Происхождение и эволюция жизни

Основные отличия живого вещества от неживого. Вопрос о происхождении жизни является одним из наиболее трудных и наиболее интересных вопросов современного естествознания. Возникновение жизни, переход от неживого к живому является наиболее впечатляющим примером качественного скачка в процессах эволюции. Ученые не оставляют попыток найти и воспроизвести условия, при которых на Земле возникла жизнь. Необходимо отметить, что по космическим меркам планета Земля и жизнь на ней возникли практически одновременно (возраст Земли - 4 - 4, 5 млрд. лет, “возраст” живого - не менее 3, 8 млрд. лет).

Отличать живое вещество от неживого ученые научились еще в XIX в., когда было обнаружено, что живое вещество оптически активно (это открытие было сделано Луи Пастером), т. е. обладает способностью поворачивать плоскость поляризации проходящего светового пучка вокруг его оси. Не вдаваясь в физические подробности, отметим, что оптической активностью обладают те вещества, которые состоят только из правых (или только из левых) спиральных молекул, что и имеет место в живых системах. В неживом веществе, в отличие от живого, правые и левые структуры представлены в равной мере.

Существует целый ряд других фундаментальных отличий живого от неживого: вещественный состав, структура, функциональные особенности и многие другие характеристики живого и неживого вещества существенно различаются. В вещественный состав живого вещества входят белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), представляющие собой высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения. В качестве строительного материала и тех и других макромолекул используются в основном всего четыре химических элемента – кислород, углерод, водород и азот (перечислены в порядке убывания содержания). Атомы других химических элементов (в первую очередь, это калий, фосфор, сера, железо, медь, цинк - всего их около 50) присутствуют в живых организмах в весьма незначительных количествах.

Несмотря на то, что углерода (по массе) в составе живого вещества примерно в 4 раза меньше, чем кислорода, именно углерод по праву считается вещественной основой жизни на Земле. Легко соединяясь с другими элементами, углерод способен создавать разнообразные (числом порядка нескольких десятков миллионов) соединения, обладающие не менее разнообразными свойствами - строительными, каталитическими, энергетическими, информационными и др.

В структурном плане живое вещество характеризуется клеточным строением. Как любая молекула состоит из атомов, имеющих сходное строение (в центре - ядро, снаружи - электронные оболочки), так и любой живой организм состоит из клеток. Клетки самых различных организмов также весьма похожи друг на друга. Внутри каждой клетки имеется относительно плотное ядро, окруженное цитоплазмой. Правда, в отличие от атомов, имеются и безядерные клетки. Однако нельзя не отметить, что и устройство клетки, и процессы в ней неизмеримо сложнее устройства и процессов в атоме. Достаточно отметить лишь две ее способности - клетка сама производит необходимую для жизнедеятельности энергию и, что особенно впечатляет, может воспроизводить самое себя. Именно самовоспроизводство, которое характерно для всех живых тел, является наиболее существенной отличительной особенностью живого от неживого в функциональном плане. К другим функциональным особенностям живых организмов следует отнести наличие обмена веществ, способность к росту и развитию, раздражимость и многое другое.

В целом живые организмы в сравнении с неживыми системами характеризуются существенно большим разнообразием, более сложной и упорядоченной структурой, более высоким уровнем организации. В основе этого лежит способность живых систем во много крат более эффективно поглощать и использовать энергию окружающей среды, в том числе непосредственно солнечную энергию. Следствием этого является существенно более высокая скорость эволюции живого вещества в сравнении с неживым.

Из вышеизложенного можно сделать заключение, что между живым и неживым существует резкая граница. Этот вопрос, важный и сам по себе, играет ключевую роль при обсуждении гипотез о происхождении жизни. Древние мыслители (и в Греции, и в других очагах цивилизации) не только допускали, но и аргументировали идеи о спонтанном, естественном происхождении жизни, однако с распространением христианства эти идеи были объявлены еретическими. В конце XVII Ф. Редди на основе своих опытов с открытыми и закрытыми сосудами (внутри которых в мясе появлялись или не появлялись черви), сформулировал принцип: « все живое из живого ». Свой вклад в доказательство справедливости этого принципа внесли затем и другие ученые, в их числе был и знаменитый Л. Пастер. Суть противоположной точки зрения заключается в том, что граница между живым и неживым не является резкой и допускает существование переходных форм. К подобным переходным формам ряд ученых считают возможным отнести и известные образования - вирусы - на том основании, что, находясь вне клеток других организмов, вирусы не обладают ни одним из свойств живого вещества.

