Концепции современного естествознания

Через некоторое время после того, как определится будущая роль клетки, эта клетка и ее потомки начинают готовиться к выполнению своих специальных функций. Клетки, предназначенные для выполнения определенной функции, по мере роста и деления, становятся все более и более специализированными и группируются в орган. Этот процесс совершается с невероятной точностью. Поразительный пример - рост тысяч нервных волокон из сетчатки глаза по направлению к зрительным центрам мозга.

Для координации и управления функциями у высших животных служат две коммуникационные системы - нервная и гуморальная.

Благодаря нервным клеткам, которые, подобно “датчикам” в системах регуляции, следят за параметрами внутренней среды (уровнем сахара, содержанием CO2, температурой тела и пр.) животный организм может поддерживать постоянство внутренней среды. Это явление называется гомеостазом и наивысшего развития достигает у птиц и млекопитающих.

Гормональная система есть и у животных, и у растений. Гормоны - это органические соединения, которые образуются в специализированных клетках в небольших количествах и транспортируются по всему организму с жидкостями тела (кровь и пр.) и специфически управляют функциями других клеток или органов вдали от места своего образования.

К гормонам относятся у растений ауксины, гиббереллины, цитокинины (регуляторы роста); у животных - тироксин (щитовидная железа), адреналин и норадреналин (мозговое вещество надпочечников), инсулин (поджелудочная железа) и стероиды - гормоны коры надпочечников и половые гормоны.

В простейшем случае сама концентрация регулируемого гормоном субстрата тормозит или усиливает образование гормона. Например, повышенная концентрация глюкозы в сыворотке крови стимулирует секрецию инсулина, который снижает концентрацию глюкозы, усиливая синтез гликогена из нее. Напротив, возрастание концентрации кальция тормозит выделение гормона паращитовидной железы, который регулирует обмен кальция и фосфата.

Многие эндокринные железы сами находятся под гормональным контролем. Центральное место в иерархии эндокринных желез занимает гипофиз, тесно связанный с гипоталамусом. Передняя доля гипофиза вырабатывает пять гормонов, которые побуждают периферические эндокринные железы выбрасывать в кровь свои гормоны, а эти последние в свою очередь оказывают тормозящее воздействие на гипоталамо-гипофизарную систему.

Размножение - один из основных феноменов, присущих всему живому. Оно обеспечивает сохранение видов в ряду поколений.

При бесполом размножении новая особь возникает из одной или нескольких способных к делению клеток старой особи.

Размножение одноклеточных организмов осуществляется путем деления родительской клетки. В данном случае смерти организма в привычном понимании не наблюдается: одноклеточные потенциально бессмертны.

У многоклеточных организмов клетки дифференцируются на генеративные и соматические (сома - тело).

При половом размножении в результате слияния половых клеток (гамет) образуется зигота, из которой затем развивается новая особь. Родительские особи, оставив потомство, умирают.

Бесполое размножение широко распространено у низших организмов, но нередко встречается и у высших. Оно имеет определенные преимущества, которые заключаются в том, что дочерний организм получает точные копии всех генов материнского организма, так что родители и дети оказываются генетически идентичны. Эту идентичность мы наблюдаем при размножении растений черенками, отводками, клубнями и пр.

Половое размножение приводит к образованию новых комбинаций генов, полученных от двух родителей, и тем самым является причиной комбинативной изменчивости, которая обусловливает генетическую уникальность почти каждой дочерней особи и является важным фактором эволюции.

Развитие организмов заключается в постепенной реализации наследственной информации, полученной от родителей.

Индивидуальное развитие - онтогенез подразделяют на два этапа: эмбриональный и постэмбриональный периоды.

Эмбриональным называется период с момента образования зиготы до рождения или вылупления из яйца.

В эмбриональном периоде развития выделяют следующие этапы: 1) дробление - деление зиготы и образование более мелких бластомеров, образование многоклеточного зародыша;

2) гаструляция - образование зародышевых листков (эктодермы и энтодермы)в результате перемещения клеточных масс; затем между ними образуется третий зародышевый листок - мезодерма;

3) первичный органогенез - образование комплекса осевых органов (у хордовых): нервной трубки, хорды, кишечной трубки.

