ТОП 10:

Жизнь: происхождение и эволюция



 

Нас окружает разнообразнейший мир живого: везде, незримо и неслышно, синхронно с жизнью наших организмов, существуют тысячи других форм существований, которые мы считаем примитивными в сравнении с нами, но которые сходны все же с нами в каких-то глубинных основаниях. Все вместе они составляют сферу живого на нашей планете. Но так было не всегда. Когда-то Земля представляла собой необитаемый мир, как и подавляющее большинство других планет в галактиках. Как же у нас образовался столь многообразный мир живого? Почему возникла жизнь? Что она из себя представляет? На эти вопросы ищут ответы не только биологи, но и химики, физики, философы. Рассмотрим эти вопросы в обратном порядке их постановки.

Жизнь определяют и рассматривают по-разному, но очень часто через простое противопоставление неживому – как нечто непостижимое. Понять же принцип жизниуместнее всего, идя от фундаментальных и простейших уровней мира, "от" физических явлений. В этом нам помогут лекции одного из великих физиков ХХ в. – Э. Шрёдингера о жизни.

Что является характерной особенностью жизни? Когда мы считаем что-то живым? Тогда, когда это что-то избегает перехода к равновесию, когда оно продолжает "делать что-либо", двигаться, участвовать в обмене веществ с окру­жающей средой и т. д. И все это в течение более дли­тельного отрезка времени, чем, по нашим ожиданиям, могла бы делать не­одушевленная материя в подобных условиях. Если неживую систему изоли­ровать или поместить в однородные условия, всякое движение обычно скоро прекращается в результате различного рода трения; разность электри­ческих или химических потенциалов выравнивается; вещества, кото­рые имеют тенденцию образовывать химические соединения, образу­ют их; тем­пература выравнивается вследствие теплопроводности. Затем система в це­лом угасает, превращается в мертвую инертную массу. Достигается состояние, при котором не происходит никаких заметных событий. Это называется термодинамическим равновесием, или состоянием максимальной энтропии.

Как же живой организм избегает перехода к равновесию? Ответ доста­точно прост: благодаря тому, что он питается, дышит. Для всего этого есть специальный термин – метаболизм (обмен). Обмен че­го? Первоначально, без сомнения, подразумевался обмен веществ. Но представляется не­лепостью, чтобы главным был именно обмен веществ. Любой атом азо­та, кислорода, серы и т. п. так же хо­рош, как любой другой атом того же элемента. Что же достигается их обме­ном? Одно время наше любо­пытство удовлетворялось утверждением, что мы питаемся энергией. Мы встречаем часто на товарах ука­зания содержание в нем энергии (калорий). Но обмен калориями так же нелеп, ибо во взрослом организме содер­жание энергии так же постоянно, как и содержание материи. Каждая калория, конечно, имеет ту же ценность, что и любая другая, поэтому нельзя понять, чему может помочь простой обмен этих калорий.

Что же тогда составляет то драгоценное нечто, содержащееся в на­шей пище, что предохраняет нас от смерти? Каждый про­цесс, явление, событие, короче говоря, все, что происходит в природе, означает увеличение энтропии в той части Вселен­ной, где это имеет место. Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит по­ложительную энтропию и, таким образом, приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, то есть оставаться живым, толь­ко постоянно извлекая из окружающей его среды от­рицательную эн­тропию, которая представляет собой нечто весьма положи­тельное. Отрицательная энтропия это то, чем орга­низм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождаться от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока жив.

Естественно стремление мате­рии приближаться к хаотическому состоянию, если мы не препятству­ем этому. Организм стремится поддерживать себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уров­не эн­тропии), что выражается в непрерывном извлечении "упорядо­ченности" из окружающей его среды. В самом деле, у высших животных мы достаточно хорошо знаем тот вид упорядоченности, которым они питаются, а именно: крайне хорошо упорядоченное состояние материи в более или менее сложных органи­ческих соединениях служат им пищей. После использования животные возвращают эти вещества в весьма деградированной форме, однако не вполне деградированной, так как их еще могут употреблять растения. Для растений мощным источником "отрица­тельной энтропии" являет­ся, конечно, солнечный свет.