Основные концепции возникновения жизни. Вопрос о том, как зародилась жизнь, волнует людей на протяжении многих тысячелетий. Можно выделить пять основных концепций, выработанных учеными на это счет: 1) концепция креационизма (божественное сотворение жизни); 2) концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества; 3) концепция стационарного состояния (жизнь вечна и существовала всегда); 4) концепция панспермии (внеземное происхождение жизни); 5) концепция происхождения жизни в историческом прошлом Земли в результате процессов, подчиняющихся известным законам естествознания.

С начала ХХ в. века спор идет лишь между сторонниками двух последних концепций. При этом аргументов в пользу гипотезы о естественном происхождении жизни существенно больше, чем аргументов в пользу гипотезы панспермии. К таким аргументам, в первую очередь, следует отнести существование единого для всего живого на Земле генетического кода, постоянство (на протяжении миллиардов лет) массы живого вещества, на что впервые обратил внимание В.И.Вернадский, единство строения макромолекул нуклеиновых кислот (линейные полимеры, свернутые всегда в правозакрученную спираль), и многое другое.

Следует отметить, что у концепции происхождения жизни в историческом прошлом Земли есть два варианта. По первому из них происхождение жизни – случайность, результат случайного образования единичной “живой молекулы”. Суть другой точки зрения заключается в том, что происхождение жизни есть результат закономерного процесса эволюции материи. Эта точка зрения, получившая наибольшее признание, впервые была научно обоснована А.И. Опариным, опубликовавшим в 1924 г. книгу “Происхождение жизни”.

Основой жизни на Земле является углерод. Атомы углерода вырабатываются лишь в недрах больших звезд, т.е. “фабрика жизни”, осуществляющая производство углерода, находится не на Земле, а далеко за пределами Солнечной системы. Органические вещества могли синтезироваться еще до образования Земли, например, на поверхности космических пылинок.

Температура поверхности Земли в начальный период ее существования составляла 4 - 8 тысяч градусов. Первичная атмосфера Земли в то время содержала водород и соединения углерода и азота, кислорода, без которого сегодня трудно представить себе жизнь, не было. Многие ученые полагают, что отсутствие кислорода явилось необходимым условием возникновения жизни, т.к. органические соединения гораздо легче создаются в восстановительной среде, нежели в окислительной.

Для возникновения жизни естественным путем сначала должны были организоваться необходимые органические соединения. Для построения любого сложного органического соединения, входящего в состав живых тел, необходим сравнительно небольшой набор блоков-мономеров (низкомолекулярных соединений): 20 аминокислот и 5 азотистых оснований. Далее (согласно гипотезе А.И. Опарина) в этом своеобразном “первичном бульоне”, содержащем все необходимые органические соединения, могли возникнуть биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самовоспроизводства. Этот момент и можно считать началом жизни на Земле.

Отметим, что учеными в искусственных условиях синтезированы не только многие аминокислоты, но и простейшие нуклеиновые кислоты. В качестве исходного сырья в этих экспериментах использовались смеси газов, предположительно входивших в состав земной атмосферы в период зарождения жизни, а в качестве источника энергии (без притока энергии, как мы знаем, нет эволюции) - электрический ток (разряд в газе) и ультрафиолетовое облучение.

Как произошел переход от сложных органических веществ к простейшим живым организмам – пока непонятно, этот переход труднее всего объяснить и еще труднее смоделировать. Как образовались клеточные мембраны и сами клетки, ученым также пока не ясно, нужны новые гипотезы и дальнейшие исследования.

Краткое рассмотрение эволюции форм жизни позволяет выделить в ней три этапа. На первом этапе появились клетки без ядра (прокариоты), подобные формы жизни сохранились на Земле до сих пор - это бактерии и т.н. сине-зеленые водоросли. Возраст таких самых древних организмов – не менее 3-х млрд. лет. На следующем этапе (около 2-х млрд. лет тому назад) в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядром называют простейшими (самые простейшие из них - амебы и инфузории), их 25 - 30 тысяч. На третьем этапе (примерно 1 млрд. лет назад) появились многоклеточные организмы и произошло разделение живого мира на растительный и животный миры.