При дальнейшей дифференцировке клеток зародышевых листков из эктодермы образуются нервная система, органы чувств, эпителий кожи, эмаль зубов; из энтодермы - эпителий средней кишки, печень, поджелудочная железа, эпителий легких; из мезодермы - мышечная ткань, соединительная ткань, кровеносная система, почки, половые железы.

Эмбриональное развитие высших позвоночных (рептилий, птиц и млекопитающих) включает образование зародышевых оболочек: желточного мешка, аллантоиса и амниона.

Постэмбриональное развитие может быть прямым или сопровождаться превращением - метаморфозом.

Течение человеческой жизни, как и жизни всех других существ, от рождения до смерти запрограммировано генетически. Хотя средняя продолжительность жизни в результате успехов медицины за последние сто лет в развитых промышленных странах почти удвоилась и растет дальше, максимальная продолжительность жизни осталась почти неизменной.

Мы мало знаем о том, какими причинами обусловлен процесс старения многоклеточного организма. Старение, которое наиболее изучено у млекопитающих, можно определить как изменения, накапливающиеся в организме с течением времени и приближающие его к смерти (замедление процессов репарации и регенерации, снижение эффективности и активности иммуной, нервной и эндокринной систем, нарушение обмена кальция и пр.). Однако трудно решить, что здесь причина, а что лишь симптомы старения. Одной из причин старения считается накопление мутаций во всех клетках тела, но это не применимо ко всем видам. Попытки найти единственную причину старения оканчиваются неудачей.

Клетки и ткани в культуре in vitro от одноклеточных организмов до экспериментально изолированных клеток или даже тканей растений и животных потенциально бессмертны, их гибель наступает лишь при неблагоприятных условиях.

Все многоклеточные организмы “обречены” на смерть, но лишь человек знает об этом, сознает свою смертность. Сознание человеком неизбежности своей смерти делает для него неустранимым вопрос о смысле жизни. Вот почему смерть есть вечная тема культуры, “вдохновляющий гений философии” (Сократ).

Смысл смерти - создание условий для развития, обогащения жизни, так как видовой, родовой, в том числе и социальный прогресс возможен лишь в форме постоянной смены поколений индивидов - временных и реальных воплотителей родовых свойств и отношений.

Старение и смерть - генетически запрограммированы. Для каждого вида характерна определенная продолжительность жизни, которая может изменяться под действием отбора.

Биосфера Земли населена множеством самых разнообразных живых существ: бактерий, грибов, растений и животных, общее число видов которых превышает 2 млн. Благодаря жизнедеятельности организмов в биосфере осуществляется круговорот веществ и превращение энергии, вне которого не может существовать ни один живой организм. Полнота и устойчивость биотического круговорота зависит от количества видов, участвующих в нем.

Живое отличается необычайным многообразием, изучением которого занимается систематика, или таксономия. Задачей систематика (таксономиста) является выделение и описание таксонов - групп организмов, обладающих определенным сходством строения, функций, поведения. Это сходство со времен Дарвина объясняется единством происхождения. Ранг таксона определяется с помощью систематических категорий, которые образуют следующий иерархический ряд от низшего к высшему: вид, род, семейство, отряд, класс, тип, царство. Конечной задачей систематика является построение системы таксонов органического мира, которая правильно отражает филогенетические (эволюционные) отношения между группами организмов. Такая система называется естественной.

Прежнее деление организмов на растения и животные устарело. Современная биология выделяет от четырех до семи и более царств живой природы: вирусы, архебактерии, эубактерии, протисты, растения, грибы и животные.

Вирусы относятся к доклеточным организмам. Они не имеют клеточного строения и могут размножаться только в настоящих клетках. Вирусы состоят из нуклеиновых кислот (РНК или ДНК) и белков. При заражении клетки вирусом в нее проникает только нуклеиновая кислота вируса, которая заставляет клетку производить новые вирусные частицы. Вирусы некоторыми учеными рассматриваются как “заблудившиеся” или “одичавшие” гены.

Обнаружено, что вирусы являются причиной возникновения мутаций. После вирусных заболеваний (инфекционная желтуха, корь, грипп, энцефалит и др.) у человека и животных резко возрастает число поврежденных хромосом. Геном вируса может включаться в геном хозяина, и вирусы могут переносить генетическую информацию от одного организма к другому как одного, так и разных видов.

