Российская экономическая академия им. Г. В. Плеханова. Кафедра физики

Концепции современного естествознания (Материалы для самостоятельной работы студентов)

Лекции: Тема 8. Особенности и эволюция жизни на Земле. Естественный отбор (с. 17 – 18)

Жизнь – особая форма существования при определенных физико-химических условиях сложных, открытых биологических макросистем (живых организмов), способных к самовоспроизведению и саморегуляции с помощью генетической программы, записанной и воспроизводимой в органических макромолекулах нуклеиновых кислот ДНК и РНК.

Уровни организации жизни:

Биологические органические макромолекулы – нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды), белки (полипептиды), липиды (жиры и жироподобные вещества), моно- и полисахариды, на уровне которых начинаются разнообразные процессы жизнедеятельности: редупликация (самоудвоение) молекул ДНК, синтез белков из аминокислот, превращения химической энергии, биокатализ с помощью ферментов и др.

Вирусы – «полуживые» системы, состоящие из молекул ДНК или РНК, окруженных белковой оболочкой, и способные размножаться только внутри живых клеток, а также менять их генетические программы.

Клетки – наименьшие структурные и функциональные единицы любого живого организма, в которой реализуются все процессы жизнедеятельности (размножение, рост, обмен веществ, саморегуляция и др.); могут существовать отдельно (одноклеточные организмы), в виде колоний однотипных клеток и образовывать биологические ткани в многоклеточных организмах.

Организмы – системы, состоящие из клеток разного типа, органов и подсистем, выполняющих различные функции; отдельный организм, проходящий весь жизненный цикл от рождения до смерти, называется особью.

Популяции – достаточно многочисленные и относительно изолированные группы особей одного вида, имеющие одинаковый генотип, общее место обитания и способные, скрещиваясь между собой (при половом размножении), давать жизнеспособное потомство; элементарная единица микроэволюции.

Вид – совокупность особей, похожих друг на друга, как дети похожи на своих родителей, способные давать жизнеспособное потомство и имеющие общий генофонд; состоит из множества популяций; первичная единица систематики живых организмов. Основные таксоны (организмы, имеющие какие-либо общие признаки) образуют следующую иерархию сходных групп: вид – род – семейство – отряд – класс – тип – царство. Общее число видов, живущих сегодня на Земле, оценивается в 3 – 5 млн. (описано 1,5 млн.).

Биогеоценозы – совокупности организмов разных видов вместе со средой их обитания при более или менее однородных физико-географических и геологических условиях существования; представляют собой динамичные и устойчивые сообщества, которые образуются в процессе совместного исторического развития (коэволюции) организмов различных систематических групп.

Биосфера – совокупность всех биогеоценозов, область распространения жизни на Земле, охватывающая всю гидросферу, нижнюю часть атмосферы и верхнюю часть земной коры, в которой происходят круговороты веществ и превращения энергии, связанные с деятельностью всех живых организмов; представляет собой эволюционирующую систему, активно взаимодействующую с окружающей средой и изменяющую ее.

Основные свойства (признаки) живых организмов, отделяющие их от «неживых» систем:

Самовоспроизведение (репродукция) – все живые организмы способны порождать себе подобных. Для простейших организмов размножение осуществляется делением их клеток на две одинаковые (митоз), а для более сложных – при слиянии двух противоположных половых клеток, которые формируются при мейозе. При благоприятных условиях внешней среды и достаточных ресурсах размножение происходит в геомет-рической прогрессии. В настоящее время действует принцип биогенеза: все живое только из живого.

Наследственность и изменчивость – вновь рожденный организм очень похож на своих родителей, но в то же время немного отличается от них. Это говорит о том, что свойства организма записаны в генетической программе, которая передается потомкам путем редупликации молекул ДНК; изменчивость организмов обусловлена небольшими случайными изменениями этой программы.

Рост и развитие – любой организм проходит свой неповторимый жизненный путь (онтогенез) от зарожде-ния до смерти, когда происходит увеличение размеров, массы и числа его клеток, их дифференциация, усложнение структуры и функций органов в результате взаимодействия его генотипа и окружающей среды.

Обмен веществ (метаболизм) и самоорганизация – непрерывное взаимодействие организма с окружающей средой (поглощение и выделение организмов различных веществ, энергии и информации), что приводит к высокой приспособленности (адаптации) организма к среде и устойчивости к ее изменениям.

Гомеостаз и саморегуляция – относительное динамическое постоянство внутренней среды организма и устойчивость основных биохимических и физиологических процессов, поддерживающих это постоянство, например, репарация молекул ДНК (восстановление ее поврежденных участков при мутациях), постоянство состава крови, терморегуляция.

Раздражимость и движение – способность организмов активно реагировать на изменения окружающей среды и совершать различные движения, проявляется в стремлении не только адаптироваться к среде, но и изменить ее в нужном для себя направлении.

