Проблема возникновения жизни

 

Одной из основных проблем биологии является происхождение жизни на Земле. Согласно современным научным данным первые организмы существовали на нашей планете уже 3,5 – 4 млрд. лет назад. Существует ряд гипотез возникновения жизни: креационизм, самопроизвольное зарождение, стационарное состояние, панспермия, биохимическая эволюция.

Согласно креационизму, жизнь была создана сверхъестественным существом (Богом) за определенное время. Данной гипотезе придерживаются представители практически всех религиозных учений. В XVII веке ирландский архиепископ Ашер даже вычислил время создания Богом Земли, сложив возраст всех людей, упоминавшихся в библейской генеалогии от Адама до Христа. Конечно, многих это заставит улыбнуться, но современная наука не в состоянии ни опровергнуть, ни подтвердить данную гипотезу.

Гипотеза самопроизвольного зарождения исходит из того, что жизнь возникала неоднократно из неживого вещества. Известен эксперимент, когда Ван Гельмонт якобы сумел создать искусственным путем мышей, использовав для этого пшеницу, грязную рубашку и шкаф. Позже итальянский врач Франческо Реди опроверг такую возможность, доказав на опыте что жизнь возникает из жизни (концепция биогенеза). Окончательно гипотезу самопроизвольного зарождения опроверг Луи Пастер, подтвердивший справедливость взглядов Реди. С другой стороны, концепция биогенеза не дала ответ на вопрос о происхождении жизни. Более того, возникает новый вопрос: как появился самый первый организм?

Гипотеза стационарного состояния говорит, что жизнь существовала всегда. Как и предыдущие подходы, она берет свое начало в древности, но наибольшую популярность обретает в настоящее время. Дело в том, что в горных породах, возраст которых составляет почти 4 млрд. лет, обнаружены следы деятельности микроорганизмов. При этом возраст самой планеты составляет 4,5 млрд. лет. Вывод напрашивается сам собой – на планете Земля жизнь существовала всегда, ну или почти всегда. Если же учесть, что возраст нашей Вселенной более 13 млрд. лет, то можно однозначно утверждать, что жизнь в ней существует продолжительное время (одна третья часть возраста самой Вселенной). Именно данная гипотеза заставляет многих усомниться в верности теории эволюции, особенно в той ее части, где говорится о происхождении жизни из неживой материи. Все чаще звучат призывы «перевернуть» эту теорию, признать идею о происхождении неживой материи из живой. В качестве подтверждающего факта можно привести например образование почвы на планете.

Одна из наиболее популярных гипотез о происхождении жизни – панспермия, согласно которой жизнь занесена на планету извне. Фантастические фильмы и произведения литературы рисуют тысячи версий о внеземном происхождении жизни и человека на Земле. Иную позицию занимают ученые, основная часть которых подобно средневековым теологам, напрочь отметает подобную гипотезу. И дело даже не в отсутствии подтверждающих фактов (их как раз предостаточно), а в самом человеческом характере. Гораздо приятнее осознавать факт своей исключительности и смиренно и печально декларировать об «одиночестве человека во Вселенной». Но неужели жизнь есть только на нашей планете? На Марсе обнаружена вода (в виде снежных шапок на полюсах), на снимках поверхности планеты видны русла высохших рек, остаточная атмосфера тоже существует. На Венере атмосфера кислотная. Но на Земле обнаружены бактерии, живущие в кислоте. Каждый день на нашу планету падают метеориты, содержащие вещества «предшественники живого» - синильную кислоту, цианогены, органические соединения. Археологи и историки настойчиво забывают демонстрировать общественности наскальные рисунки первобытных людей, изображающие, помимо всем известных бизонов, мамонтов и медведей, предметы поразительно напоминающие космические тела (ракеты, «летающие тарелки») и космонавтов. Следует оговориться, что тема НЛО закрыта для обсуждения. Считается, что это удел журналистов из желтой прессы, психически больных людей и т.д. Регулярно фиксируемые появления НЛО объявляются фальсификацией, а сам факт существования НЛО отрицается. Это очень странно, ибо сама аббревиатура НЛО расшифровывается именно как неопознанный летающий объект, т.е речь не идет о космических кораблях. Но все таки самым главным фактом, подтверждающим возможность существования жизни во Вселенной, является сама земная жизнь. Если жизнь смогла возникнуть на Земле (или кто-то ее создал), то сможет возникнуть или быть создана в другом месте Вселенной, особенно если учесть ее колоссальные размеры. Необходимо отметить, что данная гипотеза не является собственно гипотезой возникновения жизни, т.к. не рассматривает проблему с этой точки зрения. Она просто переносит проблему возникновения жизни в другое место Вселенной.

