Концепции и принципы биологического естествознания
3.
Концепции начала и эволюции жизни
Поскольку жизнь появилась
наверняка, когда появилась первая клетка, то отсчет жизни необходимо вести от
клетки. Жизнь клеток формировала окружающую среду и самих клеток, так
утверждает основная гипотеза в учении о биосфере В. И. Вернадского. Клетки,
первоначально примитивные и недифференцированные по возможностям и
способностям, все же немного (флуктуационно, как это положено для возникновения
всего нового и необычного) по этим функциям, т. е. способностям и возможностям,
отличались.
В первобытную эпоху атмосфера Земли
состояла из вулканических газов, отравленных метаном и аммиаком, не было тогда
ни кислорода, ни углекислого газа — ничего иного, что необходимо для
поддержания жизни (подробности см. в книге академика Э. М. Галимова. «Феномен
жизни», 2001). Без риска ошибиться, можно утверждать, что только в океане могла
развиться жизнь, в котором она представлена неисчислимым разнообразием форм,
начиная с появившихся, по меньшей мере, 4,2-4,0 млрд. лет назад и кончая
сегодняшними, находящимися в единстве с прошлым.
Океан того времени представлял
собой что-то вроде органического бульона, в котором могло происходить все то,
что привело в конечном итоге к образованию клетки. Но жизнь навеки осталась
связанной с океаном. В организмах большинства морских беспозвоночных
циркулирует раствор ионов, который, по существу, является морской водой. Кровь
позвоночных по ионному составу близка морской воде, разведенной в 3-4 раза,
что, по предположению ряда ученых, соответствует составу морской воды далекого
прошлого, того, когда у наших предков образовалась закрытая система
кровообращения.
Планктон, прежде всего сине-зеленые
водоросли (первые одноклеточные организмы), которые существуют и поныне, в
допалеозойскую эру наполнил атмосферу кислородом (но не исключаем, что кислород
мог поступать из недр Земли, в соответствии с гипотезой российского геофизика
О. Сорохтина, как мы укажем в следующем пункте) в количестве, достаточном для
эволюции многоклеточных уже за 10 млн. лет до кембрийского периода, т. е.
600-650 млн. лет назад. Скелеты и раковины мельчайшего одноклеточного планктона
— радиолярии и фораминиферы — сформировали в тот период дно Мирового океана.
Следующим шагом в эволюции
многоклеточных организмов следует считать возникновение растений и животных.
Это происходило в несколько этапов. На первом этапе клетки просто объединялись
в колонии, в которой каждая клетка оставалась относительно самостоятельной. В
колонии, например, в португальском кораблике, возникла специализация клеточных
организмов. По крайней мере, в португальском кораблике таких разновидностей
специальных организмов четыре: первый выполняет функции плавника, второй
щупальца — орудия лова, третий — пищеварительного тракта, и четвертый отвечает
за функцию размножения.
По мере дальнейшей «специализации»
живые организмы, входящие в состав более крупного организма, утратили свою
индивидуальность. У него стала образовываться полая сфера, имеющая два слоя:
энтодерму (внутренний слой) и эктодерму (наружный слой), и ротовое отверстие,
ведущее в центральную, пищеварительную, полость. Такова элементарная структура,
являющаяся основой строения тела всех кишечнополостных, например, медуз.
Структура животных
совершенствовалась, образовывался средний слой — мезодерма, и сформировалась
полость тела (как у червей). Позднее из эктодермы образовались нервная система
и другие органы. Сначала же произошла его перестройка, а именно, возник слой,
защищающий мягкие тела животных (кишечнополостных), но не приведший к
образованию ненужных им в водах океана тканей. Это произошло позднее и при
участии мезодермы: когда началась миграция живых существ из океана, тогда
развился внутренний скелет (появились хордовые, позвоночные).
