Особенности биологического уровня организации материи. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем

Тема 8. Особенности биологического уровня организации материи. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем

1. Принцип историзма — фундаментальный принцип наук о живом. Основные этапы становления идеи развития в биологии.

Согласно принципу историзма, важно учитывать не только обусловленность настоящего прошлым, но и развитие самой современности: ведь в настоящем противоборствуют различные тенденции, формируются альтернативные возможности будущего развития. История — не заданный изначально процесс с заранее предопределенным результатом (фатализм, телеологизм). Объективные закономерности исторического развития прокладывают себе дорогу не в единственно возможной форме. Их реализация варьируема. И важно учитывать многообразие возможных форм, путей развития.

Предмет (ископаемые останки животных, изделия человеческих рук, памятники письменности и др.) выступает как момент, ступень развития, если ему найдено место в ряду исторически изменяющихся природных или общественных форм. Каждый такой предмет оказывается включенным в определенный конкретно-исторический контекст, имеет признаки того или иного времени.

Исторический подход широко используется в естествознании. Так, само возникновение геологии как науки во многом было связано с тем, что основой исследования геологических структур стал исторический взгляд на строение Земли. Историзм буквально пронизывает науку о живом. В своем конкретном применении принцип историзма в биологии был научно обоснован Ч. Дарвином.

Принцип историзма помогает установить конкретные исторические состояния изучаемого объекта, исходный пункт и результат, движущие силы, самый механизм и условия развития. Сравнительный анализ стадий развития объекта позволяет раскрыть сложное взаимодействие факторов, закономерностей его истории.

Принцип историзма означает, что при изучении любого феномена, идеи или понятия необходимо исследовать его происхождение и развитие в истории, этапы, которые были пройдены, и с этой точки зрения смотреть на современное состояние предмета, имея в виду его возможное будущее развитие.

Основными положениями эволюционной теории Дарвина являются, учение о наследственности, изменчивости и естественном отборе.

Главная заслуга Ч. Дарвина в том, что он раскрыл движущие силы эволюции. Он материалистически объяснил возникновение и относительный характер приспособленности действием только естественных законов, без вмешательства сверхъестественных сил.

Основные этапы становления идеи развития в биологии.

В период античной философии сторонники теории античной диалектики высказывали предположения о том, что окружающий мир не постоянен, а изменяется и развивается с течением времени. В это же время активно проповедуется и теория креационизма, согласно которое всё живое на планете является результатом творения Бога и существует длительное время в первозданном виде.

Уже в эти времена между этими взглядами на эволюцию в природе шла борьба. На начальном этапе развития биологической науки теория креационизма была доминирующей. Но всё же в трудах некоторых философов отмечались идеи об эволюционном развитии. Так, Анаксимен был сторонником внезапного превращения видов, а Эмпедокл полагал, что в процессе эволюции способны выжить лишь жизнеспособные организмы, однако данные учения не рассматривались всерьёз.

Большое значение для формирования эволюционных представлений имели идеи Аристотеля. На протяжении длительного времени он занимался исследованием животных и описал более 500 видов их, систематизировав от наиболее простых к самым сложноорганизованным. По Аристотелю, все живые тела можно классифицировать следующим образом:

1. Минералы

2. Растения

3. Зоофиты

4. Низшие животные

5. Высшие животные

6. Человек

Представления Аристотеля на протяжении длительного времени являлись основополагающими в теории эволюционного развития. Даже в период Средневековья они пользовались авторитетом и признанием.

Представления об окружающем мире в эпоху Средневековья во многом зависели от господствующей в то время церковной идеологии. В этот период попытки классифицировать живые организмы носили формальный характер: организмы систематизировались по алфавиту или с прикладной точки зрения (полезные – вредные).

Второй этап становления идей развития органического мира. Значение трудов К. Линнея.

Большое количество полезной для биологов информации принесла эпоха Великих географических открытий. В это время отмечался значительный интерес к биологической науке, а открытие новых территорий во многом способствовало расширению представлений об окружающем мире и особенностях живых организмов.

В результате формирования большого объёма информации о живых организмах возникла необходимость их классификации. Одной из наиболее рациональных из них стала классификация Карла Линнея – шведского естествоиспытателя.

В классификации К. Линнея описано более 8 тысяч растений, установлена единая классификация и порядок их описания. В основе классификации лежал принцип иерархичности: виды объединяются в роды, роды – в отряды, отряды – в классы. Данная классификация явилась ключевым этапом развития систематики живой природы. Также большой заслугой Линнея стала бинарная номенклатура видов: название каждого вида обозначается двумя словами, первое из которых определяет родовую принадлежность, второе – видовую.

В этот период уже стали появляться идеи о том, что виды непостоянны, и органические формы усложняются с течением времени; длительный процесс развития живых организмов, постепенно приводящий к появлению новых видов, назвали эволюцией. Эволюционные представления Жана Батиста Ламарка

В 19 веке Жан Батист Ламарк впервые разработал единую концепцию эволюции органического мира.

Основные положения данной концепции таковы:

• Организмы изменчивы

• Виды условны и постепенно появляются новые виды

• Творцом было заложено стремление природы к совершенствованию¸ и именно это является движущей силой развития организмов.

• Изменение организмов происходит под воздействием внешних условий.

• Эти изменения наследуются.

В целом в эволюционной теории Ламарка происходит объединение идей об изменяемости видов и прогрессивной революции, однако причины этих изменений не были установлены.

Важнейшее значение для реализации идее и развития органического мира имела эволюционная теория Чарльза Дарвина. Согласно данной теории, движущие силы эволюции – это наследственная изменчивость и естественный отбор. Вид служит элементарной единицей эволюции. Теория эволюции Дарвина основывается на принципах, которые лежат в основе современных эволюционных представлений:

1. Борьба за существование

2. Наследственность и изменчивость.

