Елементи еволюційного вчення

Біологічна еволюція – це незворотній і цілеспрямований історичний розвиток живої природи, при якому змінюється генетичний склад популяцій, формується адаптаційні властивості, утворюються і вимирають види, трансформуються біогеоценози і біосфера в цілому (Яблоков, Юсуфов). Результатом біологічної еволюції завжди є відповідність живої системи умовам її існування. Досягнення такої відповідності завжди пов’язане з переважаючим поширенням одних і загибеллю інших біологічних систем. Таким чином, еволюційне вчення вивчає загальні закономірності і рушійні сили історичного розвитку життя. Основу сучасного еволюційного вчення складає теорія Чарльза Дарвіна про провідну роль природного добору як головного і єдиного спрямованого еволюційного фактора (тому досить часто еволюційне вчення в літературі називають дарвінізмом). Основу сучасної теорії еволюції складають два великих розділи мікро- і макроеволюції.

Еволюційні ідеї виникали ще за тисячі років до нашої ери, але лише у кінці 18 століття вони сформували еволюційне вчення. Вперше цілісну еволюційну концепцію розвитку природи створив Ж.Б.Ламарк (1809, праця „Філософія зоології”), а розкриття Ч.Дарвіним механізму природного добору призвело до формулювання у 1842-1859 рр. стрункої теорії еволюції (найвидатніша праця „Походження видів шляхом природного добору, або збереження порід у боротьбі за життя”. Вивчивши величезну кількість фактів з галузі природознавства і практики рослинництва і тваринництва, Ч.Дарвін дійшов висновку про існуючі в природі тенденції до розмноження кожного виду у геометричній прогресії. Це правило не має виключень ні в рослинному, ні в тваринному світі. Потенційно кожен вид здатний продукувати і продукує значно більше особин, ніж виживає їх до дорослого стану – молодих особин завжди більше ніж старих. Геніальність Ч.Дарвіна полягала у тому, що спів ставляючи факти боротьби за існування і загальної мінливості ознак і властивостей він дійшов висновку про невідворотність в природі вибіркового знищення одних особин і розмноження інших. У процесі боротьби за існування незначні, на перший погляд, відмінності дають певні переваги одним особинам і призводять до загибелі інших. В кінці кінців живими залишаються лише ті особини, які мають володіють певними, в конкретних умовах сприятливими властивостями, які відрізняють їх від інших особин цього виду. Невідворотним результатом відбору стає виникнення певних пристосувань і на їх основі – таксономічного і екологічного різноманіття.

Для розуміння закономірностей еволюції органічного світу на Землі дуже важливо визначити загальні особливості живих організмів і виділити основні рівні організації життя. Як це не дивно, але й досі немає загальновизнаного визначення понять життя і живий.

До фундаментальних властивостей організації життя на Землі відносять дискретність і цілісність. Живі об’єкти в природі відносно уособлені один від одного – особини, популяції, види. Люба особина багатоклітинного організму складається з клітин, а люба клітина і одноклітинні організми – з певних органел. Органели складаються з дискретних, як правило високомолекулярних, органічних речовин, які у свою чергу складаються з дискретних атомів і елементарних частинок (також дискретних). У той же час складна організація неможлива без взаємодії її частин і структур, тобто без цілісності. При цьому, цілісність біологічних об’єктів якісно відрізняється від цілісності неживого насамперед тим, що цілісність живого підтримується в процесі розвитку. Живі системи – це відкриті системи, вони постійно обмінюються речовиною і енергією із зовнішнім середовищем. Для них характерна від’ємна ентропія (збільшення впорядкованості), в живому виявляється здатність до самоорганізації матерії.

Серед живих систем немає двох однакових особин, популяцій і видів. Такий унікальний прояв дискретності і цілісності живого базується на дивовижному явищі коваріантної редуплікації.

Коваріантна редуплікація або самовідтворення зі змінами, здійснюється на основі матричного принципу синтезу макромолекул – це єдина специфічна для життя властивість. У його основі лежить здатність до самовідтворення основних управляючих систем (ДНК, хромосом і генів).

Базові управляючі системи, молекули ДНК примітивних дискретних живих частинок (вірусів, бактерій) та статеві клітини багатоклітинних організмів, мають відносно високу стабільність, що забезпечує можливість ідентичного самовідтворення (явище спадковості) – еволюційний процес неможливий без спадкової передачі властивостей в ряді поколінь. Таким чином, коваріантна редуплікація визначає можливість спадкової передачі дискретних відхилень від початкового стану, тобто мутацій.

Еволюція як умова існування життя. Відповідно до вчення В.І.Вернадського про біосферу, на земній поверхні немає хімічної сили „більш могутньої за своїми кінцевими наслідками, ніж живі організми, взяті в цілому”. В результаті діяльності живих організмів змінювались параметри всієї Землі, кожна попередня зміна виявлялась умовою для наступної і створювала все більш сприятливі умови для захоплення життям всієї планети і підпорядкуванню процесів кругообігу речовин на Землі біологічним законам. Одним з найбільш значних глобальних результатів діяльності живих організмів є утворення грунтового покриву Землі (згідно вчення В.В.Докучаєва).

Основою геохімічної енергії життя є надлишкова чисельність потомства, яка є також механізмом, який невідворотно веде до природного відбору. Прогресія розмноження має два важливі наслідки:

· зростає імовірність появи нових спадкових відхилень;

· створюється „тиск життя” і, як наслідок, виникає боротьба за існування – фундамент природного відбору.

Системність і організованість життя. При еволюційному підході виявляється тісний зв’язок і взаємообумовленість всіх рівнів організації живих організмів. Ще Ч.Дарвін чітко визначив вид як систему, а природний відбір – як фактор, який впорядковує організацію життя. Формування знань про біологічні системи здійснило потужний вплив на розвиток загальної теорії систем і кібернетики, яка у свою чергу, сприяла поглибленню уявлень про системну організацію життя.

