, они способны к образованию коллоидных

гидрофильных комплексов – притягивают к себе молекулы воды,

создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособ-

ляться от всей массы воды, в которой они суспензированы (вод-

ной фазы), и образовывать своего рода эмульсию. Слияние та-

ких комплексов друг с дру г ом приводит к отделению коллоидов

от водной среды – процессу, называемому коацервацией (от лат.

coacervus – сгусток или куча). Богатые коллоидами коацерваты,

возможно, были способны обмениваться с окружающей средой

веществами и избирательно накапливать различные соедине-

ния, особенно кристаллоиды. Коллоидный состав данного коа-

цервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие

состава «бульона» в разных местах вело к различиям в химиче-

ском составе коацерватов и поставляло таким образом сырье

для «биохимического естественного отбора».

Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их со-

став вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при

этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и

образование ферментов. На границе между коацерватами и

внешней средой выстраивались молекулы липидов (сложные

углеводороды), что приводило к образованию примитивной кле-

точной мембраны, обеспечивавшей коацерватам стабильность.

В результате включения в коацерват предсуществующей моле-

ку лы, способной к самовоспроизведению, и внутренней пере-

стройки покрытого липидной оболочкой коацервата могла воз-

никнуть примитивная клетка. Увеличение размеров коацерватов

и их фрагментация, возможно, приводило к образованию иден-

тичных коацерватов, которые могли поглощать больше компо-

нентов среды, так что этот процесс мог продолжаться. Такая

предположительная последовательность событий должна была

привести к возникновению примитивного самовоспроизводяще-

гося гетеротрофного организма, питавшегося органическими

веществами первичного бульона.

275

Природа самых первых организмов

Данные, которыми мы сейчас располагаем, позволяют ду-

мать, что первые организмы были гетеротрофами, так как только

гетеротрофы могли использовать имевшиеся в среде запасы

энергии, заключенные в сложных органических веществах пер-

вичного «бульона». Химические реакции, необходимые для син-

теза питательных веществ, слишком сложны, поэтому они вряд

ли могли возникнуть у самых ранних форм жизни.

Предполагается, что по мере образования в ходе «биохими-

ческой эволюции» более сложных органических веществ некото-

рые из них оказались способными использовать солнечную ра-

диацию как источник энергии для синтеза новых клеточных ма-

териалов. Возможно, что включение этих веществ в уже сущест-

вующие клетки позволило последним синтезировать новые кле-

точные материалы, так что им больше не надо было поглощать

органические вещества – клетки стали автотрофными. Возрас-

тание численности гетеротрофов должно было привести к

уменьшению пищевых ресурсов первичного бульона, и возник-

шая конкуренция ускорила появление автотрофов.

Самые первые фотосинтезирующие организмы, хотя и ис-

пользовали в качестве источника энергии солнечную радиацию,

были лишены метаболического пути, ведущего к образованию

молеку лярного кислорода. Полагают, что на более позднем эта-

пе возникли организмы, способные к фотосинтезу с выделением

кислорода, подобные современным сине-зеленым водорослям, и

это привело к постепенному накоплению кислорода в атмосфе-

ре. Увеличение количества О

в атмосфере и его ионизация с

образованием озонового слоя уменьшили количество ультра-

фиолетовой радиации, достигающей Земли. Это привело к за-

медлению синтеза новых сложных веществ, но одновременно

повысило устойчивость преуспевающих форм жизни. Изучение

физиологии современных организмов выявило большое разно-

образие биохимических путей, участвующих в связывании и ос-

вобождении энергии, которые, возможно, отражают первые экс-

перименты, проводившиеся природой на живых организмах.

Несмотря на все сказанное выше, проблема возникновения

жизни остается нерешенной, и при всех огромных успехах био-

химии ответы на вопросы носят умозрительный характер. Чита-

телю был предложен в упрощенном виде сплав из имеющихся

276

гипотез. Гипотеза, которая могла бы стать «руководящей» и пре-

вратиться во всеобъемлющую теорию, пока не разработана.

Подробности перехода от сложных неживых веществ к простым

живым организмам покрыты тайной.

