Соотношение равновесия и эволюции. Эволюция живой природы

Во все века жила, затаена, Надежда — вскрыть все таинства природы.
В. Брюсов

15.1. Доказательства эволюции живого

Понятие "эволюция" употребляется в разных смыслах, но большей частью отождествляется с развитием. В ходе изложения нам уже приходилось говорить о глобальной эволюции Вселенной, геологической эволюции и эволюции живой природы. Во всех этих случаях под эволюцией подразумевается процесс длительных, постоянных, медленных изменений, которые в конечном итоге приводят к изменениям коренным, качественным, завершающимся возникновением новых более сложных материальных систем, структур, форм и видов. Под эволюцией живого мира понимают процесс развития природы со времени возникновения жизни до настоящего времени. В ходе эволюции менялись и возникали новые виды, появлялись все более сложные формы живых организмов, причем живое приспосабливалось к изменениям окружающей среды. После возникновения одноклеточных ступень эволюции заключалась в образовании и прогрессивном развитии многоклеточного организма. Одной из важных предпосылок возникновения высокоразвитых форм жизни стало образование колоний клеток путем скопления клеток с ядрами (эукариотов) и распределения функций между ними. Возникновение примерно 0,6 млрд лет назад многоклеточных эукариотов привело к взрывоподобному увеличению числа высокоразвитых форм жизни. В течение сравнительно короткого
374

геологического периода появились многие виды беспозвоночных и макроскопические водоросли. Для того чтобы произошел этот эволюционный скачок, понадобились три шага: 1) развитие полового размножения; 2) открытие принципа гетеротрофии; 3) образование колоний клеток с распределением функций.
Всех многоклеточных разделяют на три царства: грибы (Fungi ), растения (Melaphyta ) и животные (Metazoa ). Относительно эволюции грибов известно очень мало, так как палеонтологическая летопись их остается скудной. Два других царства намного богаче представлены ископаемыми остатками, дающими возможность довольно подробно восстановить ход их истории.
В протерозойскую эру (около 1 млрд лет назад) эволюционный ствол древнейших эукариот разделился на несколько ветвей, от которых возникли многоклеточные растения (зеленые, бурые и красные водоросли), а также грибы. Большинство из первичных растений свободно плавало в морской воде (диатомовые, золотистые водоросли), часть прикреплялась ко дну.
Существенным условием дальнейшей эволюции растений было образование почвенного субстрата на поверхности суши в результате взаимодействия бактерий и цианей с минеральными веществами и под влиянием климатических факторов. В конце силурийского периода почвообразовательные процессы подготовили возможность выхода растений на сушу (440 млн лет назад). Среди растений, первыми освоивших сушу, были псилофиты.
Самые ранние следы животных обнаруживаются в конце докембрия (700 млн лет назад). Предполагается, что первые животные произошли либо от общего ствола всех эукариот, либо от одной из групп древнейших водорослей.
Можно выделить четыре основных этапа эволюции: 1) биохимическая эволюция, начавшаяся примерно 3 млрд лет назад и закончившаяся к кембрию; 2) морфофизиологический прогресс, осуществляемый на протяжении 500 млн лет до настоящего времени; 3) эволюция психики, начавшаяся около 250 млн лет назад с момента появления насекомых; 4) эволюция сознания, связанная с возникновением и развитием человеческого общества на протяжении последних 500 тыс. лет.
375

Основными доказательствами эволюции живой природы являются следующие.
1. Доказательства единства происхождения органического
мира:

1. все организмы, будь то вирусы, бактерии, растения, животные или грибы, имеют удивительно близкий элементарный химический состав;
2. у всех у них особо важную роль в жизненных явлениях играют белки и нуклеиновые кислоты, которые построены всегда по единому принципу и из сходных компонентов. Высокая степень сходства обнаруживается не только в строении биологических молекул, но и в способе их функционирования. Принципы генетического кодирования, биосинтеза белков и нуклеиновых кислот едины для всего живого;
3. у подавляющего большинства организмов в качестве молекул — аккумуляторов энергии используется АТФ, одинаковы также механизмы расщепления Сахаров и основной энергетический цикл клетки;
4. большинство организмов имеют клеточное строение.

2. Эмбриологические доказательства эволюции.
Отечественные и зарубежные ученые обнаружили и глубоко
изучили сходства начальных стадий эмбрионального развития животных. Все многоклеточные животные проходят в ходе индивидуального развития стадии бластулы и гаструлы. С особой отчетливостью выступает сходство эмбриональных стадий в пределах отдельных типов или классов. Например, у всех наземных позвоночных, так же и у рыб, обнаруживается закладка жаберных дуг, хотя эти образования не имеют функционального значения у взрослых организмов. Подобное сходство эмбриональных стадий объясняется единством происхождения всех живых организмов.
3. Морфологические доказательства эволюции:
а) особую ценность для доказательства единства происхождения органического мира представляют формы, сочетающие в себе признаки нескольких крупных систематических единиц. Существование таких промежуточных форм указывает на то,
376

что в прежние геологические эпохи жили организмы, являющиеся родоначальниками нескольких систематических групп. Наглядным примером этого может служить одноклеточный организм эвглена зеленая. Она одновременно имеет признаки, типичные для растений и для простейших животных;
б) строение передних конечностей некоторых позвоноч
ных, несмотря на выполнение этими органами совершенно
разных функций, в принципиальных чертах строения сходны.
Некоторые кости в скелете конечностей могут отсутствовать,
другие — срастаться, относительные размеры костей могут ме
няться, но их гомология совершенно очевидна. Гомологичными
называются такие органы, которые развиваются из одинаковых
эмбриональных зачатков сходным образом;
в) некоторые органы или их части не функционируют у
взрослых животных и являются для них лишними — это так
называемые рудиментарные органы, или рудименты. Наличие
рудиментов, так же как и гомологичных органов, — тоже сви
детельство общности происхождения.
4. Палеонтологические доказательства эволюции.
Палеонтология указывает на причины эволюционных преобразований. В этом отношении интересна эволюция лошадей. Изменение климата на Земле повлекло за собой изменение конечностей лошади. Параллельно изменению конечностей происходило преобразование всего организма: увеличение размеров тела, изменение формы черепа и усложнение строения зубов, возникновение свойственного травоядным млекопитающим пищеварительного тракта и многое другое. В результате изменения внешних условий под влиянием естественного отбора произошло постепенное превращение мелких пятипалых всеядных животных в крупных травоядных. Богатейший палеонтологический материал — одно из наиболее убедительных доказательств эволюционного процесса, длящегося на нашей планете уже более 3 млрд лет.
5. Биогеографические доказательства эволюции.
Ярким свидетельством происшедших и происходящих эволюционных изменений является распространение животных и
377

растений по поверхности нашей планеты. Сравнение животного и растительного мира разных зон дает богатейший научный материал для доказательства эволюционного процесса. Фауна и флора палеоарктической и неоарктической областей имеют много общего. Это объясняется тем, что в прошлом между названными областями существовал сухопутный мост — Берингов перешеек. Другие области имеют мало общих черт.
Таким образом, распределение видов животных и растений по поверхности планеты и их группировка в биографические зоны отражают процесс исторического развития Земли и эволюции живого.
6. Островные фауна и флора.
Для понимания эволюционного процесса интерес представляют флора и фауна островов, которые полностью зависит от истории происхождения островов. Огромное количество разнообразных биографических фактов указывает на то, что особенности распределения живых существ на планете тесно связаны с преобразованием земной коры и с эволюционными изменениями видов.

15.2. Пути и причины эволюции живого

Общаясь с дураком, не оберешься срама, Поэтому совет ты выслушай Хайяма: Яд, мудрецом тебе предложенный, прими, Из рук же дурака не принимай бальзама.
О. Хайям

Вопрос о путях и причинах разнообразия форм живой природы в различной формулировке вставал с глубокой древности-античности (Эмпедокл, Лукреций Кар). Для возникновения мыслей о том, что происходит постепенное превращение одной структуры в другую, одной формы в следующую, более совершенную, достаточно было наблюдения за стадиями развития зародыша, жизнью диких животных, а также осмысления успехов в примитивной селекционной деятельности.
378

Карл Линней описал более 8 тысяч растений, ввел терминологию и строго иерархический порядок описания видов. Хотя его классификация была основана на внешних признаках, деление на вид, класс, род практически сохранено и в настоящее время. Система К. Линнея — первая научная классификация живой природы, созданная в XVIII в. За единицу классификации был принят вид — совокупность особей, сходных по строению и дающих похожее на них потомство. Биогенетический закон, сформулированный в 1864 г. немецкими зоологами Ф. Мюллером и Э. Геккелем, гласит: каждая особь в своем индивидуальном развитии (онтогенезе) повторяет историю развития своего вида (филогенез), т. е. онтогенез есть краткое повторение филогенеза.
Закон необратимости эволюции сформулирован в 1893 г. бельгийским ученым Л. Долло на основе изучения большого палеонтологического материала. Согласно этому закону организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, уже осуществленному в ряду его предков: эволюция необратима.
Однако в качестве самостоятельно поставленного с вопросом об эволюции живого выступил только Ж. Б. Ламарк, который впервые и ввел в науку термин "биология". Учение Ж. Б. Ламарка — первое эволюционное учение, созданное в начале XIX в, которое заключалось в том, что все организмы в процессе исторического развития претерпевают прогрессивное усложнение — градации. При этом он установил связь между изменением организмов и окружающей средой. Он отверг идею постоянства видов, противопоставив ей представление об изменяемости видов. Его учение утверждало существование эволюции как исторического развития от простого к сложному. Впервые был поставлен вопрос о факторах эволюции. Ламарк совершенно правильно считал, что условия среды оказывают важное влияние на ход эволюционного процесса. Он был одним из первых, кто отметил чрезвычайную длительность развития жизни на Земле. Однако Ламарк допустил серьезные ошибки, прежде всего в понимании факторов эволюционного процесса,
379

выводя их из якобы присущего всему живому стремления к совершенству. Это породило очень распространенные, но научно совершенно необоснованные представления о наследовании признаков, приобретаемых организмами под непосредственным воздействием среды. Эволюционное учение Ламарка не было достаточно доказательным и не получило широкого признания среди его современников. Часто эволюцию представляют как прогрессивное и регрессивное. Под биологическим прогрессом следует понимать возрастание приспособленности организмов в окружающей среде, ведущее к увеличению численности и более широкому распространению вида. Эволюционные изменения, происходящие в некоторых видах, семействах, отрядах, не всегда могут быть признаны прогрессивными. В таких случаях говорят о биологическом регрессе. Биологический регресс — это снижение уровня приспособленности к условиям обитания, уменьшение численности вида и площади видового ареала. Пути достижения биологического прогресса следующие:

1. Ароморфоз (морфологический прогресс) — возникновение в ходе эволюции признаков, которые существенно повышают уровень организации живых организмов. Ароморфоз дает большие преимущества в борьбе за существование, открывает возможности освоения новой, прежде недоступной среды обитания. В эволюции млекопитающих можно выделить несколько крупных ароморфозов: возникновение шерстного покрова, живорождение, вскармливание детенышей молоком, приобретение постоянной температуры тела, прогрессивное развитие легких, кровеносной системы и головного мозга. Формирование ароморфоза — длительный процесс, происходящий на основе наследственной изменчивости и естественного отбора. Морфо-физиологический прогресс — магистральный путь эволюции органического мира.
2. Идиоадаптация — это приспособление живого мира к окружающей среде, открывающее перед организмами возможность прогрессивного развития без принципиальной перестройки их биологической организации.