В настоящее время известно около 200 форм животных вирусов, 170 растительных и 50 вирусов, паразитирующих в бактериях (бактериофагов).

Архебактерии и эубактерии относятся к прокариотам - клеточным организмам, не имеющим настоящего ядра. Основные признаки прокариот: генетический аппарат представлен одной кольцевой молекулой ДНК; отсутствуют пластиды, митохондрии, вакуоли; отсутствует половой процесс, мейоз и митоз.

К архебактериям относятся метанообразующие бактерии, живущие в болотах и на затопленных рисовых полях. Метан наряду с двуокисью углерода влияет на возникновение “парникового эффекта”, ведущего к потеплению атмосферы Земли. Важнейшие поставщики метана - болота Западно-Сибирской низменности и Амазонии, рисовые поля Кубани, Средней Азии, Китая, Японии, стран Юго-Восточной Азии.

В настоящее время известно около 3000 видов бактерий и 1400 видов синезеленых (цианобактерий).

Зеленые и пурпурные бактерии - фотосинтезирующие организмы, но в отличие от зеленых растений они не выделяют кислород в результате этого процесса.

Хемосинтезирующие бактерии используют энергию окислительных процессов: серобактерии окисляют сероводород до серы; нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в азот и азотную кислоту; железобактерии превращают закисное железо в окисное.

Часть бактерий используют энергию процессов брожения, конечным продуктом которого являются органические кислоты: наиболее известны молочнокислые, маслянокислые и уксуснокислые бактерии.

Гнилостные бактерии используют энергию, высвобождающуюся при расщеплении белков. Конечным продуктом их деятельности являются азотные соединения, в последующем окислении которых принимают участие нитрифицирующие бактерии.

Бактерии, возникшие на самых ранних этапах эволюции жизни, сыграли важную роль в создании современного состава атмосферы, в изменении лика Земли.

Цианобактерии - фотосинтетики и побочным продуктом их фотосинтеза, как и у зеленых растений, является кислород. Синезеленые замечательны тем, что способны использовать азот воздуха и включать его в органические соединения. Некоторые синезеленые могут иметь дополнительные пигменты, изменяющие их цвет до черного, коричневого и красного. Цвет Красного моря определяется широким распространением в нем пурпурно пигментированных синезеленых.

Синезеленые представлены не только одноклеточными, но также колониальными, нитчатыми и многоклеточными формами. Это древнейшие организмы Земли, до сих пор играющие очень важную роль в круговороте веществ и превращении энергии в биосфере.

К эукариотам относятся растения, грибы и животные. Их клетки имеют настоящие ядра, в которых располагаются хромосомы - линейные молекулы ДНК, связанные с белками.

Царство растений включает организмы, для которых характерно автотрофное питание путем фотосинтеза, для чего служат пластиды (хлоропласты): настоящие водоросли, красные водоросли и высшие растения.

К настоящим водорослям относятся, в частности, золотистые водоросли (около 400 видов), зеленые водоросли (около 5700 видов) и бурые водоросли (до 1500 видов). Тело простейших водорослей состоит из одной или двух клеток. Есть нитчатые и пластинчатые формы, состоящие из многих клеток, но настоящими многоклеточными организмами, для которых характерна дифференциация на ткани и органы, водоросли не являются.

Красных водорослей насчитывается до 4000 видов. Их клетки кроме хлорофилла содержат пигмент фикоэритрин, который позволяет существовать этим водорослям на глубинах до 100 м, на которую проникают только голубые, синие и фиолетовые лучи.

Тело высших растений расчленено на корень, стебель и листья. Корневая система, пронизывающая почву, обеспечивает растение водой и минеральными солями, в связи с чем для высших растений характерна неподвижность. Высшие растения подразделяются на споровые (мохообразные -23000 видов, папоротникообразные - 6600 видов) и семенные (голосеменные - 640 видов и покрытосеменные - 200000 видов).

