Текст книги "Естествознание"

В результате длительного эволюционного развития на Земле возникло огромное количество форм жизни. Живые организмы, начиная с самых примитивных доядерных (прокариоты), неклеточных (вирусы и бактериофаги), одноклеточных и до многоклеточных (грибы, представители растительного и животного мира), заселяют все среды – почву, воздух, воду. Они имеют различные размеры. Например, вирусы и бактерии можно увидеть только в электронный микроскоп, некоторых червей и членистоногих – в световой микроскоп, в то время как другие представители органического мира могут достигать гигантских размеров (баобаб, секвойя, киты, слоны и т. д.).

Исторически развитие органического мира происходило в соответствии с изменением геологических и климатических условий на Земле. Главным направлением эволюции органического мира был биологический прогресс, связанный с усложнением организации от примитивных форм к более сложным, увеличением численности особей различных видов и расширением их ареалов обитания. Однако биологическое развитие может идти и в противоположном направлении – в сторону упрощения (регресса) организации, т. е. от сложных к более простым формам.

Система классификации органического мира позволяет проследить историю возникновения как давно живущих на Земле видов, так и вновь появляющихся. Мы уже знаем, что ни один из существующих видов не находится в постоянном и неизменном состоянии: виды появляются, развиваются и изменяются, приобретая новые признаки и свойства, а затем могут стареть и вымирать.

Процесс образования новых видов называется видообразованием. До сих пор в науке еще нет окончательно доказанной теории, объясняющей механизмы видообразования, так как сам процесс видообразования столь длителен, что ни одну теорию невозможно проверить на практике. В соответствии с современным пониманием, сформированным на основе учения Ч. Дарвина, основой видообразования является естественный отбор, а главным условием видообразования является изоляция организмов, которая может возникать в силу различных причин. Тип изоляции определяет путь, по которому будет идти видообразование. Различают два основных типа изоляции.

Географическая – когда происходит формирование изолирующих барьеров в виде водных преград, горных цепей, перешейков, пустынь и т. д. Этот тип изоляции является преобладающим для всех видов и заключается в том, что происходит разделение ареала вида на несколько изолированных частей, в которых естественный отбор может протекать по-разному. Постепенно в этих разделенных географическими барьерами сообществах происходит накопление и закрепление новых признаков в генотипе, и в конце концов степень расхождения между группами может быть столь велика, что приведет к образованию новых видов.

Экологическая – когда происходит формирование изолирующих барьеров в виде разрывов между экологическими нишами.

Под «экологической нишей» понимается совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование конкретного вида в природе.

Этот тип изоляции характерен для паразитических, узкоспециализированных и малоподвижных особей одного вида, которые заселяют один ареал. Однако условия обитания в местах их расселения настолько различаются, что это приводит к формированию у них соответствующих изменений в генотипе. Экологическая изоляция приводит к экологическому видообразованию.

Таким образом, Ч. Дарвин установил, что развитие видов осуществляется через эволюцию их приспособленности к окружающей среде. Процесс приспособления организмов и их органов к условиям среды называется адаптацией и обеспечивает выживание организма, повышает показатели рождаемости и уменьшает коэффициент смертности.

Например, у дельфинов торпедообразная форма тела и особое строение кожи, повышающие обтекаемость тела, направлены на улучшение скольжения в водной среде.

Адаптация может повышать устойчивость к воздействию факторов физического и биологического характера и способствовать успеху в конкуренции с другими особями (популяциями, видами), следовательно, адаптация является фактором, сопутствующим видообразованию. Когда у особей вида возникает утрата способности к быстрой адаптации и приспособленность к условиям окружающей среды перестает соответствовать происходящим в ней изменениям, происходит старение вида. Процесс старения делает вид все более и более уязвимым с точки зрения жизнестойкости и конкурентоспособности и приводит в итоге к его вымиранию.

Ч. Дарвин считал вымирание неизбежным результатом действия естественного отбора, когда старые и менее приспособленные формы замещаются новыми, усовершенствованными. Таким образом, вымирание вида понимается как естественный процесс в эволюции органического мира. Вымирание вида, как правило, не происходит внезапно и одновременно. Оно проявляется в виде уменьшения рождаемости, увеличения смертности и уменьшения численности особей, уменьшения ареала обитания и т. д. Факторами, способствующими вымиранию, могут выступать различные события: изменения в магнитном поле Земли, колебание уровня океана, процессы горообразования, движение материков, вулканическая активность и т. д.

