Биология как более описательная наука не оформила окончательно биологическую картину мира, но, опираясь на принципы фундаментальных дисциплин, создает современные теории по главным, глобальным биологическим проблемам: о сущности жизни; эволюции живых систем; о происхождении человека и его природе; здоровье и благополучии; поведении и сознании; о нравственности и природе социума.
Самые ранние представления о возникновении жизни на Земле нашли отражение в мифах о сотворении мира. Этот вопрос с незапамятных времен интересовал величайшие умы человечества, но до сих пор еще далек от своего разрешения. При обсуждении вопроса о происхождения жизни учёными выдвинуто множество гипотез. Большинство предположений, на которых основываются эти гипотезы, являются умозрительными. Ведь история Земли не сохранила материальных свидетельств появления первейших организмов нашей планеты. Известно, что живые организмы и тела неживой природы состоят из одних и тех же химических элементов. В клетках живых организмов обнаружено свыше 60 элементов периодической системы. Сходство элементарного состава живой и неживой природы указывает на их материальное единство. И вместе с тем в силу качественного своеобразия живого мы без труда одни тела относим к живым, а другие – к неживым. Вот мы говорим, что жизнь продолжается, жизнь сохраняется. Что такое жизнь? Дать точное определение жизни непросто. Но все - таки попытки были предприняты неоднократно.
"Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка". (Ф. Энгельс) "Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот". (М. В. Волькенштейн) Жизнь - это комплекс свойств: обмен веществ, способность к росту и развитию, воспроизведению себе подобных, раздражимость и подвижность.
1. Жизнь была создана Творцом в определённое время – креационизм 2. Жизнь возникла самопроизвольно из неживого вещества - абиогенез (ей придерживались ещё учёные древней Греции). Теория стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда. Биохимическая эволюция - Теория происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов подчиняющихся физическим и химическим законам. Теория панспермии – внеземного происхождения жизни; 3. 4. 5.
Идею абиогенеза активно развивали философы Древней Греции: Эмпедокл, Демокрит и особенно – Аристотель. Эта идея была широко распространена также в Древнем Китае, Вавилоне и Египте. Сторонники абиогенеза предполагали, что в неживой материи при помощи некой «силы» может зародиться жизнь. Демокрит Аристотель Например, Демокрит полагал, что из ила и воды при участии огня могут самопроизвольно зарождаться живые существа, например рыбы. Саму жизнь он рассматривал как следствие механических сил природы: из соединения многих атомов образуются тела, а распад атомов ведёт к их гибели. Аристотель на основе сведений о животных, которые поступали от воинов Александра Македонского и купцов-путешественников, сформулировал идею постепенного и непрерывного развития живого из неживого и создал представление о «лестнице природы» применительно к животному миру. Он не сомневался в самозарождении лягушек, мышей и других мелких животных. Платон говорил о самозарождении живых существ из земли в процессе гниения. Идеи самозарождения поддерживали: Галилей, Декарт, Гарвей, Гегель, Ламарк.
Тосканский врач Франческа Реди (1626— 1698 гг. ) был первым человеком, документально доказавшим ошибочность теории самозарождения. Он произвёл ряд опытов, доказывавших, что мухи, не могут зарождаться сами по себе в гниющем мясе. Реди брал два куска мяса, клал их в глиняные горшочки, и один из них накрывал крышкой. Через какое-то время он снимал крышку, и что же он видел? Никаких мух или даже их личинок в мясе не было. Из этого учёный сделал вывод: мухи садятся на гниющее мясо и откладывают в него личинки, в результате чего рождаются новые мухи. Рождаются, а не появляются сами по себе. Опыты Реди серьёзно поколебали господствовавшую идею о самозарождении жизни. Однако его выводы не были сразу приняты наукой и обществом. Это был только первый шаг на долгом и трудном пути опровержения теории самозарождения — ведь даже сам Реди «…в отношении других случаев вполне допускал возможность самозарождения; так, например, он считал, что кишечные и древесные черви возникают сами собой из гниющих материалов» .