Клетка – фабрика жизни. Ученым, который обнаружил клеточное строение и ввел термин «клетка», был современник и соотечественник великого И. Ньютона Роберт Гук. В 1665 г. он представил в Королевское общество книгу, в которой описал результаты своих микроскопических исследований тонких срезов живого вещества.

В 1883 г. (более чем через два столетия) английский ботаник Р. Броун (первооткрыватель хаотического теплового движения частиц) обнаружил наличие в клетках ядер. Сегодня мы знаем, что не все клетки имеют ядра. Те организмы, у которых клеточные ядра четко оформлены и отделены от ци­топлазмы ядерными оболочками, называют эукариотами. Те же организмы, у кото­рых нет четко оформленных ядер, но в клетках имеются области, выполняю­щие их функции, называют прокариотами. К прокариотам относятся бакте­рии и сине-зеленые водоросли, именно они были исторически первыми представители живого мира.

Открытие ядер помогло установить, что все растения имеют клеточную структуру. Первым подобное утверждение сделал немец­кий ботаник М. Шлейден, для этого он в течение пяти лет методично исследовал срезы самых разнообраз­ных растений, отыскивая в них вначале ядра, а затем — окружающие их обо­лочки. Следом за Шлейденом другой немецкий ученый Т. Шванн установил, что все животные ткани, как и ткани растений, имеют клеточную структуру.

Исследования показали, что организмы могут состоять как из громадного, так и из ограниченного числа клеток. Существуют одноклеточные организмы, но бесклеточных орга­низмов в природе нет. В 1885 году было установлено, что каждая клетка возникает только при делении предшествующей ей материнской клетки. Немецкому био­логу Р. Вирхову принадлежит образное выражение: «Каждая клетка — толь­ко из клетки».

Каждая клетка состоит из оболочки и ее наполнения, называемого прото­плазмой, которая, в свою очередь, включает в себя цитоплазму и ядро. Цитоплазма представляет собой основное вещество клетки – гиалоплазму и расположенные в ней разнообразные клеточные структуры: рибосомы, полисомы, митохондрии, эндоплазматическую сеть, ядро, ядер­ную оболочка, ядерные поры, ядрышки. Оболочка клетки является двухслойной. У животных она тоньше, у рас­тений толще, но и животные, и растительные клетки взаимодействуют между собой.

Клетки дифференцированных организмов различаются как по форме, так и по своим функциям. Но и клетки разных органов и тканей одного и того же организма отличаются друг от друга, иногда это отличие довольно существенно. В то же время есть функ­ции, присущие всем клеткам без исключения. В частности, во всех клетках под контролем генетического аппарата осуществляется синтез белков, клетка, не синтезирующая белки, по сути дела, мертва.

Основные виды веществ, из которых состоят и животные, и растительные клетки, хорошо известны. Цитоплазма, ядро и оболочка клеток состоят преимуществен­но из белков, липидов, углеводов (сахаров и полисахаридов), витаминов, гор­монов, органических кислот и других сложных органических соединений. В их состав входят также простые по своему химическому строению вещества, в частности, соли.

Для осуществления внутриклеточных процессов необходима энергия, в живых клетках энергетический обмен идет постоянно. Клетки обладают важнейшим для их жизни свойством – запасать и тратить энергию. Каждая клетка существует в постоянном контакте с окружающими клет­ками или с окружающими организм веществами. Жизнь клетки, по существу, заключается в поглощении веществ из окружающей среды, преобразовании этих веществ в нуж­ные для ее жизни компоненты, передаче их в другие клетки, создании внутренних запа­сов нужных веществ, а также в выведении ненужных веществ из организма. Этот обмен веществ тесно переплетен с энергетическим обменом. Он происхо­дит под контролем генетического аппарата клеток и, следовательно, связан с обменом информацией.