Развертывание событий в жизненном цикле организма обнаруживает удивительную регулярность и упорядочен­ность, не имеющих себе равных среди всего, с чем мы встреча­емся в неодушевленных предметах. Организм контролируется в высшей степени хорошо упорядоченной группой атомов, которая составляет только очень незначительную часть общей массы каждой клетки. Более того, перемещение всего лишь немногих атомов внутри группы "управляющих атомов" зародышевой клетки достаточно для того, чтобы вызвать весьма определенное изменение наследствен­ных признаков большого масштаба.

Удивительная способность организма кон­центрировать на себе "поток порядка", избегая, таким образом, перехо­да к атомному хаосу, спо­собность "пить упорядоченность" из под­ходящей среды, по-видимому, свя­зана с присутствием нового типа тел – хромосомных молекул. Последние, без сомнения, представляют наивысшую степень упорядоченно­сти среди известных нам ассоциаций атомов – из-за той индивидуальной роли каждого атома и каждого радикала, которую они здесь играют.

Существует ли ясное разграничение живого и неживого? В настоящее время биологи ответят на этот вопрос скорее отрицательно. В самом деле, вряд ли можно четко определить эту границу. Например, ви­русная частица в подходящей среде, используя ме­таболизм клетки хозяина, может размно­жаться, при­чем иногда столь необузданно, что весь организм хозяина в ре­зультате погибает. Таким образом, вирус обладает качествами, которые в других случаях можно найти только у живых организмов, но, с другой стороны, вирусы – это частицы, характеризующиеся опреде­ленной формой, составом и способные, как и неорганические веще­ства, об­разовывать кристаллическую решетку. Очевид­но, что в такой форме они не подпадают ни под одно определение жизни.

В логике принято различать необходимые и достаточные условия. В нашем случае гораздо легче задать необходимые условия — при этом нужно забо­титься лишь об обязательности, но не о полноте. Во всех известных нам клет­ках живого происходит обмен веществ, или, точнее говоря, метаболизм, который является необходимым условием существования любой формы жизни. Мы уже знаем, что, только постоянно исполь­зуя приток свободной энергии, система может непре­рывно обновляться и этим тормозить свое падение в со­стояние термодинамического равновесия или состояние смерти. Характерный для процессов жизни дина­мический по­рядок может поддерживаться только за счет постоян­ной компен­сации порождения энтропии самим организмом.

Следующим необходимым условием является спо­собность к самовос­произведению. Все молекулы имеют ограниченное время жизни из-за теплового движения. Чтобы не потерять накопленную в них информацию, они должны успеть до своего распада построить хотя бы одну идентичную копию, содержащую план строения и функционирование ис­ходной структуры. Любое биологическое упорядочение направляется информацией.

Передача информации происходит всегда в неспокойной среде, что делает невозможным совершенно точное воспроизведение. Всегда существует определен­ный темп ошибок, или мута­ций,— наличие этих оши­бок является существенным условием возможности эволюционного прогресса.

Итак, современные определения жизни при всей своей многочисленности, сходятся в том, что включают в свой состав три инварианта-смысла: обмен веществ, способность к самовоспроизведению и к мутациям.

Организм – это открытая система, пропускающая через себя потоки энергии и вещества. Причем ясно и то, что разграничение живого и неживого с физико-химической точки зрения относительно. Так, уже кристаллы обладают многими признаками живого: сохраняют форму, растут, способны к питанию (поглощению избирательно нужных веществ), обладают даже похожими на размножение формами бытия, также чувствительны к внешним условиям (типа изменения температуры, концентрации растворов или наличия примесей). Более близкими к философским следует признать определения, которые стремятся выявить специфицирующий признакживого не в области сугубо субстратной (материально-процессуальной), а акцентирующие информационную сторонуживого. Например: "жизнь – это высокоупорядоченное состояние вещества, использующее для выработки сохраняющихся реакций информацию, кодируемую состоянием отдельных молекул" (Ляпунов).

Обратимся теперь к проблеме происхождения жизни. Существует, по крайней мере, четыре основных идеи в объяснении возникновения жизни:

религиозная идея творения мира и живого в нем Богом;

идея самопро­извольного возникновения живого из неживого;

идея панспермии: зарождение жизни на других планетах и занесение ее из космоса;

идея о физико-химическом возникновении и эволюции жизни на Земле (субстанциальная, энергетическая и информационная интерпретации).