3. Естественный отбор.

1. Принцип устойчивого, термодинамического равновесия живых систем — всеобщий закон биологии. Статистический и динамический аспекты равновесия.

В то время биология как наука еще не была достаточно развита. Еще не был известен состав клеток и их основные функции, и было общепринятым считать, что жизнь - это некоторое вещество с особыми свойствами.

В микроскоп живое вещество различных живых организмов выглядело практически одинаково в виде клеток с желеобразной массой (которая получила название протоплазма).

Основной задачей, которую поставил перед собой Э. Бауэр - определить основные термодинамические свойства живых веществ, за которое он принимал молекулы белков в особом, неравновесном состоянии.

Несмотря на целый ряд ошибочных предположений, принципиальным научным достижением Э. Бауэра в этой работе является неопровержимое доказательство того, что живые организмы могут находиться только в устойчивом неравновесном термодинамическом состоянии. Э. Бауэром был сформулирован «Всеобщий закон биологии» в следующей редакции:

По существу этот закон является Первым законом термодинамики биологических систем.

Э. Бауэром также был сформулирован «Принцип устойчивого неравновесия живых систем»:

Позже теория Э. Бауэра была полностью подтверждена работами И. Пригожина, Г. Хакена и Р. Тома. Как утверждает И. Пригожин: «…и биосфера в целом, и ее различные компоненты, живые или неживые, существуют в сильно неравновесных условиях. В этом смысле жизнь, заведомо укладывающаяся в рамки естественного порядка, предстает перед нами как высшее проявление происходящих в природе процессов самоорганизации».

В системе, находящейся в динамическом равновесии, будут происходить небольшие изменения, которые в сумме не приведут к чистым изменениям. Многие биологические системы находятся в динамическом равновесии, от воды внутри клетки до динамического равновесия, испытываемого популяциями хищников и жертв. Динамическое равновесие отличается от статического равновесия, при котором части тела не движутся после достижения равновесия.

Динамическое равновесие, с другой стороны, - это точка, в которой продукты образуются так же быстро, как и распадаются.

Экологи и популяционные биологи часто ссылаются на динамическое равновесие, когда говорят о популяциях организмов. При изучении численности организмов в популяции с течением времени на рост популяции влияют многие факторы. Часто популяции переживают периоды подъема и спада. Достаточные ресурсы вызывают высокие темпы размножения у всех животных, что приводит к гораздо большему увеличению популяции. Когда ресурсы распределяются между этим большим числом, ресурсов практически не хватает для всех. Таким образом, популяция вымирает.

Примеры динамического равновесия

Глюкоза в организме

На протяжении всей вашей жизни уровень глюкозы в вашем организме остается относительно неизменным. Однако в течение дня ваш организм потребляет огромное количество глюкозы и должен ее восполнять. Каждая клетка вашего организма нуждается в глюкозе для функционирования. Поскольку клетки используют эту глюкозу, печень и ваша пищеварительная система работают быстро, чтобы заменить ее. Глюкоза из пищи, которую вы употребляете, перемещается из желудка и кишечника в кровоток. Печень накапливает глюкозу в виде гликогена и должна расщеплять эту большую молекулу, чтобы высвободить глюкозу в кровь. В вашем организме глюкоза находится в динамическом равновесии. Хотя концентрация глюкозы бывает высокой и низкой, она относительно стабильна. Если уровень глюкозы в вашем организме выйдет из динамического равновесия или вы не сможете заменить используемую глюкозу, вы в конечном итоге умрете.

• Статическое равновесие – когда система достигает точки стабильности, в которой ни одна часть не продолжает двигаться.

• Равновесие - точка в реакции, в которой существует наименьшая свободная энергия по обе стороны химического уравнения.

• Свободная энергия – Энергия в системе, способная вызвать реакцию.

1. Концепции происхождения живого.

Креационизм.

Согласно этой теории жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом; ее придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. Процесс божественного сотворения мира считается произошедшим однократно и поэтому недоступен для наблюдения; этого достаточно, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного обсуждения. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, и поэтому она никогда не сможет ни опровергнуть, ни доказать эту концепцию.

Концепция стационарного состояния.

Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно, она всегда способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало. Виды также существовали всегда. 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. Они утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми остатками, можно делать 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 (увеличение численности, миграции в места благоприятные для сохранения остатков и т. п.). 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.

Концепция самопроизвольного зарождения жизни

Сущность гипотезы самозарождения заключается в том, что живые предметы непрерывно и самопроизвольно возникают из неживой материи, скажем из грязи, росы или гниющего органического вещества. Она же рассматривает случаи, когда одна форма жизни трансформируется непосредственно в другую.

Концепция случайного происхождения жизни

Эта теория была распространена в древнем Китае, Вавилоне и Египте как альтернатива креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384 – 322 до н. э.), которого часто называют основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения из неживого вещества. Согласно его гипотезе, определенные “частицы” вещества содержат некое “активное начало”, которое при подходящих условиях может создать живой организм. Например, лягушки и насекомые при определенных условиях заводятся в сырой почве. Аристотель был прав, полагая, что это начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно считал, что оно есть в солнечном свете, тине и гниющем мясе. В 1688 г. итальянский биолог и врач Франческо Реди подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Проведя ряд экспериментов, с открытыми и закрытыми сосудами, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза), провозгласив знаменитый принцип - “все живое – от живого”. Реди установил, что белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе открытого сосуда – личинки мух. Эти эксперименты, однако, не привели к отказу от идеи самозарождения, и хотя она несколько отошла на задний план. В 1860 г. проблемой происхождения жизни занялся Луи Пастер, который к 2 этому времени уже многое сделать в микробиологии. В результате ряда экспериментов Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию самозарождения.

