Биологический уровень и биологические концепции формирования материи
Учение о биологической эволюции – наука о причинах изменения и развития живых организмов, а также о движущих силах. Эволюционная теория, формирующая теоретические основы современной биологии, объясняет все разнообразие живой природы как результат взаимного влияния трёх взаимосвязанных факторов: наследственность, изменчивость и естественный отбор. Эти принципы эволюционной теории были выдвинуты на основе следующих наблюдений:
1) Полномочия животных в популяции наблюдаются все время меняющимися. Для того, чтобы поверить в это, достаточно просто сравнить какого-нибудь человека с другим.
2) Часть этих изменений, получаемых от родителей, носит генетический характер, другая же часть является результатом соответствия организма среде, они приобретаются в течении всей жизни.
3) Как правило, численность рождающихся организмов намного превосходит численность организмов, достигших уровня размножения. Большинство этих организмов ещё до достижения периода зрелости погибают на этапе семени, зародыша, птенца, личинки. Выживают только те организмы, которые обладают генами, повышающими вероятность выживания и размножения, а также те которые порождают могучие показатели выживания в течении всей жизни.
Главный вывод, сделанный из этих наблюдений, состоит в том, что ход эволюции приводит к тому, что обеспечивающие жизнь генетические и другие показатели, определяя основное направление её развития, передаются непрерывно от одного поколения к другому.
Механизм влияния факторов эволюции можно чётко наблюдать на примере развития уровня популяции живых организмов. Долгое время предполагалось, что самым хорошим показателем эволюционных изменений может быть развитие отдельного вида растений или животных. Однако в последствии в связи со сложностью структуры вида и географической областью распространения, принимая во внимание неравномерность распределения, пришли к тому выводу, что уровень популяции живых организмов может быть самым хорошим показателем эволюционных процессов. Фактором, подписывающим этот вывод явилось то, что популяции – индивидуальные группы многих поколений, которые в течении всей жизни остаются неизменными и существуют долгое время. Обмен генетическими материалами, процессы естественного отбора и изменения другого рода более активно реализуются в популяциях. В зависимости от размеров и количества организмов популяции распространяются на территории различных размеров и размеры этих территорий могут изменятся от метров до ста километров.
Как правило, вид формируется из нескольких популяций. Здесь также могут быть определенные исключения (например, белый медведь в Арктике).
Возникновение элементарных эволюционных изменений в популяциях зависит от целого ряда эволюционных факторов, в том числе от строения новых генов, являющихся носителями наследственности, от волн популяции, от случаев изолирования и от естественного отбора. Создание новых генов или происходящие процессы мутации формируют основу для индивидуального разнообразия в популяциях. Не смотря на это, этот процесс нельзя считать решающим фактором эволюции. Этот процесс, опирающийся на случай, также не определяет направления эволюции. Те же слова можно сказать о резких изменениях, происходящих за счёт индивидуумов по различным природным факторам (сбор урожая, засухи, морозы и т.д.), другими словами это можно сказать о популяционных волнах. Этот фактор также не обуславливает направление эволюции. Дарвин показал, что основными факторами как естественного, так и искусственного отбора являются два основных господствующих в природе явления – наследственность и изменчивость. По мнению Дарвина причиной изменчивости являются пища, свет, температура, влага, являющиеся факторами внешней среды. Однако изменчивость ещё более зависит от самой природы организма. Изменчивость – это свойство организма реагировать на влияние факторов внешней среды. Факторы, являющиеся причиной изменчивости, оказывают влияние на различных этапах индивидуального развития организма. Дарвин доказал, что в живом мире невозможно найти два совершенно одинаковых индивидуума. Даже дети одних и тех же родителей, индивидуумы одного и того же вида, один и те же семена в коробочке мака отличаются друг от друга по морфологическим, физиологическим, биохимическим и другим особенностям. Соприкасаясь с показателями и свойствами организмов, изменчивость порождает разнообразие.
Дарвин дал следующую классификацию изменчивости: определенная изменчивость, неопределенная изменчивость, коррелятивная изменчивость, комбинационная изменчивость.
Определенная изменчивость. Под этим термином Дарвин понимал изменения, происходящие в природе как результат влияния на организм природных факторов – пищи, температуры, влаги, рельефа и других причин. Такого вида изменения не передаются по наследству. В современной терминологии под определенной изменчивостью понимается кодификационная изменчивость. Говоря языком генетики факторы, порождающие определенную изменчивость, несмотря на то, что меняет фонотип организма, не меняют его генотип. Подобного рода изменчивость изменяет все индивидуумы живых групп, подвергающихся влиянию этих же факторов, носящих общий характер. Например, в случае когда пища бывает в достатке члены группы хорошо развиваются, постепенно их вес увеличивается, когда пищи не хватает, наоборот, живые существа плохо развиваются, их вес уменьшается и т.д.
