Текст книги "Биологические концепции современного естествознания"

Лариса Баймакова, Ирина Макарова
Биологические концепции современного естествознания

ВВЕДЕНИЕ

В настоящем пособии систематизированы и изложены сведения об основных гипотезах возникновения и эволюции жизни на Земле, главных поворотных моментах в эволюции человека и его предков, начиная с появления приматов на рубеже мезозойской и кайнозойской эр и заканчивая расселением по планете людей современного типа, завершившегося в основном в конце ледникового периода. Появление в современной науке новых фактов и материалов по эволюции живого приводит к необходимости включения этих материалов в учебный процесс.

Необходимость издания данного пособия вызвана спецификой обучения и отсутствием подобных пособий в вузах физической культуры. В используемых в процессе обучения источниках, представленные разделы (происхождение жизни, теория эволюции, антропогенез) изложены в различных публикациях отдельными фрагментами. Предложенное нами пособие объединяет все эти разделы, регламентированные стандартной программой и может быть использовано как в аудиторной работе, так и при самостоятельной работе студента.

Изучение основных направлений процесса эволюции всего живого на Земле и, в частности, организма человека позволяет осуществлять преемственность между медико-биологическими дисциплинами (физиология, анатомия, биохимия) и этим определяет место биологических знаний в профессиональной деятельности тренеров, педагогов, спортсменов.

1. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЖИЗНИ

1.1. ОСНОВНЫЕ ПРИЗНАКИ ЖИЗНИ

Одной из самых сокровенных тайн во все века была тайна происхождения человека и всего живого на Земле. Ученые разных времен и народов высказывали всевозможные гипотезы о том, когда и как на Земле зародилась жизнь, пытались найти ответы на вопросы: что такое жизнь, и чем живое отличается от неживого?

Культура древнего мира не признавала разделения на живое и неживое. Все существующее в мире и доступное наблюдению представлялось живым (анимизм). С накоплением опыта общения с природой, наблюдения и проведения экспериментов сформировались представления о границе между живым и неживым. Из-за наличия в природе переходных форм между живым и неживым (например, вирусы) практически невозможно провести четкую грань между этими формами. Перед современной биологией стоит задача выявления таких признаков, совокупность которых и их взаимосвязь с той или иной степенью надежности позволяют говорить о живом.

Такими признаками являются следующие:

– только в состав живого входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, – белки, нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК), жиры липиды, углеводы;

– для живых организмов должно быть характерно воспроизводство себе подобных на основе генетического кода;

– главные свойства живого – это наличие обмена веществ, способность к росту, размножению, развитию, движению, приспособляемости к окружающей среде;

– живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешнее раздражение – универсальное свойство всех царств живого.

Реализация жизни происходит через конкретные физические и химические процессы, и сама жизнь может существовать только при определенных физических и химических условиях.

1.2. ТЕОРИИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ

Теории, касающиеся возникновения Земли, да и всей Вселенной, разнообразны и в большинстве – умозрительны. Согласно теории стационарного состояния, Вселенная существовала извечно. Согласно другим гипотезам, Вселенная возникла из сгустка нейтронов в результате Большого взрыва, родилась в одной из черных дыр или же была создана Творцом. Вопреки бытующим представлениям, наука не в состоянии опровергнуть идею о божественном сотворении первозданной Вселенной, Земли и жизни на ней, так же как теологические взгляды не обязательно отвергают возможность того, что жизнь в процессе своего развития приобрела черты, объяснимые на основе законов природы.

В таблице 1 представлены некоторые основные теории возникновения жизни на Земле.

Таблица 1

Согласно этой теории, жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом; ее придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. В 1650 году архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия) вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н. э. и закончил свой труд 23 октября в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, от Адама до Христа («кто кого родил»). С точки зрения арифметики, это разумно, однако при этом получается, что Адам жил в то время, когда, как показывают археологические находки, на Ближнем Востоке существовала хорошо развитая цивилизация.