Окончательно опроверг теорию самопроизвольного зарождения жизни Луи Пастер. Заручившись помощью французского учёного Бальяра, известного на весь мир открытием брома, он сумел опровергнуть теорию самозарождения. Пастер поручил своим помощникам приготовить весьма необычные колбы — их горлышки были вытянуты и загнуты книзу. В эти колбы он наливал отвар, кипятил его, не закупоривая сосуд, и оставлял в таком виде на несколько дней. По прошествии этого времени в отваре не оказывалось ни одного живого микроорганизма, несмотря на то, что не нагретый воздух свободно проникал в открытое горлышко колбы. Пастер объяснял это тем, что все микробы, содержащиеся в воздухе, просто-напросто оседают на стенках узкого горлышка и не добираются до питательной среды. Свои слова он подтвердил, хорошенько встряхнув колбу, так чтобы бульон ополоснул стенки изогнутого горлышка, и обнаружив на этот раз в капле отвара микроскопических животных. Своими опытами Пастер нанёс последний и сокрушительный удар по теории самозарождения жизни, от которого она уже не смогла оправиться — он блестяще и эффектно подтвердил, что никакая в мире сила не способна превратить неживую материю в живые существа, пусть даже они ничтожно малы. Всё научное общество вынуждено было согласиться с его доводами, окончательно закрыв вопрос о самозарождении.
В настоящее время наиболее широкое признание получила гипотеза о происхождении жизни академика А. И. Опарина. В далеком прошлом Земля была совсем не похожа на, нынешнюю. Температура ее поверхности была 4000 - 8000 градусов по Цельсию, и по мере ее остывания углерод и тугоплавкие металлы образовали земную кору. Атмосфера была другой. Она состояла в основном из воды, аммиака, оксида углерода и метана, до тех пор пока атмосфера Земли не остыла до 100 градусов, вся вода находилась в парообразном состоянии. В атмосфере не было кислорода. В 1923 году советский ученый биохимик академик А. И. Опарин высказал мнение, что органические вещества могли возникнуть в океане из более простых соединений. Энергию для этого синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация, падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть, а так же энергия грозовых разрядов. Так как в тот период на Земле шли непрерывные дожди и сверкали многочисленные молнии. Идея эта была не нова. Так как в 1871 году сходную мысль высказал Ч. Дарвин.
Опарин предполагал, что решающая роль в превращении не живого в живое принадлежит белкам. Они способны к образованию коллоидных комплексов, которые способны обособляться от всей массы воды. Слияние таких комплексов приводит к образованию коацерватов ("коацервус" сгусток, куча). Возможно, они могли обмениваться со средой веществами и накапливать различные соединения. Затем по границе между коацерватами и водной средой выстраивались молекула липидов, что привело к образованию первичной клеточной мембраны. В результате включения в коацерваты молекулы, способной к самовоспроизведению (подобие ДНК) могла возникнуть примитивная клетка - пробионт. Увеличение размеров и фрагментация могли привести к возникновению примитивного самовоспроизводящегося организма. Таким образом, по теории Опарина возникновения первых предшествовал длительный отбор коацерватных капель.
Жизнь на Земле началась более 3 миллиардов лет назад, со временем эволюционировав из простейших микробов в ошеломляющее разнообразие сложных созданий. Но как же из первичного бульона развились начальные организмы на единственной известной во Вселенной обитаемой планете?