Первая идея в силу своей вненаучности остается нами без комментариев. Идея спонтанного зарождения жизни существовала еще в древних обществах. Так, греческие философы полагали, что определенные частицы вещества содержат некое активное начало, которое при определенных условиях может создать живой организм. Аристотель считал, что активное начало есть в оплодотворенном яйце, сол­нечном свете, гниющем мясе. Он не сомневался в самозарождении лягушек, мышей и других мелких жи­вотных.

С распространением христианства идеи самозарождения были объяв­лены еретическими и долгое время о них не вспоминали. Однако в Новое время они были альтернативой религии и синонимом объективизма. Идеи самозарождения жизни поддерживали, в той или иной форме, Бэкон, Галилей, Декарт, Гегель, Ламарк. Однако в 1688 г. итальянский биолог Реди серией опытов с от­кры­тыми и закрытыми сосудами доказал, что появляющиеся в гни­ющем мясе бе­лые маленькие черви – это личинки мух, и сформу­лировал свой принцип: все живое - из живого. Было доказана ошибочность идеи самопроизвольного зарождения жизни.

Гипотеза панспермиискорее "откладывает про­блему", т. е. переносит ее решение на отдаленное будущее. Сторонники ее уверены в том, что атмосферы небесных тел, а также вращающихся космических туман­ностей можно считать хранилищами живых фор­м, вечными "плантациями" органиче­ских зародышей, откуда жизнь рассеивается в виде "космических спор" по космосу, оплодотворяя безжизненные миры.

Подобным образом мыслили Кельвин, Гельмгольц и др. В начале на­шего века с идеей радиопанспермии выступил Аррениус. Он опи­сывал, как с населенных другими существами планет уходят в ми­ровое пространство час­тички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летя в пространстве Вселенной за счет светового давления. Попадая на пла­нету с подходящими условиями для жизни, они на­чинают новую жизнь на этой планете. Панспермия, конечно же, имеет некоторые резоны: так, при изучении вещества метеоритов и комет были действительно обнаружены мно­гие "предшественники живого". О существова­нии жизни вне Солнечной системы пока определенно сказать сложно, но не­давно в спектрах далекой галактики были обнаружены линии, соответст­вующие спирту.

Современные ученые придерживаются в большинстве своем все же мнения о начале (по крайней мере, хотя бы в одном, "этом" цикле) в эволюции материи, а значит и жизни. Однако "начало" допускает две совершенно противо­положные интерпре­тации:

* Начало однозначно определяется взаимодейст­виями, присущими материи. Начальные условия пред­определяют путь и цель эволюции.

* Начало является случайным событием. При этом имеется в виду, что вероятность этого события практически равна нулю, но, с другой стороны, все-таки нельзя с уверенностью утверждать, что оно не может произойти. Чтобы такая случайность, реализо­вавшись однажды, могла про­явиться в макроскопи­ческих масштабах, она должна обладать извест­ной устойчивостью или даже способностью распро­страняться.

Первая интерпретация означала бы, что высоко­развитые формы жизни, сходные с земными, должны встречаться во многих местах Вселенной. Кроме того, это означает, что если когда-либо в будущем удастся воссоздать в лаборатории начальные условия возник­новения жизни на нашей планете — перспективы для этого пока более благоприятны, чем для полета к другим пла­нетным системам, то при этом с фатальной неиз­бежностью должна возникнуть жизнь с таким же ко­дом и с такими же механизмами, как и существующая ныне. В отношении этой гипотезы — если она пра­вильна — мы можем лишь сказать, что физические законы, в соответствии с которыми мог произойти такой воспроизводимый процесс самоорганизации, сле­дует еще найти. Вопрос о закономерности или случайности "начала" открыт, большинство биологов склоняются скорее в пользу случайности.