Тот, кто предупреждает нас о бесплодных путях, оказывает не меньшую услугу, чем тот, кто указывает правильный путь.
Гейне

Начало формирования теории эволюции, совершающейся посредством естественного отбора, относится к творчеству Ч. Дарвина. Вот уже более 100 лет эта теория находится в эпицентре борьбы разных типов идеологий и мировоззрений, исторический путь ее не был прост. Теория эволюции сформулирована Дарвином в 1859 г. Наибольший вклад Дарвина в науку заключается не в том, что он доказал существование эволюции, а в том, что он объяснил, как она может происходить. В 1859 г. Ч. Дарвин опубликовал труд "Происхождение видов путем естественного отбора". Здесь он предположил, что при интенсивной конкуренции внутри популяции любые изменения, благоприятные для выживания в данных условиях, повышают способность особей
381

размножаться и оставлять потомство. Дарвиновская революция была справедливо названа величайшей из всех научных революций, поскольку она не просто привела к замене одной научной революции (теории неизменных видов) на другую, но потребовала полного изменения представления человека о природе и о себе. Более конкретно она потребовала отказаться от некоторых наиболее широко распространенных и укорененных убеждений западного человека. В отличие от революций в физических науках (Коперник, Ньютон, Эйнштейн, Гейзенберг), дарвиновская революция подняла вопросы, касающиеся этики человека и его глубочайших убеждений. Новая парадигма Дарвина в своей сути представляет новое мировоззрение.
В теории эволюции Дарвина несколько научных компонентов. Во-первых, это представление об эволюции как реальности, что означает определение жизни как динамической структуры естественного мира, а не статической системы. Виды не только изменяются во времени, но и связаны друг с другом происхождением от общих предков. Этот компонент эволюционной теории обеспечивает логическую программу для систематики, исследований по сравнительной анатомии, эмбриологии, биогеографии и т. д. Эволюция рассматривается как постоянный процесс. Изменения видов — результат влияния естественного отбора на незначительные унаследованные отличия. Хотя существующие виды и обладают различными свойствами, считается, что эти свойства просто отражают исторический процесс дивергенции (расхождения), который уничтожил промежуточные формы или связующие виды. Считается, что с течением времени в результате постепенных малых изменений возникают новые формы, совершенно отличные от родительского вида. Положение о том, что виды произошли путем естественного отбора, Дарвин вывел, основываясь на пяти основных наблюдениях (фактах) и сделал три вывода:

1. Все виды обладают биологическим потенциалом к увеличению количества особей до больших популяций.
2. Однако популяции в природе демонстрируют относительное постоянство количества особей во времени.

3. Ресурсы, необходимые для существования видов, огра
ничены, поэтому количество особей в популяциях примерно
постоянно во времени.
Вывод 1. Между представителями одного вида существует борьба за ресурсы, необходимые для выживания и размножения. Только небольшая часть особей выживает и дает потомство.

1. Не существует двух особей одного вида, которые бы обладали одними свойствами. Представители одного вида демонстрируют большую изменчивость.
2. В основном изменчивость обусловлена генетически, поэтому наследуется.

Вывод 2. Конкуренция между представителями одного вида зависит от уникальных наследственных свойств особей, обеспечивающих преимущества в борьбе за ресурсы для выживания и размножения. Такая неодинаковая способность к выживанию и есть естественный отбор.
Вывод 3. Накопление наиболее благоприятных свойств в результате естественного отбора приводит к постоянному изменению видов. Так происходит эволюция.
Опираясь на огромный фактический материал и практику селекционной работы по выведению новых сортов растений и пород животных, Ч. Дарвин сформулировал основные принципы своей эволюционной теории:

1. первый принцип постулирует, что изменчивость является неотъемлемым свойством живого;
2. второй принцип раскрывает внутренние противоречия в развитии живой природы и утверждает, что, с одной стороны, все виды организмов имеют тенденцию к размножению в геометрической прогрессии, а с другой — выживает и достигает зрелости лишь небольшая часть потомства;
3. третий принцип обычно называют принципом естественного отбора, который играет фундаментальную роль в теории эволюции не только Дарвина, но и всех теорий, появившихся позднее. Естественный отбор постоянно распространяет по всему свету мельчайшие изменения, отбрасывая неприспособленные, сохраняя и слагая устойчивые, работая неслышно и невидимо над

усовершенствованием каждого органического существа в связи с условиями его жизни, органическими и неорганическими.
Теория Дарвина нуждалась в дальнейшей разработке и обосновании с учетом последующих достижений всех биологических дисциплин. Данные в поддержку гипотезы Дарвина дают различные науки. Палеонтология, которая занимается изучением ископаемых остатков, подтверждает факт прогрессивного возрастания сложности организмов. В самых древних породах встречаются организмы немногих типов, имеющих простое строение. Постепенно разнообразие и сложность растут. В соответствии с данными палеонтологии можно считать, что в протерозойскую геологическую эру (700 млн лет назад) появились бактерии, простейшие водоросли, примитивные морские организмы; в палеозойскую (365 млн лет назад) — наземные растения, пресмыкающиеся; в мезозойскую (185 млн лет назад) — млекопитающие, птицы, хвойные растения; в кайнозойскую (70 млн лет назад) — современные виды (табл. 15.1).
Теория эволюции Дарвина знаменовала собой крупный прорыв в биологии наряду с классификацией Линнея и клеточной теорией.

15.4. Современная теория органической эволюции

Ведь очень часто торопливость дум На ложный путь заводит безрассудно,
А там пристрастъя связывают ум.
Данте

Современная теория органической эволюции отличается от
дарвиновской по ряду важнейших пунктов:

1. в настоящее время элементарной структурой, с которой начинается эволюция, считается популяция, а не отдельная особь или вид, который включает в свой состав несколько популяций;
2. в качестве элементарного явления или процесса эволюции современная теория рассматривает устойчивое изменение генотипа популяции;

Таблица 15.1 Общая геохронологическая и стратиграфическая шкала Земли

Она шире и глубже истолковывает факторы и движущие силы эволюции, выделяя среди них факторы основные и неосновные.
Ч. Дарвин и последующие теоретики к основным факторам эволюции относили изменчивость, наследственность и борьбу за существование. В настоящее время к ним добавляют множество других дополнительных, неосновных факторов, которые тем не менее оказывают влияние на эволюционный процесс.
В современной теории процессы изменения и наследственности опираются на следующие три основных фактора:

1. важнейшим фактором является мутационный процесс, который исходит из признания того неоспоримого теперь положения, что основную массу эволюционного материала составляют различные формы мутаций, т. е. изменений наследственных свойств организмов, возникающих естественным путем или вызванных искусственными средствами;
2. вторым основным фактором эволюции служат популя-ционные волны, которые часто называют "волнами жизни". Они определяют количественные флуктуации, или отклонения от среднего значения численности организмов в популяции, а также области ее расположения (ареала). Причем наиболее подходящими для эволюции и возникновения новых видов оказываются популяции средних размеров;
3. в качестве третьего основного фактора эволюции признается обособленность группы организмов. Обособление и изоляция определенной группы организмов необходимы для того, чтобы она не могла скрещиваться с другими видами и тем самым передавать им и получать от них генетическую информацию.

К указанным основным факторам эволюции часто добавляют частоту смены поколений в популяциях, темпы и характер мутационных процессов и некоторые другие. Следует подчеркнуть, что все перечисленные основные и неосновные факторы выступают не изолированно, а во взаимосвязи и взаимодействии друг с другом.
Механизм эволюционного процесса и его движущая сила заключаются в действии естественного отбора, который явля-
386

ется результатом взаимодействия популяций и окружающей их среды. Естественный отбор характеризуется как процесс выживания наиболее приспособленных и уничтожения неприспособленных организмов. Современная теория эволюции раскрывает конкретные типы механизмов естественного отбора. В живой природе наблюдаются сложные, комплексные типы отбора.

15.5. Синтетическая теория эволюции

Берегись, ибо жизнь — это сущность творенья, Как ее проведешь, так она и пройдет.
Омар Хайям

Генетика привела к новым представлениям об эволюции, получившим название неодарвинизма, который можно определить как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически. Другое общепринятое название — синтетическая, или общая, теория эволюции. Механизм эволюции стал рассматриваться как состоящий из двух частей: случайные мутации на генетическом уровне и наследование наиболее удачных с точки зрения приспособления к окружающей среде мутаций, так как их носители выживают и оставляют потомство (мутация — появление нового признака — борьба за существование — естественный отбор).
Синтетическая теория эволюции представляет собой синтез основных эволюционных идей Дарвина и прежде всего идеи естественного отбора с новыми результатами биологических исследований в области наследственности и изменчивости. Если в теории Дарвина эволюция происходит в рамках вида, то в синтетической теории элементарной единицей эволюции служит популяция, поскольку именно в ее рамках происходят наследственные изменения генофонда. Другое существенное отличие синтетической эволюции от дарвиновской состоит в четком разграничении областей исследования микроэволюции и макроэволюции.
387

Микроэволюция — совокупность эволюционных изменений, происходящих в генофондах популяций за сравнительно небольшой период времени и приводящих к образованию новых видов. В отличие от этого макроэволюция связана с эволюционными преобразованиями за длительный исторический период времени, которые приводят к возникновению надвидовых форм организации живого. Изменения, которые изучаются в рамках микроэволюции, доступны непосредственному наблюдателю, тогда как макроэволюция происходит на протяжении длительного исторического периода времени. Макроэволюция, как и микроэволюция, происходит в конечном итоге под воздействием изменений в окружающей среде.
Любая новая крупная группа организмов выше уровня вида, как правило, возникает потому, что приобретает в ходе эволюции качественно новые особенности в своей структуре и организации, которые дают ей коренное преимущество в борьбе за существование. Каждая группа организмов характеризуется определенным средним темпом эволюции. Чем быстрее совершается процесс приспособления группы к частным, конкретным условиям среды, тем скорее она достигает расцвета и соответственно гибели. Уничтожение целых групп живых организмов в ходе эволюции обусловлено естественным отбором других групп, более приспособленных к изменившимся условиям окружающей среды. Исчезнувшие в процессе эволюции отдельные организмы, виды и группы впоследствии никогда не восстанавливаются в прежней форме.
Согласно эволюционной теории Дарвина целесообразность есть неизбежный результат естественного отбора, в ходе которого устраняются организмы, не приспособленные к условиям своего существования, и получают право на жизнь и потомство организмы, обладающие определенными преимуществами перед ними. Чтобы правильно объяснить целесообразность, необходимо иметь в виду, что любая ее форма зависит от внешней среды, определяется ее условиями и состоянием. Целесообразность носит относительный характер, так как ее мерой служит внешняя
388

среда; то, что целесообразно в одних условиях, оказывается нецелесообразным и даже вредным в других.
Эволюционная теория подтверждает существование прогресса в живой природе. В настоящее время не существует пока общепризнанных критериев прогресса, хотя в последние годы его связывают со степенью упорядоченности и сложностью организации биологических систем и их адаптаций к условиям окружающей среды.

15.6. Другие концепции эволюции живого

Живи — радуйся тому,
Что из твоих трудов под солнцем
выйдет.
Поскольку из живущих никому
Не суждено грядущего увидеть.
Из Екклесиаста

Критика дарвинизма велась со дня его возникновения. Дело в том, что общий ход эволюции в чем-то непредсказуем, хотя непредсказуемость неабсолютная. Недостаточное осознание этого факта подчас ориентирует мысль на поиски радикальных решений. Одним не нравилось, что изменения, по Дарвину, могут идти во всех возможных направлениях, случайным образом, беспорядочно. Другие выдвигали новые теории эволюции.
Наиболее широко распространен и популярен катастро-физм, тяга к сальтационистским объяснениям эволюционного процесса. Главными чертами таких трактовок является отрицание естественного отбора и утверждение о том, что наиболее существенное эволюционное изменение есть результат случайных изменений. Адаптации видов возникают сальтационно, т. е. скачкообразно (от итал. salto — прыжок). Новые уровни организмов возникают не в результате конкуренции их предков со старыми, а в условиях экологического вакуума, созданного массовым вымиранием. По уровню приспособленности новые группы организмов ничуть не совершеннее старых. Катастрофам — представление о том, что смена этапов органического
389

мира на Земле обусловлена катастрофами, уничтожающими животный и растительный мир. Одни авторы связывают катастрофы с геологическими процессами — оживление вулканизма, приводящего к глобальному похолоданию и выбросу в атмосферу большого объема токсических веществ; геомагнитными процессами биосферы, сопряженными с повышением ионизирующей радиации; с процессами горообразования и изменения климата. Другие авторы — сторонники космических причин массовых вымираний — чаще всего говорят о повышении радиации в результате вспышки сверхновых звезд и колебаний солнечной активности, или о бомбардировке Земли кометами и гигантскими астероидами, что ведет к изменению положения Солнечной системы относительно плоскости Галактики, или о прохождении крупного небесного тела через Солнечную систему.
Русский ученый П. Н. Кропоткин в концепции номогенеза придерживался точки зрения, в соответствии с которой взаимопомощь является более важным фактором эволюции, чем борьба. Наблюдая перемещения больших масс животных в Восточной Сибири, спасающихся от стихийных бедствий, он выделил взаимопомощь и кооперацию в животном мире как факторы эволюции.
В концепции коэволюции биологическая эволюция рассматривается как результат взаимодействия организмов. Случайно образовавшиеся более сложные формы увеличивают разнообразие и, стало быть, устойчивость экосистем. Удивительная согласованность всех видов жизни есть следствие коэволюции.
На основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции возникла гипотеза Геи (в греч. мифологии — богиня Земли). Суть гипотезы Геи следующая: Земля является саморегулирующейся системой, созданной биотой и окружающей средой, способной сохранять химический состав атмосферы и тем самым поддерживать благоприятное для жизни постоянство климата.
Биологи едины во мнении, что все широчайшее разнообразие животного мира, растений и других форм жизни на Земле связано с простыми организмами, появившимися около 3 млрд лет
390