Гипотеза биохимической эволюции объясняет возникновение жизни в результате процессов, подчиняющихся законам физики и химии. По мнению А.И. Опарина и Б.С. Холдейна, первоначально на безжизненной планете образовалась восстановительная первичная атмосфера, что создало предпосылки для возникновения молекул органического вещества небиологической природы. В результате химической эволюции появились органические соединения – коацерваты, способные к обмену веществ с окружающей средой. Пищей им служил органический бульон первичного океана. Видимо, в появлении коацерватов особую роль сыграл выброс радиации в результате взрыва сверхновой в окрестностях Солнечной системы. Химическая эволюция завершается образованием на основе коацерватов клеток, отделенных от среды мембраной. С этого момента начинается биологический этап эволюции. Собственно, клетка – это уже живой организм, единица жизни, отдельная особь. Данная гипотеза общепризнанна, является официальной в науке и провозглашена теорией происхождения жизни. Важно подчеркнуть, что отдельные положения этой теории подтверждены на практике, сама она имеет строгий, четкий характер. В то же время совершенно не объясняется как коацерват превращается в клетку, доказательств такого качественного скачка в эволюции материи нет.

Все рассмотренные гипотезы имеют право на существование, но ни одна из них еще не получила абсолютного подтверждения.

 

Структура живого вещества

 

Не существует строгого определения, что такое жизнь. Вместо формулирования заведомо неполного представления о ней лучше попытаться представить жизнь через совокупность её наиболее существенных признаков.

Первым из таких признаков является:

Питание. Оно служит для живых организмов источником энергии и веществ. Растения усваивают энергию непосредственно, через процесс фотосинтеза. Животные и грибы через расщепление чужой органики. Первые именуются автотрофами, а вторые - гетеротрофами.

Дыхание. Одной из основных его функций является освобождение энергии при расщеплении высокоэнергетических соединений. Высвобождаемая при этом энергия запасается в молекулах АТФ.

Раздражимость является способностью реагировать на изменение внешней и внутренней среды.

Подвижность следует понимать не только как действие, ведущее к изменению положения в пространстве, например, для растений это менее всего характерно, но в большей степени как общий приспособительный элемент адаптационного поведения, чаще всего выраженный в изменении пространственных координат.

Выделение является выведением из организма конечных продуктов обмена веществ.

Размножение. Его эволюционная роль заключается в сохранении главных признаков родителей у потомства.

Рост - это один из наименее специализированных признаков живого вещества. Он характерен и для неживой материи, например, кристалл, но и здесь существуют различия. Так кристалл растёт «снаружи», присоединяя новое вещество к поверхности, а живое растёт «изнутри».

Жизнь начинается тогда, когда в живой элементарной конструкции - клетке начинается саморегуляция, обеспечивающая смену поколений, приспособление к меняющимся условиям внешней среды и к взаимодействию клеток друг с другом. Тысячи ферментных процессов координируются клеткой, обеспечивая циклику ее развития. Это же относится к комплексу клеток и, наконец, к организму в целом.

В регуляции жизнедеятельности организма чрезвычайно велика роль мембран. Это одно из основных звеньев регуляторного механизма. Меняющаяся проницаемость мембран определяет взаимоотношения клетки с внешней средой и другими клетками, ядерные мембраны определяют взаимоотношения ядра с протоплазмой. Мембранные системы митохондрий, опять-таки не только осуществляют, но и регулируют приготовление универсальных энергетических ресурсов клетки, а протоплазменные мембраны участвуют в регулируемом синтезе веществ.