Базовой для науки следует все же признать идею о зарождении жизни на Земле в ходе длительнейшей физико-химической эволюции. В представлениях о зарождении жизни в результате физико-хими­че­ских процессов важную роль играет знание об эволюции самой планеты. Земля как отдельная планета образовалась на первом, космическом, этапе своей эволюции. Этот этап продолжался около одного миллиарда лет. Второй этап тесно связан с космическим. В начале второго (первые 100 миллионов лет) Земля обра­зует более 80 % своей массы: формируется макрострук­тура планеты с ее геосферами.

Итак, земная кора уже твердая, но все еще тонкая и подвержена размягчению в отдель­ных областях вследствие тектонических напряжений. Она состоит главным образом из со­единений кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия, а также ряда малозна­чимых соединений, в том числе и органических веществ. В мантии под корой вследствие гра­витационного разделения накапливаются преимущественно силикаты железа и магния.

Роль земной коры для молекулярной эволюции очень велика. Из нее организмы черпа­ют металлы и другие неорганические и органические компоненты, необходимые для по­строения тела и обмена веществ.

Земная кора дает опору жизни, но ее колыбелью становятся первые водные бассейны. Хотя и существуют некоторые гипотезы, согласно которым жизнь возникла не в водном бассейне, а на земной поверхности – в пыли, образованной микрометеоритным «дож­дем».

Но большинство биологов убеждены в том, что жизнь, такой, как мы ее знаем, не могла возникнуть без свободной воды. Для живой ма­терии необходима именно свободная, а не связанная в гидраты вода (или лед), обна­руживаемая в метеоритах или на других планетах.

Наличие воды в телах организмов указывает на ее огромное значение для жизненных процессов. Низшие организмы содержат 95-99 % воды, а высшие — 75-80%. При уменьшении ее количества до определенного уровня наступает смерть.

Трудно описать состояние водной сферы в первые 100-200 миллионов лет существования Земли. По мнению многих ученых, на молодой Земле было около одной десятой массы воды, содер­жащейся в современном океане. Остальные девять десятых образовались позже за счет дега­зации внутренних частей Земли. Именно в результате выделения газа и пара из мантии сфор­мировались гидросфера и атмосфера. В веществе мантии содержится 0,5 % воды, но даже 10 % этого количества достаточно для образования всего сегодняшнего объема океана. Вероятно, океанская вода с самого начала была соленой. При дегазации вещества мантии воды насыща­лись содержащимися там элементами. Это придавало легкий кислотный характер праокеану, который нейтрализовался за счет щелочных компонентов, вызываемых дождями из базальтовой коры и выносившихся реками в океан.

Ранняя эволюция океанов и морей протекала при отсутствии газообразного кислорода. В этих условиях и при наличии безкислородной атмосферы могли возникнуть только анаэробные организмы. Океанологи установили, что органическое вещество встречается во взвешенном состоя­нии в виде отдельных частиц гораздо чаще, чем считалось раньше. Полагают, что основную роль в формировании таких скоплений органических веществ играет образование пены в океане.

Коацерватную гипотезу эволюции живого развил в 1924 г. А.И. Опарин. Коацервация — это самопроиз­вольное разделение водного раствора полимеров на фазы с различной их концентрацией. Коацерватные капли имеют высокую концентрацию полимеров. Часть этих капель поглощали из среды низкомолекулярные соединения: аминокислоты, глюкозу, примитивные катали­заторы. Взаимодействие молекулярного субстрата и катализаторов уже означало возникнове­ние простейшего метаболизма внутри протобионтов («протобионты», по терминологии Опа­рина — первые белковые структуры). Обладавшие метаболизмом капли включали в себя из окружающей среды новые соединения и увеличивались в объеме. Когда коацерваты достигали размера, максимально допустимого в данных физических условиях, они распадались на более мелкие капельки, например под действием волн. Мелкие капельки вновь продолжали расти и затем образовывать новые поколения коацерватов.

Постепенное усложнение протобионтов осуществлялось отбором таких коацерватных капель, которые обладали преимуществом в лучшем использовании вещества и энергии сре­ды. Отбор как основная причина совершенствования коацерватов до первичных живых су­ществ — центральное положение в гипотезе Опарина

Процесс концентрации органических веществ может происходить при отливах, испаре­нии воды в лагунах, а также при волнении. Жизнь возникла, похоже, не в открытом океане, а в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наи­более благоприятные условия для концентрации органических молекул и образования слож­ных макромолекулярных систем.