Концепция панспермии.

Эта теория не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о ее внеземном происхождении. Поэтому ее нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему в какое-то другое место Вселенной. Теория панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время в разных частях Галактики или Вселенной. Для обоснования этой теории используются многократные появления НЛО, наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и “космонавтов”, а также сообщения встречах с инопланетянами. При изучении материалов метеоритов и комет в них были обнаружены многие “предшественники живого” – такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соединения, возможно сыгравшие роль “семян”, падавших на голую Землю. Появился ряд сообщений о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся ученым убедительными.

Концепция биохимической эволюции.

В современном естествознании наиболее обоснованной считается теория абиогенного происхождения жизни, 3 выдвинутая в 1923 г. российским биохимиком А.И. Опариным. Основной идеей этой теории было обоснование того, что зарождение жизни – это длительный процесс зарождения живой материи в недрах неживой. Выделяют три основных этапа предположительного перехода от “неживого” к “живому”. 1. Этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы и состояния поверхности Земли. 2. Этап формирования в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, углеводородов, липидов. 3. Самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществ и воспроизводства органических структур данного состава, завершающееся образованием простейшей клетки.

1. Значение работ Л.Пастера для понимания особенностей мирового эволюционного процесса.

В XVII в. опыты Реди показали, что без мух черви в гниющем мясе не обнаружатся, а если прокипятить органические растворы, то микроорганизмы в них не смогут зарождаться (суждение, известное сейчас любой хозяйке, занимающейся консервированием продуктов). И только в 60-х гг. XIX в. Пастер (1822—1895) в своих опытах продемонстрировал, что микроорганизмы появляются в органических растворах только потому, что туда раньше был внесен зародыш. Пастером фактически была открыта природа брожения. Он ввел методы асептики и антисептики, а в 1888 г. создал и возглавил институт микробиологии (впоследствии Пастеровский институт).

Термин пастеризация произошел от фамилии этого ученого. Пастеризация означает способ уничтожения микробов в жидкостях и пищевых продуктах однократным нагреванием до температуры ниже 100 °С (обычно 60— 70 °С) с различной выдержкой (чаще всего 15—30 минут). Способ этот был предложен Л. Пастером и применяется для консервирования молока, вина, пива.

Являясь основоположником современной микробиологии и иммунологии, Л.Пастер известен также своими работами по асимметрии молекул, которые легли в основу стереохимии — области науки, изучающей пространственное строение молекул и влияние его на физические свойства, а также на направление и скорость реакций. Молекулярная асимметрия, открытая Л. Пастером (см. ТЕМУ 9.1.2.1—9.1.2.3), явилась одним из доказательств земного происхождения жизни и имела огромное значение для понимания особенностей мирового эволюционного процесса.

Таким образом, опыты Пастера имели двоякое значение:

1. Доказали несостоятельность концепции самопроизвольного зарождения жизни.

1. Обосновали идею о том, что все современное живое происходит только от живого.

1. Гипотеза Опарина.

Первую научную теорию относительно происхождения живых организмов на Земле создал советский биохимик А. И. Опарин (г.р. 1894). В 1924 г. он опубликовал работы, в которых изложил представления о том, как могла возникнуть жизнь на Земле. Согласно этой теории, жизнь возникла в специфических условиях древней Земли и рассматривается Опариным как закономерный результат химической эволюции соединений углерода во Вселенной.

По Опарину, процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделен на три этапа:

1. Возникновение органических веществ.

2. Образование из более простых органических веществ биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов и др.).

3. Возникновение примитивных самовоспроизводящихся организмов.

Теория биохимической эволюции имеет наибольшее количество сторонников среди современных учёных. Земля возникла около пяти миллиардов лет назад; первоначально температура её поверхности была очень высокой (4000 – 80000С). По мере её остывания образовались твёрдая поверхность (земная кора - литосфера). Атмосфера, первоначально состоявшая из лёгких газов (водород, гелий), не могла эффективно удерживаться недостаточно плотной Землёй, и эти газы заменялись более тяжёлыми: водяным паром, углекислым газом, аммиаком и метаном. Когда температура Земли опустилась ниже 1000C, водяной пар начал конденсироваться, образуя мировой океан. В это время, в соответствии с представлениями А. И. Опарина, состоялся абиогенный синтез, то есть в первоначальных земных океанах, насыщенных разными простыми химическими соединениями, «в первичном бульоне» под влиянием вулканического тепла, разрядов молний, интенсивной ультрафиолетовой радиации и других факторов среды начался синтез более сложных органических соединений, а затем и биополимеров. Образованию органических веществ способствовало отсутствие живых организмов – потребителей органики – и главного…окислителя…–…кислорода. Сложные молекулы аминокислот случайно объединялись в пептиды, которые, в свою очередь, создали первоначальные белки. Из этих белков синтезировались первичные живые существа микроскопических размеров.

Наиболее сложной проблемой в современной теории эволюции является превращение сложных органических веществ в простые живые организмы. Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. По-видимому, белковые молекулы, притягивая молекулы воды, образовывали коллоидные гидрофильные комплексы. Дальнейшее слияние таких комплексов друг с другом приводило к отделению коллоидов от водной среды (коацервация). На границе между коацерватом (от лат. coacervus – сгусток, куча) и средой выстраивались молекулы липидов – примитивная клеточная мембрана. Предполагается, что коллоиды могли обмениваться молекулами с окружающей средой (прообраз гетеротрофного питания) и накапливать определённые вещества. Ещё один тип молекул обеспечивал способность к самовоспроизведению.