Всю историю, эволюцию организменной
жизни, можно проследить в трех измерениях. Во-первых, в диахронном, или
временном, измерении. Во-вторых, в синхронном измерении, полагая, что все или
почти все формы жизни, которые когда-либо существовали, существуют и теперь. И,
в-третьих, в минрохронном измерении, что обусловлено рекапитуляцией
(повторением) предковых форм в индивидуальном развитии эмбрионов большинства
ныне живущих организмов.
В первом измерении жизнь предстает
по вертикали, во временной шкале, во втором измерении жизнь предстает как бы по
горизонтали, начиная путь от простейших организмов к наиболее сложным, а вот
третье измерение сжимает все эти эпохи жизни до периода вынашивания плода.
Биологические науки точно
установили, что в первом, в диахронном измерении, в палеозойскую эру, в
докембрийский период (эпоху) (не ранее 600 млн. лет назад) появились губки; в
кембрийский (500-600 млн. лет назад) — трилобиты, моллюски и первые
ракообразные; в ордовик (425-500 млн. лет назад) — двустворчатые моллюски,
наутилонды и первые позвоночные, первые рыбы; в силурийский период (405-425 млн.
лет назад) — коралловые рифы; в девон (345-405 млн. лет назад) — многочисленные
рыбы и земноводные, появление насекомых; в каменноугольный период (280-245 млн.
лет назад) — гигантские насекомые; в пермский период (230-280 млн. лет назад)
вымирают трилобиты, процветают пресмыкающиеся. В мезозойскую эру в триасе
(181-230 млн. лет назад) — появляются первые млекопитающие; в юр и мел (63— 181
млн. лет назад) — время расцвета и вымирания динозавров. И, наконец, в
кайнозойскую эру в третичном периоде (1-63 млн. лет назад) млекопитающие
распространились на суше, и в раннем четвертичном периоде появился человек
(около 5-1 млн. лет назад), переживший четыре ледниковых периода в эти годы
становления и возмужания.
Можно отметить два выдающихся
момента в указанной эволюции. Первый — происхождение позвоночных от простых
сидячих (неподвижных) форм, появившихся путем фильтрации, и второй момент —
переход от рыбы к земноводному. Тела сидячих организмов, практически
пищеварительная система, прикреплялись ножкой к морскому дну, тогда как другие
ножки направляли плавающие пищевые частицы в ротовое отверстие. В ходе эволюции
совершенствовался их аппарат фильтрационного питания, так что, в конце концов,
он превратился в ряд жаберных щелей, первичной функцией которых было не
дыхание, а питание. В какой-то момент эволюции после почкования и образования
личинок, передвигаясь в поисках подходящего места, личинка с крупной головой с
жабрами и мускулистым хвостом, усиленным продольной желеобразной хордой —
нотохордой (прообразом позвоночника), быстро переходила во взрослую форму
оболочника, которая не всегда сопровождалась сидячей стадией, а иногда
заменялась на свободно плавающую.
Связующим звеном между рыбами и
земноводными является целакант (родственник кистеперых рыб). У целакантов из
парных плавников развились конечности, тогда же образовалось что-то вроде
легких, в результате чего они приспособились для дыхания и передвижения на
суше, поэтому и смогли развиться земноводные.
Во втором, «синхронном» измерении
эволюции, можно взять, например, сложную, с ответвлениями пищевую цепь. Тогда
мы увидим, как мельчайшие растения, диатомные водоросли и всевозможные
жгутиковые, которые и составляют фитопланктон, плавают в поверхностных водах,
как мельчайшие животные — веслоногие рачки, криль или личинки крабов — поедают
этот фитопланктон. А их, в свою очередь, поедают более крупные рыбы, например,
скумбрия или сельдь, заканчивающие свое существование в желудках еще более
крупных рыб, таких как тунец или меч-рыба. Вообще, только одна рыба из 10 000
не заканчивает свою жизнь в пасти другой. Можно также, в синхронном измерении,
расположить все живые существа в зависимости от места обитания и т. д.