В основе искусственного, так же как и естественного, отбора лежит наследственная изменчивость организмов. Но если в результате естественного отбора самой природой создаются новые формы живых организмов – виды, то при искусственном отборе – это направленная деятельность человека с целью создания новых сортов растений и пород животных, которые способны к существованию только при определенном уходе и гибнут в дикой природе.

Искусственный отбор основан на сохранении для размножения особей с определенными, полезными для человека и не всегда полезными для самого организма качествами, в то время как в результате естественного отбора выживают особи только с улучшенными и полезными для них признаками.

Искусственный отбор возник еще в те далекие времена, когда человек стал разводить домашних животных и заниматься земледелием. До XVI–XVII вв. отбор осуществлялся бессознательно: человек просто отбирал самые здоровые и крупные зерна для посева. Изменять свойства растений для получения других полезных свойств люди не умели, поскольку методом искусственного отбора невозможно получить принципиально новых свойств у разводимых организмов: при отборе можно выделить только те генотипы, которые уже существуют в популяции.

Только в XVIII–XIX вв. человек, еще не владея всеми законами генетики, стал сознательно и целенаправленно изменять свойства и признаки организмов, производя скрещивание (гибридизацию) тех из них, которые обладали наиболее ценными для него свойствами. Из потомства затем отбирали те особи, у которых полезные свойства были выражены наиболее сильно. Так появилась селекция.

Селекция – отрасль биологии, которая разрабатывает теоретические и методические подходы для выведения и улучшения сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов.

Например, один сорт пшеницы имеет прочную соломину и устойчив к полеганию, а другой сорт, наоборот, обладает тонкой соломиной, но зато не заражается распространенным заболеванием – стеблевой ржавчиной. При скрещивании растений двух сортов в потомстве возникают различные комбинации признаков. Но отбирают именно те растения, которые одновременно имеют прочную соломину и не восприимчивы к стеблевой ржавчине. Так происходит формирование нового сорта с заданными признаками.

В основе селекции лежат положения и законы эволюционной теории, генетики, молекулярной биологии, географии сельского хозяйства, в результате применения которых на практике удалось, в частности, создать более 10 тыс. сортов пшеницы на основе нескольких исходных диких сортов, а также получить новые штаммы микроорганизмов, выделяющих пищевые белки, лекарственные вещества, витамины и т. п.

Основными традиционными методами селекции являются искусственный отбор и гибридизация. С развитием генетики селекция освоила новые методы в виде клеточной инженерии – выращивании клеток вне организма человека и генной инженерии – целенаправленной модификации организмов, когда в ДНК организма одного вида встраиваются гены организма другого вида.

Выдающимся российским генетиком и селекционером, сделавшим огромный вклад в развитие отечественной селекции и получившим широкую мировую известность, является академик Н. И. Вавилов (1887–1943). Ему принадлежит известное изречение о том, что селекция – это эволюция, управляемая человеком.

Вопрос о сущности жизни с древнейших времен и до наших дней является предметом спора и противостояния многих теорий и учений. Отношение к пониманию сущности жизни создает главное и непримиримое противоречие между двумя основными мировыми философиями – материализмом, основанным на научных знаниях, и идеализмом, основанным на религии.

Материализм базируется на фактах, полученных естественными науками, а единственным путем познания сущности жизни для материалистов является углубленное изучение окружающей природы. С материалистической позиции главное в познании жизни заключается в установлении ее качественного отличия от других форм материи, отличия, которые заставляют рассматривать жизнь как один из способов существования материи – как особую форму ее движения.

Движение материи понимается материалистами не только как перемещение материальных тел в пространстве (неживая материя также способна к определенным формам движения: механической, физической, химической), но и как совокупность процессов их изменения, развития, усложнения, в результате которых материя приобретает новое качество.

Живая материя обладает еще и свойственными только ей определенными биологическими особенностями. Именно на это обратил внимание еще в 1877 г. один из основоположников марксизма, Ф. Энгельс, который дал актуальное до наших дней классическое определение жизни, акцентировавшись на материальном носителе жизни – на белковых телах: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных этих тел».

Известно, что в своем составе живая материя имеет все химические элементы, которые можно встретить в неживой природе. Однако только в живой материи из этих элементов образуются сложные соединения, такие как белки и нуклеиновые кислоты. Именно благодаря их наличию живые системы обладают способностью к раздражимости, движению, размножению, изменчивости, развитию, обмену веществами и энергией с окружающей средой, постоянному самообновлению за счет веществ, поступающих из окружающей среды, и т. д. При прекращении процесса обмена веществ между живыми организмами и окружающей средой белки распадаются и жизнь исчезает.