назад. Большинство важнейших эволюционных преобразований совершилось довольно внезапно, после появления многоклеточных, около 600 млн лет назад, т. е. в кембрийский период. Этот период разделен на три эры: палеозой (эра "древней жизни"), мезозой (эра "промежуточной жизни") и кайнозой (эра "новой жизни"). Все виды животных появились примерно за 60 млн лет кембрийского периода, причем неизвестно, когда возник каждый тип отдельно. Считается, что около 450 млн лет назад появились позвоночные животные — щитовые рыбы, морские ежи, морские звезды и др. Тем не менее при сравнении 3,5 млрд лет всей биоэволюции и около 570 млн лет, прошедших с начала кембрия, создается впечатление, что все типы животных возникли практически одновременно и внезапно. По выражению палеонтологов, это — кембрийский взрыв формообразования. После кембрия скорость появления новых классов резко упала. Хотя загадка кембрийского взрыва не разгадана, она свидетельствует о роли случайности в процессе эволюции.
Распространение животных и растений на земном шаре носит прерывистый характер. Тот факт, что встречаются сходные особи в удаленных частях суши, может быть объяснен тем, что когда-то распределение суши на Земле было иным. В 1912 г. А. Вегенер выдвинул гипотезу дрейфа континентов, которая благосклонно была принята биологами, поскольку объясняла странное распространение животных. Причинами дрейфа он считал конвекционные течения в верхней мантии Земли, что весьма правдоподобно. Такая гипотеза позволяет объяснить непрерывные перемещения массивов суши и современное распространение некоторых редких животных. Дрейф континентов и периодические оледенения влияли на эволюционный процесс, меняя условия жизни. Гипотеза суперконтинентального дрейфа открывает новый путь к пониманию не только геологической и климатической истории Земли, но и эволюции жизни на Земле. Это началось (по гипотезе) 200 млн лет назад. По сути, любая из биологических эволюционных теорий в явной или неявной форме затрагивает проблему того, что первично в эволюции. Важно при рассмотрении темы увидеть эволюционную теорию не как одно-
391

значный путь развития, предсказуемый и познанный наукой, а как спектр в различной степени обоснованных концепций.
Многие биологи считают, что двигателем вариаций на видовом или популяционном уровне являются изменения в геноме. С развитием молекулярной биологии на этот счет появилось немалое число экстравагантных гипотез. При таком подходе эволюция экосистемы и биосферы — следствие микроэволюционных процессов. Есть и другая, сравнительно малочисленная группа исследователей, которые, считая себя последователями В. И. Вернадского, соглашаются с тем, что первопричиной эволюции являются экосистемные (биосферные) макропроцессы, влияющие на локальные условия среды. При этом создаются условия для отбора среди множества форм организмов, появляющихся в результате геномных коллизий. Отсюда вытекает, что экосистемы и биосфера управляют эволюционным процессом, порождая наиболее подходящие для себя популяции организмов.
Предметом острой моды в современной науке является концепция глобального эволюционизма. Глобальный эволюционизм есть попытка естественно-научными и математическими средствами описать развитие Вселенной как целостной многоуровневой системы, создать формализованные модели ряда ключевых моментов эволюции (бифуркаций и катастроф, эволюционного компромисса как способа разрешения системных противоречий). Основными тезисами глобального эволюционизма являются:

1. Наша Вселенная в силу связи всех ее составляющих есть некая единая система.
2. Ее эволюция — рост разнообразия форм материальной организации, ограничиваемый тенденцией к их единству и коо-перативности, — есть усложнение.
3. В процессе своей естественной эволюции Вселенная обретает с помощью человека способность не только познать саму себя, но и направлять свое развитие так, чтобы компенсировать или ослаблять дестабилизирующие факторы.
4. Главным из дестабилизирующих факторов пока является сам социум: возросшее могущество человека уже не позволяет рассматривать его в качестве независимой системы, вся история

которой развивается на некоем фоне, называемом окружающей средой.
5. Ближайшая цель общественного развития — обеспечение коэволюции человека и биосферы, так как, если нагрузка на биосферу будет возрастать, она сделается непригодной для обитания, в том числе самого человека.
Для достижения сформулированной цели, согласно сторонникам глобального эволюционизма, следует избегать любых бифуркаций: пока мы находимся внутри некоего канала, берега которого ограничивают множество возможных вариантов дальнейшей эволюции, мы можем предвидеть последствия своих действий, но если эволюция выйдет на пересечение ряда каналов (в точку бифуркации), где выбор дальнейшего направления станет случайным, это станет невозможным. Нам следует сознательно держаться своего канала, поскольку мы обладаем огромными возможностями разрушить его берега. Без этого длительное совместное развитие биосферы и самого человека остается благим намерением. Избежать бифуркационных состояний и ужиться с природой можно лишь на пути (в канале) сознательного усложнения системы "природа—человек". Условием такого сознательного усложнения является совершенствование искусственного, распространение таких технологий, которые позволяют максимально полно реализовать "дремлющие в природе" возможности. Внутреннее богатство новых сконструированных сложных систем укрепит наш "канал" новыми блоками. Развитие с позиции глобального эволюционизма выглядит как совместное усложнение природного и социального.
В табл. 15.2 представлена научная хронология основных этапов эволюции мира.

ВЫВОДЫ

1. Под эволюцией, т. е. развитием, понимается процесс длительных, постепенных, медленных изменений, которые в конечном итоге приводят к изменениям коренным, качественным, завершающимся возникновением новых материальных систем, структур, форм и видов.
393

Таблица 15.2 Научная хронология основных этапов эволюции мира

Основные этапы	Время этапа
Возникновение нашей Вселенной согласно теории Большого взрыва и расширяющейся Вселенной	15-20 млрд л. н.
Образование нашей Галактики	13 млрд л. н.
Образование Солнечной системы	5 млрд л. н.
Ранняя история Земли	4,6—3,8 млрд л. н.
Геологические истории Земли, возникновение фотосинтеза, кислородной атмосферы и появление прока-риотных организмов (т. е. состоящих из безъядерных клеток)	3,8-3,5 млрд л. н.
Появление эукариотных (ядерно-клеточных) организмов	3,5-2 млрд л. н.
Появление первых многоклеточных организмов, дифференциация растительного и животного мира	1 млрд л. н.
Выход жизни из моря на сушу	440 млн л. н.
Начало эволюции млекопитающих	65 млн л. н.
Появление обезьян	35 млн л. н.
Становление человека умелого (австралопитек)	5,5-2,0 млн л. н.
Появление человека разумного (кроманьонец)	40-15 тыс. л. н.

1. Изменчивость является неотъемлемым свойством живого. С одной стороны, все виды организмов имеют тенденцию к размножению в геометрической прогрессии, а с другой — выживает и достигает зрелости лишь небольшая часть потомства. Естественный отбор постоянно распространяет по всему свету мельчайшие изменения, отбрасывая неприспособленные, сохраняя устойчивые, работая неслышно и невидимо, где бы и когда бы ни представился тому случай, над усовершенствованием каждого живого существа в связи с условиями его жизни, органическими и неорганическими.
2. Новые виды могут возникать только в пределах одной популяции, поскольку вид — это группа скрещивающихся между собой организмов, которые не могут скрещиваться с представителями других таких групп. Изменение генных частот в каждой популяции составляет молекулярную основу эволюции, происходящей на основе естественного отбора.

1. Естественный отбор не является единственным фактором эволюции, хотя он очень важен. Основную массу эволюционного материала составляют различные формы мутаций, т. е. изменение наследственных свойств организмов, возникающих естественным путем или вызванных искусственными средствами. Мутации вносят новые гены в генофонд данной популяции, но сами мутации достаточно редки. Мутации как бы поставляют сырье, на которое действует естественный отбор.
2. Одним из основных факторов эволюции являются популя-ционные волны, которые часто называют "волнами жизни". Они определяют количественные флуктуации, или отклонения, от среднего значения численности организмов в популяции, а также области ее расположения (ареала). Другим основным фактором эволюции признается обособленность группы организмов, чтобы под влиянием локальных условий и давлений отбора эволюционировать своим путем.
3. Микроэволюция — совокупность эволюционных изменений, происходящих в генофондах популяций за сравнительно небольшой период времени и приводящих к образованию новых видов. В отличие от этого макроэволюция связана с эволюционными преобразованиями за длительный исторический период времени, которые приводят к возникновению надвидовых форм организации живого.
4. Целесообразность есть неизбежный результат естественного отбора, в ходе которого устраняются организмы, не приспособленные к условиям своего существования, и получают право на жизнь и потомство организмы, обладающие определенными преимуществами перед ними.

Вопросы для контроля знаний

1. Чем отличается молекулярная структура живых систем от неживых?
2. Какую роль играют молекулы ДНК в передаче наследственности и как был расшифрован генетический код?
3. Какие основные способы питания существуют в живой природе?

1. Какой уровень организации называется популяционным и чем он отличается от онтогенетического?
2. В чем состоит разница между биоценозами и биогеоценозами?
3. Какое воздействие сложность трофических связей оказывает на устойчивость и жизнеспособность живых систем?
4. Сформулируйте основные принципы учения Ч. Дарвина об эволюции.
5. Чем отличается синтетическая теория эволюции от дарвиновской?
6. Перечислите основные факторы и движущие силы эволюции.

1. Каков механизм генетической эволюции?
2. Как объясняет эволюционная теория целесообразность в природе?
3. С чем связан биологический прогресс?
4. Чем отличается макроэволюция от микроэволюции?
5. Поясните закон Геккеля: "Онтогенез повторяет филогенез".
6. Что является предметом изучения биологии?
7. Какие основные признаки учитывались в первых схемах классификации растений и животных?
8. Какую роль играет наследственность в развитии живой природы?
9. Как влияет изменчивость на живые организмы?
10. Приведите примеры действия естественного отбора в современном животном мире.
11. В чем проявляется синтез классического дарвинизма с новейшими достижениями генетики?

396

Эволюция

Говоря об эволюции, обычно подразумевают биологическую эволюцию, то есть постепенное изменение живых существ. Но что такое живое ? Это еще одно основополагающее понятие, над которым задумываются немногим чаще, чем над тем, что такое пространство и время. Участие в обмене веществом и энерги ей с окружающей средой и способность к самовоспроизведению не являются исчерпывающими признаками. Нетрудно вообразить робота, периодически меняющего батарейки, задача которого состоит в сборке себе подобных. Другой подход к определению живого апеллирует к химии: жизнь - это способ существования белковых тел. С этим невозможно спорить, как и с любым логико-позитивистским определением. Однако общественное сознание усилиями фантастов давно готово к встрече с небелковой жизнью (и скорее удивится, не обнаружив ее). Это означает, что понятие "жизнь" шире, чем его конкретное проявление.

Оставляя в стороне такие интригующие понятия, как "сознание", "разум", "душа", применяемые к человеку, постараемся понять для начала, чем отличается живой жук от заводного, не выходя за рамки нашего предмета. Достаточно сложный биологический объект, каковым является, например, жук, состоит из клеток. Они имеют собственное устройство и выполняют определенные функции. Это же можно сказать и про отдельные детали сложной машины. Однако сборка клеток и машин осуществляется на различных принципах. Клетка растет постепенно, и в нее включаются только атомы и молекулы, соответствующие физико-химическим свойствам уже накопленных элементов, представляющих собой зачаток самой клетки. В машине же все решает конечная - внешняя - функция, для выполнения которой и строится машина. В зависимости от этой функции и выбирается материал и устройство вновь присоединяемых элементов. Но это не все. Рибосома, например, состоит из РНК трех типов и 55-и белков. Можно создать условия, при которых произойдет их разделение, и их можно будет выделить (и распознать) в растворе. Однако если теперь создать другие - благоприятные - условия, то они снова соберутся в рибосому. С развалившимися (например, от продолжительной вибрации) часами так не произойдет ни при каких новых условиях. Наконец, машина работает, используя разность уровней энерги и. Клетка же способна накапливать энерги ю, а затем канализировать ее, то есть использовать строго определенным образом.