Не следует забывать, что решающую роль мембраны играют, одевая все нервные проводники. Нервные импульсы, распространяющиеся по сотням миллионов нервных волокон в организме, по существу говоря, обусловлены процессами быстро распространяющихся состояний - изменений ионной проницаемости в мембранах нервного волокна. Говоря несколько упрощенно, нервные связи и даже интегративная деятельность мозга, в какой-то мере, обусловлены мембранными процессами.

Все заболевания и, в частности, повреждающее действие радиации - это, прежде всего, расстройство регуляции. Проникающая в клетку вирусная частица, вмешиваясь в регуляцию клеточных процессов, меняет программу синтетической деятельности клетки, которая прекращает свой нормальный синтез и начинает приготовлять вирусные частицы. В настоящее время в эксперименте показано, что ядро взрослой нервной клетки, которое, как известно, не делится, пересаженное в дробящуюся клетку яйца, начинает служить новому хозяину и, под влиянием расшифрованных теперь химических регуляторов, меняет программу синтеза нуклеиновой кислоты и начинает быстро делиться.

Рассматривать гены в ядре как единственную управляющую систему - это сегодня уже упрощение. Нет по существу равновесия ни в клетке, ни в организме, ни в биосфере в целом. Имеется некая динамическая циклика процессов и, если нарушается регуляция этой циклики и выбросы превышают разрешенную амплитуду, наступает заболевание или гибель в клетке или в организме и катастрофические последствия в живой природе в целом. В клетке циклика развития проявляется, например, в периодическом клеточном делении. Определенная циклика характерна и для живого организма.

В качестве примеров регуляции живого организма можно назвать следующие параметры:

Регуляция содержания дыхательных газов в крови.

Регуляция уровня метаболитов в крови.

Регуляция ритма сердца и кровяного давления.

Защита от инфекции.

Терморегуляция.

Совокупность живых организмов таксономируется. Таксоны реальны. Они обладают собственной пространственно-временной структурой. Живые системы подчинены иерархическому контролю, что означает возможность прямых или опосредованных контролирующих воздействий таксонов друг на друга.

Системное единство каждого уровня обеспечивается процессом биологического узнавания. Уровни организации живых систем выражаются следующим образом:

Живая молекула (протоплазма).

Клетка, несущая в себе ДНК, РНК, белки и ферменты.

Организм (особь), в которой реализуется наследственная информация.

Вид (популяция) - в его пределах осуществляются конкуренция и естественный отбор.

Биогеосфера, в которой реализуются геохимические функции живого вещества: газовая функция (участвуют все организмы); кислородная (хлорофиллы); окислительная (бактерии); кальциевая (водоросли, бактерии и др.); восстановительная (бактерии); разрушение органических соединений (бактерии, грибы); метаболизм (всё живое).

Понятие «гомеостаз» (греч. «homoios» - подобный, одинаковый, и «stasis» - состояние) было введено У. Кенноном. Гомеостаз рассматривается как некоторое динамическое постоянство параметров объекта управления в процессе его существования. Механизм поддержания гомеостаза выглядит как иерархическая структура управления, состоящая из трех контуров, причем цели в двух из них соотносятся как противоречащие друг другу и являются объектом управления в некотором третьем контуре.

Начальный этап исследований выявил относительное динамическое постоянство внутренних свойств (структуры) и внутренней среды организма и устойчивости выполнения им основных функций. Было выяснено, в частности, что для гомеостаза характерна нежесткость требований к параметрам состояния, когда важно, чтобы постоянство соблюдалось только в той степени, которая необходима для нормального функционирования организма в целом (а не для каждого процесса или канала управления в отдельности). Гомеостаз стал одним из кардинальных понятий современной физиологии. Однако структуры и механизмы его поддержания в ходе этих исследований не были раскрыты.