На всех стадиях развития клетки осуществляется регулирование ее жиз­недеятельности. Известно много способов регуляции жизнедеятельности клет­ки, включая генетическую регуляцию внутриклеточных процессов. Регуляция нужна и для обеспечения важнейшей функции живой клетки – свойства раз­дражимости, то есть способности отвечать на воздействия, которым подверга­ется клетка извне. Клетки способны не только изменять в ответ на внешние раздражения свой энергетический обмен, обмен веществ, строение, но и самостоятельно вос­станавливать нарушенные участки в генетическом аппарате и даже во внутри­клеточных структурах. Для этого в клетках имеются восстанавливающие фер­менты, которые синтезируются под контролем специальных генов.

Особый интерес представляет способ размножения клеток. Ведь поколе­ния растений и животных рождаются, умирают, сменяются, но их виды живут тысячелетия. При этом они сохраняют в основных чертах свои признаки неиз­менными. Каждое растение или животное оставляет после себя потомство, и этот процесс повторяется снова и снова. Преемственность организмов создает бессмертие видов. В середине XIX века немецкий ботаник В. Гофмейстер обнаружил в яд­рах клеток традесканции хромосомы. В дальнейшем в делящихся клетках были замечены некоторые особенно­сти в движении хромосом. Во-первых, было обнаружено расщепление их во всех делящихся клетках на две одинаковые части. Во-вторых, оказалось, что во всех случаях хромосомы распределялись между дочерними клетками точно поровну. Стоило этому процессу нарушиться, и организмы, у которых клетки получали неравное число хромосом, заболевали и умирали. В-третьих, было установлено, что каждому из видов животных и растений свойственно свое число хромосом в ядрах клеток. Нашлись организмы, у которых половые клет­ки содержали вcero по одной хромосоме. А у некоторых организмов число хромосом в одном ядре достигает трехсот. В настоящее время установлено, что хромосомный набор — одна из важнейших характеристик живых организмов.

Процесс деления ядра, называемый митозом, в настоящее время изучен достаточно хорошо. Четыре стадии митоза имеют свои названия, перечислим их: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Телофаза завершается полным обособлением образовавшихся дочерних клеток. О неделящемся, покоящемся ядре говорят, что оно находится в интерфазе, то есть фазе, являющейся промежуточной между двумя последовательными стадиями деления.

Современные достижения в обла­сти исследования клеток и их функ­ций связаны с т.н. клонироваиием – получением нового животного, но не обычным (половым) способом, а манипуляциями с одно единственной клеткой животного-«родителя». 23 февраля 1997 года шотландский ученый Ян Вильмут и его коллеги получили из клеток взрослой oвцы ее генетически идентичную копню (знаменитого ягненка Долли). Известно, что любая клетка взрослого организма (т.н. соматическая клетка) несет полный набор наследственного вещества. Половые же клетки имеют только половину генов, при зачатии эти половинки (отцовская и материнская) соединяются. В результате получается новый организм. Получение же нового живо из соматической клетки – это создание генетически тождественного существа в процессе, который называется клонированием.

Генетика. Нуклеиновые кислоты. Наука, изучающая наследственность и изменчивость организмов, называ­ется генетикой. Первые эксперименты, доказавшие существование материаль­ных носителей наследственности – генов, были проведены и опубликованы выдающимся чешским ученым Г. И. Менделем еще в 1865 году. Широкому кругу ученых эти опыты стали известны только в начале XX века, после того как многие биологи повторили их на самых различных животных и растениях.

В настоящее время известно, что и в цитоплазме, и в ядре всегда находят­ся так называемые нуклеиновые кислоты – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Молекулы нуклеиновых кислот очень велики; они содержат десятки, сот­ни и тысячи отдельных звеньев — нуклеотидов. Их последовательность в цепи (то есть первичная структура нуклеиновой кислоты) еще не определяет всех ее свойств. Очень важна вторичная структура — форма, которую приоб­ретает реальная молекула нуклеиновой кислоты. Вторичную структуру моле­кулы ДНК установили английские ученые Д.Уотсон и Ф.Крик в 1958 году, они же создали ее модель.

