Текст книги "Философия наук о живой природе"

6. Возникновение жизни на Земле

Попытки понять мироздание и его начало служили краеугольным камнем человеческого познания. Представления о возникновении жизни претерпели длительную эволюцию. Самые первые попытки осмысления встречаются в мифах, затем появились различные научные теории, которые лишь постепенно получили современную форму.

Древние греки считали, что Космос проходит стадию зарождения и распада, роста и разрушения. В основе концепции Космоса Аристотеля лежит аналогия с тем, как растения и животные возникают, растут, изменяются и умирают.

Грандиозная работа по составлению каталогов животных и растений на протяжении ХVII-ХVIII вв. и, возникшая на её основе классификация видов, неразрывно связанная с именем Линнея, свидетельствовали в пользу представления о неизменности видов, по крайней мере, видов крупных животных и растений. Однако у этой концепции было два уязвимых пункта. Первый из них был связан с поведением микроскопических животных, открытых в ХVII веке Левенгуком. Они могли самостоятельно двигаться, отличались большим разнообразием и, проявляя все признаки живых существ, казалось бы, не подчинялись общепринятым законам зарождения. Было предположено, что эти существа могут самостоятельно зарождаться или образовываться в результате случайного соединения тех или иных химических веществ. Так возникла концепция спонтанного самозарождения.

Вторая трудность стала очевидной благодаря исследованиям биологов. Оказалось, что ископаемые остатки животных различных видов распределяются по биологическим слоям в определенной закономерной последовательности. Из этой закономерности следовало, что виды постепенно изменяются и развиваются от простых форм к более сложным под влиянием естественного отбора. Ч. Дарвин не только констатировал факт эволюции видов, но и вскрыл механизм – естественный отбор. Возникло представление, что растения, и все виды животных составляют части единого древа жизни. Но жизнь представала как безликая протоплазма с внутренне присущей способностью к росту и размножению. Несмотря на то, что вопрос о возникновении жизни был сформулирован в ХIХ веке, разрешить его в том веке не могли – не было необходимых химических знаний о жизненных функциях.

Опираясь на результаты биохимии, в 1924 году опубликовал книгу «Происхождение жизни» А.И. Опарин. Идеи, высказанные в этой небольшой по объему книге, легли в основу почти всех современных теорий возникновения жизни. Пять лет спустя по существу те же самые положения независимо от Опарина высказал Дж. Холдейн. Обе работы представляют собой попытку использовать новые знания относительно циклов биохимических реакций окисления и брожения, для того, чтобы объяснить возникновение жизни через возникновение её важнейших биохимических свойств в условиях, которые, как предполагалось, существовали на первобытной Земле. При этом особое внимание обращалось на процессы, происходящие в океане, или гидросфере, а также изменения в примитивной атмосфере Земли.

В конце ХIХ века удалось выяснить роль органических молекул, способных во много раз ускорять обычные химические реакции и чрезвычайно специфических в своих действиях. То есть были открыты ферменты, как органические катализаторы. Опарину стало ясно, что возникновение ферментов явилось необходимым звеном процесса зарождения жизни. Опарин попытался устранить противоречия, порожденные успехом опытов Л. Пастера, экспериментально доказавшего невозможность спонтанного самозарождения. Пастер показал, что живое возникает из зародышей, уже присутствующих в среде. Если согласиться с таким выводом, то жизнь следует считать такой же вечной, как сама материя. Жизнь зародилась на Земле, а Земля единственная среди планет солнечной системы имеет атмосферу, в которой большую роль играет кислород. Однако молекулярный кислород сам является продуктом жизни.

Нынешняя земная жизнь распределяется на две больших категории: животные, дышащие кислородом, растения, способные к фотосинтезу. Животные могут жить в темноте, им необходим для дыхания кислород. Растения не нуждаются в кислороде, они сами образуют его на свету, но растения не способны долго жить и расти в темноте. Было предположено, что растения и животных следует рассматривать как дивергированных в своей специализации потомков общих прародителей, зоофитов. Зоофиты напоминали бактерий, которые способны выполнять одновременно как животные, так и растительные функции, то есть осуществлять фотосинтез и окисление.