Следующий этап в развитии представлений о гомеостазе связан с появлением концепции кибернетики. Он формально описал механизм возникновения и поддержания гомеостаза как контур отрицательной обратной связи с задающим сигналом. Фактически этим понятие гомеостаза было признано свойством структурной организации систем, независимо от их природы (естественных и искусственных). С позиций теории управления гомеостаз означает сохранение постоянства внутренней среды системы в ходе реализации любых управленческих программ.

Классическая линия развития теории управления идейно была определена желанием сохранить схему Н. Винера для объектов любой сложности. Появившиеся в конце 1960-х гг. работы по теории многосвязных систем основывались на простой идее: среди всех выходов системы выделить главный, для которого и надо решать задачу управления. Что касается реакций остальных переменных системы, то их надо сгладить. Эта идея развивается затем в работах по чувствительности и ее минимизации, а затем - в теории инвариантности.

Применительно к организму (естественной системе) был предложен принципиально иной подход к понятию целей управления. В его основе - строгая семантическая трактовка сущности иерархической структуры, наличие нелинейных отношений между различными целями управления и обусловленная этим степень внутренней свободы системы, характеризующаяся нежесткостью требований к параметрам состояния. Степень внутренней свободы, присущая предложенному подходу к целям управления такова, что постоянство соблюдается только для системы в целом (а не для каждого процесса или канала управления в отдельности).

С позиции классической теории управления это условно можно трактовать как нахождение общей части областей устойчивости для различных каналов управления системы «Гомеостаз - путь создания устойчивости в самой управляющей системе за счет подходящей структуры». Можно сказать, что предложенное теоретическое положение стало отправной точкой для формирования теории гомеостатического управления в ее современном понимании, так как положило основу для формирования идейного, понятийного и математического аппарата исследования. В первую очередь была показана сложная организация решения задачи самосохранения в естественных системах.

Сформированные теоретические представления о гомеостазе стали основой для решения прикладных задач. После появления винеровской модели сразу же были разработаны модели различных физиологических систем в виде одноконтурных систем с постоянной установкой, которая задавала «желаемый» уровень каких-либо веществ в организме (гормонов, водородных ионов и т. п.), температуры или «очевидных» параметров (напр., давления в системе кровообращения). Однако быстро выяснился основной недостаток такой модели - установка не отражает изменчивости состояния организма в разных условиях.

Появилось две возможности преодолеть это противоречие:

Первый подход - сделать многоуровневые модели с меняющимся значением установки, где второй уровень управления меняет значения установок для регуляторов низшего уровня, а третий следит за организмом в целом. Этот подход был развит в СССР С. Н. Брайнесом и В. Б. Свечинским, а затем применён для социально-организационных структур.

Другой подход - вообще отказаться от жесткой винеровской схемы (как одно,- так и многоконтурной).

Практика моделирования пошла по второму пути. Оказалось, во-первых, что в реальных физиологических системах, как правило, не удается обнаружить структуры, где бы производилось используемое в модели «сравнение двух сигналов».

Во-вторых, выяснилось, что описание физиологического объекта управления в модели Винера передаточной функцией не годится для описания сколько-нибудь сложных систем. В сложной системе, где имеется множество передаточных функций, их надо складывать, умножать, делить. Если одинаковые переменные окажутся в числителе и в знаменателе, то их можно сократить, понизив порядок системы. Но при сокращении теряется информация об исходном состоянии системы - о начальных значениях на всех элиминированных «интегрирующих звеньях». Система становится «непредсказуемой» - процессы в модели не отражают процессы в реальной системе.

Выход в этой ситуации был найден Р. Калманом, с работ которого начался новый этап в развитии теории управления. Его сущность состояла в отказе от модели «черного ящика» и переходе к методу пространства состояний, когда само математическое описание системы в виде дифференциальных уравнений содержит полную информацию о ее структуре. В моделировании биологических систем (а к этому времени понятие гомеостаза распространилось и на смежные с физиологией сферы) стали применяться компартментальные модели, позволяющие смоделировать баланс веществ в системе и сложные формы управления им. Именно здесь и возникла принципиальная возможность построения общего подхода для анализа гомеостаза систем любой природы, как биологической, так и технической.