Оказалось, что молекула ДНК находится в природе обычно в форме двойной спирали: две нити ДНК обвивают друг друга подобно двум перепле­тенным проводам. В удерживании этих нитей от раскручивания основную роль играют во­дородные связи, возникающие между гетероциклическими основания­ми. Реально могут существовать лишь две пары мононуклеотидов: аденин – тимин и гуанин – цитозин (А—Т и Г—Ц). Таким образом, если в молекуле ДНК имеется участок АТТЦАГГТ, то в соответствующей (комплементарной, то есть дополняющей ее цепи) будет уча­сток ТААГТЦЦА.

Комбинации указанных четырех азотистых оснований, входящих в со­став ДНК, образуют так называемый генетический код. Последний представ­ляет собой особый химический язык, на котором записывается наследственная информация. Причем основным хранителем наследственной информации являются имен­но молекулы ДНК: они обеспечивают способность живого вещества к воспроиз­ведению абсолютно точных копий. В процессе самовоспроизведения две полинуклеотидные нити, связанные в мо­лекуле ДНК водородными связями, отходят друг от друга, и каждая из них становится основой (матрицей) для будущей новой молекулы. Благо­даря притоку нуклеотидов из цито­плазмы каждая матрица строит дополнительную полинуклеотидную цепь и превращается в двуспиральную молекулу ДНК, полностью повто­ряющую химическое строение исход­ной материнской молекулы.

ДНК встречается преимущественно в хромосомах ядра клетки, а РНК – как в ядре, так и в цитоплазме. Молекулы РНК отличаются от молекул ДНК: они одноцепочечные и со­стоят из меньшего количества звеньев (нуклеотидов). Кроме того, в РНК нет тимина, он полностью заменен другим, похожим на него азоти­стым основанием — урацилом.

Нуклеиновые кислоты являются сложными биополимерами. Входящие в их состав мономеры (мононуклеотиды) значительно сложнее, чем аминокисло­ты или моносахариды (рибоза и дезоксирибоза). Различия в строении ДНК и РНК небольшие, но эти кислоты значительно различаются по своим свойствам и биологическим функциям.

Участок ДНК, несущий какую-либо целостную информацию (о строении одной молекула белка или одной молекулы РНК) незывают геном. Ген представляет собой структурную и функциональную единицу наследственности. Именно гены организма подвержены мутациям – случайным или целенаправленным изменениям последовательности нуклеотидов в цепи ДНК. Мутации приводят к изменению последовательности, а следовательно изменению биологических характеристик белка или РНК. Разные формы одного и того же гена называют аллелями. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом животной или растительной клетки, носит название геном.

Белки, их свойства и функции. Основой жизни животных и ра­стительных клеток являются белки – сложнейшие органические со­единения, состоящие из большего или меньшего количества аминокислот. В структурном плане макромолекула белка представляет собой последовательность мономеров - остатков аминокислот (из 100 известных в органической химии аминокислот в состав белков входят лишь 20). Молекулы различных белков существенно отличаются друг от друга молекулярной массой, величина которой может изменяться от десятков тысяч до десятков миллионов, содержанием различных аминокислот и порядком их расположения. Изменение последовательности даже одной пары аминокислот в структуре молекулы белка изменяет его свойства – это будет уже другой белок.

Белки выполняют различные функ­ции, и они достаточно разнообразны. Так, например, в мышечных волокнах содержится белок миозин, в эритроци­тах – гемоглобин, в поджелудочной железе – иинсулин и т.п. В обмене веществ в организме принимают уча­стие белки, называемые ферментами. Синтез, то есть образование, белков происходит в цитоплазме клетки, а спе­цифические особенности белков опре­деляются генетической информацией, заключающейся в ДНК хромосом.

Синтез белков в цитоплазме про­исходит под контролем ДНК. В син­тезе принимают участие молекулы трех различных видов рибонуклеино­вых кислот: транспортная, информационная и рибосомная. Предварительно на каждом гене синтезируется его копия. Эти копии, будучи особым образом «упакованными», через поры ядерной оболочки выте­кают из ядра, попадают в цитоплазму и соединяются с рибосомами, прикрепленными к канальцам эндоплазматической сети. После того как к ним под­плывают молекулы РНК, несущие информацию от генов, начинается синтез ферментов. Готовые порции ферментов уходят в цитоплазму и там управляют реакциями, протекающими в живой клетке.

