Вопрос 3. Теория эволюции.

Для биологии концепция эволюции имеет фундаментальное значение, что привело к формированию еще одного «образа» биологии — эволюционной биологии как самостоятельной области знания о живой природе. Разумеется, теория эволюции, в том числе эволюционная биология в узком смысле слова, прошла большой путь развития. Однако основные идеи Дарвина оказались верны до сих пор. Развиваясь в XX в. в тесном взаимодействии с физикой и химией, эволюционная биология сумела приблизиться к решению основных проблем эволюции живой природы на молекулярно-генетическом и онтогенетическом уровнях.

Главные проблемы эволюционной биологии, которые стали объектом исследования на молекулярно-генетическом уровне, таковы: происхождение жизни; молекулярно-генетический подход к изучению эволюции; молекулярные основы генетической репродукции обмена веществ. Продвинуться в их решении оказалось возможно благодаря тому, что их перестали считать чисто биологическими. Они стали проблемами всего естествознания.

Если говорить о теории эволюции органического мира необходимо знать как развивались представления о развитии жизни на Земле. Еще в древнем мире были собраны некоторые сведения о живой природе. Систематическим изучением животных занимался Аристотель, описавший более 500 видов различных организмов и расположивший их в определенном порядке. Аристотель и его ученики изучали также строение растений. На протяжении всего средневековья труды Аристотеля были основой представлений о живой природе.

Интерес к биологии возрос в эпоху Великих географических открытий (XV в.) и развития товарного производства. Интенсивная торговля и открытие новых земель расширяли сведения о животных и растениях. Ботаники и зоологи описывали множество новых, невиданных ранее растений и животных. Потребность в упорядочении быстро накапливающихся знаний пришла к необходимости систематизировать их. Создаются практические системы, в которых растения и животные объединяются в группы в зависимости от их пользы для человека или приносимого ими вреда. Например, выделяли лекарственные растения, садовые или огородные культуры.

На протяжении ХVI – ХVШ вв. продолжалась работа по описанию животных и растений, по их систематизации (классификации). Биология развивалась как описательная наука. Большой вклад в создание системы природы в XVIII в. внес шведский естествоиспытатель Карл Линней (1707 – 1778). За единицу классификации он принял вид — совокупность особей, сходных по строению. К. Линней описал более 8 тыс. видов растений, установил единообразную терминологию и порядок описания видов. Он объединил по строению цветка сходные виды в роды, сходные роды — в отряды, а отряды — в классы. Таким образом, в основу своей классификации он положил принцип иерархичности (т.е. соподчиненности) таксонов (расположение в порядке). Это был чрезвычайно важный шаг на пути к установлению естественной системы. К. Линней закрепил использование в науке бинарной (двойной) номенклатуры для обозначения видов. С тех пор каждый вид называется двумя словами: первое слово означает род и является общим для всех входящих в него видов, второе слово собственно видовое название. С развитием науки в систему были введены некоторые дополнительные категории: семейство, подкласс и другие категории, а высшим таксоном стал тип. Но принцип построения систем, созданный К. Линнеем, остался неизменным. Например, систематическое положение домашней кошки можно описать следующим образом. Кошка домашняя (ливийская) входит в род мелких кошек семейства кошачьих отряда хищных класса млекопитающих подтипа позвоночных типа хордовых. Наряду с домашней кошкой род мелких кошек включает европейскую дикую лесную кошку, амурского лесного кота, камышового кота, барханного кота, рысь и некоторых других.

К. Линней создал самую совершенную для того времени систему органического мира, включив в нее всех известных тогда животных и растений. Система К. Линнея была искусственной, т.к. отражала систему родства и сходства растений и животных по совокупности существенных черт строения, не указывала на единство происхождения живых организмов. К. Линней сознавал искусственность своей системы и указывал на необходимость разработки естественной системы природы.

Карл Линней: «Искусственная система служит только до тех пор, пока не найдена естественная».

Во времена господства религиозных представлений ученые полагали, что виды организмов созданы независимо друг от друга Творцом и неизменны. Несмотря на господство взглядов о неизменности живой природы биологи продолжали накапливать фактический материал, который противоречил этим представлениям. Применение микроскопа в биологических исследованиях значительно расширили кругозор ученых. Оформилась как наука эмбриология, возникла палеонтология.

Первую эволюционную теорию создал французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк (1744 – 1829). Своими трудами он внес огромный вклад в биологию (ввел в 1802 г. термин «биология» одновременно с Г. Р. Тревиранусом). Ламарк в 1809 году выдвинул гипотезу о механизме эволюции, в основе которой лежали две предпосылки: упражнение и неупражнение частей организма и наследование приобретенных признаков. Таким образом, в анализ биологических явлений ученый включил два фактора: фактор времени и условия внешней среды (это было принципиально новым по сравнению с механистическими представлениями сторонников неизменности видов). Изменения среды могут вести, по мнению Ламарка, к изменению форм поведения, что вызывает необходимость использовать некоторые органы или структуры по-новому или более интенсивно (или перестать ими пользоваться). В случае интенсивного использования эффективность и (или) величина органа будет возрастать, а при неиспользовании может наступить его дегенерация и атрофия. Эти признаки, приобретенные индивидуумом в течение всей жизни, согласно Ламарку, наследуются, т.е. передаются потомкам.