Переход от простых живых организмов к более сложным и

развитие сложных организмов, возникновение новых организ-

мов, новых структур, форм и видов пытались объяснить многие

естествоиспытатели. Одни из них считали, что организмы прак-

тически не изменялись, дру гие рассматривали изменения форм

и видов живых организмов как постепенный эволюционный про-

цесс, происходивший под действием различных факторов. В

разработке гипотез и теорий развития жизни принимали участие

многие ученые, такие как Ж. Кювье, Ж.Б. Ламарк, Дж. Уоллес, Ч.

Дарвин, В. Иогансен, Г. Мендель и многие другие.

Концепция катастроф Ж. Кювье

В первой четверти XIX века были достигнуты большие успе-

хи в таких областях биологической науки, как сравнительная

анатомия и палеонтология. Основные заслуги в развитии этих

области биологии, особенно в сравнительной анатомии, принад-

лежат французскому ученому Ж.Л. Кювье. Он систематически

проводил сравнение строения и функций одного и того же органа

или целой системы органов через все разделы животного царст-

ва. Исследуя строение органов позвоночных животных, Кювье

установил, что все органы животного представляют собой части

единой целостной системы. Вследствие этого строение каждого

органа закономерно соотносится со строением всех дру гих. Ни

одна часть тела не может изменяться без соответствующего

изменения дру гих частей. Это означает, что каждая часть тела

отражает принципы строения всего организма. Так, если у жи-

вотного имеются копыта, вся его организация отражает травояд-

ный образ жизни: зубы приспособлены к перетиранию грубой

растительной пищи, челюсти имеют определенную форму, желу-

док многокамерный, очень длинный кишечник и т.д. Соответст-

вие строения органов животных друг другу Кювье назвал прин-

ципом корреляций (соотносительности). Принцип корреляций

Кювье успешно применил в палеонтологии. Он восстанавливал

облик давно исчезнувшего организма по сохранившимся до на-

ших дней отдельным фрагментам.

277

В процессе своих исследований Кювье заинтересовался ис-

торией Земли, земных животных и растений. В результате ог-

ромной работы он пришел к следующим выводам:

- Земля на протяжении своей истории изменяла свой об-

лик;

- Одновременно с изменением Земли изменялось и ее

население;

- Изменения земной коры происходили и до появления

живых существ.

Кювье был убежден в невозможности возникновения новых

форм жизни и доказал, что современные нам виды живых орга-

низмов не изменились, по крайней мере со времен фараонов. Но

самым существенным возражением против теории эволюции

Кювье считал видимое отсутствие переходных форм между со-

временными животными и теми, останки которых находили при

раскопках.

Многочисленные палеонтологические данные, тем не ме-

нее, неопровержимо свидетельствовали о смене форм животных

на Земле. Реальные факты вступали в противоречие с библей-

ской легендой. Сначала сторонники неизменности живой приро-

ды объясняли такие противоречия тем, что вымерли те живот-

ные которых Ной не взял в свой ковчег во время всемирного

потопа. Ненаучность этого заключения была опровергнута тогда,

когда была установлена разная степень древности вымерших

животных. Тогда Кювье выдвинул теорию катастроф. Согласно

этой теории, причиной вымирания были периодически происхо-

дившие крупные геологические катастрофы, уничтожавшие на

больших территориях растительность и животных. Потом эта

территория заселялась видами, проникавшими из соседних об-

ластей.

Последователи и ученики Кювье, развивая его учение, по-

шли дальше, утверждая, что катастрофы охватывали весь зем-

ной шар. После каждой катастрофы следовал новый акт божест-

венного творения. Таких катастроф и актов творения они насчи-

тывали 27.

Теория катастроф получила, в свое время, достаточно ши-

рокое распространение. Но целый ряд ученых очень критически

относился к ней.

278

Различные эволюционные концепции

Концепция эволюции занимает особое место в изучении ис-

тории жизни. Она стала той объединяющей теорией, которая

служит фундаментом для всей биологии. Эволюция подразуме-

вает всеобщее постепенное развитие, упорядоченное и после-

довательное. Применительно к живым организмам эволюцию

можно определить как развитие сложных организмов из предше-

ствующих более простых организмов с течением времени.