На основании последних научных достижений современной биологической науки дано следующее определение жизни: жизнь – это открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы совокупностей живых организмов, построенные из сложных биологических полимеров – белков и нуклеиновых кислот.

С позиций материализма живое и неживое являются различными формами существования материи, и между этими понятиями нет пропасти. Жизнь – это производное неживой природы, возникшее в результате закономерного развития этой природы, находящееся с ней в неразрывном единстве, но имеющее качественные, присущие только живому, отличия.

Идеалистические представления основываются на том, что сущность жизни (т. е. то, что отличает живое от неживого) не может быть объяснена методами научного естествознания, поскольку в основе жизни лежит нематериальное начало (дух, душа, жизненная сила, идея). Это духовное начало, воплощаясь в материальные тела, создает живые существа и целенаправленно управляет их жизнедеятельностью. Жизнь идеалистами понимается как противоположность смерти, а смерть они объясняют отделением от тела души, которая составляет сущность жизни.

Среди современных ученых широко распространено мнение о том, что жизнь – это явление, присущее только Земле, возникшее сотни миллионов лет тому назад и развившееся до известных нам сейчас форм: вирусов, растений, животных и человека.

На Земле имеются сложнейшие по своему молекулярному строению вещества неживой природы и одновременно существуют формы жизни, очень простые по своему строению. Задачей современной науки является найти ту грань между живой и неживой материей, которая еще не обнаружена, найти недостающие звенья в общей цепи эволюции природы. Поиски ведутся в разных направлениях: в земной коре для обнаружения отпечатков и окаменелостей наиболее примитивных форм жизни, в научных лабораториях путем экспериментального воспроизведения условий, подобных тем, которые существовали на Земле миллиарды лет назад, в период, когда могло произойти качественное превращение молекул неживой природы в живую материю.

На протяжении всей истории человечества людей волновала проблема происхождения жизни на Земле. С накоплением человеком знаний об окружающем мире, развитием естествознания изменялись взгляды на происхождение жизни, выдвигались все новые и новые гипотезы. Однако и сегодня вопрос о происхождении жизни еще окончательно не решен и существует множество различных гипотез. Наиболее важными из них являются следующие:

Креационизм (от лат. creare – создавать) – исторически одна из наиболее ранних и распространенных гипотез. Ее происхождение связано с зарождением и развитием религии. Она основывается на положении, что жизнь была создана Творцом, и, по мнению ее сторонников, это не требует доказательств. Да это и невозможно доказать, так как процесс божественного сотворения мира мог происходить лишь единожды и, соответственно, не существует никакой реальной возможности сделать его объектом исследования или наблюдения. Поэтому гипотеза сотворения мира Богом не может быть ни доказана, ни опровергнута и всегда будет существовать наряду с другими гипотезами происхождения жизни.

Гипотеза самопроизвольного зарождения сосуществовала наряду с креационизмом и была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте, высказывалась также и некоторыми философами Древней Греции. Эта гипотеза допускала возможность самозарождения и неоднократного возникновения жизни из неживого вещества. В Средние века считалось, что возможно зарождение разнообразных живых существ (таких как насекомые, черви, мыши) в разлагающихся или гниющих органических остатках. Со временем гипотеза видоизменялась, но по-прежнему оставалась ошибочной и была окончательно разоблачена в XIX в. французским ученым-микробиологом Л. Пастером (1822–1895) и английским биологом Дж. Тиндалем (1820–1893).

Ученые показали, что бактерии распространяются по воздуху. Они наполняли колбы жидкостью, богатой органическими веществами (мясной бульон), и подвергали его стерилизации при высокой температуре, а затем убедительно демонстрировали, что, если в воздухе, попадающем в колбы с простерилизованным бульоном, бактерий нет, то и в самом бульоне они не возникнут.

Гипотеза панспермии (от греч. pan – весь, всякий и sperma – семя), согласно которой жизнь занесена на Землю с других планет, была выдвинута в 1865 г. немецким ученым Г. Рихтером. Согласно этой теории споры бактерий и других организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и положить начало эволюции живого и появлению многообразных форм жизни. Надо отметить, что в этой идее есть определенный здравый смысл, так как лабораторные исследования подтверждают высокую устойчивость живых организмов к неблагоприятным внешним воздействиям, например к низким температурам. Экспериментально было показано, что споры и семена растений могут выживать даже при длительном пребывании в жидком кислороде или азоте.