Каждый ген, то есть каждый участок ДНК, управляет какой-то одной реакцией в цитоплазме клетки, для этого под его контролем и синтезируется соответствующий фермент. Ферменты представляют собой белки. Их синтез происходит не в ядре, где находятся гены, а в цитоплазме. Ферменты являются исключительно сильными и специфическими катализаторами (например, одна молекула фермента каталазы при нормальной температуре тела обеспечивает распад около 5 млн. молекул перекиси водорода в течение всего лишь одной минуты). Удивительно высока специфичность ферментов, их «умение выбирать» определенные молекулы из ряда очень похожих.

Белки – очень важный, но далеко не единственный вид биополимеров, биополимерами являются сахариды, составляющие основную массу раститель­ного материала. Полисахариды, подобно белкам, построены из простых моно­меров –только роль мономеров здесь играют не аминокислоты, а сахара (в первую очередь глюкоза). Две молекулы сахара путем отщепления молеку­лы воды соединяются, образуя дисахарид. Если соединяются между собой мно­гие молекулы глюкозы, получится полисахарид, например целлюлоза, крахмал и гликоген.

Передача наследственной информации связана с процессом биосинтеза белков. Как было уже отмечено, строение синтезируемого белка предопределяется строением определенного участка соответствующей молекулы ДНК. Последовательность мононуклеотидов в молекуле ДНК определяет последовательность аминокислот в синтезируемых организмом белках, в первую очередь в ферментах. Эту зависимость включения в белок той или иной аминокислоты от определенной последовательности нуклеотидов и называют гене­тическим кодом. Каждой аминокислоте, соответствует определенная последовательность трех расположенных рядом нуклеотидов, называемых триплетов нуклеотидов. Например, триплет ТТТ соответствует аминокислоте фенилаланину, триплет ГЦУ – аланину и т. д. Большинство аминокислот кодируется двумя-тремя сходными триплетами. Таким образом, все многообразие растений, животных и человека закодировано в очень длинных молекулах дезоксирибонуклеиновых кислот.

Как уже отмечалось, все белки (в клетках микробов, растений, животных, человека) состоят в основном из 20 аминокислот. В отличие от обычных полимеров с определенной последовательностью мономеров в цепи, белки отличаются друг от друга последовательностью остатков различных аминокислот вдоль цепи, эту последовательность называют первичной структурой белка (полипептида). В настоящее время известны первичные структуры более двухсот белков. Некоторые из них содержат по нескольку сотен остатков аминокислот. Эти остатки, взаимодействуя между собой, образуют определенные пространственные структуры (например, спиральные). Образование водородных связей и определенные пространственные ограничения приводят к тому, что длинная полипептидная цепь легко свертывается в спираль. В результате этого длинные цепи белков имеют вид толстых спиралей. Существуют и другие формы вторичной структуры белков.

Спирали белков, взаимодействуя между собой, образуют очень сложный, но строго определенный по форме клу­бок. Размещение спиралей в таком клубке называют третичной структу­рой белка. Иногда сложив­шиеся определенным образом громад­ные молекулы белка взаимодействуют между собой и как бы слипаются. Такое слипание белков называют четвертичной структурой. Существенно, что не­большие изменения во вторичной, тре­тичной и четвертичной структурах бел­ка меняют характер его биологического действия. Все это позволяет природе со­здавать самые разнообразные составля­ющие растений и животных.

Синтетическая теория эволюции жизни. Применительно к живой природе эволюция понимается как обра­зование более сложных видов из простых. Что является источником развития? Различные ученые по-разному отвечали на этот вопрос. Кювье, как уже отмечалось, считал, что это катастрофы, Ламарк отдавал предпочтение такому фактору, как тренировка органов, по Дарвину, в качестве такого источника выступает борьба за существование (естественный отбор).

Генетики опровергли представления Ламарка о наследовании приобретенных при жизни признаков. Опытным путем было установлено, что признаки, приобретаемые орга­низмом и приводящие к изменению фенотипа, не оказывают прямого воздействия на половые клетки, передающие признаки следующему по­колению.