Теорию панспермии выдвинул немецкий химик Ю. Либих (1803 -1873). Согласно гипотезе панспермии, жизнь существует вечно и переносится с планеты на планету метеоритами. Простейшие организмы или их споры ("семена жизни"), попадая на новую планету и найдя здесь благоприятные условия, размножаются, давая начало эволюции от простейших форм к сложным. Сторонником гипотезы панспермии был выдающийся отечественный естествоиспытатель В. И. Вернадский (18631945). Особенно активно развивал теорию панспермии шведской физико - химик С. Аррениус (1859 -1927). В опытах русского физика П. Н. Лебедева (1866 - 1912), открывшего давление светового потока, С. Аррениус увидел доказательство возможности переноса спор микроорганизмов с планеты на планету. Жизнь переносится, предполагал он, не в виде микроорганизмов на метеоритах, раскаляющихся при вхождении в плотные слои атмосферы, - сами споры могут перемещаться в мировом пространстве, движимые давлением солнечного света!
Эта теория не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о ее внеземном происхождении. Поэтому ее нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему в какое-то другое место Вселенной. Теория панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время в разных частях Галактики или Вселенной. При изучении материалов метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» - такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соединения, возможно сыгравшие роль «семян» , падавших на голую Землю. Появился ряд сообщений о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся ученым убедительными.
В качестве альтернативы абиогенезу выступала концепция панспермии, связанная с именами таких выдающихся ученых, как Г. Гельмгольц , У. Томпсон (лорд Кельвин) , С. Аррениус , В. И. Вернадский. Эти исследователи полагали, что жизнь столь же вечна и повсеместна, как материя, и зародыши ее постоянно путешествуют по космосу; Аррениус, в частности, доказал путем расчетов принципиальную возможность переноса бактериальных спор с планеты на планету под действием давления света; предполагалось также, что вещество Земли в момент ее образования из газо- пылевого облака уже было "инфицировано" входившими в состав последнего "зародышами жизни".
Возможно, жизнь началась совсем не на Земле, а была принесена на нашу планету из другого места в космосе. Это понятие известно как «панспермия» . Например, с поверхности Марса под воздействием космических сил постоянно срывались скалы, несколько марсианских метеоритов были найдены на Земле. Некоторые ученые ведут полемику, могли ли эти обломки камней принести на нашу планету микробы, и, возможно, мы все изначально марсианского происхождения. Другие ученые даже предположили, что жизнь могла прибыть на кометах из других звездных систем. Однако если даже эта концепция правильна, вопрос, как жизнь началась на Земле, сменится задачей определить, каким образом она зародилась где-то еще в космосе.
Электрические искры могут генерировать аминокислоты и сахарозу из атмосферы, заполненной водой, метаном, аммиаком и водородом, что было доказано известным экспериментом Миллера-Урея в 1953 году. Таким образом, предположительно молнии могли помочь в создании основных строительных блоков жизни на ранней Земле. В течение более миллиона лет могли формироваться более сложные молекулы. И хотя более поздние исследования доказали, что в действительности в атмосфере Земли было мало водорода, ученые предполагают, что вулканические облака в ранней атмосфере могли содержать метан, аммиак и водород, а также производить молнии.
Первые молекулы жизни могли встретиться на глине, как утверждает химик-органик Александр Грэм Кернс-Смит из Университета Глазго в Шотландии. Такие поверхности могли не только концентрировать и объединять органические соединения, но и также помогали организовывать их в структуры подобно действию генов. Основная роль ДНК заключается в хранении информации о расположении других молекул. Генетические последовательности в ДНК играют существенную роль в определении того, как аминокислоты должны располагаться в белках. Кернс-Смит предположил, что кристаллы в глине могли располагать органические молекулы в организованные структуры. Со временем органические молекулы взяли эту работы на себя и стали самоорганизовываться
Теория глубоководных источников предполагает, что жизнь могла начаться в подводных гидротермальных источниках, выбрасывающих основные богатые водородом молекулы. Скалистые убежища могли затем соединять эти молекулы и обеспечивать минеральные катализаторы для критических реакций. Даже сейчас эти источники, наполненные химической и термальной энергией, поддерживают разнообразные экосистемы.