Интересно, что даже выдающийся английский биофизик Ф. Крик, удостоившийся Нобелевской премии за гениальное открытие двойной спирали молекулы ДНК, придерживается концепции панспермии и считает, что жизнь на Землю занесена случайно или преднамеренно космическими пришельцами, но научных доказательств эта теория пока не имеет.

Гипотеза происхождения жизни, выдвинутая в 1924 г. русским ученым А. И. Опариным, явилась первой научной концепцией, доказавшей на основе экспериментов возможность возникновения простейших организмов из неорганических веществ естественным путем.

Эта гипотеза носит название биохимической, так как считает происхождение жизни результатом процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам, т. е. как итог биохимической эволюции. На первом ее этапе, согласно гипотезе Опарина, когда после образования Земли она была еще абсолютно безжизненной, происходили произвольные процессы химического синтеза, составившие основу химической эволюции. Именно тогда происходило формирование и усложнение структуры полимерных соединений, содержащих углерод, т. е. возникновение и накопление исходных органических молекул (аминокислот, жирных кислот, нуклеотидов и др.) в первичных водоемах. Эти молекулы скапливались в сравнительно неглубоких местах, прогреваемых солнцем. Ультрафиолетовые лучи обеспечивали энергией протекание случайных химических реакции между органическими соединениями. Большая их часть быстро завершилась из-за недостатка исходного сырья, однако постепенно возникали и закреплялись реакции, обладавшие способностью к самоподдержанию, и происходило образование пространственно обособившихся целостных систем, названных А. И. Опариным коацерватами.

На следующем этапе биохимической эволюции – этапе биологической эволюции – происходило постепенное усложнение коацерватов, превращение их в первичные живые системы и их дальнейшее развитие от самых примитивных до современных сложных форм жизни на основе естественного отбора.

Концепция возникновения жизни Опарина до настоящего времени чрезвычайно популярна в мировом научном сообществе. В этом направлении продолжаются научные эксперименты и исследования, хотя, как и всякая не подтвержденная полностью гипотеза, она имеет как сильные, так и слабые стороны. В целом наука все еще далека от однозначного ответа на вопрос о происхождении жизни на Земле.

Процесс эволюционного формирования человека под влиянием биологических и социальных факторов называется антропогенезом (от греч. antropos – человек и genesis – происхождение).

Длительное время научные знания были слишком разрозненными, фрагментарными и недостаточными для обоснованного объяснения происхождения человека.

Впервые стройная концепция происхождения человека от обезьяны, а не создание его благодаря божественному промыслу, была сформулирована и достаточно убедительно для своего времени доказана Ч. Дарвином в его труде «Происхождение человека и половой отбор» (1871). Роль социальных факторов в эволюции человека была раскрыта Ф. Энгельсом еще в одной работе – «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека» (1896).

Теория Дарвина признается, хотя и не может считаться окончательно доказанной: до сих пор не обнаружено ископаемых остатков, которые могли бы стать подтверждением некоторых значимых этапов превращения человекообразной обезьяны в человека, а следовательно, остаются существенные «разрывы» в антропогенезе человека разумного (от лат. homo sapiens). Также не установлено достоверно, от каких именно обезьяноподобных предков произошел человек.

Об общности происхождения человека и позвоночных животных свидетельствуют сходства в их строении (скелет, нервная система, система кровообращения, дыхания, пищеварения), а также сходство эмбрионального развития. На его ранних этапах зародыш человека очень трудно отличить от зародышей других животных. Специфические, характерные только для человека, особенности появляются только на самых поздних стадиях внутриутробного развития.

Наиболее близки человеку по строению и физиологическим признакам (общие группы крови, болезни и т. д.) человекообразные обезьяны, или антропоиды (от греч. antropos – человек и eidos – вид, облик), к которым относятся шимпанзе, горилла, орангутан. Особенно удивляет сходство хромосомного аппарата: число хромосом у всех человекообразных обезьян – 48, у человека – 46. Сравнение 44 белков человека и шимпанзе показало, что они отличаются лишь на 1 %, а многие белки вообще взаимозаменимы.

Тщательное изучение высшей нервной деятельности человекообразных обезьян выявило близость этих животных к человеку и по ряду поведенческих реакций.