В 1778 году священник Т. Мальтус опублико­вал «Трактат о народонаселении», в котором обрисовал, к чему при­вел бы рост населения, если бы он ничем не сдерживался. Дарвин перенес его рассуждения на природу и обратил внимание на то, что, несмотря на высокий репродуктивный потенциал, численность популя­ций остается относительно постоянной. Дарвин предположил, что при интенсивной конкуренции внутри популяции любые изменения, благоп­риятные для выживания в данных условиях, повышают способность особей размножаться и оставлять потомство.

Другим основанием теории эволюции послужил принцип унифор­мизма английского геолога Ч. Лайеля, в соответствии с которым медленные ничтожные изменения приводят к поразительным результатам, если происходят долго в одном направлении. Точно так же небольшие изменения на протяжении миллионов лет приводят к об­разованию новых видов.

Теория эволюции сформулирована Дарвином в 1839 году. Наи­больший вклад Дарвина в науку заключался не в том, что он доказал существование эволюции, а в том, что он объяснил, как она может происходить. В 1859 году Дарвин опубликовал труд «Происхождение видов путем естественного отбора». Гипотеза Дарвина основана на трех наблюдениях и двух выводах. «Н. 1. Особи, входящие в состав популяции, обладают большим репродуктивным потенциалом. Н. 2. Число особей в каждой данной популяции примерно постоянно. В. 1. Многим особям не удается выжить и оставить потомство. В популяции происходит «борьба за существование». Н. 3. Во всех популяциях существует изменчивость. В. 2. В «борьбе за существование» те особи, признаки которых наилучшим образом приспособлены к услови­ям жизни, обладают «репродуктивным преимуществом» и производят больше потомков, чем менее приспособленные особи.

Не столь важно, какая конкуренция в процессе естественного отбора имеет место – внутривидовая или межвидовая. Решающий фактор, определяющий выживание, - это прис­пособленность к среде. Любое, пусть самое незначительное физичес­кое, физиологическое или поведенческое изменение, дающее одному организму преимущество перед другим, будет действовать в «борьбе за существование» как селективное преимущество, в результате чего благоприятные из­менения будут передаваться следующим поколениям.

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. Многие виды, появляющиеся на каком-либо стратигра­фическом уровне, исчезают затем. Это истолковывают как возникно­вение и вымирание видов.

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. Конечно, следует иметь в виду, что палеонтологическая летопись неполна.

Теория эволюции знаменовала собой крупный прорыв в биологии, наряду с классификацией Линнея и клеточной теорией. Но вопросы и сомнения оставались. Всю жизнь Дарвина преследовал «кошмар Джен­кина» - возражение следующего содержания: если среди поля красных маков появится белый, то после скрещивания он даст розовое по­томство, а через 2-3 поколения исчезнет всякое воспоминание о бе­лом цвете.

Лишь возникновение генетики дало возможность отвергнуть это возражение. Опровергнув концепцию Ламарка, генетика помогла дар­винизму, объяснив, что появившийся признак не может исчезнуть, так как наследственный аппарат сохраняет случайно возникшее в нем, подобно тому, как сохраняются опечатки в книгах при их восп­роизводстве.

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).

Известный физик В. Гейзенберг в своей книге «Физика и философия» писал: «Теория Дарвина в ее сегодняшней форме содержит, собственно, два независимых утверждения. Согласно одному из них, в процессе воспроизведения испытываются все новые формы, которые в своем большинстве при данных внешних обстоятельствах снова исчезают как непригодные; сохраняются лишь немногие приспособленные. Во-вто­рых, предполагается, что новые формы возникают вследствие чисто случайных нарушений генной структуры» Некоторые из собы­тий, приводимых в качестве доказательства эволюционной гипотезы, воспроизводимы в лаборатории, однако это не значит, что они дейс­твительно имели место в прошлом, а свидетельствует об их возмож­ности. На многие возражения до сих пор нет ответа. Поэтому кон­цепцию Дарвина точнее все же относить к гипотезам, которые требу­ют дальнейшего подтверждения.

Концепция коэволюции. Критика дарвинизма велась со дня его возникновения. Одним не нравилось, что изменения, по Дарвину, могут идти во всех возмож­ных направлениях и случайным образом. Концепция номогенеза ут­верждала, что изменения происходят не беспорядочно и случайно, а по законам форм. Русский ученый и революционер П. А. Кропоткин придерживался точки зрения, в соответствии с которой взаимопомощь является более важным фактором эволюции, чем борьба.