Традиционное иудейско-христианское представление о сотворении мира, изложенное в Книге Бытия, вызывало и продолжает вызывать споры. Хотя все христиане признают, что Библия – это завет Господа людям, по вопросу о длине «дня», упоминающегося в Книге Бытия, существуют разногласия. Некоторые считают, что мир и все населяющие его организмы были созданы за шесть дней продолжительностью по 24 часа. Они отвергают любые другие точки зрения и целиком полагаются на вдохновение, созерцание и божественное откровение. Другие христиане не относятся к Библии как к научной книге и считают, что в Книге Бытия изложено в понятной для людей всех времен форме теологическое откровение о сотворении всех живых существ всемогущим Творцом. Для них описание сотворения живых существ относится к ответу скорее на вопрос «почему», а не «каким образом». Если наука в поисках истины широко использует наблюдение и эксперимент, то богословие постигает истину через божественное откровение и веру.

Вера признает вещи, которым нет доказательств в научном смысле слова. Это означает, что логически не может быть противоречия между научным и богословским объяснением сотворения мира, так как эти две сферы мышления взаимно исключают одна другую. Для ученого научная истина всегда содержит элемент гипотезы, предварительности, но для верующего теологическая истина абсолютна.

Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. Этого достаточно, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного исследования. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, а поэтому она никогда не будет в состоянии ни доказать, ни отвергнуть эту концепцию.

Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384–322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. На основе собственных наблюдений он развивал эту теорию дальше, связывая все организмы в непрерывный ряд – «лестницу природы». «Ибо природа совершает переход от безжизненных объектов к животным с такой плавной последовательностью, поместив между ними существа, которые живут, не будучи при этом животными, что между соседними группами, благодаря их тесной близости, едва можно заметить различия» (Аристотель).

Этим утверждением Аристотель укрепил более ранние высказывания Эмпедокла об органической эволюции. Согласно гипотезе Аристотеля о спонтанном зарождении, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно предполагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе.

С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести, но все же, продолжала существовать в течение еще многих веков.

Ван Гельмонт (1577–1644 гг.), весьма знаменитый и удачливый ученый, описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши ван Гельмонт считал человеческий пот.

В 1688 г. итальянский биолог и врач Франческо Реди, живший во Флоренции, подошел к проблеме возникновения жизни более строго и подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе – это личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль том, что жизнь может развиться только из предшествующей жизни (концепция биогенеза).

Первые микроскопические исследования Антона ван Левегука усилили эту концепцию, применительно к микроорганизмам. Сам Левенгук не вступал в споры между сторонниками биогенеза и спонтанного зарождения, однако его наблюдения под микроскопом давали пищу обеим теориям и, в конце концов, побудили других ученых поставить эксперименты для решения вопроса о возникновении жизни путем спонтанного зарождения.

В 1765 г. Ладзаро Спалланцани провел следующий опыт: подвергнув мясные и овощные отвары кипячению в течение нескольких часов, он сразу же их запечатал, после чего снял с огня. Исследовав жидкости через несколько дней, Спалланцани сделал вывод, что высокая температура уничтожила все формы живых существ и, что без них ничто живое уже не могло возникнуть.

В 1860 г. проблемой происхождения жизни занялся Луи Пастер. К этому времени он уже многое сделал в области микробиологии и сумел разрешить проблемы, угрожавшие шелководству и виноделию. Он показал также, что бактерии вездесущи и, что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом.

Подтверждение теории биогенеза породило другую проблему. Откуда взялся самый первый живой организм, необходимый для возникновения жизни? Только теория стационарного состояния не требует ответа на этот вопрос.

Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало; виды также существовали всегда.

Оценки возраста Земли сильно варьировались – от примерно 6000 лет по расчетам архиепископа Ашера до 5000х10⁶ лет по современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния полагать, что Земля существовала всегда. Согласно этой теории, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности – либо изменение численности, либо вымирание.

Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб – латимерию. По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода 70 млн. лет назад. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара в океане были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают что, только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее немногочисленные сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков. Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.