 

Теории эволюции

 

В 1809 году вышла в свет «Философия зоологии» французского учёного Жана Батиста Пьера Антуана де Моне Ламарка (1744-1829). В этой работе была предпринята первая попытка создания теории эволюции видов. Она оказалась неудачной. Ламарк построил свою теорию на следующих двух положениях:

Во всех живых существах заложено внутреннее стремление к совершенствованию. Оно является движущей силой эволюции. Действием этого фактора определяется развитие живой природы, постепенное, но неуклонное повышение организации живых существ от простейших до самых совершенных. Его результатом является одновременное существование в природе организмов разной степени сложности, как бы образующих иерархическую лестницу существ.

Внешняя среда непосредственным образом влияет на изменение формы тех или органов живых существ. «У каждого животного, не завершившего ещё своего развития, более частое и продолжительное употребление какого-нибудь органа укрепляет этот орган, развивает его, увеличивает и придаёт ему силу, пропорциональную продолжительности употребления, тогда как постоянное отсутствие употребления какого-либо органа постепенно его ослабляет, приводит к упадку и заставляет его исчезнуть».

Он ошибался так как, естественно, не знал различий между генотипом и фенотипом. Упражнением или неупражнением можно изменить фенотип, но не генотип. Чтобы доказать, что фенотипические изменения не передаются по наследству, А. Вейсман провёл многолетний эксперимент, в котором на протяжении многих последовательных поколений укорачивал мышам хвосты. По теории Ламарка вынужденное неупотребление хвостов должно было привести к их укорочению у потомства, но этого не произошло. Вейсман на этом основании постулировал, что признаки, приобретаемые телом и приводящие к изменению фенотипа, не оказывают прямого воздействия на половые клетки (гаметы), с помощью которых признаки передаются следующему поколению.

В противоположность Ж. Ламарку Ж Кювье, исходя из особенностей строения нервной системы, сформулировал в 1812 г. учение о 4 «ветвях» (типах) организации животных: позвоночные, членистые, мягкотелые и лучистые. Между этими типами он не признавал никаких связей и переходов. В пределах типа позвоночных он различал 4 класса: млекопитающие, птицы, земноводные, рыбы. Описал большое число ископаемых форм и выявил принадлежность многих из них к определённым слоям земной коры. Ж. Кювье впервые предложил по ископаемым останкам определять возраст геологических слоёв, и наоборот. Основываясь на принципах «корреляции органов» и «функциональной корреляции», он разработал метод реконструкции ископаемых форм по немногим сохранившимся фрагментам скелета.

Отстаивая религиозные представления о сотворении и неизменности видов и отсутствии переходных форм между видами, он, для объяснения смены фаун и флор, наблюдаемых в последовательных геологических пластах, выдвинул теорию катастроф. В катастрофизме геологическая история Земли рассматривается как чередование длительных эпох относительного покоя и сравнительно коротких катастрофических событий, резко преображавших лик планеты. Согласно этой теории, в результате стихийных периодических бедствий на значительной части земного шара погибало всё живое, после чего его поверхность заселялась новыми формами, пришедшими из других мест. Концепция катастрофизма и неоднократных творческих актов согласовывалась с библейской концепцией творения мира. Благодаря идеям Ж. Кювье, широко распространились идеи о прогрессе в органическом мире и об эпизодических событиях, нарушающих однообразие в истории Земли. Это способствовало формированию представлений о сочетании эволюционного и скачкообразного развития.

В 1830-33 г. был издан труд английского естествоиспытателя Ч. Лайелла «Основы геологии». В этой работе в противовес популярной в то время теории катастрофизма он разработал учение о медленном и непрерывном изменении земной поверхности под влиянием постоянных геологических факторов, действующих и в современную эпоху (атмосферные осадки, текучие воды, извержения вулканов и т. д.). Эволюционная теория Ч. Лайелла (актуализм) явилась крупным шагом на пути к материалистическому пониманию природы. Ч. Лайелл считал действующие на Земле силы постоянными по качеству и интенсивности, не видел их изменения во времени и связанного с этим развития Земли.