Система взглядов А. И. Опарина получила название «коацерватная гипотеза».

Теория была обоснована, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путем случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения - внутри коацервата и в поколениях - единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур.

1. Биоэнергоинформатика. Триединство Вселенной: материя, энергия, информация.

Термин биоэнергоинформатика был введен д.т.н., профессором МГТУ им. Н.Э. Баумана В.Н. Волченко в 1989 г., когда им и его единомышленниками была проведена первая Всесоюзная конференция по биоэнергоин-форматике в Москве (Терминатор. 1993. № 1. С. 45).

Понятие информации как сообщения и сама информатика как наука об информационном обмене появились недавно. Новое понятие — биоэнергоинформационный обмен — возникло в сфере биофизики, биоэнергетики и экологии в связи с последними достижениями в этих областях. Изучение его дало основание высказать предположение об информационном единстве Вселенной, о наличии в ней «Информации — Сознания», а не только известных форм материи и энергии. Одним из элементов этой концепции выступает наличие во Вселенной некоторого общего замысла, плана. Эта гипотеза подтверждается современной астрофизикой, согласно которой фундаментальные свойства Вселенной, значения основных физических констант и даже формы физических закономерностей тесно связаны с фактором структурности Вселенной во всех ее масштабах и с возможностью Жизни. Иначе говоря, Вселенная такова, как это нужно ей для существования Жизни и Сознания в ней самой.

Отсюда следует второй элемент концепции биоэнерго-информатики — Вселенную нужно рассматривать как живую систему. А в живых системах фактор Сознания (информации) наряду с материей — энергией должен занимать весьма существенное место. Принципы живого, как правило, связывают со вторым началом термодинамики. Э. Шредингер показал, что живое как бы питается отрицательной энтропией. Однако Л. Больцман писал, что «живое... борется за энтропию», но он имел в виду рост химического или структурного многообразия живого.

Причина отмеченных противоречий содержится в том, что термодинамика имеет модель «энергия—вещество» с безликими идеальными частицами — точками для тех структур, а следовательно, и не может быть того информационного поля, которое мы вынуждены вводить. Именно оно обеспечивает структурную изменчивость как живого, так и всей материи во Вселенной.

Таким образом, можно говорить о необходимости триединства Вселенной: материи, энергии, информации (эти вопросы еще будут затрагиваться и подробно рассматриваться дальше). Но информация здесь не просто сообщение, она глубоко структурирована вплоть до уровня Сознания. Исходя из этого триединства, можно по-новому определить само понятие нетермодинамического равновесия в Природе.

С учетом концепций биоэнергоинформатики сформулированы основные свойства живых систем Вселенной:

? избирательность информационно-энергетических взаимодействий (наряду с материально-энергетическими), приводящих к иерархическому структурированию вещества, энергии, информации и наличию информационно-энергетического обмена со средой;

? целесообразность рассмотрения энтропии в трех составляющих: энергетической, конфигурационной и структурно-информационной вместо одной для обычных термодинамических систем;

? изменчивость за счет наличия внутренних сил, самопроизвольно реализующих состояние системы;

? живые системы, изменяясь, эволюционируют. По А. Эйнштейну, «жизни присущ элемент истории». Репродуцируемость, или же воспроизведение, упоминаемое обычно как признак живого, присуща и косной природе.

Неживые технические системы обладают высокой энергетичностью, например, лазерные технологии и термоядерный синтез дают плотность мощности 1010—102 0Вт/см2. В космических лучах при столкновении частиц энергии достигают значений порядка 1012 эВ и выше. Но информативность в перечисленных процессах невелика: десятки — сотни бит. Для информативности суперкомпьютеров известен предел Бреммермана — 1047 бит/с на грамм массы или 1093 бит. При переходе к живым организмам информативность, как структурное разнообразие, несомненно, более высокая, но измерять ее в битах бессмысленно (хотя Д. фон Нейман дал приближенно оценку емкости человеческого мозга в 1019 Мегабайт).

В то же время энергетичность клеточных структур (по данным КВЧ-терапии ММ-радиоволнами) составляет 10-5эВ. Таким образом, структурное совершенство живых систем можно оценивать по их информационно-энергетическому показателю. В полевой форме жизни высочайшее информационно-структурное разнообразие достигается почти при нулевой энергетичности системы. Это скорее характерно для Сознания как элемента Вселенной.

Очень важна здесь духовная наработка. Духовность нужно нарабатывать обычными путями: через любовь, красоту, истину, совесть, добро. Задачи биоэнергоинформа-тики как мировоззрения должны заключаться главным образом в раскрытии физических и, особенно, духовных резервов человека. Высокодуховный человек убежден, что сокровенный смысл жизни — отнюдь не в удовлетворении «непрерывно растущих материальных потребностей». Природа, создавая человека, видимо, рассчитывала на его вклад в самоорганизацию Вселенной, ее Сознание, создание наряду с Гармонией Природы гармонии человеческих творений искусства.

Принцип триединства и взаимопроникновения информации (ментальное поле), энергии (астральное поле) и материи (атомы) в процессе творения очевиден.

Сначала наше будущее творение появляется в нашей голове в виде объемной голограммы, затем мы наполняем наше творение эмоциональной энергией, и только потом оно появляется на физическом плане.

Все наши болезни сначала возникают в нашем сознании в виде деструктивных программ: агрессия, гнев, насилие (деформируется ментальное поле), затем к этому процессу подключаются наши чувства и эмоции, что многократно усиливает разрушительную, деструктивную мыслеформу (деформируется астральное поле), а только потом появляется заболевание, но никогда не наоборот.