Пример с часами чрезвычайно показателен, поскольку иллюстрирует самую общую из известных физических закономерностей: упорядоченность физических систем не возрастает . Это в том числе означает, что не существует чисто механических систем, в которых сохраняется полная механическая энерги я, всегда имеются ее потери (например, в тепло), которые постепенно гасят и в конце концов прекращают тот или иной упорядоченный процесс. Тогда можно сказать, что материю можно считать живой, если она продолжает "делать что-либо" (двигаться, участвовать в обмене с окружающей средой и т.д.) в течение более длительного отрезка времени, чем по нашим понятиям могла бы делать неживая материя в подобных условиях. Пародоксальным образом можно сказать, что живая материя строго подчиняется законам механики, вопреки термодинамике. Кроме того, живым образованиям присуще их самоусложнение с течением времени.

Как мы полагаем в настоящее время, основой живой материи являются молекулы ДНК. Но живы ли они - эти химические соединения, набор атомов, каждый из которых "подчиняется" установленным для него законам неживой природы?

Посмотрим на эволюцию с более традиционно-биологической точки зрения. Теор ия Дарвина является одной из наиболее известных концепций биологической эволюции на нашей планете. Несмотря на то, что она основана на обширном эмпирическ ом материале, собранном и осмысл енном Ч.Дарвиным и его предшественниками и последователями, происхождение ее не является, строго говоря, естественнонаучным. Книга Дарвина называется "Происхождение видов", и основная ее идея состоит в использовании концепции естественного отбора для объяснения многообразия видов живых существ, обитающих на Земле. Однако уже сам Дарвин указывал, что эта концепция была взята им из социологии, где она присутствовала в так называемой доктрине Мальтуса. Борьба за существование и выживание сильнейшего в сообществах людей послужила моделью для описания биологических трансформаций в природе. По-видимому, внутривидовые изменения действительно могут происходить подобным образом. Однако уже "спуск" на следующий уровень, то есть род, вызывает вопросы. Что же касается распространения теор ии естественного отбора еще более глубоко в классификацию живых существ (классы, типы и т.д.), то она представляется мало удовлетворительной. Кроме того, можно перечислить некоторые факты эволюции, которые в рамках теор ии Дарвина представляются совершенно загадочными. Так, например,

* изменение зубов и копыт у лошадей в процессе эволюции указывает на то, что у эволюции может быть определенное направление, никак не обусловленное борьбой за существование;

* многократное возникновение в процессе эволюции одного и того же явления (биолюминисценция у различных классов организмов, одни и те же последовательности ДНК обнаруживаются в одном и том же месте белковых молекул у разных видов) указывает на то, что они обусловлены скорее внутренними, чем внешними причинами;

* формирование определенных структур может происходить до того , как они стали необходимы (так называемая преадаптация). Так, перо возникло до того, как сформировались птицы, а возникновение глаз нельзя объяснить отбором;

* существуют организмы (и гены), которые почти не эволюционируют (акула, опоссум, таракан).

Не находит объяснения и часто задаваемый вопрос, почему в настоящее время не происходит превращения обезьяны в человека. Обычный ответ на него, состоящий в том, что обезьяны, человекообразные обезьяны и люди есть оконечные ветви одного ствола, оставляет место для дальнейших вопросов о том, что явилось причиной такого расхождения. Другим примером является завоевание суши позвоночными. Обычно его представляют как весьма продолжительный процесс, явившийся результатом борьбы за выживание: произошло вытеснение менее приспособленных к водной среде видов, и они постепенно приспособились к жизни на суше. Однако некоторые обстоятельства жизнедеятельности определенных видов животных позволяют, по крайней мере, усомниться в этом. Превращение головастика в лягушку происходит без всякого отбора, а индуцируется синтезируемым в его организме химическим соединением тироксином, концентрация которого на определенном этапе повышается примерно в десять раз. Если у головастика удалить щитовидную железу, то он благополучно живет и развивается в водной форме. Если же впрыснуть ему в кровь тиреоидный гормон, то он превратится в лягушку. Известны и другие примеры: земноводное животное аксолотль в своих фазах настолько различается, что долгое время считалось, что это различные даже не виды, а рода. Отсутствие воды стимулирует выделение тироксина в организме аксолотля, и наступает разительная метаморфоза. Могло показаться (и казалось), что для таких изменений необходимы тысячи мутаций и отбор, а оказалось, что достаточно просто химического сигнала. Никаких изменений в генетической конструкции при этом не происходит. И это означает, что глубокие структурные и функциональные превращения могут происходить и без таких изменений. Любопытно, что и процесс рождения человека сходен с трансформацией у амфибий.

Теор ия естественного отбора предполагает как бы воздействие вида на род, тип и так далее, в то время как более последовательным выглядит эволюционный процесс, протекающий от типа к виду.

Во времена Дарвина говорить о молекулярной биологии было еще рано. Однако, идеи борьбы и выживания с учетом современных представлений о молекулярной основе живых существ находят свое отражение в различных неодарвинистских теор иях. Проводятся следующие рассуждения. В первичном "бульоне", образовавшемся на поверхности планеты, под воздействием внешних факторов: тепла, излучения, электрических разрядов возникают различные молекулы (в том числе и органические). Эти молекулы могут существовать какое-то время, распадаться, взаимодействовать с другими молекулами, образуя с ними соединения. В результате всех этих процессов возникает своеобразный тип молекул - так называемых репликаторов, - которые способны создавать и отщеплять собственные копии, составляемые из "обломков" химических соединений, содержащихся в окружающей среде ("бульоне"). Понятно, что с течением времени число таких молекул будет все более возрастать за счет этого копирования. Предположим, что свойством реплицироваться обладает несколько различных молекул. Кто же уцелеет? Во-первых, долгоживущие. Чем дольше молекула сохраняет стабильность, тем больше копий она сумеет воспроизвести. Во-вторых, размножающиеся быстро. В-третьих, размножающиеся точно, с наименьшими отклонениями от исходных. И вот весь бульон съеден. В нем не осталось обломков, пригодных для использования в репликации, они поступают в него только с разрушением уже существующих молекул. Если по каким-то причинам у одного из видов репликаторов возникает механизм расщепления других молекул, то его численность возрастает. С другой стороны, вид репликаторов, обладающий по каким-то причинам механизмом защиты от такого воздействия - протооболочкой, также уцелевает в процессе такой эволюции. По мере усложнения "атакующих" усложняются и "защитные" механизмы. При этом необязательно говорить о целенаправленном усложнении, просто по прошествии достаточно большого промежутка времени останутся лишь те молекулы, в которых эти механизмы так или иначе возникли. Путь от протооболчки ведет к протоклетке. Ее внутренняя часть содержит "исходную" реплицирующуюся молекулу. Это модель гена. И все дальнейшее есть лишь создание все более совершенных "машин" для выживания гена. Те сложные, часто многоклеточные, многофункциональные существа, которые мы теперь называем живыми (в том числе и человек), есть наиболее приспособившиеся потомки молекул-репликаторов.

Обсудим еще одну концепцию, известную как автоэволюция формы и функции . Ее возникновение связано со стремлением найти закономерности эволюции как живой, так и неживой природы, найти ее движущие силы. В ней выделяются четыре уровня рассмотрения, связанные между собой общими закономерностями.

Эволюция элементарных частиц

Элементарные частицы делятся на две категории: кварки и лептоны. Из кварков образуются барионы (такие трехкварковые частицы, как протон и нейтрон) и мезоны (состоящие из пары кварк-антикварк). Примером лептона является электрон. Различия между кварками и лептонами соответствуют изменению типа симметрии. Первоначально полагали, что элементарные частицы неизменны и неродственны. Теперь же есть основания думать (и имеются экспериментальные подтверждения, полученные в лабораториях, где наблюдались взаимные превращения элементарных частиц), что они образованы ранее существовавшими частицами и происходят от них. В самом начале существования Вселенной (до момента 10-9 секунды, если все же пытаться говорить о времени в этот период) возникли кварки, антикварки, позитроны, тау-лептоны, нейтрино, фотоны и другие, которые непрерывно и очень быстро превращались друг в друга. На эту эволюцию были наложены ограничения, определяемые симметрией возникающих объектов, которые позволяли процессу идти только определенным образом. Изменчивость свойств различных получающихся частиц была обусловлена тем, что были возможны различные комбинации исходных. Изменение свойств от частицы к частице происходит не непрерывно, а скачком, что как раз и связано с переходом от одного типа симметрии к другому. В последующий период большую роль играло существование неизменного реликтового излучения, воздействовавшего на дальнейшие процессы как постоянный фактор.

Эволюция химических элементов

До того как возникло представление об элементарных частицах, основой имеющихся в природе веществ признавались химические элементы. Они также поначалу считались неизменными и не взаимосвязанными (хотя алхимия одной из своих важнейших задач видела трансмутацию элементов. В золото, конечно.). Когда английский химик У.Праут в 1815 году высказал предположение об эволюции химических элементов, - с его точки зрения все они были продуктами полимеризации водорода, - это вызвало насмешки. Теперь же считается общепринятым, что все химические элементы образованы на основе водорода, сначала они возникают внутри звезд, а затем попадают в межзвездное пространство в результате взрывов. Число устойчивых элементов невелико, чуть более сотни. При этом важно отметить, что при радиоактивном распаде ядра атомов превращаются не в произвольн ые ядра, а во вполне определенные, а число видов превращений ограничено. Все разнообразие известных веществ получается в результате комбинирования составляющих их существующих химических элементов, причем это комбинирование происходит по строгим правилам.

Эволюция минералов

Минералами называются химические соединения (как правило, говорят о твердых телах), образовавшиеся в результате природных процессов. Их известно порядка 3000, и все они также прошли свой путь эволюции. Все известные минералы принадлежат к одной из семи кристаллографических симметрийных систем. Можно обнаружить, что различные по химическому составу минералы часто образуют одинаковые кристаллические структуры (изоморфизм). С другой стороны, вещества, обладающие одним и тем же химическим составом, могут образовывать различные кристаллические структуры (наиболее известным примером являются алмаз и графит: оба они представляют собой чистый углерод, но атомы его в этих двух случаях образуют различные решетки, и свойства получающихся веществ различаются очень сильно). Процесс роста кристаллов весьма сложен. Ясно, тем не менее, что получающаяся структура обусловлена факторами, связанными с взаимодействием на атомном уровне. В процессе комбинирования атомов между собой может возникнуть множество конфигураций, форм на основе одной системы, но возникают и остаются лишь достаточно строго определенные, и именно они участвуют в дальнейших процессах взаимодействия, выполняя в них определенные функции.

Интересен в этом смысл е известный опыт Пастера. Он исследовал процесс ферментации вин. В нем образуются два рода кристаллов одной и той же соли, которые представляют собой зеркальное отображение друг друга. При пропускании поляризованного света через водный раствор соли, состоящей из кристаллов одной формы, плоскость поляризации поворачивается вправо, если кристаллы другой формы - плоскость поляризации поворачивается влево. При пропускании поляризованного света через водный раствор смеси солей с кристаллами различных форм плоскость поляризации не поворачивается совсем. Фермент при образовании вина взаимодействует только с одной из этих форм. Таким образом, функция фермента неотделима от формы вещества, участвующего в процессе. Таким образом, асимметрия порождает функцию.

Можно сказать, что в основе описанных явлений лежит взаимосвязь между симметрией, веществом и формой, которые характеризуют устойчивость, с одной стороны, и асимметрией, энерги ей и функцией, характеризующих изменчивость, с другой стороны. Именно эта взаимосвязь и обусловливает все эволюционное развитие на нашей планете: форма порождает функцию, функция порождает форму. Не исключение и биологическая эволюция.