Биохимическая эволюция начинается с момента образования земной коры, то есть око­ло 4,5 млрд. лет назад. Ее корни уходят в ранний космический этап химической эволюции. Находки древнейших молекулярных ископаемых возрастом 3,5-3,8 млрд. лет показывают, что физико-химическая эволюция, которая привела к образованию первой клетки, продолжалась око­ло миллиарда лет. Образование клетки и было самым трудным на этом долгом пути.

Итак, исходный материал для физико-химической эволюции в появлении живого был заготовлен раньше, на космическом этапе развития и в начале формирования первичных литосферы, гидросферы и атмосферы. Для этого имелось достаточно источников энергии: солнечное из­лучение, тепловая энергия земных недр, высокоэнергетическая радиация, электрические раз­ряды (молнии и гром, при котором возникают сильные ударные волны). Вероятно, тогда же и возникли основы естественного отбора важных биохимических молекул.

Имевшееся количество химических элементов и наличие мощных источников энергии приводят к образованию огромного количества молекул. Путем конденсации (концентрации) этих простых молекул образуются основные биохимические моле­кулы: некоторые аминокислоты, являющиеся основой белков, некоторые органические осно­вания, такие, как аденин, которые являются компонентами нуклеиновых кислот, некоторые сахара, например рибоза, и их фосфаты; простые азотосодержащие молекулы. На следующем этапе происходит укрупнение молекул и формирование сложных макромолекул, важнейших компонентов так называемого «первичного бульона», в котором происходит полимеризация и связывание низкомолекулярных соединений в высокомолекулярные. Такие сложные макромолекулярные соединения, называемые протобионтами, имеют открытую пространственную структуру, что обеспечивает их рост, а также разделение на дочерние образования под дейст­вием механических сил. На этом этапе, когда возникают биологические полимеры, по-видимому, появился и механизм идентичного воспроизведения, который явля­ется основной чертой жизни. Установлено, что способность к самовоспроизведению живых организмов основана на самовоспроизведении нуклеиновых кислот, при котором происходит не только образование новых молекул, но и их разделение. Добиологический, часто химический, этап переходит в этап самоор­ганизации, на котором возникают самовоспроизводящие сложные молекулярные комплексы. Эти макромолекулярные комплексы дают начало жизни. Граница между двумя этапами — этапом чисто химической эволюции и этапом самоорганизации биологических макромолекул — весьма условна и не фиксирована во времени.

Как полагал Опарин, с появлением самовоспроизведения органических молекул нача­лась биологическая эволюция. При этом произошло объединение двух важных свойств: спо­собности к самовоспроизводству и каталитической активности. Наилучшие перспективы сохраниться в предбиологическом отборе имели эти ультрамо­лекулярные системы, в которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроиз­ведению.

Самовоспроизведение означало становление важнейшей способности живого - способности к передаче информации через ее кодирование в наследственном веществе. Она обеспечила огромные преимущества своим носителям — сложным макромолекулярным ком­плексам. В дальнейшем эта способность приводит к образованию огромной информационной насыщенности живой клетки, что обеспечивается тонкими механизмами, сформировавшими­ся в процессе эволюции. При этом запись информации происходит на атомном уровне. В ис­ключительно малом пространстве (например, диаметр сперматозоида составляет около 0,1 мм) может быть записано огромное количество информации.

Предбиологический этап — химический и может быть описан принципами кванто­вой механики. Для него характерно дивергентное (разнонаправленное) развитие. При этом «отсеивалось» множество различных неудачных вариантов, до тех пор пока основные черты строения нуклеиновых кислот и белков не получили отличную «оценку» естественного отбо­ра. Возможно, существовали и другие варианты, при реализации которых жизнь приобрела бы другие черты.

Генетический код сформировался, по-видимому, на последнем этапе эволюции органических систем. Эти системы приобрели способность со­вершенствовать свою организацию путем предбиологического отбора самих систем, а не только отдельных молекул. Это был уже следующий уровень биохимической эволюции, ко­торый обеспечивал как постоянство пространственной и динамической структуры ультрамо­лекулярных систем, так и возрастание их информационных возможностей. После образования генетического кода эволюция становится темой с вариациями.