Неопределенная изменчивость. Дарвин неопределенной изменчивостью называл изменчивость, которая происходит неожиданно не во всей группе, а у некоторых входящих в неё индивидуумов и которая в большинстве случаев передается по наследству. Неопределенная изменчивость в современной биологии соответствует мутационной изменчивости. Например, Дарвин показывает, что рождение в одном стаде овец только одного ягнёнка с короткими и кривыми конечностями является неопределенной изменчивостью. Несмотря на то, что для всего стада условия проживания являются одинаковыми, однако, конкретный фактор, явившийся причиной короткости ног, нам не известен. В большинстве случаев неопределенная изменчивость, которая может передаваться по наследству, дает богатый материал, как для естественного, так и для искусственного отбора и тем самым приобретает большое значение в процессе эволюции.
Коррелятивная изменчивость. Между отдельными органами организма существует определенная связь и зависимость. Изменчивость, происходящая в одном их этих органов, распространяется на другие связанные с ним органы и более или менее их изменяет. Эту распространяющуюся изменчивость называют коррелятивной или неопределенной изменчивостью.
Комбинационная изменчивость. Организмы согласно наследственным основам бывают разными. У организмов, размножающихся половым путем, оплодотворение двух половых клеток имеет своим результатом получение нового рода. У живых индивидуумов, принадлежащих к одному виду, к одному полу существует определенное различие в наследственных основах. Поэтому дитя, появляющихся после их оплодотворения, по тому или иному показателю отличается от своих родителей. Эта изменчивость, реализуемая посредством скрещивания, явится комбинационной изменчивостью.
Ч.Дарвин разделил на два вида естественный и искусственный отбор. Дарвин, изучая работы, проведенные селекционерами по созданию новых пород животных и сортов растений, пришел к выводу о том, что в создании новых пород животных и сортов растений основной движущей силой является отбор. Отбор опирается на явления наследственности и изменчивости. Люди, отмечая порождающие в живом разнообразие отборов, отбирают соответствующие их целями и интересам измененные организмы получают от них потомство, тех же, которые не соответствуют их цели, как правило, уничтожают.
Дарвин делил искусственный отбор на два вида: отбор бесплановый, проводимый стихийным путем, и плановый – проводимый методическим путем.
Используя материалы практики наблюдений, в том числе проводимых селекции в области сельского хозяйства в Англии и во всем мире, Дарвин объяснил источник, механизм создания отдельных пород и сортов растений, доказал, что появившиеся в результате проводимого в различных направлениях отбора более 100 пород кур берут свое начало от живущего в диком виде в настоящее время в Южной Азии вида курицы – Галлус банкива. Он показал, что все породы кур скрещиваются с дикими банкивскими курьями и дают породистые наследие. Более ста различных пород голубя свое начало берут от вида дикого голубя. Сегодня мы по тому же правилу выдвигаем мысль о происхождении различных свиней, баранов, лошадей, верим в истинность монофимтической теории Ч.Дарвина.
Монофимтическая теория также оправдывает себя в проблеме происхождения культурных сортов растений. В настоящее время все известные нам сорта капусты произошли от распространенного в бассейне Средиземного моря дикого вида капусты – Брассика олерджен.
Дарвин показал, что в происхождении различных сортов растений и пород домашних животных искусственный отбор, являющийся созидающей силой, опирается на два основных явления – изменчивость и наследственность. Если бы один из взятых из природы и прирученных диких видов животных сохранил бы стабильными свои наследственные показатели и свойства, продуктивность и не подвергся изменчивости, не было бы создано от его одного и того же вида столько разных пород и сортов. С другой стороны, если бы эти изменения, передаваясь от одного поколения к другому, не накапливались, то есть если бы не было наследственных, то человек не смог бы создать новые сорта растений и породы животных.
Дарвин, обнаружив отбор как порождающую разнообразие домашних животных и культурных растений созидающую силу, доказал, что движущей силой эволюции видов животных и растений в природе является отбор. Происходящий в природе отбор Дарвин называл естественным. Естественный отбор опирается на господствующие в природе явления изменчивости наследственности. В природе также происходит изменчивость с влияние факторов природной среды. Естественный отбор сохраняет передающуюся по наследству изменчивость, другими словами, естественный отбор в течении нескольких поколений собранные изменения живых существ, которые соответствовали биотическим и абиотическим условиям проживания, обеспечивал образование нового вида от другого вида. Дарвин, говоря о естественном отборе, понимал под ним процесс выживания и увеличение поколения организмов, приспосабливающихся к биотическим и абиотическим условиям, а также процесс постепенного исчезновения и невозможности увеличения поколения тех организмов, которые не приспособились к этим условиям.