Эволюция в живой природе

Основные характеристики паттернов - устойчивых, хорошо различаемых форм, - свойственных минералам, имеются и у растений и в животном мире. Можно предположить, что дендрит ные (внешне напоминающие растения) и спиралеобразные формы неслучайно встречаются и в живой, и в неживой природе (дендрит ные кристаллы, рога у животных и спиралевидные молекулы). Фундаментальный в живой природе процесс сегментации протекает и в царстве минералов. Без эволюции минералов эволюция клеток могла не состояться. И в процессе роста кристаллов, и в процессе роста организмов велика роль поверхности. Кристаллизация минералов обладает практически всеми чертами репликации органических молекул. Типы симметрии, характерные для живого, произошли от соответствующих свойств молекул и минералов. И там, и там имеются и существенное различие правого и левого, и существуют спиралевидные формы. Долгое время считалось, что у кристаллов имеются оси симметрии лишь 1, 2, 3, 4, и 6-го порядка, в то время, как для живого (существа) характерна ось симметрии 5-го порядка. И в связи с этим указывалось на то, что, скажем, треугольниками, квадратами и шестиугольниками можно замостить плоскость (океанского дна) без промежутков, что и приведет к неподвижности образовавшейся поверхности. В то же время пятиугольниками замостить плоскость без просветов нельзя, и пятиугольные формы могли проявить подвижность и, таким образом, сделать первый шаг в сторону живого. Однако теперь известны квазикристаллы, обладающие осью симметрии 5-го порядка, и таким образом "симметрийный разрыв" между мирами живого и неживого заполнился.

Живая клетка - единица органического мира - образуется в процессе самосборки. Но можно наблюдать это явление на всех уровнях организации материи: от первозданных элементов до человеческих сообществ. Самосборка детерминирована определенными правилами, и разнообразие получающихся форм есть результат комбинаций исходных элементов. Даже мутационный процесс не полностью случаен, но ограничен составом и формой нуклеиновых кислот и белков.

Основная мысль теор ии автоэволюции состоит в том, что как в основе эволюции частиц, химических элементов и минералов, предшествующей биологической эволюции, так и в ней самой лежат физические и химические факторы. Физические - это электромагнетизм (взаимодействие атомов и молекул, фотосинтез, прохождение нервного импульса), теплота (возможность протекания и интенсификация процессов), гравитация (слоистость расположения атомарных и молекулярных комплексов). Химические состоят в частности в том, что в состав живых организмов входит только порядка тридцати основных органических молекул, а все существенно необходимые для жизнедеятельности растений элементы находятся в начале периодической системы.

Одним из глубоких и важных для мировоззре ния является вопрос о существовании цели эволюции - ее телеологичности и содержании этой цели. Самомнению человека трудно допустить как то, что он просто не слишком удачная обезьяна, выжившая в результате естественного отбора, так и то, что он есть проявление взаимодействия формы и функции со всем набором физических и химических факторов. Акт Божественного творения представляется более предпочтительным, однако, естественнонаучный подход требует исследовать этот вопрос с той же тщательностью, с какой ищутся все корни математического уравнения, и если есть возможность найти ответ без привлечения принципиально непознаваемого, сделать это.

Рассмотрим один из возможных вариантов, при котором возникновение человека является обусловленным, и биологическая эволюция имеет цель. Будем называть потенциал ьно живыми те вечные (при определенных постоянных условиях) химические соединения, которые присутствуют в ядрах клеток всех живых существ, и актуально живыми те связанные с ними биологические единицы, которые претерпевают смерть, то есть разрушение и распад. Отметим затем, что только 2% молекулы ДНК, определяющей наследование свойств, связаны с признаками, то есть определяют фенотип живого существа, а остальные 98% ни с чем испытывающим воздействие среды, окружающей актуально живое существо, не связаны. При этом они передаются из поколения в поколение. Тогда вопрос состоит в том, почему потенциал ьно живое превращается в актуально живое и зачем удерживается во времени наибольшая из двух часть наследуемой информации.

Для ответа на первый из этих вопросов прибегнем к аналогии из техники. Как поступает конструктор, когда ему требуется обеспечить безусловное выполнение какой-либо функции устройства? Конечно, он требует, чтобы все детали были выполнены из высококачественных материалов. Однако стопроцентной гарантии это не дает, поскольку имеется риск случайного дефекта (трещинки в отливке) или изменения окружающих условий. Поэтому применяется принудительная периодическая замена деталей конструкции. Это позволяет и вносить изменения в материалы или части конструкции при изменении внешних условий. Таким образом, возможный смысл превращения потенциал ьно живого в актуально живое состоит в том, чтобы использовать постоянно возобновляемое и заменяемое устройство для того, чтобы обеспечить выполнение некоторой важной функции. Приспособление к окружающей среде происходит буквально и именно за счет фенотип ических признаков.

Что же происходит помимо этого? Сохраняется информация, записанная в ДНК-кодах, не связанных с признаками. Она довольно велика. Длина одной молекулы ДНК достигает нескольких сот тысяч звеньев. Этих звеньев насчитывается двадцать типов, и возможно рассмотреть их последовательность в качестве текста и счесть ее посланием. Но кому и от кого? Тому, кто прочтет. Пославший же, вероятно, подписался в конце. Но где взять того, кто прочтет? Адресат, обладающий мозгом-дешифратором, может быть сформирован самим посланием в процессе биологической эволюции, живое усложняется по мере своего развития. Это напоминает известную гипотез у панспермии, когда зачатки живого, какие-нибудь вирусы или бактерии, способные существовать в условиях космического пространства, путешествуют по нему, как споры или пыльца в атмосфере Земли, пока не попадут в условия, благоприятные для эволюции. В данном случае панспермия оказывается целенаправленной, то есть содержит в себе не просто возможность для развития жизни, но и предпосылки для создания мозга, способного к прочтению послания. Прочитавший его - фактически создавший, приписавший и обнаруживший смысл , станет одновременно и автором, и адресатом. Текст может содержать, например, приглашение к галактическому сотрудничеству и указывать средства к его реализации.

Действия, которые можно предпринять для развития этой идеи, сводятся к выделению общей части в последовательностях ДНК, присутствующих в различных белковых молекулах, и рассмотрению ее как текста. Подходящими являются, например, 28s- и 18s- последовательности рРНК (различные белки необходимы, поскольку эволюция могла пойти разными путями, но текст, скорее всего, один). Это и будет тем критическим экспериментом, который может подтвердить или опровергнуть данную теор ию. Опыт подобной дешифровки у человечества имеется: прочтены египетские иероглифы, найдена Троя, математические абстракции реализовывались в физических экспериментах. Конечно, сказанное есть лишь смещение цели эволюции с Земли в сферу деятельности загадочных космических операторов. Но так происходило и в других разделах естественных наук, о которых мы говорили в предыдущих главах.

Наконец, обсудим концепции, возникшие в результате появления генетики. Дарвин (ошибочно) полагал, что естественный отбор обусловлен небольшими случайными изменениями в облике живого существа. Возьмем большое количество растений, например, ячменя и построим диаграмму (рис.5), на вертикальной оси которой отложено число особей, а на горизонтальной - длина ости колоса. Существует такая (характерная) длина ости, которой обладает наибольшее число растений. Если взять на семена растения, соответствующие той части диаграммы, где длина ости несколько больше характерной, с целью получить ячмень с длинной остью, то ничего не получится. У новых растений распределение остей будет прежним, а их характерная длина той же. Такие отклонения не унаследуются. Однако если выбрать на семена те растения, длина остей которых существенно превосходит характерную (таких обычно бывает 2-3 на 10000), то примерно у 50% новых растений длина остей будет столь же велика, то есть наследование признака произойдет. Такое событие Де Фриз назвал мутацией - скачкообразным изменением. Как мы теперь знаем, мутации обусловлены изменением в определенной области одной из хромосом ядра половой клетки. Такая область называется геном , а раздел биологии, изучающий законы наследственности, - генетикой. Впервые (на эмпирическ ом уровне) законы генетики были установлены Менделем. (Представление о генах позволило недавно осуществить клонирование млекопитающего - ставшей знаменитой овцы Долли. Ядро соматической (неполовой) клетки, содержащей парный (полный) набор хромосом, было помещено в яйцеклетку с предварительно удаленным ядром, наступила беременность и родилось живое существо, генетически тождественное своему родителю - той овце, чье ядро соматической клетки было использовано).

Наиболее важной идеей генетики является переход от "непрерывности" в описании наследуемых свойств к "дискретности". Можно сказать, что существуют некоторые состояния, между которыми возможны переходы, нет непрерывных изменений, а есть скачкообразные. Возможность пересчета таких состояний приводит к возможности использования статистических закономерностей - хорошо разработанной области математики, дающей возможность делать прогно з. В этом смысл е генетику можно сравнить с квантовой механикой, о которой пойдет речь в следующей главе.

Заключая эту главу, отметим важное обстоятельство. С какой стороны ни рассматривать эволюцию, всегда выполняется следующее: эволюция шла таким образом, что в ее процессе возникали все более сложные системы , наиболее сложной из которых является мозг человека. Именно мозг генерирует (самостоятельно или под воздействием окружающей среды) все те рациональные схемы, к которым человек приспосабливает себя и свою деятельность, все те концепции, которые в том числе касаются и естествознания.

Биологическая эволюция -- это необратимое и в известной степени направленное историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением генетического состава популяций, формированием адаптации, образованием и вымиранием видов, преобразованиями биогеоценозов и биосферы в целом. Иными словами, под биологической эволюцией следует понимать процесс приспособительного исторического развития живых форм на всех уровнях организации живого.

В додарвиновский период (до 1859 г.) в естествознании господствовали метафизические взгляды на природу, когда явления и тела природы рассматривались как раз и навсегда данные, неизменные, изолированные, не связанные между собой. Они были тесно связаны с креационизмом (лат. creatio - сотворение) и теологией (греч. teos - боги, logos - слово, учение, наука), согласно которым многообразие органического мира есть результат творения его Богом. Креационисты (К. Линней, Ж. Кювье) доказывали, что виды живой природы реальны и неизменны со времени своего появления, при этом К. Линней утверждал, что видов существует столько, сколько их было создано во время «сотворения мира».

К концу XVIII в. в биологии накопился огромный описательный материал, который позволял сделать следующие выводы: 1) даже внешне далекие виды по внутреннему строению обнаруживают определенные черты сходства; 2) современные виды отличаются от давно живших на Земле ископаемых; 3) внешний вид, строение и продуктивность сельскохозяйственных растений и животных могут существенно изменяться в зависимости от условий их выращивания и содержания.

Появившиеся сомнения в неизменности видов привели к возникновению трансформизма - системы взглядов об изменяемости и превращении форм растений и животных под влиянием естественных причин.

Идеи трансформизма нашли дальнейшее развитие в трудах выдающегося французского биолога Ж. Б. Ламарка (1744- 1829) - создателя первого эволюционного учения. Свои взгляды на историческое развитие органического мира он изложил в книге «Философия зоологии» (1809).

Ж. Б. Ламарк создал естественную систему животных, основанную на принципе родства между организмами. Занимаясь классификацией животных, Ламарк пришел к выводу, что виды не остаются постоянными, они медленно и непрерывно изменяются. Всех известных в то время животных по уровню их организации Ламарк разделил на 14 классов. В его системе, в отличие от системы Линнея, животные размешены в восходящем порядке - от инфузорий и полипов до высокоорганизованных существ (птицы и млекопитающие). Ламарк считал, что классификация должна отражать «порядок самой природы», т. е. ее прогрессивное развитие. Все 14 классов животных Ламарк разделил на 6 градаций, или последовательных ступеней усложнения их организации.

Усложнение животного мира носит как бы ступенчатый характер и поэтому названо Ламарком градацией. В факте градации ученый увидел отражение хода исторического развития органического мира. Ламарк впервые в истории биологии сформулировал положение об эволюционном развитии живой природы: жизнь возникает путем самозарождения простейших живых тел из веществ неживой природы. Дальнейшее развитие идет по пути прогрессивного усложнения организмов, т. е. путем эволюции.

В попытке найти движущие силы прогрессивной эволюции Ламарк пришел к произвольному выводу, что в природе существует некий изначальный закон внутреннего стремления организмов к совершенствованию. Согласно этим представлениям, все живое, начиная с самозародившихся инфузорий, постоянно стремится к усложнению своей организации в длинном ряду поколений, что в конечном итоге приводит к превращению одних форм живых существ в другие (например, инфузории постепенно превращаются в полипов, полипы - в лучистых и т. д.).

Главным фактором изменчивости организмов Ламарк считал влияние внешней среды: изменяются условия (климат, пища), а вслед за этим из поколения в поколение изменяются и виды.