Чарльз Дарвин в своем основном труде «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859) обобщил эмпирический материал современной ему биологии и селекционной практики, на основе результатов собственных наблюдений во время путешествий, кругосветного плавания на корабле «Бигль», раскрыл основные факторы эволюции органического мира. В книге «Изменение домашних животных и культурных растений» (т.1-2, 1868) он изложил дополнительный фактический материал к основному труду, а в книге «Происхождение человека и половой отбор» (1871) выдвинул гипотезу происхождения человека от обезьяноподобного предка. В основе теории Дарвина - свойство организмов повторять в череде поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом - свойство наследственности.

Наследственность вместе с изменчивостью обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни и лежит в основе эволюции живой природы. Одно из основных понятий своей теории эволюции - понятие «борьба за существование» - Дарвин употреблял для обозначения отношений между организмами, а также отношений между организмами и абиотическими условиями, приводящих к гибели менее приспособленных и выживанию более приспособленных особей.

Понятие «борьба за существование» отражает те факты, что каждый вид производит больше особей, чем их доживает до взрослого состояния, и что каждая особь в течение своей жизнедеятельности вступает во множество отношений с биотическими и абиотическими факторами среды.

Дарвин выделил две основные формы изменчивости:

Определенную изменчивость - способность всех особей одного и того же вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (климат, почву).

Неопределенную изменчивость, характер которой не соответствует изменениям внешних условий. В современной терминологии неопределенная изменчивость называется мутацией.

Мутация - неопределенная изменчивость в отличие от изменчивости определенной носит наследственный характер. По Дарвину, незначительные изменения в первом поколении усиливаются в последующих поколениях. Дарвин подчеркивал, что решающую роль в эволюции играет именно неопределенная изменчивость. Она связана обычно с вредными и нейтральными мутациями, но возможны и такие мутации, которые оказываются перспективными.

Неизбежным результатом борьбы за существование и наследственной изменчивости организмов, по Дарвину, является процесс выживания и воспроизведения организмов, наиболее приспособленных к условиям среды, и гибели в ходе эволюции неприспособленных - естественный отбор.

Механизм естественного отбора в природе действует аналогично селекционерам, то есть складывает незначительные и неопределенные индивидуальные различия и формирует из них у организмов необходимые приспособления, а также межвидовые различия. Этот механизм выбраковывает ненужные формы и образовывает новые виды.

Тезис о естественном отборе наряду с принципами борьбы за существование, наследственности и изменчивости - основа дарвиновской теории эволюции.

Во времена Дарвина наследственность представляли как некое общее свойство организма, присущее ему как целому. В связи с этим шотландский исследователь Флеминг Дженкинс вошел в историю биологии, выдвинув возражения против теории Дарвина. Он считал, что новые полезные признаки некоторых особей данного вида должны быстро исчезнуть при скрещивании с другими, более многочисленными особями. Возражения Дженкинса сам Дарвин считал очень серьезными, окрестив их «кошмаром Дженкинса». Эти возражения были опровергнуты, только когда стало ясно, что аппарат наследственности сформирован отдельными структурными и функциональными единицами - генами.

Согласно Ч. Дарвину и А. Уоллесу, механизмом, с помощью которого из предсуществовавших видов возникают новые виды, служит естественный отбор. Эта гипотеза основана на трёх наблюдениях и двух выводах:

Наблюдение 1. Особи, входящие в состав популяции, обладают большим репродуктивным потенциалом. Дарвин и Уоллес зафиксировали этот факт во многом благодаря работе Т. Мальтуса «Трактат о народонаселении». В ней Т. Мальтус привлёк внимание к репродуктивному потенциалу человека и отметил, что численность народонаселения возрастает по экспоненте.

Наблюдение 2. Число особей в каждой данной популяции примерно постоянно. Численность всех популяций ограничивается или контролируется различными факторами среды, такими как пищевые ресурсы, пространство и свет. Размеры популяции возрастают до тех пор, пока среда ещё может выдерживать их дальнейшее увеличение, после чего достигается некое равновесие. Численность колеблется около этого равновесного уровня.