В 1931 г. появилась концепция В. И. Вернадского. Он обратил внимание на значение живого для геохимического круговорота на планете. Среди миллионов видов нет ни одно­го, который бы мог исполнить один все геохимические функции. Следовательно, изна­чальный состав живого уже в самом начале дол­жен быть сложным. И первое появление жизни при создании био­сферы должно было произойти не в виде появления одного какого-то организма, а в виде их совокупности, отвечающей геохими­ческим требованиям жизни. Вернадский связывал возникновение жизни с гигантской катастрофой, которая прервала безжизненную эволюцию земной коры и внесла в нее столько противоречий, что они смогли породить жизнь. Он считал, что наука способна определить условия, при которых зарождение жизни окажется единственно возможным. Когда-то в прошлом при наличии физико-химических условии, не учитывающихся в настоящее время, был на­рушен принцип Реди ("все живое - из живого"). Этот принцип, установлен­ный в XVII в., не должен выполняться абсолютно, он только указывает, что само­произвольного возникновения жизни нет сейчас, и не было в то вре­мя, когда жизнь уже существовала, раз возникнув. В биосфере, по Вернадскому, есть косное вещество (минералы), которое остается по­стоянным, и живое, меняющееся в процессе эволюции.

Оптические свойства живого и неживого веществ различны, и живое всегда оптически активно. Это значит, что молекулы живого обладают общей асимметрией и поляризуют проходящий через них свет. То же относится и к аминокислотам, образующим живые орга­низмы. Молекулы "косного" веще­ства, имеющие разные виды сим­метрии, напротив, не способны поворачи­вать плоскость поляриза­ции проходящего через них света. Свойство оптиче­ской активности позволяет различать вещество биогенного происхождения от веще­ства "косного". Поскольку веществ, поворачивающих плоскость по­ляризации, вне Земли пока не обнаружено, естественно считать, что земная жизнь имеет земное происхождение.

За последние десятилетия были открыты явления, которые подтвердили выска­зываемые пред­положительно некоторые положения работ Вернадско­го. Во-первых, был от­крыт генетический код, единый для всего жи­вого. Этот "четырехбуквенный алфавит" выглядит как следствие про­цесса естественного отбора, отразившего наиболее приспособленную к земным условиям форму передачи наследст­венной памяти, наслед­ственной информации, которая кодируется нуклеино­выми кислота­ми. Это единство генетиче­ского кода трудно объяснить, отрицая, что жизнь зародилась на Земле и яв­ляется естественным продуктом ее эволюции. Во-вторых, недавно были обнаружены следы жизни на Земле, которые просуществовали 3,6 млрд. лет в глубокой пещере на дне океана. Это значит, что почти одно­временно (по космическим масштабам времени) с возникновением нашей планеты на ней появилась жизнь.

Крупный вклад в объяснение жизни вносит концепция М. Эйгенао предбиологической эво­люции и его гипотеза о механизме зарождения макромоле­кул, необходимых для строительства белка в процессе эволюции. По­лимеризация молекул на пути к живой клетке не могла идти путем простого перебора вариантов, для такого перебора требуется время, превышающее время существования Вселенной. Ведь молекулы быст­ро и экономично складываются в полимерную цепочку по четкому правилу, коду.

В своей работе "Самоорганизация материи в ходе хи­мической эволюции" (1971 г.) Эйген распространил на процессы, которые должны были происходить при эволюционном скачке, прин­цип дарвинов­ского отбора и ввел понятие конкуренции гиперцик­лов или циклов химиче­ских реакций, которые приводят к образова­нию белковых молекул. Те циклы, которые работают быстрее и эф­фективнее, чем остальные, и "побеж­дают" в конкурентной борьбе.

Что понимает Эйген под конкуренцией, за что осуществляется борь­ба? "Пищей" служат молекулы мономеров, которые хотят поглотить, присоеди­нить к себе макромолекулы полимеров, или, точнее, цик­лы реакций. В пер­вичном "бульоне" присутствуют и катализаторы химических реакций, которые сами образуются в них как промежу­точные продукты. Эйген рассмотрел эво­люцию живого, применяя элементы теории игр. Именно он обосновал взаимодополнительность трех признаков жизни – метаболизм, самовоспроизведение и мутабельность (или способность генов к ре­комбина­ции, чтобы результат обладал новыми непредсказуемыми при­зна­ками).