3 миллиарда лет назад океан, очевидно, был покрыт льдом, так как солнце было где-то на треть менее ярким, чем сейчас. Этот слой льда, возможно, сотни метров толщиной мог защищать хрупкие органические соединения в воде от ультрафиолетовых лучей и уничтожения космическими объектами. Холод также мог помогать этим молекулам выживать дольше, содействуя основным реакциям.
как и На сегодняшний день для формирования ДНК нужны белки, а белкам необходима ДНК, так каким же образом эти соединения могли сформироваться друг без друга? Ответом может быть РНК, которая может хранить информацию, ДНК, служить энзимом, как белки, и помогать создавать и ДНК, и белки. Этому «миру РНК» могли прийти на смену ДНК и белки уже позднее, так как они более эффективны. Сейчас РНК тоже существует и выполняет некоторые функции в организмах, например, действует выключателем для некоторых генов. Остается открытым вопрос, как сначала сформировалась РНК. И тогда как некоторые ученые считают, что эта молекула могла спонтанно появиться на Земле, другие уверены, что вероятность такого очень мала. Предполагалась также схожая роль и других нуклеиновых кислот, кроме РНК, как менее изученные ПНК (пептидная нуклеиновая кислота) или ТНК (тимонуклеиновая кислота).
Вместо того чтобы эволюционировать из сложных молекул, как РНК, жизнь могла начаться от малых молекул, взаимодействовавших друг с другом в циклах реакций. Они могли содержаться в простых капсулах, схожих с клеточными мембранами, а со временем могли эволюционировать более сложные молекулы, которые производили эти реакции лучше, чем малые. Развитие ситуации повторяло модели «сначала метаболизм» в противопоставление модели «сначала гены» с гипотезой о «мире РНК» .
Интересным направлением в познании вопроса о сути живого являются современные исследования В ОБЛАСТИ ФИЗИЧЕСКОГО ВАКУУМА , которые показывают единство живого и неживого. Так, Г. А. Шипов [6] отмечает, что исследование энертоинформационных феноменов, связанных с сознанием человека, таких, как биотерапия, биолокация, телекинез, телепатия, ясно видение и т. д. , позволили В. Волченко ввести информационно-энергетическую характеристику живого – витальность «V» . V = I/E. Здесь I - условная информативность системы, Е - ее условная энергетичность. Согласно представлениям В. Волченко, ДЛЯ материальных систем существует некоторая пороговая витальность Vп, которая разделяет материальные системы на живые и неживые. Для неживых систем характерны большие значения энергии и малая информативность. Наоборот, живые системы имеют относительно малую энергию и высокую степень информативности. Например, лазерная технология дает плотности мощности порядка 100. . . 2000 Вт/см при этом информативность этих технологий невелика (10 -100 бит). Для живых систем характерна высокая удельная информативность и малые удельные энергии. Можно предположить, что живые системы, обладающие очень высокой удельной информативностью и ничтожно малой удельной энергией могут переходить в тонкоматериальную (или духовную) область жизни, при которой грубая материальная оболочка человеческое тело, отсутствует.
Жизнь это высшая из природных форм движения материи, которая характеризуется самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем. Вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) и фосфороорганические соединения (АТФ). Живые организмы характеризуются : 1 - сложной, упорядоченной структурой; 2 - получают энергию из внешней среды, используя ее на поддержание собственной упорядоченности; 3 - не только изменяются, но и усложняются; 4 - способностью к самовоспроизводству на основе генетического кода; 5 - способность сохранять и передавать информацию; 6 - молекулярной хиральностью (L-изомерия); 7 - высокой приспособляемостью к внешней среде; 8 - активно реагируют на внешнюю среду.
1. МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ. На этом уровне происходит репродукция в неизменном или измененном виде молекулярных структур, , ответственных за жизненные процессы, в которых закодирована генетическая информация, - в первую очередь нуклеиновых кислот и белков. Этим обеспечивается передача наследственной информации от поколения к поколению. 2. КЛЕТОЧНЫЙ УРОВЕНЬ. На этом уровне происходит пространственное разграничение и упорядочение процессов жизнедеятельности благодаря разделению функций между специфическими структурами. 3. ОНТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ (ОРГАНИЗМЕННЫЙ) УРОВЕНЬ. На этом уровне осуществляется декодирование и реализация генетической информации, завершающиеся становлением дефинитивной организации; при этом возникают фенотипические признаки, служащие материалом для естественного отбора. На этом уровне создаются особенности как структурные, изучаемые макро - и микроморфологией, так и функциональные, изучение которых составляет предмет физиологии, биофизики и биохимии. 4. ПОПУЛЯЦИОННО-ВИДОВОЙ УРОВЕНЬ. На этом уровне изменения, возникающие на первых трех уровнях, приводят к настоящим эволюционным преобразованием (микроэвопюция) за счет выработки новой адаптивной нормы и связанного с ней процесса видообразования. 5. БИОГEОЦЕНОТИЧЕСКИЙ (БИОСФЕРНЫЙ) УРОВЕНЬ. На этом уровне протекают вещественно-энергетические круговороты, вызванные жизнедеятельностью организмов и образующие в сумме большой биосферный круговорот. 6. НООСФЕРНЫЙ ИЛИ СФЕРА РАЗУМА
1 - ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ земного вещества (4, 3 -4, 1. 109 лет). 2 - АБИОГЕНЕЗ (4, 0 -3, 5. 109 лет) - образование органических соединений, без участия ферментов. 3 - ПРОКАРИОТЫ (3, 4. 109 лет по настоящее время) - все бактерии, включая архебактерии и цианобактерии (сине-зеленые водоросли и прохлорофитовые водоросли). 4 - ЭУКАРИОТЫ (1, 8. 109 лет по настоящее время) - все одноклеточные и высшие животные, растения и грибы
Параллелъно с биологической эволюцией проходила БИОХИМИЧЕСКАЯ, в которой можно выделить три этапа: 1 ЭТАП - ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ. Наличие каталитических и радиохимических реакций синтеза сложных органических соединений; практическое отсутствие свободного кислорода; повышенная радиоактивность (период с 4, 6 млрд. до 4 млрд. лет) II - Слабоокислительный. Возникновение фотосинтеза (с 4, 0 млрд. до 1, 8 млрд. лет) III - ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ. Наличие свободного кислорода в атмосфере Земли. Процессы дыхания.
- Появление простейших клеток - прокариотов. - Появление высокоорганизованных клеток эукариотов. - Появление многоклеточных организмов на основе объединения клеток эукариотов, функциональная дифференциация клеток в организмах. - Появление высших животных. Формирование у высших животных развитой нервной системы и мозга как объединяющего центра отдельных функций в сложные поведенческие реакции
Электронно-микроскопические исследования 50 -60 гг. ХХ В. выявили поразительное сходство в ультраструктурах таких органелл клетки, как центриоли, входящие в состав митотического аппарата, и базальные тельца жгутиков (кинетосомы). Возникла мысль об общности происхождения этих органелл от какой-либо общей исходной органеллы. Суть современной концепции симбиогенеза заключается в том, что клетка эукариот сформировалась в результате нескольких последовательных актов симбиогенеза: 1)симбиоз крупной анаэробной амебоидной прокариотической клетки с мелкими аэробными бактериями привел к трансформации клеток последних в митохондрии; 2) симбиоз : прокариотической клетки со спирохетоподобными бактериями привел к появлению жгутиконосного аппарата, кинесом и центросом. Клетка с этим набором органелл после дифференциации ядра от цитоплазмы дала начало линии, ведущей к царству животных и грибов. Еще один акт сим биогенеза, произошедший о результате симбиогенеза с прокариотическими клетками сине-зеленых, привел к возникновению пластид - отсюда идет ствол царства растений.
Скачать презентацию Биология как более описательная наука не оформила окончательно
ГЛОБАЛЬНЫЕ ТЕОРИИ БИОЛОГИИ.ppt