Для возникновения жизни кроме кислорода, необходимы были органические вещества. «Начальным звеном этого процесса было абиогенное образование органических веществ на поверхности нашей планеты». (8. С. 21). Он предположил, что они образовались из метана и аммиака под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Идея о возникновении органических веществ, предшествующих зарождению жизни, весьма правдоподобна. Этот процесс из-за сравнительно небольшой доли ультрафиолетовых лучей в изучении Солнца должен быть медленным и малоэффективным. С развитием механизма фотосинтеза жизнь получала гораздо более эффективный способ генерирования энергии. В атмосфере начал появляться кислород, а вместе с ним и озон, который поглощал ультрафиолетовые лучи, ответственные за первые стадии формирования живого вещества. Возник «питательный бульон» жизни, а в нем возникла «коацерватная капля», которые, достигнув определенной величины, приобретали свойство открытых систем, реагирующих со средой.

Опарин высказал предположение о возникновение жизни через образование коллоидов. Он развил идею относительно процесса коацервации – одного из наиболее мощных способов концентрации высокополимерных веществ из их растворов. Он показал, что в таких коллоидных телах могут осуществляться сложные химические реакции. Эти тела, названные позже эобионтами, согласно Опарину, способны постепенно развиваться в систему. Медленный абиогенный способ образования органических веществ сменился биологическим синтезом этих веществ – фотосинтезом. Согласно Опарину, особенность живых организмов состоит только в том, что в них сплелись в крайне сложную комбинацию многочисленных свойств и признаков, по отдельности присущих различным неживым неорганическим телам. Жизнь, по Опарину, характеризуется не какими-либо определенными свойствами, а особенной специфической комбинацией этих свойств. Будучи материалистом, Опарин резко критиковал идеалистическую точку зрения на жизнь. Идеалисты утверждали, что организмам свойственны особые начала нематериального характера, которые по существу и управляют жизненным процессом. «Этим началам давались разные названия: «жизненный порыв» (Г. Бергсон), «аристогенез» (Г. Осборн), «холизма» (Дж. Сметс), «энтелехия» (Г. Дриш), «доминанта» (Рейнке), «финализм» (Э. Рассел), «телефинализм» (Л. де Нюи) и т.д. Однако общей для всех их является их сверхматериальная, не постигаемая опытом природа». (8. С. 13).

Концепция Холдейна несколько иная. Он писал о возможной роли бактериофагов и других вирусов как связывающего звена между жизнью и преджизнью. Он усмотрел в вирусах некую «полужизнь», способную существовать только в присутствии того широкого набора молекул, который в настоящее время составляет живую клетку.

Холдейн вначале описывает, какие химические превращения происходили на планете Земля после её образования. Он предположил, что атмосфера была бедна кислородом, а ультрафиолетовые лучи не задерживались озоновым слоем. Они достигали поверхности суши и моря. При действии ультрафиолетовых лучей на смесь воды, двуокиси углерода и аммиака возникает множество различных органических соединений, в том числе сахара, некоторые соединения из которых образуют белки. Эти вещества накапливались, и первичный океан, достиг консистенции горячего жидкого бульона. Первые предшественники жизни располагали пищей в больших количествах, у них не было соперников, с которыми им нужно было вести борьбу за существование. Кислорода было немного, и первые организмы начали жизнь как анаэробные существа, существуя за счет брожения. Так зародыш цыпленка в первые 2-3 дня после оплодотворения использует очень мало кислорода, а добывает всю энергию, необходимую ему для роста, сбраживая сахар в молочную кислоту, подобно тем бактериям, которые вызывают скисание молока. Впоследствии было показано, что характерная для эмбриональных клеток способность к неограниченному росту сочетается у них с другой эмбриональной чертой – добыванием энергии за счет брожения.

Примитивные организмы использовали питательные вещества, находящиеся в море. Некоторые из них начали осуществлять в своем собственном теле синтез и тем самым обеспечивать себя пищей. Так возникли первые растения, обитавшие у поверхности океана и синтезировавшие пищу так же, как это делают их современные потомки. Холдейн высказал мысль о том, что в основе единства всего живого лежит ассиметрический характер молекул, из которых построены живые организмы.

Иную версию происхождения жизни представил Джон Бернал (1901-1971). Согласно Д. Берналу, первоначально в «первичном бульоне» или на субвитальных территориях возникли белки и нуклеиновые кислоты, в общем уже обладавшие той же внутримолекулярной организацией, что и современные полимеры живой клетки. Вся же последующая история «биопоэза» (возникновение субклеточных структур, эобиотов, протоплазменных органоидов) по существу детерминировалась этой внутримолекулярной структурой биополимеров.