Етапи виникнення життя. Ознаки діяльності живих організмів вчені виявили в породах, вік яких становить близько 3, 5 млрд. років. Науково-природничи принцип актуалізму стверджує, що походження життя пов’язане з послідовним та імовірнісним протіканням певних хімічних реакцій на поверхні планети. Специфічні фізичні і хімічні властивості води (в’язкість, високий дипольний момент, висока теплоємність тощо) та вуглецю (здатність до відновлення та до утворення лінійних з’єднань) обумовили те, що вони стали основою зародження життя. Згідно з теорією хімічної еволюції живого при наявності вільної енергії на Землі з молекул водню, азоту і вуглецю могли виникати спочатку прості молекули аміаку, метану і подібні ним, які в подальшому в первинному океані могли вступати в нові зв’язки між собою та з іншими речовинами. Особливо успішно повинні були б протікати процеси росту молекул при наявності групи – N = C = N –, яка має значні можливості до росту як за рахунок приєднання до атома вуглецю атому кисню, так і шляхом реагування з азотистою основою.

В атмосфері кисень міг накопичуватись при розкладанні води і водяної пари під дією ультрафіолетових променів Сонця. Для перетворення відновленої атмосфери первинної Землі в окислену треба було не менше 1 млрд. років (рис. 2.1). З накопиченням в атмосфері Землі[4] кисню відновлені з’єднання почали окислюватись_. Ці речовини, вступаючи в реакції з аміаком та ціаністим воднем дали початок амінокислотам і з’єднанням типу аденіну. По ходу подібних реакцій води первинного океану насичувались різноманітними речовинами, утворюючи перинний бульйон (теорія О.І. Опаріна). При цьому важливо знати, що можливість синтезу амінокислот та інших високомолекулярних з’єднань з неорганічних елементів і з’єднань вже доведена експериментально[5]. Ймовірно, що шляхом реакцій полімеризації з відносно простих молекул могли утворитись і більш складні молекули: білки, ліпіди, нуклеїнові кислоти і їх похідні. Як елементарний об’єкт добіологічної еволюції виділяють фракцію макромолекул полінуклеотидів або поліпептидів, які мали властивість стійкості за рахунок процесів синтезу, каталізу тощо.

Утворення мембранної структури вважається самим складним етапом хімічної еволюції життя, оскільки жива істота, навіть сама примітивна, одноклітинна, не сформуватись до виникнення мембранної структури і ферментів. Окрім того, біологічні мембрани, утворені агрегатами білків і ліпідів, мають здатність відокремлювати речовину від середовища і надавати сукупності молекул необхідну міцність. Комплекс послідовних змін і ускладнення структури молекул призвели до виникнення циклічного обміну речовин, що є характерною ознакою живого (рис. 2.2).

Рис. 2.1 Еволюція біосфери і атмосфери (Ю.Одум, 1975)

Рис. 2.2 Схема циклічного обміну речовин (Яблоков, 1989)

Інші гіпотези виникнення життя на Землі. Сучасна наука стверджує, що наша планета утворилась 4, 5 – 4, 6 млрд. років назад. Перші водойми з осадовими породами (глинистими мінералами) виникли близько 4 млрд. років назад. Гіпотеза Дж. Бернала необхідною умовою виникнення життя в первинному бульйоні передбачає наявність глинистих мінералів, які могли накопичувати органічні речовини абіогенного походження.

Органічні речовини могли потрапити на Землю і з космосу – проходячи через космічну пилову хмару на протязі 10 млн. років Земля з космічним пилом могла отримати більше 10 млрд. т органічної речовини (що більше сучасної біомаси на планеті). Окрім того, поповнення органічною речовиною могло відбуватись і за рахунок виверження вулканів – одне виверження вулкану викидає на поверхню більше 1000 т органічної речовини. Осідаючи на поверхню Землі ультрамікроскопічні частинки космічної або вулканічної органіки могли, використовуючи енергію ультрафіолетових променів Сонця, вступати між собою в реакції і створити своєрідну оболонку з амінокислот, сечовини та інших речовин. Подібні процеси створювали необхідну просторову концентрацію речовини і сприяли відносно швидкому утворенню живих організмів у первинному океані.

В питанні виникнення життя одним з найбільш загадкових є факт хіральної чистоти у живих організмів – молекули білків містять тільки „ліві” амінокислоти, а молекули нуклеїнових кислот містять тільки „праві” цукри. Таке явище могло виникнути тільки внаслідок втрати середовищем дзеркальної симетрії (однаковий вміст правих і лівих ізомерів амінокислот і цукрів), яка властива неживій природі. Досліди показують, що тільки в хірально чистих розчинах могло виникнути біологічно значиме подовження ланцюжка полінуклеотидів і процес самореплікації. При цьому, живі системи організовані так, що РНК з правих цукрів приєднує до себе тільки ліві амінокислоти. Всі живі організми без виключення підтримують хіральну чистоту і еволюція не виробила засобів для існування в середовищі дзеркальної симетрії.

Проблема виникнення життя на Землі має дуже багато питань без відповідей. Чи виникло життя на Землі, чи занесено ззовні? Яким чином виник генетичний код? Чому деякі рідкі елементи земної кори (молібден і магній) стали відігравати більш значну роль у біологічному обміні, ніж звичайні елементи (кремній, кальцій)? Подібних питань дуже багато але науково доведена принципова можливість виникнення життя з неорганічних речовин шляхом дії фізичних факторів оточуючого середовища і дії перед біологічного відбору.