Представление об эволюции ведет свое начало не от Дар-

вина с его книгой «Происхождение видов». Еще задолго до Дар-

вина попытки человека объяснить очевидное разнообразие ок-

ру жающих его живых организмов парадоксальным образом при-

влекали его внимание к чертам структурного и функционального

сходства между ними. Выдвигались различные эволюционные

гипотезы, чтобы объяснить это сходство, и такие идеи сами

«эволюционировали» по мере развития науки.

История развития эволюционной концепции показывает, что

концепция непрерывности или постепенного развития более

сложных видов из предшествующих более простых форм воз-

никла у ряда философов и естествоиспытателей еще до фор-

мального провозглашения в начале XIX в. эволюционных гипо-

тез.

Концепция эволюции Ламарка

Французский биолог Ламарк в 1809 г. выдвинул гипотезу о

механизме эволюции, в основе которой лежали две предпосыл-

ки: упражнение и неупражнение частей организма и наследова-

ние приобретенных признаков. Изменения среды, по его мнению,

могут вести к изменению форм поведения, что вызовет необхо-

димость использовать некоторые органы или структуры по-

новому или более интенсивно (или, наоборот, перестать ими

пользоваться). В случае интенсивного использования органа, его

эффективность и (или) величина будут возрастать, а при неис-

пользовании может наступить дегенерация и атрофия. Эти при-

знаки, приобретенные индивидуумом в течение его жизни, со-

гласно Ламарку, наследуются, т.е. передаются потомкам.

С точки зрения ламаркизма, длинная шея и длинные ноги

жирафа – результат того, что многие поколения его некогда ко-

279

ротконогих и короткошеих предков питались листьями деревьев,

за которыми им приходилось тянуться все выше и выше. Незна-

чительное удлинение шеи и ног, происходившее в каждом поко-

лении, передавалось следующему поколению, пока эти части

тела не достигли своей нынешней длины. Перепонки между

пальцами у водоплавающих птиц и форму тела камбалы объяс-

няли таким же образом. Перепонки возникли в результате посто-

янного раздвигания пальцев и растягивания кожи между ними

при плавании в поисках пищи или для спасения от хищников, а

уплощенное тело – из-за лежания на боку на мелководье.

Таким образом, для ламаркизма характерны два основных

методологических признака:

- телеологизм – присущее организмам стремление к со-

вершенствованию;

- организмоцентризм – признание организма элементар-

ной единицей эволюции, прямо приспосабливающейся к

изменению внешних условий и передающей эти измене-

ния по наследству.

Также важно отметить, что Ламарк особо выделял значение

психического фактора в процессах приспособления высших жи-

вотных, которые стремятся к своему изменению.

Хотя концепция Ламарка способствовала подготовке почвы

для принятия эволюционной концепции, его взгляды на меха-

низм изменения не получили широкого признания.

Однако Ламарк был прав, подчеркивая роль условий жизни

в возникновении фенотипических изменений у данной особи.

Например, занятия физкультурой увеличивают объем мыш ц , но

хотя эти приобретенные признаки затрагивают фенотип, они не

являются генетическими, не могут передаваться потомству. Для

того чтобы доказать это, Вейсман на протяжении многих после-

довательных поколений отрезал мышам хвосты. По концепции

Ламарка вынужденное неупотребление хвостов должно было бы

привести к их укорочению у потомков; однако этого не произош-

ло. Вейсман постулировал, что признаки, приобретаемые сомой

(телом) и приводящие к изменению фенотипа, не оказывают

прямого воздействия на половые клетки (гаметы), с помощью

которых признаки передаются следующему поколению. Его кон-

цепция непрерывности «зародышевой плазмы» была историче-

ски необходима, для того чтобы стало возможным признание

наследования генетических особенностей при половом размно-

жении.

280

Дарвин, Уоллес и происхождение видов.

