Глобальные катастрофы и эволюция жизни

Четвертый элементарный эволюционный фактор естественный отбор. Его генетическая сущность дифференцированное (неслучайное) сохранение в популяции  определенных генотипов и избирательное  их участие в передаче генов следующему поколению. Здесь важно подчеркнуть, что естественный отбор воздействует не на отдельный фенотипический признак, не на отдельный ген, а на всю генетическую систему. Его роль проявляется на уровне фенотипа, который формируется  в результате взаимодействия генотипа со средой.

В настоящее время известны три  формы отбора. Это движущий отбор, при котором в результате новых  мутаций или перекомбинаций уже  имеющихся генотипов или при  изменении условий среды в  популяции возникают новые генотипы с селективными свойствами. Тогда  может возникнуть новый вектор, или  направленность, отбора. Под контролем  такого отбора генофонд популяции изменяется как единое целое, то есть отсутствует  дивергенция дочерних форм.

Вторая форма  отбора получил название стабилизирующего. Ею роль сводится к тому, что в  конкретных условиях на основе разных генотипов в популяции становится преобладающим оптимальный для  этих условии фенотип. При длительной неизменности таких условий стабилизирующий  отбор как бы охраняет ставший  устойчивым фенотип от давления любой  фенотипической изменчивости.

Третья  форма отбора называется дизруптивной. Ее роль в том, чтобы внутри популяции могли возникнуть отчетливо различающиеся формы. При снижении возможности скрещивания между такими популяциями, например, в условиях изоляции, может происходить их дальнейшее расхождение, вплоть до образования новых видов.

СТЭ не является застывшей концепцией. У нее есть ряд трудностей, на которых основываются недарвиновские концепции эволюции, как уже упоминавшиеся  выше, так и недавно возникшие, например, пунктуализм. Сторонники этой концепции считают, что процесс эволюции идет путем редких и быстрых скачков, а в 99 % своего времени вид пребывает в стабильном состоянии (стазисе). В предельных случаях скачок к новому виду может совершаться в течение одного или нескольких поколений, и в популяции, состоящей всего из десятка особей. Эта гипотеза опирается на широкую генетическую базу, заложенную рядом фундаментальных открытий в молекулярной генетике и биохимии. Пунктуализм отверг генетико-популяционную модель видообразования, идею Дарвина о том, что разновидности и подвиды являются зарождающимися видами, и сфокусировал свое внимание на молекулярной генетике особи как носителе всех свойств вида.

Ценность  этой концепции заключается в  идее разобщенности микро- и макроэволюции  и независимости управляемых  ими факторов. Тем не менее, возможно, в будущем СТЭ и недарвиновские концепции эволюции, дополняя друг друга, объединятся в новую единую теорию жизни.

Основные свойства живой материи

Биологический уровень организации материи  очень сложен, его нельзя свести к закономерностям других естественных наук, и принципы живого нельзя вывести  из принципов физики и химии. Существует несколько подходов к определению  живого вещества.

1. Сторонники витализма — учения, основанного на признании наличия  в организмах управляющей ими  нематериальной сверхъестественной  силы («души»), считают жизнь явлением  уникальным, которое невозможно  объяснить физико-химическими процессами. В основе такого взгляда —  удивительная сложность строения  и целесообразность поведения  живых организмов. От древности идет представление об энтехелии, одушевляющей «грубую материю тела» и обеспечивающей организмам целенаправленное поведение. Древние египтяне и греки предполагали наличие нескольких «одушевляющих» начал, часть из которых продолжает существовать и после смерти тела. Долгое время люди считали, что эти начала обеспечивают «грубой материи тела» память, мышление и целенаправленные действия. Гомеостаз — одна из целенаправленных реакций, если считать поддержание механизма жизнедеятельности целью, тогда как внешние и внутренние силы этому противодействуют. Разные способы поддержания жизни у разных живых существ - это разные механизмы гомеостаза. Эволюция этих механизмов, направленная на большую независимость жизни от внешних условий, — это развитие организмов. Но объяснения особенностей живого через поиск цели остались достоянием истории науки, они равноценны объяснению: «Луна светит, чтобы освещать мне путь» или «Растения и животные существуют для того, чтобы обеспечивать нас пищей».

2. Представители редукционного подхода  считают возможным использовать  законы физики и химии для  объяснения процессов жизнедеятельности.  Было проверено многократно, что  эти законы не нарушаются в  биологических системах, но это  не означает, что все свойства  живого могут быть ими описаны.  Они, наоборот, отрицают целенаправленность  строения и поведения. 