Согласно теория панспермии, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз, в разное время и в разных частях Галактики или Вселенной. Для обоснования этой теории используются многократные появления НЛО (неопознанных летающих объектов), наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также неподтвержденные сообщения о встречах с инопланетянами. Советские и американские исследования в космосе позволяют считать, что вероятность обнаружить жизнь в пределах нашей солнечной системы ничтожна, – однако, они не дают никаких сведений о возможности жизни вне этой системы. При изучении остатков метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» – такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соединения, которые, возможно, сыграли роль «семян», падавших на голую землю. Появились сообщения о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся убедительными для ученых.

Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5–5 млрд лет.

По мнению многих биологов, в далеком прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: по всей вероятности, температура ее поверхности была очень высокой (4000-8000 градусов по Цельсию). По мере того как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовывали земную кору; поверхность планеты была, вероятно, голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, непрерывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, происходило образование складок и разрывов.

Полагают, что в те времена атмосфера была совершенно не такой, как теперь. Легкие газы – водород, гелий, азот, кислород и аргон – уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удерживать. Однако другие соединения, содержащие (среди прочих) эти элементы должны были удерживаться: к ним относятся вода, аммиак, двуокись углерода и метан. До тех пор, пока температура Земли не упала ниже ста градусов по Цельсию, вся вода, вероятно, находилась в парообразном состоянии. Атмосфера была, по-видимому, «восстановительной», о чем свидетельствует наличие в самых древних породах Земли металлов в восстановленной форме, таких как двухвалентное железо. Более молодые горные породы содержат металлы и в окисленной форме, например, трехвалентное железо. Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, условием для возникновения жизни; лабораторные опыты показывают, что, органические вещества (основа живых организмов) гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом.

В 1923 г. А. И. Опарин высказал мнение, что атмосфера первичной Земли была не такой, как сейчас. Исходя из теоретических соображений, он полагал, что органические вещества, возможно, углеводороды, могли создаваться в океане из белее простых соединений; энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом ультрафиолетовая), попадавшая на Землю до того, как образовался озоновый слой, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океане простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь. Эта идея была не нова: в 1871 г. схожую мысль высказал Дарвин: «Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые могли когда-то существовать имеются и в настоящее время, но если (ох, какое это большое «если») представить себе, что в каком-то небольшом теплом пруду, содержащем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при наличии света, тепла, электричества и т. п. образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения, то в наши дни такой материал непрерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как появились живые существа».

В 1953 г. Стэнли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной им установке, снабженной источником энергии (электрические разряды), ему удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара, такие как рибоза. После этого Орджел в Институте Солка, в сходном эксперименте, синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).

Позднее возникло предположение, что в первичной атмосфере в относительно высокой концентрации содержалась двуокись углерода. Недавние эксперименты, проведенные с использованием установки Миллера, в которую, однако, поместили смесь СО₂ и Н₂О и только следовые количества других газов, дали такие же результаты, какие получил Миллер. Теория Опарина-Холдейна завоевала широкое признание, но она оставляет нерешенными проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Именно в этом аспекте теория биохимической эволюции предлагает общую схему, приемлемую для большинства современных биологов. Однако они не пришли к единому мнению о деталях этого процесса.

Опарин полагал, что решающая роль в превращениях неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белковых молекул, они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов – притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от всей массы воды, в которой они суспензированы (водной фазы), и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от водной среды – процесс, называемый коацервацией (от лат. – сгусток, куча). Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соединения, в особенности кристаллоиды. Коллоидный состав данного коацервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие состава «бульона» в разных местах вело к различиям в химическом составе коацерватов и поставляло сырье для «биохимического естественного отбора».

Предполагается, что входящие в состав коацерватов вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов (сложные углеводы), что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способности к самовоспроизведению и внутренней перестройке покрытого липидной оболочкой коацервата могла возникнуть примитивная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонентов среды, так что этот процесс мог продолжаться. Такая продолжительная последовательность событий должна была привести к возникновению примитивного самовоспроизводящегося гетеротрофного организма, питавшегося органическими веществами первичного «бульона».