У организмов, лишенных центральной нервной системы (растения, низшие животные), эти изменения возникают прямым путем. Так, у лютика жестколистного подводные листья сильно рассечены и имеют вид нитей (прямое влияние водной среды), а надводные листья - лопастные (прямое влияние воздушной среды). У животных, имеющих центральную нервную систему, влияние среды на организм, по Ламарку, осуществляется косвенным путем: условия жизни определяют потребности животного, а значит, действия, привычки и поведение. Вследствие этого одни органы больше и чаще употребляются в работе (упражняются), а другие меньше и реже (не упражняются), причем при упражнении органы развиваются (длинная шея и передние ноги у жирафа, широкие плавательные перепонки между пальцами у водоплавающих птиц, длинный язык у муравьеда и дятла и др.), а при неупражнении - недоразвиваются (недоразвитие глаз у крота, крыльев у страуса и др.). Этот механизм изменения органов Ламарк назвал законом упражнения и неупражнения органов.

С точки зрения Ламарка, длинные шея и ноги у жирафа - результат того, что многие поколения его коротконогих и короткошеих предков питались листьями деревьев, за которыми им приходилось тянуться все выше и выше; перепонки между пальцами у водоплавающих птиц возникли в результате постоянного раздвигания пальцев и растягивания кожи между ними при плавании в поисках пищи или при спасении от хищников. Некоторые органы при постоянном неупражнении их в ряду поколений постепенно исчезают (конечности у змей).

Таким образом, изменения органов, возникающие как прямым, так и косвенным путем, становятся, по Ламарку, сразу полезными, приспособительными. Если изменения организмов, вызванные прямым или косвенным воздействием условий среды, повторяются в целом ряду поколений, то они наследуются и становятся признаками новых видов. Например, незначительное удлинение шеи и ног у жирафа, происходившее в каждом поколении, передавалось следующему поколению, пока эти части тела не достигли своей нынешней длины (закон наследования приобретенных признаков).

Ламарковское толкование причин изменения видов в природе имеет серьезные недостатки. Так, влиянием упражнения или неупражнения органов нельзя объяснить изменения таких признаков, как длина волосяного покрова, густота шерсти, жирность молока, окраска покровов животных, которые не могут упражняться. Кроме того, как теперь известно, не все изменения, возникающие у организмов под влиянием окружающей среды, наследуются.

100 р бонус за первый заказ

Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line

Узнать цену

Эволюция - процесс длительных, постепенных,

медленных изменений, которые в конечном итоге

приводят к изменениям коренным, качественным,

завершающимся возникновением новых

материальных систем, структур, форм и видов.

Первые эволюционные теории были созданы двумя великими учеными 19 века - Ж.Ламарком и Ч.Дарвином.

Ламарк впервые выделил два самых общих направления эволюции: восходящее развитие от простейших форм жизни ко все более сложным и совершенным и формирование у организмов приспособлений в зависимости от изменений внешней среды (развитие "по вертикали" и "по горизонтали").

В своих трудах Ламарк отмечал историческое развитие организмов, которое имеет не случайный, а закономерный характер и происходит в направлении постепенного и неуклонного совершенствования.

Движущей силой развития живого Ламарк считал "стремление природы к прогрессу", "стремление к совершенствованию", изначально присущее всем организмам и заложенное в них Творцом.

Дарвин в своем основном труде "Происхождение видов путем естественного отбора" (1859) раскрыл основные факторы эволюции органического мира. Гипотезу происхождения человека от обезьяноподобного предка Дарвин предложил в книге "Происхождение человека и половой отбор" (1871).

В основе теории эволюции Дарвина - понятие наследственности, которое понимается как свойство организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом.

Наследственность вместе с изменчивостью обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни и лежит в основе эволюции живой природы.

Дарвин называет главные причины эволюции – борьбу за существование и естественный отбор.

Понятие "борьба за существование" отражает те факты, что каждый вид производит больше особей, чем их доживает до взрослого состояния, и что каждая особь в течение своей жизнедеятельности вступает во множество отношений с биотическими и абиотическими факторами среды.

Дарвин выделял три вида борьбы за существование:

1. Внутривидовая

2. Межвидовая

З. Борьба с неблагоприятными условиями неживой природы.

Основной природный инструмент эволюции - изменчивость. При этом на первое место по значению для эволюции видов Дарвин поставил индивидуальную (неопределенную) изменчивость.

Неизбежным результатом борьбы за существование и наследственной изменчивости организмов, по Дарвину, является процесс выживания и воспроизведения организмов, наиболее приспособленных к условиям среды, и гибели в ходе эволюции неприспособленных - естественный отбор.

По иному Дарвин определял и цель эволюции: видообразование.

Слабым местом в учении Дарвина были представления о наследственности. Шотландский инженер Флеминг Дженкин вошел в историю биологии, выдвинув возражения против теории Дарвина: «Если отбор оставляет в живых те особи, которые лишь незначительно отличаются от других, то уже при следующем скрещивании наступает «поглощение» новых признаков, т.к. партнер по скрещиванию вероятнее всего не имеет этого нового свойства - произойдет растворение признаков в потомстве».

Это означает, что в результате скрещивания особей с полезными признаками с другими особями, которые ими не обладают, первые передадут эти признаки потомству в ослабленном виде, и полезный признак быстро растворится в потомстве.

Сам Ч.Дарвин вынужден был признать эти доводы весьма убедительными, и не мог дать ясного и четкого ответа. Эти возражения могут быть опровергнуты только в рамках современной теории эволюции.

Синтетическая теория эволюции (СТЭ) - современная эволюционная теория, которая является синтезом различных дисциплин, прежде всего, генетики и дарвинизма.

Синтетическая теория эволюции (СТЭ) отличается от дарвиновской по ряду важнейших пунктов:

1. СТЭ выделяет элементарную структуру, с которой начинается эволюция.

Это - популяция (т.е. совокупность индивидов одного вида, способных скрещиваться между собой), а не отдельная особь или вид, который включает в свой состав несколько популяций;

1. В качестве элементарного явления или процесса эволюции современная теория рассматривает устойчивое изменение генотипа популяции;
2. СТЭ шире и глубже истолковывает факторы и движущие силы эволюции, выделяя среди них основные и неосновные. К ведущим факторам относят сейчас мутационные процессы, популяционные волны численности и изоляцию.
3. Материалом для эволюции являются мутационная и рекомбинационная изменчивость.
4. Естественный отбор рассматривается как главная причина развития адаптаций, видообразования и происхождения надвидовых таксонов.
5. Дрейф генов и принцип основателя выступают причинами формирования нейтральных признаков.

Таким образом, синтетическую теорию эволюции можно охарактеризовать как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически.

Напомним, что вид есть система популяций, репродуктивно изолированных от популяций других видов, и каждый вид экологически обособлен; видообразование заключается в возникновении генетических изолирующих механизмов и осуществляется преимущественно в условиях географической изоляции.

Важнейшим фактором эволюции является мутационный процесс, который исходит из признания неоспоримого факта, что основную массу эволюционного материала составляют различные формы мутаций - изменений наследственных свойств организмов, возникающих естественным путем или вызванных искусственными средствами. Исходя из этого, нетрудно опровергнуть нападки Дженкина: ясно, что аппарат наследственности сформирован отдельными структурными и функциональными единицами – генами и передается по наследству без изменения.

Предложим следующие основные вехи эволюционного развития организмов:

1. Появление простейших клеток - прокариотов.

Около 3,9 млрд лет назад появились одноклеточные организмы, которые, вероятно, выглядели, как современные бактерии, и архебактерии. Как древние, так и современные прокариотные клетки устроены относительно просто: они не имеют оформленного ядра и специализированных органелл, в их желеподобной цитоплазме располагаются макромолекулы ДНК – носители генетической информации, и рибосомы, на которых происходит синтез белка, а энергия производится на цитоплазматической мембране, окружающей клетку.

2. Появление клеток - эукариотов.

Почти 2 млрд лет понадобилось природе, чтобы появились сложноорганизованные эукариотные клетки, когда одноклеточные организмы усложнили свое строение за счет поглощения других прокариотных клеток. Одни из них – аэробные бактерии – превратились в митохондрии – энергетические станции кислородного дыхания. Другие – фотосинтетические бактерии – начали осуществлять фотосинтез внутри клетки-хозяина и стали хлоропластами в клетках водорослей и растений. Эукариотные клетки, имеющие эти органеллы и четко обособленное ядро, включающее генетический материал, составляют все современные сложные формы жизни – от плесневых грибов до человека.

3. Объединение клеток эукариотов с образованием многоклеточных организмов; функциональная дифференциация клеток в организмах.

1,2 млрд лет назад произошел взрыв эволюции, обусловленный появлением полового размножения и ознаменовавшийся появлением высокоорганизованных форм жизни – растений и животных. Образование новых вариаций в смешанном генотипе, возникающем при половом размножении, проявилось в виде биоразнообразия новых форм жизни.

4. Появление организмов с твердыми скелетами.

Примерно 400 млн лет назад появились органические беспозвоночные формы с твердым скелетом (моллюсков, членистоногих).

Затем появляются земноводные, примитивные рептилии, спиралевидные моллюски, и наконец, динозавры.

5. Возникновение у высших животных развитой нервной системы.

6. Формирование мозга.

7. Формирование разума - высшей формы деятельности мозга.

8. Образование социальной общности людей.

Не имея возможности останавливаться на всех этапах эволюции живого, обсудим вопрос о возникновении человека.

В современной антропологии наиболее распространенной является точка зрения, по которой "эволюция человеческой линии заняла не свыше 10 млн. лет, а обезьяний предок гоминид имел черты сходства с шимпанзе, был по существу "шимпанзеподобен"...

(Так, недавно на основе известных сведений об ископаемых приматах была высказана гипотеза о том, что разделение ветвей человек - шимпанзе произошло около 4 млн лет тому назад.)

Основные этапы развития человека на Земле показаны на рис.1.

Рис.1. Генеалогическое древо человека.

1 - плезиадацис, 2 - дриопитек африканский, 3 - рамапитек, 4 - австралопитек, 5 - австралопитек войсен, 6-7 - Homo erectus, 8 - неандерталец, 9 - Homo sapiens, 10 - современный человек.

1970-х годах в Восточной Африке были открыты остатки необычайно древних человеческих видов Ното habilius и Ното erectus , костные остатки из Эфиопии, принадлежащие так называемой «Люси» и ее австралопитековым сородичам (рис.2).

Рис.2. Австралопитеки

Долгое время ученые считали, что эволюция человека была более-менее линейной: одна форма сменяла другую, и каждая новая была прогрессивнее, ближе к современному человеку, чем предыдущая. Сейчас ясно, что все было гораздо сложнее. Эволюционное древо гоминид оказалось весьма разветвленным. Временные интервалы существования многих видов сильно перекрываются. Иногда несколько разных видов гоминид, находящихся на разных "уровнях" близости к человеку, сосуществовали одновременно. Например, еще в сравнительно недавнем прошлом - всего-навсего 50 тысяч лет назад - на Земле существовало как минимум целых 4 вида гоминид: Homo sapiens, H.neandertalensis, H.erectus и H.floresiensis.

На рис.3 показана реконструкция черепа «Пекинского человека» («синантропа»).

Рис.3. Реконструкция черепа «Пекинского человека» (в современной антропологии классифицируется как Homo erectus .)

Возникновение современных людей, вида Ното sapiens .

Rumyantsev 11 марта 2017 в 23:35

Эволюция природы

• Научно-популярное

Совместно с Игорем Сунчелеем

В работе сделана попытка расширить теорию эволюции Дарвина на неживую природу, показать, что биологическая эволюция является одним из этапов развития природы, и предсказать направление эволюционного развития после него. Кроме того, авторы дают свою версию определения жизни и ее эволюционного смысла.

1 Первый и второй уровни эволюции

Термином «эволюция» обычно называют переход материи от простого состояния к более сложному и одновременно к более совершенному состоянию. Эволюция считается процессом развития материи «вперед», а противоположный процесс развития материи «назад» от сложного состояния к более простому состоянию принято называть разложением или деградацией. Направление движения «вперед» мы пока оставим на интуитивном уровне понимания, однако ниже будет сформулировано более точное определение эволюции.

Эволюционирует ли неживая природа? Рассмотрим общеизвестные состояния неживой материи:

1. Элементарные частицы;
2. Атомы химических элементов;
3. Молекулы.

Каждое следующее из перечисленных состояний можно считать совершенней и сложней предыдущего. На интуитивном уровне понимания направление движения «вперед» присутствует, значит, эволюция неживой природы, по крайней мере, была. Вспомним основные движущие факторы биологической эволюции Дарвина:

1. Борьба за существование;
2. Естественный отбор;
3. Наследственная изменчивость.