1. Эволюция как развитие изучаемого процесса. Механизмы эволюции.

Эволюция – это развитие изучаемого процесса. Любой процесс может быть описан в терминах состояний. Описание процесса изменения состояний и есть эволюция.

Механизм – это некоторая совокупность логических связей, процедур, определяющих возникновение изменений в той или иной развивающейся, т.е. эволюционирующей среде.

Единый процесс мирового развития – это не игра случая. Он имеет определенную направленность, т.е. происходит непрерывное усложнение организации, охватывающей неживую природу, живое вещество и общество. Эти три уровня организации материального мира – звенья одной цепи. Поэтому естественна попытка описывать процесс развития в рамках единой схемы, с использованием общей терминологии. Такое связанное описание процессов развития резко упрощает системный анализ всех биосферных процессов, процессов взаимодействия природы и общества.

Единый процесс развития охватывает неживую природу, живое вещество и общество - три уровня организации материального мира - три звена единой цепи. Необходимо создание единого языка для описания этого единого процесса развития. В основу такого языка может быть положена дарвиновская триада: изменчивость, наследственность и отбор, но содержание этих понятий должно быть расширено.

Изменчивостью можно назвать любые проявления стохастичности и неопределенности. Неопределенность и стохастичность - объективная реальность нашего мира, которая проявляется в контексте необходимости, т.е. законов.

Случайность и неопределенность - характеристики всех процессов, протекающих в неживой природе (турбулентность, броуновское движение), в живой природе (мутагенез), в обществе (конфликты).

Изменчивость создает поле возможностей, из которого возникает многообразие процессов и организаций. Она вместе с тем служит и причиной их разрушения. Такова диалектика самоорганизации (синергетики).

Стохастичность и неопределенность в повседневной жизни людей проявляются в неоднозначности отображения реального мира в своем сознании, в неопределенности поведения и реакций на воздействия окружающего мира.

Второй фактор - наследственность. Этим термином можно обозначить не только способность сохранять свои особенности, но и изменяться от прошлого к будущему, способность будущего зависеть от прошлого. Наследственность отражает влияние прошлого на будущее. Будущее определяется прошлым в силу стохастичности неоднозначно.

Отбор - третье и самое трудное понятие триады. Недавно было открыто и изучено явление, получившее название “странный аттрактор”. Оказалось, что траектории многих детерминированных динамических систем могут полностью заполнять некоторый фазовый объем: в любой окрестности любой точки этого объема всегда будут находиться точки, принадлежащие траектории одной и той же системы, порожденные одним и тем же начальным состоянием. Более того, этот объем будет притягивать и остальные траектории системы.

Движения таких систем характеризуются высшей степенью неустойчивости: две любые сколь угодно близкие точки будут порождать совершенно различные траектории. Принцип Адамара “малым причинам должны отвечать малые следствия”, который долгое время играл важную роль в математической физике, теперь приходится пересматривать.

Траектории систем, обладающих “странным аттрактором”, несмотря на то, что они описываются вполне детерминированными уравнениями, подобны траекториям, порождаемым случайными причинами. Они хаотичны, их развитие невозможно прогнозировать.

Может быть, неустойчивости, порождающие хаос и неупорядоченность, -это естественное состояние материи, ее движения, на фоне которого лишь как исключения возникают более или менее стабильные образования? Может быть только эти образования мы и можем наблюдать, а все остальное происходит без свидетелей?

В этом случае принципами отбора можно назвать причины, которые приводят к существованию устойчивых образований в нашем нестабильном мире.

1. Дарвиновская триада — три уровня организации материального мира.

В основе дарвиновской триады лежат изменчивость, наследственность и естественный отбор.

Изменчивость

Первым звеном дарвиновской триады является изменчивость, т.е. разнообразие признаков и свойств у особей и групп особей любой степени родства. Двух одинаковых особей в природе не найдешь, даже в потомстве одной пары родителей особи всегда будут отличаться. Этот важный вывод, сделанный Дарвином на основании анализа наблюдений в природе и практике животноводства и растениеводства, был подтвержден впоследствии разнообразными фактическими материалами.

Изменчивость – это свойство органической природы. Во времена Дарвина изменчивость, которую наблюдали, делили на две категории:

• наследственная;

• ненаследственная.

В настоящее время такое разделение правильно лишь в самых общих чертах. Генетика показала, что ненаследственных признаков быть не может: все признаки и свойства организма в той или иной степени наследственны.

Ч. Дарвин обращает внимание на большое разнообразие сортов растений и пород животных, предками которых является один вид или ограниченное число диких видов. Показав широкий размах изменчивости домашних форм, Дарвин приводит неопровержимые доказательства изменения видов под влиянием условий существования. Ч. Дарвин выделяет несколько основных форм изменчивости:

• групповая изменчивость;

• неопределенная индивидуальная изменчивость.

Под групповой изменчивостью Ч. Дарвин понимал сходное изменение всех особей популяции в одном направлении вследствие влияния определенных условий. Например, изменение роста при изменении количества и качества пищи, толщины кожи, густоты шерстного покрова – от изменения климата и т.п.

Неопределенная индивидуальная изменчивость – это проявление разнообразных незначительных отличий у особей одного и того же вида, сорта, породы, которыми, существуя в сходных условиях, одна особь отличается от других.

Таким образом, всем живым организмам присуща индивидуальная наследственная изменчивость. Вследствие этого наблюдается естественное неравенство организмов. Другими словами – особи не тождественны друг другу.