Он исходил из того, что основой живых веществ являются трехмерные системы. С энергетической точки зрения только трехмерные решетки термодинамически устойчивы. Бернал полагал, что неорганическими предшественниками были углекислота, неорганические ортофосфаты, аммиак, сероводород. В результате полимеризации возникли более сложные структуры, связанные с клеточной организацией. По Берналу возникновение жизни шло по схеме: атом – молекула – мономер – полимер – организм. В отличие от Опарина Бернал считал, что конденсация органических молекул происходила не путем образования коацерватов, а путем адсорбции первых полимеризованных структур на минеральных частицах, причем это происходило не в океане, а в илистых пластах под водой, в попеременно сухих и влажных пластах земли.

Бернал считает, что для возникновения любой формы жизни необходимы: геологические условия, существующие в гидросфере при достаточной интенсивности радиации. Согласно Берналу, сложная эукариотическая клетка образовалась из существовавших ранее прокариотических клеток, которые вошли в состав эукариотической клетки в виде органелл.

В 1982 г. была открыта энзиматическая активность ряда молекул РНК. Возникло представление о «мире РНК». Было высказано предположение, что мир РНК связывает «предбиотический мир» с ДНК. В таком случае все биологические реакции катализировались РНК. Но была ли РНК в самом «начале»? Здесь возможны пока лишь общие допущения.

Во всяком случае «начало» жизни отодвинулось к 3,5 миллиардам лет назад. Недавно было высказано предположение, что первые живые организмы на Земле могли появиться внутри камней, выстилающих дно океана. Крошечные полости внутри минералов могли выступить в роли клеток. Простые соединения – ионы аммония, монооксид углерода и сульфид железа выступили в роли катализаторов синтеза органических веществ из неорганики. С этим можно согласиться, но нет убедительного объяснения происхождения ферментов. Выход из каменных ячеек произошел около 3,8 миллиардов лет назад – жизнь возникла 3,5 миллиардов лет назад. Однако нет гипотезы, которая бы объяснила все известные науке факты.

7. Принцип развития в биологии. Основные этапы становления идеи развития в биологии

Проблема эволюции органического мира тесно связана с проблемой развития. В своё время логическая разработка идеи развития с неизбежностью привела к идее эволюции живого. Поэтому процесс формирования эволюционных представлений не может быть правильно понят без знания истории становления идеи развития, как в философии, так и в естествознании. Проблема развития выступает тем стержнем, вокруг которого совершалось и совершается формирование основных положений и представлений современной биологии.

В процессе развития имеет место образование новых структур и новых форм отношений между ними, вызванных возникновением нового качества.

Часто возникают споры по поводу самих терминов «развитие» и «эволюция» и их употреблении. Иногда встречается их использование как синонимов.

Термин «эволюция» заимствован из преформистской теории развития. Согласно такому подходу, будущий организм содержится в сформированном виде, но в миниатюрной форме в зародышевой клетке. В ходе онтогенеза происходит лишь развертывание этой миниатюрной формы во взрослый организм. Эволюция в этом случае понимается как простой механический процесс увеличения органов до размеров взрослого организма. Как полагает Э. Майр, именно по причине такого понимания эволюции сторонниками преформизма Ч. Дарвин не употреблял термин «эволюция» в труде «Происхождение видов». Впоследствии понятие «эволюция» было перенесено из онтогенеза на филогенез. Но и в этом случае эволюция не рассматривалась как сложный естественноисторический процесс. В филогенезе она означала развертывание заранее предуготовленного плана. При этом подразумевалось, что в ходе эволюции не происходит реальных изменений, а только выявляются изначальные потенциальные возможности.

В марксистской философии различаются две формы развития: эволюционная и революционная. Под эволюцией подразумевались только медленные, постепенные изменения количественного характера. Не случайно, что идея развития, оформившаяся в положение о том, что развитие является объективным свойством движущейся материи, не сразу стала методологическим принципом науки о живой природе. Понятие «развитие» трактовалось как более общее по отношению к понятию «эволюция».

В современной теории эволюции с успехом пользуются понятиями «индивидуальное развитие» (онтогенез), «развитие зародыша» (эмбриогенез), «историческое развитие» (филогенез). В этом случае понятие «развитие» выступает как аспект эволюции органического мира. Следует учитывать сложившиеся исторические традиции употребления всех этих понятий.

Концепция Жана Батиста Ламарка может быть по справедливости названа первым в истории целостным учением об эволюции.