Естественный отбор

Чарлз Роберт Дарвин родился в 1809 г. Он был сыном со-

стоятельного врача и, подобно многим великим людям, вначале

как ученый особенно не выделялся. В 1831 г. он принял предло-

жение отправиться в качестве натуралиста (без жалования) в

путешествие на военном корабле «Бигль», который уходил на

пять лет в море для проведения топографических съемок у вос-

точного побережья Южной Америки. «Бигль» возвратился в

Фалмут в октябре 1836 г., проделав путь вдоль берегов Чили,

через Галапагосские острова, Таити, Новую Зеландию, Тасма-

нию и Южную Африку. Большую часть этого времени Дарвин

занимался геологическими исследованиями; однако во время

пятинедельного пребывания на Галапагосских островах его вни-

мание привлекло сходство между флорой и фауной этих остро-

вов и материка. Ос обенно его заинтересовало распространение

черепах и вьюрков. Он собрал множество данных об изменчиво-

сти организмов, которые убедили его в том, что виды нельзя

считать неизменяемыми. После возвращения в Англию Дарвин

занялся изучением практики разведения голубей и других пород

домашних животных, что привело его к концепции искусственно-

го отбора, однако он все еще не мог представить себе, каким

образом отбор мог бы действовать в природных условиях. В

1778 г. священник Томас Мальтус опубликовал свой труд «Трак-

тат о народонаселении», в котором ярко обрисовал, к чему мог

бы привести рост населения, если бы он ничем не сдерживался.

Дарвин перенес его рассуждения на другие организмы и обратил

внимание на то, что, несмотря на их высокий репродуктивный

потенциал, численность популяций остается относительно по-

стоянной. Сопоставляя огромное количество сведений, он начал

понимать, что в условиях интенсивной конкуренции между чле-

нами популяции любые изменения, б лагоприятные для выжива-

ния в данных условиях, повышали бы способность особи раз-

множаться и оставлять плодовитое потомство, а неблагоприят-

ные изменения, очевидно, невыгодны, и у обладающих ими ор-

ганизмов шансы на успешное размножение понижались бы. Эти

соображения послужили остовом для теории эволюции путем

естественного отбора, сформулированной Ч. Дарвином в 1839 г.

281

В сущности, наибольший вклад Ч. Дарвина в науку заключается

не в том, что он доказал существование эволюции, а в том, что

он объяснил, как она может происходить.

Тем временем другой естествоиспытатель, А. Уоллес, много

путешествовавший по Южной Америке и островам юго-

восточной Азии и тоже читавший Мальтуса, пришел к тем же

выводам о естественном отборе, что и Ч. Дарвин.

В 1858 г. А. Уоллес изложил свою теорию на 20 страницах и

послал их Дарвину. Это стимулировало и ободрило Дарвина, и в

июле 1858 г. Ч. Дарвин и А. Уоллес выступили с докладами о

своих идеях на заседании Линнеевского общества в Лондоне.

Спустя год с небольшим, в ноябре 1859 г., Ч. Дарвин опублико-

вал «Происхождение видов путем естественного отбора». Все

1250 экземпляров книги были проданы в первый же день, и гово-

рят, что по своему воздействию на человеческое мышление она

уступала только Библии.

Естественный отбор

Согласно Дарвину и Уоллесу, механизмом, с помощью кото-

рого из предшествовавших видов возникают новые виды, служит

естественный отбор. Эта гипотеза (или теория) основана на трех

наблюдениях и двух выводах, которые можно сформулировать

следующим образом:

Наблюдение 1. Особи, входящие в состав популяции, обла-

дают большим репродуктивным потенциалом.

Наблюдение 2. Число особей в каждой данной популяции

примерно постоянно.

Вывод 1. Многим особям не удается выжить и оставить по-

томство. В популяции происходит «борьба за существование».

Наблюдение 3. Во всех популяциях существует изменчи-

вость.

Вывод 2. В «борьбе за существование» те особи, признаки

которых наилучшим образом приспособлены к условиям жизни,

обладают «репродуктивным преимуществом» и производят

больше потомков, чем менее приспособленные особи.

Вывод 2 содержит гипотезу о естественном отборе, который

может служить механизмом эволюции.