Наследственная изменчивость – основа эволюционного процесса.

Изменчивость – это любые проявления неопределенности, стохастичности (случайности). Они составляют естественное содержание всех процессов микромира, но имеют место и на макроуровне. Изменчивость лежит в основе функционирования всех механизмов нашего мира на любом уровне его организации. Мир так устроен, что случайность и неопределенность – его объективные характеристики. Изменчивость же создает то поле возможностей, из которых возникает многообразие организационных форм. Но она также служит и причиной разрушения. Такова диалектика самоорганизации (синэргетики). Одни и те же факторы изменчивости стимулируют и созидание и разрушение.

Наследственность

Следующим этапом после изменчивости является наследственность – свойство родителей передавать свои признаки потомкам, следующему поколению. Это свойство не абсолютно: дети никогда не бывают точными копиями родителей, но кошка приносит на свет всегда только котят, а из семян пшеницы вырастает только пшеница. В процессе размножения от поколения к поколению передаются, не признаки, а код наследственной информации, определяющий лишь возможность развития будущих признаков в определенном диапазоне. Наследуется не признак, а норма реакции развивающейся особи на действие внешней среды.

Уже в XIX в. ученые начали понимать, что передачу признаков по наследству осуществляют какие-то частицы, имеющиеся в клетках, которые потом получили название генов. Установлено, что возможность возникновения всех наследственных признаков организма – от простейших клеток до человека – «записана», закодирована в виде последовательности нуклеотидов ДНК, передающейся от клетки к клетке из поколения в поколение с момента возникновения жизни на Земле.

Именно наследственность, наличие генетической программы в виде ДНК обеспечивает смену поколений, не прерывающуюся уже не менее 3,8 миллиарда лет. Генетические программы в этом процессе изменялись, усложнялись, но никогда не возникали из ничего. Наследственность и ее противоположность изменчивость – два необходимых условия жизни.

Таким образом, наследственность – это свойство организмов обеспечивать преемственность признаков и свойств между поколениями, а также определять характер развития организма в специфических условиях внешней среды. Ведь развитие признаков, определяемых наследственно, зависит и от внешней среды.

Наследственность – это термин, отражающий влияние прошлого на будущее. Он означает не только способность материи сохранять свои особенности, но и способность изменяться от прошлого к будущему, способность будущего зависеть от прошлого. Будущее определяется прошлым далеко не однозначно в силу той же стохастичности или случайности. Факт наследственности означает лишь то, что понять будущее нельзя без прошлого.

Отсюда такой интерес к истории, который присутствует у каждого человека. Наследственность – одна из составляющих причинности, наиболее полно которую раскрывает вся триада.

Связь между наследственностью и изменчивостью

Связь между наследственностью и изменчивостью совершенно ясна: оба эти явления выражают различные стороны преемственности в процессе воспроизведения, именно сходства и несходства потомства с исходными формами (причем под исходными формами подразумеваются не только родительские, так как в наследовании может проявиться сходство не с родителями, а с более или менее далекими предками).

Сходство выражает известную устойчивость органических форм в ряду поколений, а несходство – их способность к преобразованию. Так как всякое сходство познается только путем оценки различий, т.е. несходств, то и законы наследственности познаются через изучение закономерностей в процессах изменчивости, т.е. путем анализа форм изменчивости и роли этих процессов в нарушении сходства между родителями и их потомками.

Анализ явлений изменчивости среди потомков одних и тех же особей показал следующее:

1. Некоторые различия повторяются закономерно лишь в связи с известными условиями внешней среды, т.е. имеют характер непосредственной и определенной реакции организма на изменение некоторого внешнего фактора, например, температуры, влажности, освещения, питания. Такие различия по сравнению с исходной формой называются модификациями.

2. Другие различия повторяются закономерно у определенной части особей даже в том случае, если условия внешней среды оказываются совершенно одинаковыми для всех сравниваемых особей. Такие различия признаются наследственными. Анализ закономерностей их передачи и привел к раскрытию законов наследственности.

Таким образом, законы наследственности, с одной стороны, выражают повторение, т.е. изменчивость форм в ряду поколений, а с другой – выражают и закономерности в передаче-изменении, т.е. различий, от родителей потомкам.

Так как наследственность и изменчивость – основные свойства жизни, то изучающая их наука может считаться стержневой отраслью науки о живом.

Естественный отбор

Естественный отбор – единственный направленный эволюционный фактор, необходимый процесс, который управляет изменениями и контролирует их.

В основе дарвиновской теории лежит факт весьма интенсивного размножения организмов. Если бы для размножения не было преград, то увеличение численности любого вида живых существ шло бы в геометрической прогрессии. Это означает, что и медленно размножающиеся организмы очень быстро заняли бы поверхность земного шара. Но этому размножению противостоят многочисленные препятствия, приводящие к огромной смертности, в особенности среди личинок и молоди. Эта смертность, как правило, возрастает с увеличением численности, но это не означает, что размножение приводит к настоящему перенаселению, характеризуемому недостатком жизненных средств. Во многих случаях смертность определяется врагами и паразитами, размножающимися параллельно увеличению численности тех организмов, которые служат им пищей.

Таким образом, не только при наличии перенаселения, но и без него размножению любого вида организмов противостоят всевозможные препятствия. Таковыми являются:

• неблагоприятные влияния физических факторов;

• истребление врагами и паразитами;

• болезни и голод.

Организм встречает в этих факторах сопротивление не только увеличению своей численности, но и своему существованию. Только путем преодоления этого сопротивления данный вид может сохранить для себя и своего потомства место в фауне и флоре данной территории.