И гомеостаз  — основу жизни — они объясняют  на основе законов неживой природы. Так, терморегуляция теплокровных осуществляется по принципу обратной связи (выделение пота при повышении температуры). Аналогом такого поведения считают управляемое радаром зенитное орудие. Согласно Н.Винеру, определенный тип целенаправленной деятельности обеспечивается контролируемым использованием и переработкой информации, поэтому не так важны детали этих перерабатывающих устройств. Сходство между человеком и машиной в этом отношении было отражено и в названии книги Винера «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» (1949), существенно изменившей мировоззрение.

Сторонники  этого подхода изучают клеточное  строение и функционирование организмов. Бактерии и синезеленые водоросли относят к протокариотам (от гречю protos — первый), так как их клетки не имеют оформленного ядра, а ДНК находится прямо в цитоплазме и не окружена мембраной. Зеленые растения, грибы, слизевики и животные относятся к группе эукариот (от греч. eu...— хорошо, полностью) и имеют ядро, т.е. их генетический материал окружен двойной мембраной и образует определенную клеточную структуру. Первые эукариоты, по-видимому, произошли от протокариот около 3 млрд лет назад, или в конце докембрийского периода.

Диаметр клетки бактерий около 10-6 м, поэтому их часто называют микробами. Они освоили самые разные среды обитания и широкий диапазон температур. Численность бактерий даже в очень небольшом объеме вещества очень высокая, например, в 1 г парного молока их более 3000 млн. Бактерии, как и грибы, разрушают органическое вещество и участвуют в круговороте веществ, играя особую роль в биосфере. Они важны для плодородия почв и в очистных сооружениях, участвуют в процессе пищеварения, применяются в производстве антибиотиков, используются с различными целями в биотехнологии и генной инженерии. ДНК бактерий представлена одиночными кольцевыми молекулами длиной около 10-3 м, каждая из молекул состоит примерно из 5 млн пар нуклеотидов, или нескольких тысяч генов (в 500 раз меньше, чем у человека).

3. Живая клетка — это элементарная  организованная часть живой материи  и сложная высокоупорядоченная  система. Опытным путем установлено, что в ней непрерывно совершаются синтез крупных молекул из мелких и простых — анаболические (от греч. anabole — подъем) реакции, на которые затрачивается энергия, и их распад — катаболические (от греч. katabole — сбрасывание вниз) реакции.

Совокупность  этих реакций в клетке и есть процесс метаболизма. Для его поддержания необходим непрерывный приток энергии, и для живого более важна химическая форма энергии. Биологи часто выделяют основные наблюдаемые свойства, отличающие живое от неживого и отражающие специфику биологической формы движения материи. Самовоспроизведение (репродукция) может производиться многократно, а генетическая информация о нем закодирована в молекулах ДНК. На молекулярном уровне самовоспроизведение происходит на основе матричного синтеза ДНК, программирующей синтез белков, которые определяют специфику организма, на других уровнях — огромным разнообразием форм и механизмов, вплоть до образования клеток. Именно разнообразие поддерживает существование видов, определяет специфику жизни.

Иерархичность организации отражает возможности  системного подхода к пониманию  строения и жизнедеятельности. Клетки как единицы организации специфически организованы в ткани, ткани —  в органы, органы — в системы  органов. Организмы сорганизованы  в популяции, популяции — в  биоценозы, а биоценозы — в  биогеоценозы, являющиеся элементарными единицами биосферы.

На  молекулярном уровне упорядоченность структуры приводит к образованию молекулярных и надмолекулярных структур, отличающихся упорядоченностью в пространстве и во времени. В отличие от объектов неживой природы упорядоченность живого происходит за счет внешней среды, в которой уровень упорядоченности снижается. И процессы, ведущие к упорядоченности живого, идут с локальным уменьшением энтропии. Живые системы в развитии способны к самоорганизации, упорядочиванию структур, росту разнообразия.

Регуляция процессов  осуществляется в химических реакциях при помощи механизма обратной связи. В регуляции активности клеток принимают  участие гормоны, обеспечивающие химическую регуляцию. Внутри клеток реакции синтеза  и распада идут с участием ферментов, синтезируемых внутри самих клеток.