Самые главные различия между человеком и человекообразными обезьянами связаны с социальной деятельностью людей. Ф. Энгельсом был сделан вывод, что именно труд создал человека. Только человек способен изготавливать и применять орудия труда, животные же могут использовать только то, что дается природой. Именно поэтому водоразделом между обезьяной и человеком является переход от использования предметов к изготовлению орудий труда.

Главными двигателями эволюции человека являлись естественный отбор и общественно-трудовая деятельность. На первых этапах эволюции ведущую роль играл естественный отбор особей на лучшую приспособляемость к быстро меняющимся условиям.

Качества, которые формировались у человека под воздействием социальных факторов, не могли фиксироваться генетически и передавались не по наследству, а в процессе обучения и воспитания. Со временем опыт и знания в виде разнообразной научно-технической и культурной информации, преумножаемые и передаваемые из поколения в поколение, стали играть все более важную роль в эволюции, освобождая человека от преобладающего давления естественного отбора. Преимущества в борьбе за существование получали не самые сильные, а те, кто оказывался способным сохранять слабых: детей как будущее популяции и стариков как хранителей опыта и знаний, позволявших выжить.

Первыми орудиями труда были орудия для охоты и рыболовства – древнейших занятий человека. Объединяясь в процессе труда, люди испытывали потребность в универсальном средстве общения, которым стала членораздельная речь. Следом за усложнением социальной деятельности и развитием речи шло развитие мозга и мышления. Переход к прямохождению, стадный (общественный) образ жизни, высокий уровень развития мозга и психики, использование предметов в качестве орудий для охоты и защиты явились важнейшими факторами развития человека.

Таким образом, человек – это результат длительной эволюции и, прежде всего, общественное существо, отличительной чертой которого является сознание, сформировавшееся на основе коллективного труда.

В эволюции человека выделяют три основных этапа.

1. Древнейшие люди, жили около 700 тыс. – 500 тыс. лет назад. К ним относят питекантропа, синантропа (представители вида homo erectus – человек прямоходящий).

Останки питекантропов были впервые обнаружены на острове Ява в 1891 г. Питекантропы ходили на двух ногах, обладали большим, чем у обезьян, объемом мозга, пользовались примитивными орудиями труда в виде дубин и слегка обтесанных камней. Низкий лоб, выдающиеся надбровные дуги, полусогнутое тело с выраженным волосяным покровом указывали на их близость к обезьяне.

Синантроп, останки которого найдены в 1927–1937 гг. в пещере близ Пекина (Китай), был во многом сходен с питекантропом, но уже умел поддерживать огонь.

2. Древние люди – неандертальцы (первые представители вида homo sapiens). Их останки были обнаружены в Европе, Азии, Африке. Неандертальцы появились на этапе эволюции, когда значительную роль стали играть социальные факторы, о чем свидетельствуют челюсти, строение которых выдает способность к членораздельной речи. Неандертальцы жили группами по 50–100 человек, занимались коллективной охотой и собирательством, самостоятельно изготавливали орудия. По некоторым сведениям, последние неандертальцы жили среди первых современных людей, а затем были ими окончательно вытеснены. Ряд ученых считают неандертальцев тупиковой ветвью эволюции человекообразных обезьян, не участвовавшей в формировании современного человека.

3. Современные (новые) люди (вид homo sapiens). На этапе их возникновения общественно-трудовые отношения уже играют определяющую роль. В процессе эволюции человека разумного социальные отношения приобретают все большее значение. Появление людей современного физического типа произошло относительно недавно, около 50 тыс. лет назад. Их останки найдены в Европе, Азии, Африке и Австралии. В гроте Кроманьон (Франция) было обнаружено сразу несколько скелетов ископаемых людей современного типа, которых и назвали кроманьонцами. Они строили жилища, умели делать наскальные рисунки, шить и украшать свою одежду, изготавливать костяные и каменные орудия труда, приручать животных – все это свидетельствует о появлении настоящего человека, который окончательно обособился от своих человекообразных предков.

Рис. 42. Эволюция человека

На рис. 42 представлен предполагаемый процесс эволюции человека, условно (серым) обозначено недостаточно изученное звено эволюции. Существует предположение, противоречащее общепринятой теории, и ископаемые остатки отчасти это предположение подтверждают, что «человек умелый» не предшествовал «человеку прямоходящему», а существовал одновременно с ним. Наряду с этим дополнительных изысканий и доказательств требует и ряд других, еще не подтвержденных окончательно положений эволюционной теории.