Эволюционные идеи высказывались и до Ламарка. Но при этом идея эволюции не была предметом специального исследования. Эволюция ещё не стала проблемой. Последовательное научное познание закономерностей развития живой природы привело к возникновению эволюционной теории Дарвина. До создания Дарвиным эволюционной теории существовали лишь отдельные элементы эволюционизма, выраженные в представлениях о естественном развитии организмов. Заслугой Ч. Дарвина является не создание эволюционного учения, поскольку оно уже было создано Ламарком. Дарвин вскрыл материальные естественноисторические причины эволюции, что и превратило эволюционное учение в теорию эволюции.

До возникновения эволюционного учения в биологии господствовали креационистские представления. Отправляясь от факта многообразия форм органического мира, сторонники креационизма рассматривали это многообразие как результат божественного творения. Они защищали идею неизменности видов и отрицали эволюцию.

В то время сохранялись представления Аристотеля. Сторонники этого подхода представляли живую природу в виде восходящей «лестницы существ», ступенями которой являются отдельные формы органического мира, располагающиеся в порядке повышения их сложности.

В работе «Человек – растение» французский философ Ж.О. Ламетри высказал идею о возникновении живых форм из органических зародышей под влиянием внешней среды. Единство растительного и животного царства он усматривал в сходстве составляющих его элементов.

Развернутый характер приобрели эволюционные идеи в учении Дени Дидро, который прямо ставил вопрос о качественной изменчивости органического мира. Дидро считал, что человек как биологический вид имеет свою историю становления, равно как и другие живые существа. Но Дидро исходил из представления, что природа не делает скачков.

Основные возражения против идеи вечности и неизменности видов привел Ламарк в опубликованной в 1809 г. «Философии зоологии». Согласно взглядам Ламарка, развитие органического мира осуществляется путем естественной «градации», как постепенный переход от простейших форм биологической организации к усложняющимся и совершенствующимся. Движущей силой такого развития выступает «постоянное стремление природы» к усложнению строения организмов. Под влиянием самых разнообразных условий организмы вынуждены изменять свои привычки, что влечет за самой изменение строения, нарушающее правильность «градации».

Ожесточенные нападки на теорию Ламарка предпринял французский зоолог и палеонтолог Ж. Кювье. Кювье защищал идею неизменности видов, допуская лишь отдельные изменения в рамках индивидуальных различий. И, тем не менее, разработка эволюционной идеи была продолжена Э.Ж. Сент-Илером, И.В. Гёте, И.Е. Дядьковским, К.Ф. Рулье, К.М. Бэром.

Как известно в основу теории эволюции Дарвин положил следующие материальные факторы: наследственность, изменчивость и естественный отбор. Учение о естественном отборе стало ключевым в решении многих проблем эволюции органического мира. Как отмечал И.И. Шмальгаузен, «теория естественного отбора представляет всеобъемлющую теорию органической эволюции, так как объясняет и почти непрерывный процесс совершенствования организации, и факты поразительного приспособления животных и растений к условиям их существования, в том числе к другим организмам, и исключительное многообразие органических форм». (9. С. 34). Тщательное изучение ископаемых форм животных и растений, сравнительный анализ остатков ископаемых животных и живых организмов приводят Дарвина к мысли о том, что, несмотря на огромное разнообразие животного и растительного царства, они составляют единый мир живой природы. И единство этого мира основано на общности их происхождения.

М. Кальвин в книге «Химическая эволюция» впервые опубликовал письмо Дарвина Гукеру, в котором Дарвин допускает мысль о «химической» эволюции. Действительно, в основе живого лежат сходные химические соединения, которые относятся к группе белков, среди которых особое положение имеют нуклеопротеиды. Исследования в области молекулярной биологии показали, что нуклеиновые кислоты ответственны за многие важные процессы жизнедеятельности организмов. При этом особую роль играют макромолекулы ДНК и РНК. Но эти данные не были известны Дарвину.

В ходе исследования характера изменчивости Дарвин выделяет два её вида: определенную и неопределенную. Под определенной изменчивостью он понимал способность всех особей определенного вида, оказавшихся в одной и той же измененной среде, изменяться сходным образом в одном определенном направлении. Таким образом, определенная изменчивость связана с изменениями внешней среды. В современной биологической литературе часто можно встретить термин модификация, под которым обычно понимается определенная изменчивость.

Неопределенная изменчивость включает в себя изменения, которые совершаются в самых различных направлениях. Эти изменения только косвенно связаны с изменением окружающей среды. Индивидуальные свойства особи определяют специфику реакции. Причем измененные особи могут иметь незначительные отличия от исходных, но зато потомство уже обнаруживает самые разнообразные и многочисленные отклонения. Изменения при этом оказываются, как правило, наследственными. По современной терминологии такие неопределенные изменения называют мутациями.