В третьем, микрохронном измерении,
наиболее впечатляющим является развитие зародыша человека. Зародыш проходит все
стадии мельчайшего существа, похожего на головастика, хордового, хрящевого
анималькуля, прежде чем станет позвоночным, и стадии организма, дышащего
жабрами, прежде чем появятся легкие. У каждой из стадий этого быстрого развития
имеется соответствующая прошлому пространственно-временная точка (прямо можно
сказать — мировая точка в пространстве Минковского). Так, например, у плода
человека сердце развивается как простое расширение главного кровеносного
сосуда. Расширенный участок разделяется на четыре части, расположенные одна за
другой. Затем сосуд перекручивается назад и приобретает шаровидную форму (шар
наиболее совершенная симметричная форма из пространственных), причем два отдела
складываются (ушки предсердий) над двумя другими (желудочками). Это и есть
сердце.
Такую же сложную, из трех
измерении, модель можно построить и для всей биосферы, включая океаны, где
жизнь зародилась, пресноводные водоемы, где она развилась так мощно.
Развертывание жизни. Дарвинизм и
неодарвинизм. Первая теория эволюции была сформулирована в начале XIX века
Жаном Батистом Ламарком — выдающимся натуралистом-самоучкой, введшим термин
«биология». Ламарк оказал сильное влияние на Чарльза Дарвина. Но это влияние
уже практически отсутствовало, когда Дарвин опубликовал свою теорию в 1859 г. в
фундаментальной работе «Происхождение видов путем естественного отбора, или
Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за выживание». Кстати, в другом варианте
дополнение к первому, главному названию переводится так: «Сохранение избранных
рас в борьбе за выживание» (с латыни раса переводится как род, порода). Следует
отметить, что одновременно с этой книгой была опубликована также статья другого
англичанина Альфреда Уоллеса «О стремлении разновидностей бесконечно удаляться
от первоначального типа», в которой излагались взгляды, абсолютно сходные с
взглядами Дарвина, однако без всяких претензий Уоллеса на приоритет, который он
безоговорочно отдавал своему более именитому соотечественнику. Теория Дарвина
основывалась на двух идеях: случайные мутации и естественный отбор. Центральная
мысль дарвинизма заключается в том, что все живые организмы имеют общее начало,
общее происхождение. Различие между классической теорией эволюции (дарвинизм) и
новыми теориями (неодарвинизм) заключается в разном подходе к рассмотрению
динамики эволюции. Согласно утверждениям Дарвина, наследственные характеристики
передаются потомкам от их родителей по 50% поровну в первом поколении; таким
образом, во втором поколении наследуется только 25% характерных признаков и т.
д. В этом отношении классическая теория Дарвина имела явный изъян (называемый
«кошмар Дженкинса», по имени английского инженера Дженкинса, обратившего на
него внимание ученого мира), не согласовываясь с реальной жизнью.
Проповедниками дарвинского учения стали Эрнст Геккель и Герберт Спенсер,
особенно последний закрепил в нем термин эволюция, хотя сам Дарвин предпочитал
это понятие не употреблять.
Решение последней проблемы пришло
вместе с открытием Менделем в 1866 году механизма передачи наследственных
признаков (но, как известно, работа Менделя и его законы оставались
незамеченными в последующие 40 лет, до их пере открытия). Комбинация идей
Дарвина о постепенных эволюционных изменениях живых организмов с генетическим
механизмом Менделя и происходит в теории, носящей сейчас название неодарвинизм,
или синтетическая теория эволюции. И у дарвинизма, и у неодарвинизма есть
слабое звено в их теоретических построениях — долженствование постепенного
непрерывного изменения живых организмов.
Как показывают исследования
ископаемых организмов, в истории жизни существовали периоды длительностью в
сотни тысяч лет и более, на протяжении которых не наблюдались изменения
организмов. Период бурного изменения живых организмов на Земле начался примерно
1 миллион лет назад. В связи с этим появилось новое направление в теории —
системные представления эволюции. В этой теории возможно спонтанное образование
новых форм живых структур. Джеймс Ловлок и Линн Маргулис развили теорию Гея —
Земли (ГЗ), которая в общих чертах заключается в том, что нельзя рассматривать
развитие живых организмов в отрыве от развития, изменчивости окружающей среды.