Рост  организмов происходит путем увеличения их массы за счет размеров и числа клеток. Развитие представлено индивидуальным {онтогенезом) и историческим (филогенезом) развитием, и одинаково важны наследственность и изменчивость. Развитие, сопутствующее росту, проявляется в усложнении структуры и функций. В онтогенезе формируются признаки в процессе взаимодействия генотипа и среды. В филогенезе появляется большое разнообразие организмов и целесообразность. Эти процессы регулируются и подвержены генетическому контролю. В отличие от объектов неживой природы — кристаллов, которые растут, присоединяя новое вещество к поверхности, живые организмы растут за счет питания изнутри, причем живая протоплазма образуется при ассимиляции питательных веществ. Выживание вида или его бессмертие обеспечивается сохранением признаков родителей у потомства, возникшего путем размножения. Передаваемая следующему поколению информация закодирована в молекулах ДНК и РНК. Гомеостаз (от греч. homoios — подобный, одинаковый + stasis — неподвижность, состояние) заключается в том, что живые организмы, обитающие в непрерывно меняющихся внешних условиях, поддерживают постоянство своего химического состава и интенсивность течения всех физиологических процессов с помощью авторегуляционных механизмов, при этом сохраняется необходимая ритмичность в периодических изменениях интенсивности.

Обмен веществ и энергии обеспечивает гомеостаз и является условием поддержания  жизни организма. Первоначально  из внешней среды получается энергия  в форме солнечного света, затем  химическая энергия преобразуется  в клетках для синтеза ее структурных  компонент, осмотической работы по обеспечению  транспорта веществ через мембрану и механической работы по передвижению организма и сокращению мышц. Питание является источником энергии и веществ, необходимых для жизнедеятельности. Растения усваивают солнечную энергию и самостоятельно создают питательные вещества в процессе фотосинтеза. У грибов, животных (и человека), некоторых растений и большинства бактерий — гетеротрофное (от греч. heteros — другой + trophe — пища) питание: они расщепляют с помощью ферментов органические вещества и усваивают продукты расщепления. Выделение — это выведение из организма конечных продуктов обмена с окружающей средой. Общее свойство открытых систем — обмен энергией и веществом с внешней средой — имеет свои особенности. С помощью дыхания высвобождается энергия высокоэнергетических соединений, которая запасается в молекулах АТФ, обнаруженных во всех живых клетках. Дыхание относится к процессам метаболизма (от греч. metabole — перемена, превращение), или обмена веществ и энергии.

Раздражимость — избирательная реакция живых существ на изменения внешней и внутренней среды, обеспечивающая стабильность жизнедеятельности. Так, расширение кровеносных сосудов кожи млекопитающих при повышении температуры среды ведет к рассеиванию теплоты в окружающее пространство и восстановлению оптимальной температуры тела. Раздражителями могут быть пища, механические воздействия, свет, звук, температура окружающей среды, яды, электрический ток, радиоактивность... Подвижность, или способность к движению, свойственна и животным, и растениям, хотя скорости их существенно различаются. Многие одноклеточные могут двигаться с помощью особых органоидов. У многоклеточных к движению способны как клетки, так и органоиды в них. В животных организмах движение осуществляется путем сокращения мышц.

Асимметрия  — созидательный и структурообразующий принцип жизни. Неживые системы работают по законам симметрии. В классической физике имеют место законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса, заряда и пр.), которые связаны со свойствами симметрии пространства и времени. В изолированных системах происходят обратимые процессы, т. е. имеет место симметрия между прошлым и будущим. Замкнутые системы самопроизвольно и необратимо стремятся к равновесию, процессы идут с ростом энтропии. Законы квантовой физики — проявление более глубоких симметрий. Все функционально важные биомолекулы асимметричны: белки состоят из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты содержат правовращающие сахара, закручена и сама молекула ДНК — двойная спираль. Все процессы происходят с учетом киральности, установлена даже функциональная асимметрия мозга человека. Живое — это открытая система, использующая для сохранения упорядоченности внешний поток энергии и вещества. Жизнь связана с непрерывным нарушением симметрии в отличие от неживых систем.

Дискретность  и целостность — два фундаментальных  свойства организации жизни на Земле. Нуклеиновые кислоты и белки  — целостные соединения, но в  то же время дискретны, так как  состоят из нуклеотидов и аминокислот. Репликация ДНК — целостный непрерывный  процесс, но она дискретна во времени  и пространстве, так как в ней  участвуют различные ферменты и  генетические структуры. Живые объекты  в природе относительно обособлены (особи, популяции, виды). Любая особь  состоит из клеток, а клетка и  одноклеточные существа — из отдельных  органелл. Органеллы состоят из дискретных, высокомолекулярных, органических веществ, которые, в свою очередь, состоят  из дискретных атомов, а те — из элементарных частиц. Все эти части и структуры  находятся в сложных взаимодействиях, и целостность живой системы  отличается от целостности неживой тем, что она поддерживается в процессе развития. И среди живых систем нет двух одинаковых особей, популяций и видов. Жизнь на Земле проявляется в дискретных формах, причем все формы и части образуют структурно-функциональное единство.