Теория игр в применении к эволюции означает, что нельзя определенно и од­нозначно предсказать конечное состояние живой системы, как и путь к нему. Можно очертить возможности, указать невозможное, дать какие-то ограни­чения. Эволюция сопро­вождается ростом ценности инфор­мации и оптимальным будет тот путь, кото­рый обеспечивает монотон­ный рост ценности информации посредством от­бора новых форм. Сам процесс эволюции есть сочетание правил (законов) и случая, это взаимодействие, где есть выбор, т. е. причина роста информации.

Однако что же, в общем, следует понимать под термином "эволюция"? Под эволюциейживого мира понимают процесс развития природы со времени возникновения жизни до настоящего времени. В ходе эво­люции ме­нялись и возникали новые виды, появлялись все более сложные формы жи­вых организмов, причем живое приспосаблива­лось к изменениям окружаю­щей среды.

Создал теорию эволюции Ч. Дарвин. В 1859 г. он опуб­ликован свой знаменитый труд "Проис­хождение видов", открывший собой новую эпоху и в биологии, и в научном мышлении. Утверждавшаяся в нем идея развития живого путем эволюции превратилась впо­следствии в общенаучный метод. В основе дарвиновской теории лежат принципы изменчивости, наследствен­ности и естественного отбора.

Изменчивость — любые проявления неопределен­ности, случайности в передаче наследственных признаков. Изменчивость создает то многообразие возмож­ностей, из которых возникает многообразие форм в организации живого. Но она также служит и причиной деградации, упрощения. Одни и те же факторы изменчивости стимулируют и со­зида­ние, и разрушение.

Наследственность— свойство родителей передавать свои признаки потомкам. Это свой­ство не абсолютно: дети никогда не бывают точными ко­пиями родителей, но кошка приносит на свет всегда только котят, а из семян пшеницы вырастает только пше­ница. В процессе размножения от поколения к поколе­нию передаются не признаки, а код наследственной ин­формации, определяющий лишь возможность развития будущих признаков в опреде­ленном диапазоне. Наследу­ется не признак, а норма реакции развивающейся особи на действие внешней среды.

Уже в XIX в. ученые начали понимать, что передачу признаков по на­следству осуществляют какие-то части­цы, имеющиеся в клетках, которые потом получили на­звание генов. Установлено, что возможность возникно­ве­ния всех наследственных признаков организма — от простейших клеток до человека — «записана», закодиро­вана в виде последовательности нуклеоти­дов ДНК, пере­дающейся от клетки к клетке из поколения в поколение с мо­мента возникновения жизни на Земле. Клетки, ли­шенные ядер, например, эритроциты —красные кровя­ные тельца млекопитающихся, не способны к делению и размножению. Они возникают только из клеток-пред­шественни­ков, имеющих ядра. Именно наследственность, наличие генетической про­граммы в виде ДНК обеспечи­вает смену поколений, не прерывающуюся уже не менее 3,8 миллиарда лет. Генетические программы в этом про­цессе изме­нялись, усложнялись, но никогда не возника­ли из ничего.Каждый организм — это результат взаимодействия между генетиче­ской программой его развития и услови­ями ее реализации. Наследственность есть выражение преемственности органических форм в процессе размножения, при кото­ром в потомстве возобновляются, т. е. развиваются зано­во, сходные структуры и функции.