Согласно ГЗ — теории, нет отдельных живых организмов, есть в целом глобальная
система, которая живет, развивается, эволюционирует.
Эволюция через симбиоз. В
микробиологии считается, что фундаментальное деление форм жизни заключается не
в делении на животные и растительные формы, а деление этих форм по виду клеток —
ядерные (эукариоты) и безъядерные (прокариоты). Бактерии, простейшие формы
жизни, не имеют клеточного ядра и поэтому называются прокариотами, тогда как
клетки, содержащие ядра, называются эукариотами. Одной из ключевых гипотез
современной теории эволюции является гипотеза Линн Маргулис о симбиозе. Симбиоз
— это тенденция различных организмов жить в тесном содружестве с другими
организмами и часто жить внутри других организмов (как, например, это делают
бактерии). Согласно гипотезе Л. Маргулис, митохондрии в клетках были в давние
времена отдельно существующими бактериями, внедрившимися когда-то вовнутрь
клеток другого организма. Предложенный Маргулис эволюционный механизм путем
симбиоза, может быть, был более важным и предпочтительным, чем стандартный путь
эволюции по Дарвину, который сегодня никак нельзя считать безупречным и
безальтернативным другим предлагаемым механизмам.
4. Системная иерархия организации живых организмов и
их сообществ
Все живые существа (как животные,
так и растения) состоят из клеток. Из клеток строятся ткани, из тканей —
различные органы и их системы. Клетки животных и растительных организмов имеют
примерно одинаковое строение. Важнейшей их частью является ядро. Оно
контролирует всю жизнедеятельность клетки: обмен веществ, рост и размножение.
Удаление ядра из клетки приводит к ее гибели.
Ядро клетки окружено полужидкой
субстанцией — цитоплазмой. Цитоплазма почти всех растений содержит небольшие
белковые тельца — пластиды. В пластидах заключен хлорофилл — вещество, которое
придает растениям зеленую окраску. Благодаря наличию хлорофилла, растения
способны осуществлять процесс, называемый фотосинтезом. В ходе фотосинтеза
растения, используя энергию солнечного света, превращают в органическое
вещество громадное количество углерода (по подсчетам ученых, около 200
миллиардов тонн ежегодно).
Каждая клетка животных и растений
окружена плазматической мембраной. Мембрана играет чрезвычайно важную роль в
регулировании содержимого клетки: через нее проходят все питательные вещества и
все отходы (продукты секреции) клетки. Растительные клетки, кроме мембраны,
снабжены еще плотной клеточной стенкой. Она во многих местах имеет мельчайшего
размера отверстия, через которые вещество одной клетки переходит в другую.
Клеточная стенка служит опорой растительного организма.
Основные структурные различия между
животными и растительными клетками немногочисленны. Во-первых, животные клетки,
в отличие от растительных (исключая низшие растения), содержат небольшие тельца
— центриоли, расположенные в цитоплазме. Во-вторых, как уже говорилось, клетки
растений имеют в своей цитоплазме белковые образования — пластиды, которых нет
у животных. И, в-третьих, клетки растений обладают упомянутой ранее клеточной
стенкой, благодаря которой они сохраняют свою форму. Животные клетки
располагают лишь тонкой плазматической мембраной и поэтому способны двигаться и
менять форму.
Все живые организмы, то есть
растения и животные, характеризуются, в той или иной степени, определенными
размерами и формой, обменом веществ, подвижностью, раздражимостью, ростом,
размножением и приспособляемостью. Перечисленные выше свойства отличают живое
от неживых объектов. Определить же, какие существа относятся к растениям, а
какие к животным, совсем не просто, как может показаться на первый взгляд.
Конечно, знакомые большинству людей такие представители животного мира, как
домашние животные, а растительного — различные виды деревьев, кустарников и
трав не вызывают особых затруднений.