Дарвин обнаружил борьбу, идущую в природе между живыми существами. Он, понимая борьбу за существование в широком, метафорическом значении, делил её на три вида: внутривидовая борьба, межвидовая борьба и борьба живых существ с не благоприятными факторами неорганической природы. Интересно, какова причина борьбы за существование, идущей между живыми существами? Дарвин объяснял это увеличением интенсивным способом в геометрической последовательности живых существ, недостаточном условий проживания и продуктов питания. Действительно, живые существа производят такое большое поколение, что если они все останутся жить и достигнут зрелого возраста, то за короткое время поколение только одной пары займет всю поверхность Земли и для проживания других видов не будет условий существования. Даже интенсивность размножения животных, рождающих малое количество детёнышей, была бы непостижимо большой. Однако в мире выживают вовсе не все рождающиеся живые существа. Победившие в борьбе за существование организмы живут и размножаются. Побежденные же в этой борьбе исчезают и передает свое место более сильным. Борьба за условия выживания (пища, пространство и другие), идущая между индивидуумами одного и того же вида, называется внутривидовой борьбой. У нового поколения вида способность к выживанию одинакова. Определенная его часть погибает, не способная противостоять влиянию различных абиотических факторов.
Во внутривидовой борьбе погибают те индивидуумы, которые не имеют своих показателей и свойств. Дарвин показывает, что внутривидовая борьба по сравнению с другими формами борьбы протекает более резко. Причиной этому служит то, что требования к условиям выживания и области проживания всех индивидуумов одного и того же вида должны быть одинаковыми.
Борьба за существование, идущая между индивидуумами отдельных видов в природе, называется межвидовой борьбой. В качестве примера межвидовой борьбы можно показать борьбу между индивидуумами отдельных видов растений и животных.
Межвидовая борьба может проходить в двух формах – прямым (непосредственным) и косвенным (посредственным) путем.
В качестве примера непосредственной борьбы можно показать борьбу, идущую между жизненными и травоядными, насекомыми и видами растений. В качестве примера косвенной борьбы может служить борьба между соболями и тюленями. В морях зрелые особи красные рыбы поедают тюлени, а соболи поедают красную рыбу, приходящую в реки для отложения икры и увеличения потомства. Тюлени и соболи на самом деле друг с другом не сталкиваются, однако в связи с тем, что у них одни и те же пищевые объекты, они ведут борьбу косвенным путем за один и тот же продукт пищи.
Под факторами неживой природы понимается температура, влажность, ветер, земля, рельеф почвы и другое. Жизнь живых существ зависит от факторов неживой природы. Если один этих факторов, изменившись, резко влияет на жизнь живых существ, тогда одни из них, выйдя победителями из борьбы, продолжают потомство, другие же уменьшаются в числе и погибают.
Живые существа в ходе длительного эволюционного процесса с неживыми природными факторами окружающей среды приспосабливаются к влиянию естественного отбора. Те же организмы, которые не могут приспособиться к среде, погибают. Таким образом, в условиях каждого географического климата мы видим живые существа, приспособившиеся к этим местам.
Дарвин с помощью дивергентной теории объяснил механизм происхождения видов. Согласно этой теории индивидуумы, принадлежащие к одному виду, отличаются друг от друга по определенным показателям. В результате различения этих показателей индивидуумы получают возможность ещё более приспособиться к различным условиям жизни. В такой ситуации внутри одного и того же вида долгое время идет отдаление друг от друга и после тысячи поколений у одного и того же вида рождаются разные виды. Например, все виды, принадлежащие к ряду синицы, появились за счет дивергенции одного и того же вида. Эта теория показывает, что виды появляются путем дивергенции друг от друга, то есть путем удаления друг от друга в различных направлениях и за счет влияния естественного отбора. Различные породы, принадлежащие к одному и тому же виду домашних животных, и различные сорта культурных растений появляются за счет искусственного отбора и происходящих дивергентным путем изменений.
Дарвин привнес в биологию исторический принцип. Согласно эволюционному учению мир живых существ появился как акт создания за один миг, начиная от молекулярного уровня до человека, этот процесс так описывали креационисты. Каждое живое существо и его показатели, все идущие в нем физиологические процессы были созданы в течении длительных исторических периодов путем естественного отбора под влиянием материальных факторов. За каждым существом стоит период его эволюции, длинная история, измеряющаяся миллионами лет. Движущий же силой этой эволюции органического мира является естественный отбор.
Эволюционное учение сформировались как одно обобщающее учение, появившееся за счет развития всех биологических дисциплин. В свою очередь это учение стало толчком для более быстрого развития таких дисциплин, как ботаника, зоология, сравнительная анатомия, эмбриология.
Генетика и закономерности механизма наследственности
Генетика – биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов, о способах управления ими. Генетика научная основа селекции, то есть разработки практических методов выведения необходимых человеку новых видов животных, растений и микроорганизмов.
Мы постараемся дать краткое резюме зарождение развития генетики. Основу генетики формирует закон наследственности, открытый австрийским биологом Грегором Менделином (1833-1884).
Наследственность – способность родителей передавать последующему поколению свои приметы и свойства. Еще во второй половине XVIII века немецкий ботаник И.Кельрейтер (1733-1806) проводил опыты