Эту форму активности организма в обеспечении своей жизни и жизни своего потомства Ч. Дарвин назвал борьбой за существование. Здесь идет речь об активности организмов, направленной на поддержание своей жизни и на оставление потомства. Она выражается в конкуренции и пассивных формах соревнования. Дарвиновское понимание «борьбы за существование» охватывает разнообразные формы взаимодействия между организмом и окружающей его средой, следовательно, в понимание борьбы входят различные формы сотрудничества. Борьба за существование означает все формы проявления активности данного вида организмов, направленные на поддержание жизни своего потомства.

Несмотря на способность организмов к быстрому размножению, фактически ему всегда довольно скоро кладется предел. Дарвин выделил три основные формы борьбы за существование:

• межвидовая;

• внутривидовая;

• борьба с неблагоприятными условиями среды.

Примеры межвидовой борьбы многочисленны. С экологической точки зрения, она представлена хищниками, паразитами и конкуренцией. К межвидовой борьбе относится и взаимодействие организмов в форме паразитизма, при которой организм хозяина становится менее конкурентно-способным.

Внутривидовая борьба означает конкуренцию между особями одного вида, у которых потребность в пище, территории и других условиях существования одинаковая. Ч. Дарвин считал внутривидовую борьбу самой напряженной. Поэтому в процессе эволюции у популяций выработались различные приспособления, снижающие остроту конкуренции: разметка границ; угрожающие позы и т.п.

Борьба с неблагоприятными условиями среды оказывает огромное влияние на выживаемость организмов. Выживают лишь наиболее приспособленные к данным условиям особи. Они образуют новую популяцию, что в целом способствует выживанию вида. В борьбе за существование выживают и оставляют потомство индивиды, обладающие таким комплексом признаков и свойств, которые позволяют наиболее успешно конкурировать с другими.

В природе происходят процессы избирательного уничтожения одних особей и избирательного выживания других – явление, названное Ч. Дарвином естественным отбором.

Естественный отбор – это сохранение благоприятных индивидуальных различий и изменений и уничтожение вредных.

Особи, успешно противостоящие неблагоприятным факторам и лучше использующие ресурсы внешней среды, с большей вероятностью могут оставить потомство. Этот процесс, действующий на протяжении десятков и сотен поколений, – главная движущая сила эволюции.

Учение о естественном отборе, сформулированное Ч. Дарвином, стало основой теории эволюции. В настоящее время учение о естественном отборе пополнено новыми фактами, и развито множество новых подходов. Понятие «естественный отбор» относится к фундаментальным понятиям не только эволюционного учения, но и всей биологии. С точки зрения биологии, выживает сильнейший, наиболее приспособленный, т.е. тот, кто выжил. Внутривидовой отбор отбирает те признаки, те особенности, которые, возникнув в результате действия случайных факторов, затем передаются в будущее за счет действия механизма наследственности. Внутривидовая борьба порождает отбор в живом мире – это фильтр, принцип отбора. Принципами отбора являются все законы сохранения, законы физики и химии в частности. К числу принципов отбора относится и второй закон термодинамики, не выводимый из законов сохранения. В экономике принципами отбора являются условия баланса и т.д.

Различают три главные формы отбора:

• движущий;

• стабилизирующий;

• деструктивный.

При движущем, или центробежном, отборе большую вероятность оставить потомство имеют особи, изменившиеся по каким-нибудь признакам по сравнению со средней для данного вида нормой. Отбирается один тип отклонения от нормы. Так появляются на свет более устойчивые к антибиотикам бактерии, более быстрые зайцы, засухо- и морозоустойчивые растения.

Стабилизирующий, или центростремительный, естественный отбор сохраняет в популяции среднее значение признаков (норму) и не пропускает в следующее поколение наиболее отклонившихся от этой нормы особей. Это путь сохранения видов неизменными.

При деструктивном (деструкция – нарушение нормальной структуры чего-либо), или разрывающем, отборе отбирается не один, а несколько признаков отклонения от нормы (два или больше). Это путь дробления предкового вида на дочерние группировки, каждая из которых может стать новым видом. При этом единый прежде вид распадается на группировки (расы, формы), отличающиеся морфологически, по времени размножения или же по предпочитаемой пище. Человек применяет деструктивный отбор, выводя мясные и молочные породы рогатого скота, верховых и тяжелоупряжных лошадей, разные породы собак и сорта культурных растений.

Выделяют еще семейный, или групповой, отбор, когда преимущество в размножении получают не отдельные особи, а вся группа в целом. Так возникают приспособительные черты группового поведения муравейника, пчелиной семьи, табуна копытных или стаи обезьян.

Несмотря на то, что разные формы естественного отбора могут приводить к разным, даже противоположным результатам, принцип у всех этих форм один: выживание и большая вероятность оставить потомство наиболее приспособленных к данным условиям особей.

Естественный отбор создает приспособляемость видов к условиям внешней среды. Но отбор бывает не только естественным, но и искусственным. Искусственный отбор – это способ, с помощью которого наряду с гибридизацией человек создал и создает высокопродуктивные породы животных, сорта культурных растений. Темпы эволюции, управляемой человеком, гораздо быстрее, чем в природе. Это объясняется тем, что искусственный отбор гораздо эффективнее естественного, человек сохраняет только те организмы, которые ему нужны, а в природе большинство полезных мутаций лишь несколько увеличивает вероятность выживания и размножения.

1. Классы механизмов эволюции. Основная особенность механизмов эволюции.

В явлениях самой различной природы важнейшую роль играют классы механизмов эволюции, среди которых можно выделить два:

1. Адаптационные.

2. Катастрофические, или пороговые.