Эволюция жизни:

Жизнь на Земле существовала не всегда, а возникла примерно 3,8 – 3,5 млрд. лет тому назад. Согласно гипотезе абиогенеза это произошло в результате длительной (1 млрд. лет) химической и предбиологической эволюции сложных органических соединений и структур, способных к самовоспроизведению (напр., РНК и ДНК). Однажды возникнув, жизнь на Земле не прекращалась. По теории Ч. Дарвина, основной «движущей силой» (причиной) эволюции является естественный отбор, который, наряду с факторами наследственности и изменчивости организмов, за миллиарды лет привел к огромному разнообразию и усложнению видов и более широких таксонов, лучшей их адаптации к окружающей среде и который начинает действовать в результате межвидовой и внутривидовой «борьбы за существование» как следствие размножения организмов в геометрической прогрессии и ограниченности ресурсов.

Естественный отбор – длительный ненаправленный (случайный) процесс выживания и обеспечения потомством наиболее приспособленных к данным условиям существования организмов и вымирания наи-менее приспособленных; объясняет относительную целесообразность, усложнение строения и функций организмов, определяет образование новых видов. Служит фактором эволюции не для отдельных особей, а для их популяций.

Согласно синтетической теории эволюции, объединяющей теорию Дарвина, генетику популяций и выводы молекулярной биологии, различают микроэволюцию (на уровне видов и их популяций за исторически короткое время) и макроэволюцию – формирование таксонов более высокого уровня (роды, семейства и т. д.) за очень большое время, а также три основные формы отбора: движущий (обновляющий), который проявляется при изменении условий существования и действует в пользу особей с отклонениями от средней нормы; стабилизирующий – в неизменных условиях существования, действующий против особей с крайними отклонениями от нормы и дизруптивный (разрывающий) – в изменяющихся условиях в пользу организмов с отклонениями от нормы, когда ни одна из групп не имеет преимуществ (наиболее часто для растений). Материалом для эволюции служат, как правило, мелкие, но дискретные изменения наследствен-ности – генные («точковые») мутации, имеющие случайный характер.

Частным случаем естественного отбора является половой отбор, возникающий при конкуренции между особями одного пола за полового партнера и тем самым определяющий различное участие особей в размножении вида.

Эволюция приводит к биологическому прогрессу вида, который характеризуется увеличением численности особей, расширением ареала, образованием новых видов, подвидов и популяций, и морфологическому прогрессу, т. е. приобретению крупных изменений в строении и функциях органов (ароморфозы), которые существенно повышают уровень сложности организмов и дают возможность лучше использовать условия существования. Эволюция видов и более широких таксонов называется филогенезом.

Среднее время жизни вида оценивается в 1 – 10 млн. лет, хотя известны виды, существующие на Земле сотни млн. лет. Считается, что за все время существования жизни на Земле более 99% всех когда-либо существовавших видов вымерли.

Историю Земли и жизни на ней принято делить по геологическим и палеонтологическим признакам на эоны, геологические эры и периоды. Примерно 540 – 570 млн. лет назад начался современный эон – фанерозой (время явного проявления жизни), состоящий из трех эр: палеозой (древняя жизнь), мезозой (средняя жизнь и кайнозой (современная жизнь), каждая из них имеет по несколько периодов с продолжительностью периода от 30 до 60 млн. лет. Предыдущую эпоху (7/8 всего времени существования Земли) называют криптозоем (время скрытой жизни), или докембрием и делят на эры: катархей (начало 4600 млн. лет назад, длительность 800 млн. лет), архей (начало 3800 млн. лет, длительность 1300 млн. лет) и протерозой (начало 2500 млн. лет, длительность1955 млн. лет).

Первыми (и единственными в течение почти 2 млрд. лет) живыми организмами на Земле были одноклеточные прокариоты (примитивные клетки без ядра) – бактерии и сине-зеленые водоросли. Около 2,5 млрд. лет назад возникло половое размножение, 2 млрд. лет назад сине-зеленые водоросли научились перерабатывать углекислый газ в кислород, насыщая им атмосферу. Первые эукариоты (клетки с ядром) возникли 1,7 – 1,9 млрд. лет назад (в протерозое), многоклеточные организмы (с разделением функций между клетками) 1,4 млрд. лет назад. Около 1 млрд. лет назад содержание кислорода в атмосфере достигло 1% (точка Пастера) и организмы смогли перейти от процессов брожения к дыханию.

Переход к палеозою ознаменовался «кембрийским взрывом жизни», когда за короткое время появилось не менее 100 классов живых организмов с минеральными скелетами. 460 млн. назад (в ордовике палеозоя) вначале растения, а затем и животные вышли на сушу; 220 млн. тел назад (в триасе мезозоя) появились первые птицы и млекопитающие; 65 млн. лет назад, после массовой гибели динозавров, причиной которой считается глобальное похолодание из-за столкновения Земли с крупным астероидом, началась эпоха млекопитающих (кайнозой). Около 60 млн. лет назад появились первые приматы, эволюция которых привела к высшим обезьянам и человеку.

***