Из допущения возможности эволюции неживой природы вытекает следующий вопрос. Какие у нее могут быть основные движущие факторы? Выдвинем следующую, кажущуюся невероятной, гипотезу: движущие факторы эволюции живой и неживой природы одинаковые, их отличие только в механизмах действия. Для ее проверки переформулируем три основных движущих фактора биологической эволюции в более общий вид для произвольного материального объекта и добавим четвертый фактор, который, вероятно, Дарвин подразумевал по умолчанию:

1. Сопротивление объекта неизбежным изменениям с целью сохранения его текущей формы существования;
2. Количественное или качественное изменение формы существования объекта;
3. Модификация способов сопротивления объекта неизбежным изменениям;
4. Изменение условий существования объекта.

На рисунке 1 показана условная последовательность действия факторов эволюции. На самом деле все они, конечно, действуют одновременно.

Очевидно, что наши модифицированные формулировки движущих факторов эволюции остались эквивалентными движущим факторам Дарвинизма при их применении к живым формам существования. Введем два определения.

Эволюция первого уровня – это способ эволюции неживой природы.
Эволюция второго уровня – это способ эволюции природы, основанный на факторах биологической эволюции Дарвина.

Общую сущность факторов эволюции на обоих уровнях можно сформулировать так: текущую форму существования сохраняют только наиболее приспособленные к изменившимся внешним условиям материальные объекты. В этом смысле факторы эволюции первого и второго уровней эквивалентны. Рассмотрим механизмы действия переформулированных в более общем виде факторов эволюции на ее первом уровне.

Сопротивление объекта неизбежным изменениям с целью сохранения его текущей формы существования

Смысл первого фактора в том, что материя стремится сохранить свое достигнутое состояние, сопротивляясь его изменению. Изменения неизбежны, потому что противное означало бы остановку времени, но сопротивление изменениям влияет на то, какими именно будут изменения.

Механизм сопротивления неживого материального объекта неизбежным изменениям основан на третьем законе Ньютона – сила действия равна силе противодействия. Привносящая изменения сила наталкивается на противоположную силу сопротивления изменениям, например, твердые материальные тела стремятся сохранить свою форму, противодействуя внешним силам.

В отличие от неживых объектов живые могут сопротивляться неизбежным изменениям еще одним качественно новым энергетически затратным способом. Они сами изменяют окружающую среду таким образом, чтобы продлить свое существование в живом виде. Поскольку живая природа находится под воздействием одновременно двух уровней эволюции, то появление у нее дополнительной возможности самой вносить изменения в окружающую среду с целью борьбы за существование фактически означает усиление сопротивления изменениям.

Пример. Чтобы не замерзнуть зимой, человек построил деревянный дом. Изменения в природе: раньше деревья росли, а теперь из них построены стены дома.

Мы изменяем поверхность планеты Земля благодаря действию фактора эволюции второго уровня – борьбы за существование, или, что эквивалентно, – сопротивления неизбежным изменениям.

Итак, в сравнении с эволюцией первого уровня на втором уровне сопротивление живой природы неизбежным изменениям возрастает, однако достигается это ценой ускорения изменений в окружающей ее неживой и живой природе. У эволюции второго уровня рост сопротивления изменениям приводит не к замедлению, а к ускорению изменений и эволюции.

Количественное или качественное изменение формы существования объекта

Поясним действие второго движущего фактора. Это природный механизм принятия решения о результате сопротивления объекта изменениям. Если объект успешно сопротивляется изменениям, то он продолжает существование в своей прежней форме, получая лишь количественные изменения. Если сопротивление объекта сломлено внешними силами, то его материя вынуждена менять форму своего существования. На втором уровне эволюции слом внешними силами сопротивления объекта изменениям означает смерть особи.

На первом уровне эволюции фактор естественного отбора действует по-другому механизму, ведь материя неуничтожима. В случае недостаточно сильного сопротивления изменениям второй фактор эволюции принуждает неживой материальный объект менять форму существования. Однако суть действия от этого не меняется – в своем прежнем виде материальный объект уже более не существует.

Пример. Метеорит падает на Луну. В момент удара и Луна, и метеорит сопротивляются изменившимся внешним условиям в стремлении сохранить свои формы. Масса Луны многократно больше, поэтому второй фактор эволюции вносит в ее форму существования лишь количественные изменения – на ее поверхности появляется еще один кратер. Но материи метеорита приходится качественно менять форму своего существования – часть его переходит в газообразное состояние и медленно оседает на поверхность Луны в виде пыли, а оставшаяся рассыпается на мелкие куски.

Отметим, что после качественной смены формы существования материя бывшего объекта всегда оказывается приспособленной к существованию в изменившихся условиях.

Модификация способов сопротивления объекта неизбежным изменениям

В разных условиях внешней среды способы сопротивления неживой материи изменениям являются разными. Мы знаем, что одни и те же материальные объекты ведут себя по-разному в условиях сверхнизких и сверхвысоких температур, давлений, гравитационных и электромагнитных полей, в разной по химическому составу окружающей среде и так далее. При действии в совокупности эти и многие другие свойства окружающей среды порождают огромное количество разных способов сопротивления неживой материи неизбежным изменениям.

Таким образом, в эволюции первого уровня источником модификации способов сопротивления объекта неизбежным изменениям является окружающая среда. Ниже это утверждение будет подробнее пояснено.

Что такое эволюция природы?

Мы предполагаем, что эволюция обязательно должна нести в себе элемент новизны. Поведение неживой природы подчиняется жестко определенным законам физики. У неживой материи нет никакого выбора – например, строение атомов и молекул однозначно следует из современной Стандартной модели элементарных частиц. Если при атмосферном давлении нагреть воду до 100°C, то она всегда начнет закипать, а при охлаждении до 0°C всегда начнет превращаться в лед. Здесь нет никакого элемента новизны, и все полностью предопределено. Действительно, эволюции неживой природы не хватает чего-то еще, что позволило бы ей проявлять новые свойства материи в условиях действующих законов физики. Где здесь эволюция?

Для ответа на этот ключевой вопрос нам придется прибегнуть к аксиоматике и сформулировать аксиому необратимости эволюционных процессов, которая расширяет гипотезу Луи Долло [i] на неживую природу.

Текущее состояние материи вселенной неповторимо в будущем.

Обратное означало бы, что время вселенной может течь по замкнутому контуру. Смысл аксиомы в том, что каждое текущее состояние вселенной уникально. Это означает, что в каждый момент времени в состоянии материи вселенной появляется элемент новизны относительно всех ее прошлых состояний, который и дает возможность эволюции неживой природы.

Пока внешние условия существования меняются незначительно, мы можем не замечать эволюции неживого объекта. Однако, в конце концов условия существования изменятся настолько, что проявят его ранее нам неизвестные, «дремавшие» его свойства.

При изменении температуры вода может оставаться водой или превращаться в лед или в пар, однако внешние условия ее существования всегда будут уже новыми. Эти новые внешние условия создают новые уникальные внутренние состояния и свойства молекул воды, и если мы этого не замечаем, то это значит, что мы пока недостаточно внимательны.

В подтверждение этого утверждения приведем еще один пример с водой. Как известно, в белковых телах преобладают углеродосодержащие молекулы и вода. Синтез белков в организме представляет собой сложный процесс, напоминающий процесс производства молекулярного завода, работающего по заданной программе. Причем молекулы воды тоже являются частью этого завода и управляющего им молекулярного компьютера, о принципах работы которого мы пока имеем лишь самое смутное представление. В белковой среде молекулы воды проявляют новые пока неизвестные нам свойства, участвуя в обработке и передаче информации.

Следствием нашей аксиомы является то, что эволюция неживой природы продолжается и в настоящее время, причем мы обнаруживаем, что она ускоряется благодаря параллельно идущей биологической эволюции. Все искусственные химические материалы производятся людьми благодаря помещению сырья и полуфабрикатов в новые внешние условия, самопроизвольное возникновение которых в условиях неживой природы крайне маловероятно.

А теперь все предыдущие умозаключения уже позволяют нам дать более точное определение понятия эволюции природы, формализующее наше интуитивное представление о движении «вперед».

Эволюция природы – это процесс создания природой новых, ранее не существовавших, форм и условий существования материи.

2 Определение жизни

Во второй части работы мы попробуем найти ключевые признаки, отличающие живую природу от неживой, и на их основе сформулировать определение, формализующее понятие жизни. Свои версии определения феномена жизни дали многие исследователи, однако, общепринятого определения у нас нет до сих пор.

Поставим задачу более строго. Предположим, что у нас есть возможность наблюдать не только за поведением знакомого или не знакомого нам объекта, но и за внутренним состоянием его материи. Тогда будем искать такое определение, которое по результатам этого наблюдения однозначно позволило бы отнести объект к живой или к неживой природе.

Поведение объекта определяет первый фактор эволюции. Поэтому ключевые отличия живой и неживой природы будем искать в отличиях их способов сопротивления неизбежным изменениям. Живой объект сам является источником изменений, причем он имеет возможность выбора из набора доступных ему видов реакций на внешние и внутренние условия. Технически живой объект можно представить как систему управления, блок-схема которой приведена на рисунке 2.

Рис. 2

Обратим внимание, что для алгоритма управления F внутреннее состояние материального тела живого объекта, в сущности, является только одним из видов внешних условий. Внутренние изменения могут быть следствием внешних изменений, а могут и не быть. Приведем по одному примеру обоих случаев.

Понижение температуры окружающего воздуха может грозить живой особи переохлаждением. Здесь изменение внутреннего состояния особи является следствием изменения внешних условий.

Напротив, главная причина старения организма особи заключается не в изменении внешних условий, а в том, что механизм старения клеток закодирован в полученной особью от родителей наследственной информации.

Алгоритм управления F работает с учетом прошлого опыта. Прошлый опыт может возникать двумя способами:

1. Передаваться с наследственной информацией;
2. Накапливаться в процессе жизнедеятельности.

Память для хранения прошлого опыта, переданного с наследственной информацией, является частью алгоритма управления. Обратим внимание, что для живого объекта наличие накопленного в процессе жизнедеятельности опыта не является обязательным, в противном случае новорожденных детей нельзя было бы признать живыми. Поэтому для живого существа не является обязательным и наличие у него показанного пунктиром блока памяти для хранения накопленного в процессе жизнедеятельности опыта.

Любой алгоритм управления основан на попытке приближения наблюдаемых параметров к набору неких целевых значений. Целями алгоритма управления F могут быть: противостояние вредоносным бактериям и вирусам, утоление голода, отдых, воспитание детей, победа на соревнованиях, зарабатывание денег и так далее. Очевидно, что главной целью живого существа должна быть борьба за жизнь. Эта цель всегда должна иметь наивысший приоритет, все остальные цели возникают только в такие моменты времени, когда алгоритму управления удалось создать условия, при которых угроза жизни временно устранена.

А теперь, после всех предыдущих умозаключений, мы, наконец, дадим свою версию определения жизни.

Материальный объект является живым, если в целях борьбы за свое существование он может использовать хотя бы один управляемый им энергетически затратный способ влияния на свое внутреннее состояние и/или окружающую среду.

Приведем два важных следствия из определения жизни.

Следствие 1. Все живые материальные объекты ведут энергетически затратный способ существования.

Датчики, процессор, память и исполнительные механизмы не являются вечными двигателями, для их работы требуется источник энергии.

Следствие 2. Все материальные объекты, ведущие энергетически не затратный способ существования, являются неживыми.

Следствие 2 логически следует из следствия 1.

Теперь проверим наше определение на примерах. Отметим, что следствие 2 сразу позволяет отнести к неживой природе все объекты с энергетически не затратным способом существования, такие как: камни, озера, карандаши, ложки и многие другие. Этот вывод совпадает с нашим жизненным опытом.

Теперь проверим определение на объектах с энергетически затратной формой существования.

Костер. Когда дров в костре много, огонь разгорается, когда дров остается меньше, огонь постепенно затухает. Может быть, огонь становится меньше потому, что костер хочет дольше гореть? Нет, интенсивность реакции горения определяется только количеством и качеством дров и состоянием внешней среды. Это не костер управляет интенсивностью горения, а человек, подкладывая в костер дрова. Вывод: неживой.