Вывод 1. Многим особям не удаётся выжить и оставить потомство. В популяции происходит «борьба за существование». Непрерывная конкуренция между индивидуумами за факторы среды в пределах одного вида или между представителями разных видов приводит к тому, что некоторые организмы не смогут выжить или оставить потомство.

Наблюдение 3. Во всех популяциях существует изменчивость. Огромный фактический материал, собранный во время путешествий Дарвином и Уоллесом убедили их в значимости внутривидовой изменчивости. Но они не смогли выявить источники всех этих форм изменчивости. Это позже сделает Г. Мендель.

Вывод 2. В «борьбе за существование» те особи, признаки которых наилучшим образом приспособлены к условиям жизни, обладают «репродуктивным преимуществом» и производят больше потомства, чем менее приспособленные особи. Решающий фактор, определяющий выживание, - это приспособленность к среде. Любое, самое незначительное физическое, физиологическое или поведенческое изменение, дающее одному организму преимущество перед другим, будет действовать как «селективное преимущество». Благоприятные изменения будут передаваться следующим поколениям, а неблагоприятные отметаются отбором, так как они невыгодны организму. Вывод 2 содержит гипотезу о естественном отборе, который может служить механизмом эволюции.

Теория эволюции, предложенная Дарвином и Уоллесом, была расширена и разработана в свете современных данных генетики, палеонтологии, молекулярной биологии, экологии и этологии и получила название неодарвинизма. Его можно определить как теорию органической эволюции путём естественного отбора признаков, детерминированных генетически. Чтобы признать эту теорию достоверной необходимо:

Установить факт изменения форм жизни во времени (эволюция в прошлом).

Выявить механизм, производящий эволюционные изменения (естественный отбор генов)

Продемонстрировать эволюцию, происходящую в настоящее время (эволюция в действии).

Свидетельствами эволюции, происходившей в прошлом, служат ископаемые остатки организмов и стратиграфия. Данные о механизме эволюции получают путём экспериментальных исследований и наблюдений, касающихся естественного отбора наследуемых признаков и механизма наследования, демонстрируемого классической генетикой. Сведения о действии этих процессов в наше время даёт изучение популяций современных организмов, результаты искусственного отбора и генной инженерии.

Пока не существует твёрдо установленных законов эволюции. Мы обладаем лишь хорошо подкреплёнными фактическими данными из области палеонтологии, географии распространения видов, системы классификации К. Линнея, селекции растений и животных, сравнительной анатомии, сравнительной эмбриологии, сравнительной биохимии гипотезами, которые в совокупности составляют достаточно обоснованную теорию.

 

Теория наследственности

 

После повсеместного распространения учения Ч. Дарвина одним из первых критиков, указавших на слабое место в теории, был шотландский исследователь Ф. Дженкинс. В 1867 г. он заметил, что в дарвиновской теории нет ясности в вопросе о том, как осуществляется накопление в потомстве тех или иных изменений. Ведь сначала изменения признака происходят только у некоторых особей. После скрещивания с нормальными особями должно наблюдаться не накопление, а разбавление данного признака в потомстве. То есть в первом поколении остаётся ½ изменения, во втором - ¼ изменения и т. д. вплоть до полного исчезновения этого признака. Ч. Дарвин так и не нашёл ответа на этот вопрос.

Между тем решение этого вопроса существовало. Его получил преподаватель монастырской школы в Брно (Чехия) Г. Мендель. В 1865 году были опубликованы результаты его работ по гибридизации сортов гороха, где были открыты важнейшие законы наследственности. Автор показал, что признаки организмов определяются дискретными наследственными факторами.