Адаптационный механизм эволюции – это логическая цепочка, которая приспосабливает данную систему (или организм) к окружающей среде. Конечно же, сюда входят дарвиновские механизмы естественного отбора. Подобные же механизмы действуют и в физических и в химических процессах, используются в технике и общественном строе.

Основная особенность адаптационных механизмов – это то, что они позволяют нам в принципе предвидеть результаты действия механизма, т.е. развитие событий, а значит, прогнозировать эти события.

Свойства адаптационных механизмов эволюции:

1. Никакие внешние и внутренние возмущения не способны вывести систему за пределы того обозримого коридора, того канала эволюции, который заготовила природа для развития этой системы.

2. Под действием механизмов адаптационного типа границы этого коридора очерчены объективными законами нашего мира, более или менее близки друг к другу и достаточно обозримы в перспективе.

3. Путь развития в этом случае предсказуем с достаточной степенью точности.

Катастрофические, или пороговые, механизмы эволюции

Катастрофические, или пороговые, механизмы эволюции имеют совершенно другую природу, но для них тоже дарвиновская триада полностью сохраняет свой смысл. Суть этих механизмов: существует некоторое критическое значение внешнего воздействия (эффект «последней капли»), выше которого прежняя форма уже существовать не может. Старая организация системы разрушается, т.е. физическая система обладает пороговыми состояниями, переход через которые ведет к резкому качественному изменению протекающих в ней процессов, к изменению организации. Причем переход системы в новое состояние в этой пороговой ситуации не однозначен, так же, как неоднозначен и характер ее новой организации. То есть существует целое множество возможных структур, в рамках которых будет развиваться система. И предсказать заранее, какая из структур реализуется, нельзя. Предсказать нельзя в принципе, так как это зависит от тех неизбежно присутствующих случайных воздействий внешней среды, которые в момент перехода через пороговое состояние и будут определять отбор.

Главная особенность рассматриваемого типа механизмов – это неопределенность будущего, которая является следствием того, что будущее состояние системы при переходе ее характеристик через пороговое состояние определяется, прежде всего, случайностью, а она присутствует везде. Система как бы забывает свое прошлое. В этой точке как бы происходит разветвление путей эволюции и предсказать, по какой ветви пойдет развитие дальше, нельзя. Обратного ходя эволюции уже нет (разбитая чашка, даже склеенная, есть разбитая чашка). Пороговые механизмы свойственны не только неживой природе, но и процессам, протекающим в мире живой природы и общества.

1. Закон дивергенции.

Смысл принципа А. Пуанкаре состоит в том, что если эволюционный поток выходит на площадь — пересечение нескольких каналов эволюции, то возникает несколько вариантов дальнейшего развития эволюционного процесса. Характер развития качественно меняется и этих вариантов столько, сколько каналов эволюции выходит на перекресток. Выбор канала непредсказуем и неопределен. Какова будет новая организация системы — предсказать невозможно в принципе, так как выбор канала зависит от тех случайных факторов, которые неизбежно присутствуют в момент выхода системы на перекресток каналов эволюции.

Изложенная интерпретация характера эволюции делает наглядным один из общих законов самоорганизации материи — закон дивергенции, суть которого в следующем: процесс развития характеризуется непрерывным усложнением и ростом разнообразия организационных форм материи.

Дивергенция в переводе с позднелатинского означает расхождение. Здесь имеется в виду расхождение признаков и свойств у первоначально близких групп организмов в процессе эволюции. Это результат обитания в разных условиях и неодинаково направленного естественного отбора. Понятие дивергенции было введено Ч. Дарвином для объяснения многообразия сортов культурных растений, пород домашних животных и биологических видов.

Закон дивергенции характерен для всех трех форм развития материального мира: он действует в мире неживой природы, эволюции живых существ и обществе. С ростом сложности системы возрастает вероятность увеличения числа возможных путей дальнейшего развития, т.е. дивергенции. С увеличением сложности системы количество состояний, в которых могут происходить катастрофы, быстро возрастает, как и вероятность увеличения числа возможных путей дальнейшего развития. Это означает, что процесс самоорганизации ведет к непрерывному увеличению числа организационных форм, так как вероятность появления двух развивающихся систем в одном и том же канале эволюции практически равна нулю.

1. Взаимосвязь эволюции, адаптации и оганизации живых систем.

В методологическом отношении, рассматривая вопросы взаимосвязи эволюции, адаптации и организации живого, можно отметить следующее:

1. Единство живой природы базируется на взаимосвязи и взаимоотражении организации живых существ между собой и с определенной средой. Процесс отражения осуществляется с помощью механизма преобразования информации, поступающей от среды к организму.

2. «Причинность» структуры организма к пространственно-временному «континууму среды» - это комплекс адаптации организма к окружающей среде. Это свойство биологической организации как необходимое условие существования живого не только закрепляется в процессе эволюции, но и усиливается дополнительной системой регуляции жизненных процессов.

3. Ритмический, поэтапный характер развития обусловлен тем, что оно совершенствуется на основе отражения ритмических особенностей окружающей среды. Степень приспособления к среде может определяться по уровню совпадения ритмов движения системы и окружающей среды. Аритмия - показатель снижения темпов развития или определенной деградации системы.

4. Существующее опережающее отражение действительности свидетельствует о том, что направленность эволюции состоит в совершенствовании форм отражения живыми существами воздействий среды.

5. Структурная гармония, являющаяся основой единства живого, непосредственно связана с аккумуляцией отражения в ходе ответных реакций организмов на воздействия среды.

6. Отражение как основа приспособления организмов к окружающей среде неразрывно связано с процессами преобразования информации, осуществляющими функцию управления по отношению к окружающей среде.