Эти возражения не могли поколебать общей теории эволюции вплоть до появления под влиянием экологических исследований кон­цепции коэволюции, которая смогла объяснить возникновение полов и другие феномены. Как химическая эволюция - результат взаимодейс­твия химических элементов, так по аналогии биологическая эволюция может рассматриваться как результат взаимодействия организмов. Случайно образовавшиеся более сложные формы увеличивают разнооб­разие, а значит, устойчивость экосистем. Удивительная согласо­ванность всех видов жизни есть следствие коэволюции.

Концепция коэволюции хорошо объясняет эволюцию в системе «хищник - жертва» - постоянное совершенствование и того, и друго­го компонента системы. В системе «паразит - хозяин» естественный отбор должен вроде бы способствовать выживанию менее вирулентных (опасных для хозяина) паразитов и более резистентных (устойчивых к паразитам) хозяев. Постепенно паразит становится комменсалом, т. е. безопасным для хозяина, а затем они могут стать мутуалами - организмами, которые способствуют взаимному процветанию, как гри­бы и фотосинтезирующие бактерии, вместе образующие лишайники. Но так происходит не всегда. Паразиты являются неизбежной, обяза­тельной частью каждой экосистемы. Коэволюционная «гонка вооруже­ний» способствует большему разнообразию экосистем.

Концепция коэволюции объясняет и факты альтруизма у живот­ных: заботу о детях, устранение агрессивности путем демонстрации «умиротворяющих поз», повиновение вожакам, взаимопомощь в трудных ситуациях и т. п.

Гипотеза Гея-Земли. Эта гипотеза возникла в последние два десятилетия на основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции. Авторами ее являются английский химик Джеймс Лавлок и американский микробио­лог Линн Маргулис. Вначале была обнаружена химическая неравновес­ность атмосферы Земли, которая рассматривается как признак жизни. По мнению Лавлока, если жизнь представляет собой глобальную це­лостность, ее присутствие может быть обнаружено через изменение химического состава атмосферы планеты.

Суть Гея-гипотезы: Земля является саморегулирующейся систе­мой, созданной биотой и окружающей средой, способной сохранять химический состав атмосферы и тем самым поддерживать благоприят­ное для жизни постоянство климата. По Лавлоку, мы - обитатели и часть квазиживой целостности, которая обладает способностью гло­бального гомеостаза, снисходительного к нарушениям, если она в хорошей форме, в пределах своей способности к саморегуляции. Ког­да подобная система попадает в состояние стресса, близкого к гра­ницам саморегуляции, даже маленькое потрясение может толкнуть ее к переходу в новое стабильное состояние или даже полностью унич­тожить.

Подходя к Гея-гипотезе с биологических позиций, Л. Маргулис полагает, что жизнь на Земле представляет собой сеть взаимозави­симых связей, позволяющих планете действовать как саморегулирую­щаяся и самопроизводящая система. В 60-х годах она предполо­жила, что эукариотические клетки произошли в результате симбиоти­ческого союза простых прокариотических клеток, таких как бакте­рии. По мнению Маргулис, сим­биоз - образ жизни большинства организмов и один из наиболее со­зидательных факторов эволюции. Например, 90% растений сущест­вуют вместе с грибами, поскольку грибы, связанные с корнями расте­ний, необходимы им для получения питательных веществ из почвы. Совместная жизнь приводит к появлению новых видов и признаков. Эндосимбиоз (внутренний симбиоз партнеров) - механизм усложне­ния строения многих организмов. Изучение ДНК простых организмов подтверждает, что сложные растения произошли из соединения про­стых.

Так происходит переход от целесообразности на уровне орга­низмов к целесообразности на уровне сообществ и жизни в целом - целесообразности в научном смысле слова, определяемой тем, что существуют не внешние по отношению к сообществам, а внутренние объективные надорганизменные механизмы эволюции, которые и изуча­ет наука. С точки зрения концепции коэволюции естественный отбор, ко­торый играл главную роль у Дарвина, является не «автором», а ско­рее «редактором» эволюции.