Он ещё до выхода в свет книги Ч. Дарвина хотел проследить судьбу изменений генотипов в разных поколениях гибридов. Объектом исследования стал горох. Мендель взял два сорта гороха - с жёлтыми и с зелёными семенами. Скрестив эти два сорта, он обнаружил в первом поколении гибридов горох только с жёлтыми семенами. Путём самоопыления полученных гибридов он получил второе поколение. В нём появились особи с зелёными семенами, но их было заметно меньше, чем с жёлтыми. Подсчитав число тех и других, Мендель пришёл к выводу, что число особей с желтыми семенами относится к числу особей с зелёными как приблизительно 3:1.

Параллельно он проводил серию других опытов с растениями, прослеживая какой-либо признак в нескольких поколениях. В каждом опыте в первом поколении проявлялся только один из родительских признаков. Мендель назвал его доминантным. Временно исчезающий признак он назвал рецессивным. Во всех опытах отношение числа особей с доминантным признаком к числу особей с рецессивным признаком среди гибридов второго поколения было в среднем равно 3:1.

Итак, можно было утверждать, что при скрещивании растений с противоположными признаками происходит не разбавление признаков, а подавление одного признака другим, в связи с этим необходимо различать доминантные и рецессивные признаки.

Мендель пошёл в своих экспериментах дальше. Он произвёл самоопыление гибридов второго поколения и получил гибриды третьего, а затем и четвёртого поколения. Он обнаружил, что гибриды второго поколения с рецессивным признаком при дальнейшем размножении не расщепляются ни в третьем, ни в четвёртом поколениях. Так же ведёт себя примерно треть гибридов второго поколения с доминантным признаком. Две трети гибридов с доминантным признаком расщепляются при переходе к гибридам третьего поколения, причём опять-таки в отношении 3:1. Получившиеся при этом расщеплении гибриды третьего поколения с рецессивным признаком и треть гибридов с доминантным признаком при переходе к четвёртому поколению не расщепляются, а остальные гибриды третьего поколения расщепляются, причём снова в отношении 3:1.

Этот факт демонстрирует важное обстоятельство: особи с одинаковыми внешними признаками могут обладать разными наследственными свойствами, то есть по фенотипу нельзя судить с достаточной полнотой о генотипе. Если особь не обнаруживает в потомстве расщепления, то её называют гомозиготной, если обнаруживает - гетерозиготной.

В итоге Г. Менделем был сформулирован закон единообразия гибридов первого поколения: первое поколение гибридов в силу проявления у них лишь доминантных признаков всегда единообразно. Этот закон носит также название первого закона Менделя или закона доминирования. Однако результаты его исследований оставались практически неизвестными почти 35 лет - с 1865 по 1900.

В 1900 году законы Менделя были переоткрыты независимо сразу тремя учеными - Г. де Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии. В 1909 датский ученый В. Иогансен ввёл понятие «ген» (от греч. слова «происхождение»). К настоящему времени установлено, что ген - единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака, то есть единица наследственной информации - представляющая собой участок молекулы ДНК.

Хромосомы - это структурные элементы ядра клетки, которые состоят из молекулы ДНК и белков, содержат набор генов с заключенной в них наследственной информацией.

Хромосомная теория наследственности, разработанная в 1910-1915 годах в трудах А. Вейсмана, Т. Моргана, А. Стертеванта, Г. Дж. Меллера и других утверждает, что передача признаков и свойств организма от поколения к поколению (наследственность) осуществляется в основном через хромосомы, в которых расположены гены.

В 1944 году американскими биохимиками (О. Эвери и др.) было установлено, что носителем свойства наследственности является ДНК. С этого времени началось быстрое развитие науки, исследующей основные проявления жизни на молекулярном уровне. Тогда же впервые появился новый термин для обозначения этой науки - молекулярная биология. Молекулярная биология исследует, каким образом и в какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, превращение энергии в живых клетках и другие явления обусловлены структурой и свойствами биологически важных молекул (главным образом белков и нуклеиновых кислот).

В 1953 году была расшифрована структура ДНК (Ф. Крик, Д. Уотсон). Расшифровка структуры ДНК показала, что молекула ДНК состоит из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, каждая из которых выступает в качестве матрицы для синтеза новых аналогичных цепей. Свойство удвоения ДНК обеспечивает явление наследственности.