До Дарвина натуралисты отождествляли эволюцию органического мира с определенной изменчивостью, в ходе которой возникают полезные, приспособительные признаки. Дарвин считал, что неопределенная изменчивость может создавать признаки как полезные, так и вредные, а также нейтральные. В этом вопросе заслуга Дарвина состояла в том, что он сумел выявить главные, а не второстепенные движущие силы эволюции. Учением о неопределенной, случайной изменчивости как основном материале для эволюционных преобразований Дарвин изгнал из эволюционной идеи телеологические представления. Он отказался от взгляда на эволюцию как на процесс, якобы обнаруживающий присущую организмам способность изменяться целеустремленно, в соответствии с потребностями.

Перед Дарвиным стояла задача объяснить закономерную природу эволюции. В Англии того времени селекция процветала. Главный принцип селекции – сохранение особей с важными для хозяйственного использования и выбраковка особей, не отвечающих этим требованиям. Поскольку в этом процессе принимает участие человек, отбор носит искусственный характер. Искусственный отбор послужил Дарвину аналогом при создании теории естественного отбора. Вывод Дарвина: «Ключ к объяснению заключается во власти человека накоплять изменения путем отбора». (10. С. 290).

На вопрос, каким образом достигается удивительная приспособленность отдельных частей и органов внутри организма друг к другу и как организмы приспосабливаются к окружающей среде и к другим организмам, получает разрешение у Дарвина в учении о борьбе за существование и естественном отборе. В основе борьбы за существование лежат две противоположные тенденции. С одной стороны, стремление организмов к сохранению жизни и размножению за счет проявления активности, с другой – противодействие со стороны внешней среды, направленное на уничтожение организма и ограничение размножения. В ходе этой борьбы организмы обеспечивают себя и своё потомство необходимыми жизненными свойствами. Они вынуждены защищать себя от неблагоприятных климатических условий, от хищников, ведя при этом борьбу как с представителями других видов, так и внутри своего вида. В результате выживает наиболее приспособленная часть вида, остальные погибают.

Дарвин приводит пример о влиянии количества кошек на урожай клевера. Клевер опыляется шмелями, но полевые мыши разоряют шмелиные гнезда. И в тех районах, где есть кошки, большая вероятность высоких урожаев клевера. Дарвин выделял борьбу с климатом, борьбу с врагами и борьбу с конкурентами.

Дарвин дал следующее определение естественного отбора: «Сохранение благоприятных индивидуальных различий и изменений и уничтожение вредных я назвал Естественным отбором, или Переживанием наиболее приспособленных». (10. С. 328). Теория естественного отбора дала ответ на многовековой спор о причине относительной целесообразности в мире животных и растений.

По оценке Ф. Энгельса, Ч. Дарвин доказал, что «весь современный органический мир, растения и животные, а следовательно также и человек, есть продукт процесса развития, длившегося миллионы лет». (11. С. 666).

Эволюционная теория Дарвина, выдержав борьбу с антидарвинистами, получала мощную поддержку с возникновением популяционной, эволюционной генетики. В 20-30 гг. ХХ века эволюционную генетику развивали С.С. Четвериков, Н.П. Дубинин, С. Райт Р. Фишер, Дж. Холдейн. Начало этим исследованиям было положено статьей С.С. Четверикова «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики», напечатанной в «Журнале экспериментальной биологии» в 1926 г.

В это время развитие биологии ограничивалось отсутствием знания о фундаментальных первичных структурах наследственности, составляющих её молекулярный уровень.

Ограниченность была снята математизацией генетики. Если в познании явлений изменчивости и наследственности большую роль сыграло применение теории вероятностей, то для исследования механизма эволюции, её движущих сил потребовалось привлечение общей теории игр и моделирования.

Создание моделей механизма естественного отбора позволило рассматривать эволюционный процесс с точки зрения изменения генетической структуры популяции. При решении этих вопросов большое значение имело открытие закона Харди-Вейнберга, который гласит, что популяция стремится сохранить равновесие концентраций генов, если отсутствуют факторы, которые могли бы изменить его. Следует отметить, что этот закон действителен для идеальной популяции.

Таким образом, в популяции смыкаются противоположные тенденции. С одной стороны, она стремится сохранить сложившееся состояние своей генетической структуры, с другой стороны, миграция, изоляция, отбор и мутационное давление постоянно нарушают его. Именно такое представление легло в основу разработки математического аппарата генетической теории естественного отбора.