Естественный отбор — фактор, который управляет изменениями и контроли­рует их. В основе дарвиновской теории лежит факт весьма интенсивного раз­множения организмов. Если бы для размножения не было преград, то уве­личение численности любого вида живых существ шло бы в геометрической прогрессии. Это означает, что и медленно размножаю­щиеся организмы очень быстро заняли бы поверхность земного шара. Но этому размножению проти­востоят многочисленные препятствия, приводящие к огромной смертности, в особенности среди личинок и молоди. Смертность, как правило, возрас­тает с увеличением численности, но это не означает, что размножение при­водит к настоящему перенаселению, характеризуемому недостатком жизнен­ных средств. Во многих случаях смер­тность определяется врагами и парази­тами, размножаю­щимися параллельно увеличению численности тех орга­низ­мов, которые служат им пищей. Организм встречает в этих факторах сопротивление не только увеличе­нию своей численности, но и своему суще­ствованию. Только путем преодо­ления этого сопротивле­ния данный вид может сохранить себя. Эту форму активности организма в обеспечении сво­ей жизни и жизни своего потомства Дарвин назвал борьбой за существование. Она выражается не только в конкурен­ции и пассивных формах соревнования, но и в различных формах кооперации и сотрудничества. В природе происходят процессы избирательного унич­тожения одних особей и избирательного выживания дру­гих. Особи, успешно противостоящие неблагоприятным факторам и лучше использующие ресурсы внешней сре­ды, с большей вероятностью могут оста­вить потомство. Этот процесс, действующий на протяжении десятков и сотен поколений, — главная движущая сила эволюции. Сейчас различают три главные формы отбора: движущий; стабилизирующий; деструктивный.

Придвижущем, или центробежном, отборе большую вероятность ос­тавить потомство имеют особи, изменив­шиеся по каким-нибудь признакам по сравнению со сред­ней для данного вида нормой. Отбирается один тип от­клонения от нормы. Так появляются на свет более ус­тойчивые к антибиоти­кам бактерии, более быстрые зайцы, засухо- и морозоустойчивые растения. Это путь возник­новения новых видов, лучше приспособившихся к усло­виям внешней среды, чем виды-родители.

Стабилизирующий, или центростремительный, есте­ственный от­бор сохраняет в популяции среднее значение признаков (норму) и не пропус­кает в следующее поколе­ние наиболее отклонившихся от этой нормы особей. Это путь сохранения видов неизменными.

Придеструктивном или разрывающем отбо­ре отбирается не один, а несколько признаков отклонения от нормы (два или больше). Это путь дробления предкового вида на дочерние группировки, каждая из которых может стать новым видом. При этом единый прежде вид распадается на группировки (расы, формы), отличающиеся по внешним признакам, по времени размноже­ния или же по предпочитаемой пище. Человек приме­няет деструктивный отбор, выводя мясные и молочные породы рогатого скота, верховых и тяжелоуп­ряжных лошадей, разные породы собак и сорта культурных рас­тений. Выделяют ещесемейный, илигрупповой, отбор, когда преимущество в размножении получают не отдельные осо­би, а вся группа в целом. Так воз­никают приспособительные черты группового поведения муравейника, пче­линой семьи, табуна копытных или стаи обезьян.

Несмотря на то, что разные формы естественного от­бора могут приво­дить к разным, даже противоположным результатам, принцип у всех этих форм один: выжива­ние и большая вероятность оставить потомство наиболее приспособленных к данным условиям особей.

Естественный отбор создает приспособляемость ви­дов к условиям внешней среды. Но отбор бывает не только естественным, но и искусствен­ным.Искусственный от­бор — это способ, с помощью которого наряду с гибри­дизацией человек создал и создает высокопродуктивные породы животных, сорта культурных растений. Темпы эволюции, управляемой челове­ком, гораздо быстрее, чем в природе. Это объясняется тем, что искусствен­ный от­бор гораздо эффективнее естественного: человек сохраня­ет только те организмы, которые ему нужны, а в природе большинство полезных мута­ций лишь несколько увели­чивают вероятность выживания и размножения.

Но Дарвин не мог объяснить механизмы и источники эволюции. Проникнуть в глубины живого, где и находились движущие силы эволюции, стало возможным с эпохальным открытием Грегором Менделем корпускулярной при­роды наследственности (1865 г.) Законы генетики Менделя были подтверждены в начале ХХ в. другими видными учеными. Придал категориальный вид модели Менделя датский биолог В. Л. Иогансен, который и ввел такие основные термины генетики, как "генотип", "фено­тип", "аллель", "ген".

В дальнейшемвозникает новая,







Последнее изменение этой страницы: 2016-12-27; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 34.236.170.48 (0.018 с.)