Однако в природе существует ряд
организмов, которые находятся как бы посреди двух царств — растений и животных.
Для примера назовем простейшее одноклеточное существо эвглену зеленую. Она
двигается как животное, а питается как растение. Таким образом, эвглена
представляет собой как бы переходное звено между растительным и животным миром.
Какие же свойства и различия живых
организмов позволяют нам относить одни к растениям, другие к животным? Мы уже
их назвали при характеристике животных и растений. Повторим еще раз наиболее важные.
Во-первых, различия в способе питания, во-вторых, различия в структуре клеток и
их способности к росту (у растений, в отличие от животных, некоторые клетки
сохраняют способность к активному росту на протяжении всей жизни растительного
организма). И, в-третьих, различия в способности к движению: большинство
растений прикреплено к одному месту, значительная же часть животных ведет
подвижный образ жизни.
Распутать сложную сеть родства
организмов, определить степень их родства — вот задача, которую естествоиспытатели
стремились разрешить в первую очередь. В результате неустанных поисков ученых в
XVII веке появилась классификация, систематика, живых существ, не потерявшая
своего значения до сих пор. Ее предложил великий шведский ученый-систематик
Карл Линней.
Линней решил дать названия всем
растениям и животным, которые были известны в его время. Окончательное
завершение эта работа получила в его сочинении «Система природы»,
опубликованном в 1735 году. Классификацией Линнея, предложенными им названиями
растений и животных, до сих пор пользуются ботаники и зоологи всего мира. Самой
маленькой систематической единицей у Линнея, а также во всех системах, которые
создавались уже после него, стал вид, самой крупной — тип. Во всей сложности и
подробностях систематику Линнея и других мы здесь рассматривать не будем,
ограничимся минимумом сведений.
Вид — совокупность (популяция)
сходных особей, имеющих одинаковое строение и функции. В природе особи одного
вида скрещиваются только между собой. Близкородственные виды группируются в
следующую, более высокую систематическую единицу — род.
Научное (латинское) наименование
животных и растений состоит из двух слов. Это позволяет избежать путаницы при
классификации. Двойные названия, первое из которых обозначает род, второе —
вид, получили все растения и животные. Так домашнюю кошку (сиамскую,
персидскую, абиссинскую и т. п.) Линней назвал Felis domestica. К этому же роду
принадлежат «царь зверей» — лев (Felis leo), тигр (Felis tigris), леопард
(Felis pardus).
Подобно тому, как виды объединяются
в роды, близкие роды составляют семейства, семейства — порядки, или отряды, а
последние — классы. Род кошек, род собак и человеческий — все относятся к
классу млекопитающих. Классы объединяются в типы. И млекопитающие, и
земноводные, и птицы, и рыбы — все принадлежат к типу позвоночных; как сильно
они ни разнятся между собой, для всех них характерен один общий признак —
позвоночник и костный скелет.
Сегодня ученым известно, что на
нашей планете имеется 31 род бактерий; 150 родов (1400 видов) сине-зеленых
водорослей (общее число видов водорослей достигает 40 тысяч); около 200 тысяч
видов грибов; около 16 тысяч видов лишайников; мхов — свыше 18 тысяч видов.
Количество всех видов растений достигает 500 тысяч. Причем не все еще виды
растений удалось открыть, и кто знает, какие еще неожиданности ждут
исследователей.
Еще больше на Земле животных.
Простейших одноклеточных организмов сейчас известно около 15 тысяч видов;
кишечнополостных — от 5 до 9 тысяч; червей плоских — 6500 видов; червей круглых
— от 5 до 8 тысяч; червей кольчатых — до 7600 видов; млекопитающих — 12540
видов; птиц — 16 тысяч; пресмыкающихся и земноводных — 9 тысяч; рыб — 20 тысяч
видов. А всего видов позвоночных — около 70 тысяч; видов всех животных,
населяющих Землю, — более полутора миллионов.