Грибов известно около 100000 видов. К ним относятся хлебная плесень, пенициллум, шляпочные грибы, трутовики. Тела грибов состоят из нитей (гифов), образующих мицелий. Клеточная оболочка содержит хитин, который входит в состав покровов насекомых. Запасным веществом является гликоген - полисахарид, характерный для животных. Некоторые виды грибов входят в состав лишайников. Роль грибов очень важна в разложении растительных остатков.

Все животные - гетеротрофные организмы. Они активно добывают пищу, поедая, как правило, живые организмы. Добыча такого корма требует подвижности, с чем связано развитие органов передвижения, опорно-мышечной системы, нервной системы и органов чувств. Пища животными проглатывается либо в целом виде, либо по частям с участием зубной системы. Такой способ питания сопровождается развитием пищеварительной, кровеносной, дыхательной и выделительной систем органов. Животные характеризуются поведением (пищевым, территориальным, оборонительным, стадным, половым), которое может быть очень сложным.

Организация животных отличается исключительным разнообразием, а число известных видов (не считая вымерших) превышает 1,5 млн в том числе:

Простейшие 260000

Губки 10000

Кишечнополостные 10000

Черви круглые до 1 млн.

Черви кольчатые 15000

Членистоногие (ракообразные, 39000 паукообразные, 63000 насекомые) 1 млн.

Моллюски 100000

Иглокожие до 6000

Хордовые 41000

Наблюдаемое многообразие жизни является результатом ее эволюции на протяжении почти 4 млрд. лет. Биологическая эволюция выражалась в изменении видов, появлении новых видов с более сложной организацией, в усложнении структуры сообществ (биоценозов). На биологическую эволюцию существенное влияние оказывали условия, складывавшиеся в географической оболочке Земли, к которым виды должны были приспосабливаться. С другой стороны, организмы сами оказывали глубокое влияние на географическую оболочку Земли, изменяя ее физические и химические параметры. К этим новым условиям организмы также должны были приспосабливаться в процессе эволюции. Появление новых видов вызывало необходимость приспособления к существованию с ними старых. В результате некоторые из прежних видов вымирали. Эволюция, таким образом, носила сопряженный характер, что выражается термином “коэволюция”.

Наиболее общим выражением эволюции является усложнение организации жизни, строения, функций и поведения организмов. Это означало усложнение индивидуального развития (онтогенеза). Появление новых признаков и свойств, новых видов происходило в результате изменений в ходе онтогенеза предков. Онтогенез новых видов не только включал новые стадии и фазы развития, но также сохранял некоторые особенности развития предков. В результате в онтогенезе новых видов наблюдается повторение некоторых стадий онтогенеза предков, что нашло выражение в биогенетическом законе: онтогенез есть краткое повторение филогенеза.

Уникальной особенностью молекул ДНК является их способность к самокопированию - редупликации. Комплементарность азотистых оснований обеспечивает полное сходство дочерних молекул с материнской. В этом заключаются молекулярные основы наследственности. Организмы, имеющие одинаковый набор молекул ДНК или генов, генетически идентичны и фенотипически одинаковы. Таковы однояйцевые близнецы, или растения одного сорта, полученные от одной особи путем вегетативного размножения. Такие организмы могут различаться особенностями, которые возникают под влиянием условий среды на ход индивидуального развития, но эти изменения по наследству не передаются, хотя они генетически обусловлены.

Однако существуют причины, вызывающие наследственные или генетические различия между особями одного вида: мутации - изменение структуры генов, хромосом и кариотипов и комбинирование генов как результат полового процесса.

Частота мутаций отдельных генов лежит в пределах . Однако в связи с тем, что число генов в генофонде любой популяции очень велико, количество всех возникающих в каждом поколении мутаций также очень велико.

Случайные, ненаправленные изменения генетических программ, накапливаясь из поколения в поколение, должны были бы разрушить и сами программы, и те фенотипы, которые этими программами кодируются. Однако хорошо известно, что структуры организмов сохраняются в ряду поколений. Более того, в ходе эволюции происходило усложнение структур, что на первый взгляд противоречит второму началу термодинамики.

Естественный отбор пропускает в следующее поколение программы либо не слишком сильно измененные, либо с полезными изменениями, в том числе и более сложные, если они повышают шансы на выживание и размножение. В результате возникают и совершенствуются адаптации и осуществляется прогрессивная эволюция.