Жертвующий жизнью или идущий на суицид человек. На уровне своего сознания он отказался от борьбы за жизнь и управляет своими конечностями таким образом, чтобы ее прекратить. Но его организм от жизни еще не отказался. Организм продолжает управлять другими исполнительными механизмами тела в целях продолжения жизни: сердцем, мышцами дыхания, пищеварительной системой и так далее. Вывод: живой.

Человек в состоянии клинической смерти. Сердце остановилось, но смерть не наступает одномоментно, организм умирает постепенно по мере прекращения энергетически затратного обмена веществ, который в разных частях организма наступает в разные моменты времени. Вывод: человек считается живым до тех пор, пока хотя бы одна клетка организма продолжает обмен веществ.

Ребенок в чреве матери. Для своего роста он использует энергетически затратный способ синтеза белка, который ему нужен для последующего рождения. Вывод: живой.

Выводы из приведенных примеров показывают, что у них нет противоречий со здравым смыслом. Предлагаем читателям самим проверить определение на Солнце, летящей пуле, растениях, на семенах растений, на яйцах птиц и земноводных, на сперматозоиде, молекуле белка и на любых других объектах.

Мы же проверим наше определение на самом сложном и одновременно самом интересном примере с, казалось бы, заранее известным ответом.

Представим себе созданного людьми несложного робота, который запрограммирован на выполнение правила стропальщика: «Не стой под грузом!» Робот может ездить на четырех колесах по огороженной со всех сторон забором площадке. Подъемный кран держит над площадкой груз, а крановщик старается расположить его над роботом. Робот следит за положением груза и, стараясь не оказаться под ним, все время отъезжает в сторону.

По нашему определению такой робот оказывается живым. В тоже время, наш здравый смысл отказывается считать такой ответ истиной.

Борется ли робот за свое существование, когда он отъезжает из-под груза? Он ведь не понимает, зачем он это делает. Значит, он отъезжает не в целях борьбы за существование, и, может быть, поэтому перестает соответствовать нашему определению жизни? Однако определение не случайно не требует, чтобы живой объект что-то осознавал. Наши безусловные рефлексы действуют аналогично программе робота из примера. Если мы случайно дотронемся до горячего предмета, то отдернем руку еще до того, как осознаем, зачем мы это сделали. Объекты растительного мира, который мы причисляем к живой природе, тоже вряд ли что-то осознают в процессе своей жизнедеятельности.

Зададимся следующим вопросом. Основывается ли вывод нашего здравого смысла, что робот не живой, на его поведении? Оказывается, нет. Наш здравый смысл причисляет робота к неживой природе только на основе нашего прошлого опыта о том, что роботы живыми не бывают. В доказательство этого утверждения представим, что вместо робота на нашей огороженной забором площадке будет живое существо – собака. Собака может бегать, лаять, бросаться на забор, но меньше всего ее будет беспокоить тот факт, что груз окажется над ней. Она тоже не осознает опасности от нависшего над ней груза, а ее условные и безусловные рефлексы не заставляют ее отбежать в сторону. В нашем примере робот борется за свое существование более адекватно сложившимся внешним условиям, чем собака, и, тем не менее, наш здравый смысл продолжает считать собаку живой, а робота нет. Полное игнорирование поведения робота при отнесении его к неживой природе порождает первые сомнения в истинности выводов нашего здравого смысла.

И все-таки что это – ошибка в формулировке определения или определение предсказывает возможность существования новой, отличной от биологической формы жизни? Может быть, наш здравый смысл относит робота из примера к неживой природе, исходя из стереотипа мышления, что жизнь может существовать только в биологической форме? Поиску ответов на эти вопросы посвящена третья часть работы.

3 Третий уровень эволюции

Наш последний пример показывает, что возможность существования созданных людьми роботов, которые в той или иной форме способны бороться за свое существование, не вызывает сомнений. Остался открытым вопрос: живые они или нет?

Предположим, что они живые, тогда, поскольку они созданы представителями биологической жизни, их форму жизни далее будем называть вторичной, а биологическую первичной. Термин «вторичная форма жизни» подчеркивает то, что она не может возникнуть из неживой природы, а может быть создана только «первичной формой жизни», то есть биологической.

Доказать возможность существования вторичной формы жизни можно теоретическим способом. Если мы сумеем найти движущие факторы эволюции вторичной формы жизни и доказать, что в сравнении с движущими факторами биологической эволюции Дарвина они приводят к дальнейшему усилению борьбы за существование и к ускорению эволюции, то тогда будем считать доказанной и саму возможность существования вторичной формы жизни.
Вспомним, что эволюция Дарвина объясняет появление новых биологических видов, а не эволюцию отдельно взятой живой особи. Более того, Дарвинизм даже исключает эволюцию отдельно взятой живой особи, потому что механизм приспособления биологической жизни к изменяющимся внешним условиям заключен в наследственной изменчивости. Следствием этого является то, что приспособиться к новым внешним условиям имеет шанс не сама живая особь, а только ее потомки.

Поэтому по аналогии с первичной формой жизни движущие факторы эволюции вторичной формы жизни мы будем искать, рассматривая не отдельно взятого ее представителя, а на воображаемом примере некоторого социума представителей вторичной жизни по аналогии с биологическим видом. То есть в своем допущении о возможности существования вторичной формы жизни нам придется пойти еще дальше и предположить, что сначала с помощью людей, а позже и самостоятельно представители вторичной формы жизни смогут создавать себе подобных.

Мы не имеем в виду завод, с конвейера которого сходят неотличимые друг от друга роботы. Внешне они действительно могут быть неотличимыми, но мы исходим из того, что по аналогии с биологической жизнью каждая особь вторичной жизни должна быть уникальной и для сохранения единства вида обладать изменчивой наследственной информацией не менее чем от двух родителей. Опишем один из многих теоретически возможных способов создания себе подобных представителями вторичной формы жизни в процессе спаривания двух бесполых особей.

Наследственной информацией существа вторичной формы жизни будем считать только управляющий алгоритм , рис.2. Принципиальным отличием такого подхода к наследственной информации от биологической жизни является то, что в ней наследственной информацией является еще и строение всего организма живого существа, то есть еще и датчиков, процессора, исполнительных механизмов. Новый подход к наследственной информации позволяет сделать алгоритм работы и накопленный в процессе жизнедеятельности опыт отделяемыми от остального тела существа вторичной формы жизни. Появляется возможность их переноса в новое, например, построенное на усовершенствованной элементной базе тело. Это делает представителей вторичной формы жизни защищенными от старения их тел.

Здесь мы находим первое необходимое условие для нашего доказательства возможности существования вторичной формы жизни – это ее усиление борьбы за существование по сравнению особями биологической жизни. Возможность избежать смерти от старости, конечно, означает усиление борьбы за существование, то есть за жизнь.

Вернемся к процессу спаривания особей вторичной формы жизни. Подобно тому, как кодируется ДНК в дискретных генах, управляющий алгоритм F может быть закодирован частями. Допустим, что у нас есть два бесполых представителя вторичной формы жизни с управляющими алгоритмами и и накопленным в процессе жизнедеятельности опытом и . В процессе их спаривания будут образованы два новых управляющих алгоритма и . Каждый из них составлен из частей родительских алгоритмов, которые случайным образом выбираются или из , или из . Далее новые алгоритмы управления обратно загружаются в прежние тела двух представителей вторичной формы жизни – загружается в тело первого, а в тело второго, на места , и соответственно. Обратим внимание, что в результате спаривания данные в памяти о накопленном в процессе жизнедеятельности опыте каждого из двух представителей вторичной формы жизни не изменились.

В результате такой процедуры как было два живых существа, так и осталось, причем, благодаря сохраненной памяти о своем прошлом, каждое из них продолжает считать себя прежней личностью, то есть осталось живым. Изменился только образ мышления каждого из них. Теперь он имеет некоторые черты их партнера. Сами партнеры могут выбираться случайным образом из представителей социума, проживших больше наперед заданного количества лет. Таким образом, в процессе жизни представитель вторичной формы жизни может пройти через через эту процедуру многократно.

В целях воспроизводства по этой процедуре могут создаваться в новых телах и новые особи. Они будут иметь новый алгоритм управления вместе с переданными с наследственной информацией безусловными рефлексами родителей, аналогичными тем, которые передаются детям в биологической жизни. У только что созданных новых особей память для хранения накопленного в процессе жизнедеятельности опыта будет совершенно пустой. В этом случае первое время их придется воспитывать как малых детей.

Имеет ли описанная процедура спаривания какие-то преимущества относительно полового размножения в биологической жизни? Преимуществ много, но мы рассмотрим только два главных из них.

Во-первых – это возможность искусственного отбора. У социума вторичной формы жизни имеется возможность оценки того, насколько полезно для социума провел отрезок жизни его представитель между прошлым спариванием и предстоящим. Сравнивая оценки двух выбранных для спаривания особей, социум может увеличить вероятность выбора наследственных частей из управляющего алгоритма той особи, оценка которой выше. Допустим, оценка была выше у первой особи, тогда в и в частей из , окажется больше, чем из . Негативная наследственность может искусственно подавляться социумом. Искусственный отбор тоже не лишен недостатков, однако известно, что в сравнении с биологическим естественным отбором он в тысячи раз ускоряет закрепление в наследственной информации желаемых признаков.

Во-вторых, в биологической жизни элементы новизны в изменчивости наследственной информации несут ее случайные мутации. Они вносят в наследственную информацию признаки, которых не было ни у одного из родителей. Природу к этому вынуждает то, что внешние условия жизни постепенно тоже начинают нести в себе принципиальные отличия от прошлых условий, в которых жили прежние поколения. Поэтому одним только прошлым опытом родителей решить задачу приспособления потомства к новым условиям жизни нельзя. Случайными мутациями природа вслепую пытается угадать в каком направлении следует направить адаптацию к внешним условиям. Лишь очень малая часть случайных мутаций оказывается полезной и закрепляется в наследственной информации через многие поколения. Особей с вредными для жизни мутациями из дальнейшей эволюции устраняет естественный отбор.

В описанном механизме спаривания особей вторичной формы жизни источник новизны в наследственной информации не упомянут потому, что в механизме спаривания его нет. Источником новизны для управляющего алгоритма F станут научно-исследовательские работы самих членов социума. Чтобы понять, насколько это эффективней случайных мутаций, достаточно представить, что новые модели наших электронных гаджетов разрабатывались бы методом внесения случайных изменений в их конструкции. Например, путем замены мест на принципиальной электрической схеме конденсатора и резистора. А потом, чтобы понять насколько полезными оказались изменения, разработчики ждали бы реакцию на них рынка.

Мы нашли и второе необходимое условие для доказательства возможности существования вторичной формы жизни – это ускорение ее эволюции по сравнению особями биологической эволюции Дарвина. Дадим очередное определение.

Эволюция третьего уровня – это способ эволюции природы, основанный на факторах эволюции вторичной формы жизни.

Движущие факторы эволюции третьего уровня остаются теми же, что и на двух предыдущих уровнях, рис.1, но отличаются от них только особенностями механизмов действия. Вот они:

1. Борьба за существование;
2. Естественный отбор;
3. Искусственный отбор и самосовершенствование внутреннего строения объекта;
4. Изменение условий существования.

Обратим внимание, что в сравнении с движущими факторами эволюции второго уровня, то есть эволюции Дарвина, изменениям подвергся только третий фактор эволюции, а именно фактор, определяющий способ модификации сопротивления неизбежным изменениям.

Механизм действия третьего фактора уже описан выше. Отметим, что искусственный отбор и самосовершенствование внутреннего состояния объекта означают, что на третьем уровне эволюции природа предоставляет представителям вторичной формы жизни самим решать, как им самим себя видоизменять. Это большой шаг вперед и первое качественное отличие эволюции третьего уровня от эволюции первых двух уровней.

Видно, что первый и третий факторы относятся к ведущему борьбу за свое существование материальному объекту. Четвертый фактор относится к внешним и внутренним условиям существования объекта, на которые сам объект начинает оказывать влияние уже на втором биологическом уровне эволюции. Вспомним пример о том, как чтобы не замерзнуть зимой, человек построил дом.

Вторым качественным отличием эволюции третьего уровня от первых двух уровней является то, что под частичный контроль объекта попадает даже и естественный отбор. Дело в том, что в случае уничтожения существа вторичной формы жизни естественным отбором его алгоритм управления и накопленный в процессе жизнедеятельности опыт, то есть память о его прошлом, в основном, хотя и не полностью, могут быть восстановлены с их резервной копии.

Добавить метки