Хотя эту гипотезу происхождения признают очень многие ученые, астроном Фрэд Хойл недавно высказал мнение, что мысль о возникновении живого в результате описанных выше случайных взаимоотношений молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над местной свалкой, может привести к сборке Боинга-747». Самое трудное для этой теории – объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению. Гипотезы по этому вопросу пока малоубедительны.

Существенным недостатком старых гипотез о возникновении жизни на Земле, и в частности гипотезы академика А. И. Опарина, является то, что они не опираются на современную молекулярную биологию. Впрочем, это вполне естественно, так как механизм передачи наследственных признаков, и в частности роль ДНК, стал в известной степени ясным только сравнительно недавно.

Как произошел качественный скачок от неживого к живому, гипотеза А. И. Опарина совершенно не объясняет. Только привлечение основных представлений современной молекулярной биологии, а также кибернетики, может помочь решению этой важнейшей, основной проблемы. Некоторые пути ее решения уже намечаются. Важным вопросом является возможность синтеза ДНК в естественных условиях «первобытной» Земли.

Итак, центральной проблемой происхождения жизни на земле является реконструкция эволюции механизма наследственности. Жизнь возникла только тогда, когда начал действовать механизм репликации. Любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других сложных органических соединений – это еще не живой организм.

В то же время в XX в. получает мощное развитие и хорошее эмпирическое и теоретическое обоснование возрожденная на новом уровне, в новой форме доктрина о спонтанном возникновении жизни из неживой материи, причем существуют многочисленные варианты абиогенеза. Эта химическая концепция происхождения жизни не может не считаться с тем фундаментальным положением, что генезис жизни представляет собой закономерный этап в общем развитии Вселенной. Круг вопросов, связанных с идеей о космическом характере жизни получил серьезное обоснование в трудах В. И. Вернадского и занимает одно из центральных мест в современной науке. В своих «Философских мыслях натуралиста» наш соотечественник подчеркивает, что если в самых различных философских системах вопрос о космической природе жизни ставился и ставится многократно, то сейчас он должен быть поставлен и в науке. И действительно, многие научные дисциплины: космология, астрофизика, космохимия, планетология, биофизика и другие – дают основания для вывода о том, что жизнь представляет собой результат естественной эволюции Вселенной, что живые структуры многочисленными нитями связаны с ближайшим и дальним космосом, что нет необходимости прибегать к помощи сверхъестественного разума в объяснении происхождения жизни.

Главные этапы возникновения и развития жизни, а также приблизительные диапазоны времени этих процессов представлены в таблице 2.

Таблица 2

Основные этапы возникновения и развития жизни

Резюме

Вопрос о происхождении жизни всегда интерпретируется на основе определенных концептуальных представлений, но до середины XX в. в арсенале биологии таких концепций не было. В новейшей биологии нет альтернативы молекулярно-динамическому подходу, позволяющему интерпретировать происхождение жизни наиболее содержательным образом. При этом необходимо учитывать также достижения небиологических наук, в том числе физики, космологии, химии, геологии.

Сложность проблемы происхождения жизни состоит в том, что ее нельзя изучать в естественных условиях. В настоящее время не существует таких условий, как несколько миллиардов лет назад при возникновении жизни. Вместе с тем на современном уровне развития науки уже возможен строго научный подход к изучению этой проблемы путем создания в искусственной (лабораторной) обстановке условий, отвечающих соответствующему этапу развития планеты.

Вопросы для самоконтроля

1. Что отличает живые организмы от тел неживой природы?

2. Какие теории, касающиеся возникновения жизни на Земле вам известны, в чем их суть?

3. Изложите гипотезу академиков А.И. Опарина-Холдейна о происхождении жизни.

4. Почему невозможно самозарождение жизни, т. е. возникновение ее из неорганической материи, в современных условиях?