Направленность мутаций не зависит от внешних воздействий, но некоторые внешние силы увеличивают частоту мутаций. Мутационный процесс не носит направленного характера в том смысле, что возникают самые разнообразные изменения, среди которых лишь некоторые изменения оказываются полезными в данных условиях. Именно в этом смысле используется понятие “случайный характер мутаций”.

Направленность эволюции определяется естественным отбором. Чарлз Дарвин не считал, будто природа на самом деле отбирает что-либо, словно человек, решающий, как ему поступить в том или ином случае. Выражение “естественный отбор - это выживание наиболее приспособленных” означает, что направление отбора определяется характером отношений между организмами и средой (или в понимании Дарвина - характером борьбы за существование).

Суть процесса естественного отбора заключается в том, что разные организмы, с разными генотипами, имеют разные коэффициенты воспроизведения. Реальные результаты отбора выражаются в цифре, характеризующей чистую вероятность выживания и воспроизведения, т.е. шансы какого-то организма произвести на свет потомство, которое доживет до возраста родителей к моменту его появления на свет.

Единицей эволюции (элементарной эволюционирующей системой) является популяция. Частота различных генотипов в популяции зависит от частоты генов в ее генофонде, и эта зависимость выражается формулой Харди-Вайнберга:

где p - частота доминантного гена A, q - частота рецессивного гена - частота доминантных гомозигот, 2pq - частота гетерозигот и - частота рецессивных гомозигот.

Частота генов в данной популяции остается постоянной от поколения к поколению, пока не подвергается изменению под действием какой-нибудь причины (движущей силы).

Одной из таких сил является мутационное давление, которое увеличивает частоту мутантных генов, поскольку мутации генов представляет собой повторяющийся процесс.

Вторым фактором, способным радикально изменить соотношение генов в популяции, является случай. В малых популяциях колебания численности особей приводит к случайному изменению частоты генов, что определяется случайным характером сохранения особей, обладающими некоторыми нейтральными различиями. Такие случайные изменения частоты генов называются генетическим дрейфом.

Главной причиной изменения частоты генов в популяции является естественный отбор, который имеет и величину, и направление. Величина определяется коэффициентом воспроизведения, а направление - характером замещения одного аллельного гена другим.

1. Рувинский А.О. Эволюция пола и происхождение многоклеточности/ Природа, 1990, 7

2. Геодакян В.А. Эволюционная теория пола/ Природа, 1991, 8

3. Гершензон С.М. Происхождение и эволюция пола/ Природа, 1991, 1

4. Ланда П.С., Розенблюм М.Г. Автоколебания в живых организмах/ Природа,1992,8

5. Мазин А.Л. Можно ли не стареть/ Природа, 1994, 11

6. Озернюк Н.Д. Траектории онтогенеза/ Природа, 1992, 9.

Аристотель (384-322 до РХ) впервые подробно рассмотрел человеческое тело, указал место, занимаемое человеком в системе животного мира и отметил такие кардинальные различия между человеком и животными, как прямохождение, крупный головной мозг, речь и разум.

Великий натуралист XVIII века, автор “Системы природы” (1735) Карл Линней отнес человека к царству животных, поместив в отряд приматов и дав название Человек разумный (Homo sapiens): “Он принадлежит к сему царству по телесному своему сложению...”

Действительно, организм человека, как и у всех высших животных, состоит из систем, выполняющих определенные функции и образованных органами, тканями и клетками. В общих чертах особенности их строения и функционирования одинаковы у всех позвоночных животных. Важно, однако, подчеркнуть не только сходство, но и отличия, характерные для человека.

Появление в процессе эмбрионального развития человека хорды, жаберных щелей в полости глотки и нервной трубки определяют принадлежность человека к типу хордовых, а развитие позвоночного столба - к подтипу позвоночных животных.

Человек принадлежит к классу млекопитающих, поскольку для него характерно наличие млечных желез и волосяного покрова.

В отряде приматов наиболее крупные группы: полуобезьяны (лемуры и пр.), собакоподобные (мартышки и пр.) и человекообразные (орангутан, горилла, шимпанзе) - семейство Pongidae.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19