С точки зрения ламаркизма, длина шеи и ноги жирафа — результат того, что многие поколения его некогда коротконогих и короткошеих предков питались листьями деревьев, за которыми им приходилось тянуться все выше и выше. Незначительное удлинение шеи и ног, происходящее в каждом поколении, передавалось следующему поколению, пока эти части тела не достигли своей нынешней длины. Перепонки между пальцами у водоплавающих птиц и форму тела камбалы объясняли таким же образом. Перепонки возникли в результате постоянного раздвигания пальцев и растяжения кожи между ними при плавании в поисках пищи или для спасения от хищников, а уплощенное тело — из-за лежания на боку на мелководье. Хотя теория Ламарка подготовила почву для принятия эволюционной концепции, его взгляды на механизм изменения так и не получили широкого признания.

В первой четверти XIX в. были достигнуты значительные успехи в сравнительной анатомии и палеонтологии. Реформатором сравнительной анатомии, палеонтологии и систематики животных стал Жорж Кювье (1769 – 1832). Палеонтологические данные неопровержимо свидетельствовали о смене видов животных на Земле. Ненаучность ссылок на библейский потоп стала очевидной, когда была установлена разная степень древности вымерших животных. Основываясь на палеонтологических данных, Кювье выдвинул теорию катастроф. Согласно этой теории, причиной умирания были периодически происходившие крупные геологические катастрофы, уничтожавшие на больших территориях животных и растительность. Потом эти территории заселялись видами, проникавшими из соседних областей. Последователи и ученики Ж. Кювье, развивая его учение, утверждали, что катастрофы охватывали весь земной шар. После каждой катастрофы следовал новый акт творения.

Теория эволюции Ч. Дарвина стала наиболее важным этапом развития человеческих знаний о природе. Возникновение теории эволюции знаменует переход от описательной биологии к объяснительной биологии. Автором эволюционной концепции является Чарлз Дарвин (1809 – 1882), который во время своего кругосветного плавания на корабле «Бигль» собрал множество данных, свидетельствующих о том, что виды нельзя считать неизменными. Однако имелись и другие предпосылки для формирования теории эволюции. Так, в 1798 г. священник Томас Мальтус (1766 - 1834) опубликовал «Трактат о народонаселении», в котором указал, 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, который сформулировал английский геолог Чарлз Лайель (1797 – 1875), в соответствии с его взглядами 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.

Дарвин был не одинок. Другой английский естествоиспытатель, Альфред Уоллес (1823 – 1913), много путешествовавший по Южной Америке и островам Юго-Восточной Азии, пришел к тем же выводам, что и Дарвин. В 1858 г. Уоллес изложил свою теорию на двадцати страницах и послал их Дарвину. Это стимулировало и ободрило Дарвина, и в июле 1858 г. Дарвин и Уоллес выступили с докладами о своих идеях на заседании Линнеевского общества в Лондоне. В ноябре 1859 г. Дарвин опубликовал свой труд «Происхождение видов путем естественного отбора» (Уоллес признавал приоритет Дарвина).

Согласно Дарвину и Уоллесу, механизмом, с помощью которого из предсуществующих видов возникают новые виды, служит естественный отбор. Эта гипотеза (или теория) основана на трех наблюдениях и двух выводах.

Наблюдение 1. Особи, входящие в состав популяции, обладают большим репродуктивным потенциалом. Наблюдение 2. Число особей в каждой данной популяции примерно постоянно. Вывод 1. Многим особям не удается выжить и оставить потомство. В популяции происходит «борьба за существование». Наблюдение 3. Во всех популяциях существует изменчивость. Вывод 2. В «борьбе за существование» те особи, признаки которых наилучшим образом приспособлены к условиям существования, обладают «репродуктивным преимуществом» и производят больше потомков, чем менее приспособленные особи.

Естественный отбор является основным фактором, направляющим эволюционные изменения. Именно он определяет магистральную линию исторического развития живого, формирует у живых организмов оптимальные способности к выживанию и самовоспроизведению. Результаты естественного отбора проявляются в ходе смены многих поколений. Объектом отбора являются отдельные виды живого. Особь, прошедшая отбор, тем самым вносит свой вклад в генофонд популяции. Отбору подвергаются все признаки, свойства живого. Он действует на всех стадиях развития особи и имеет четкую направленность — повышение способности к выживанию, к оставлению потомства. Причем отбор закрепляет и те особенности, которые полезны данному виду как целому. Эти признаки могут быть вредны для особи, но полезны для популяции: например, отгоняя врага, ужалившая его пчела гибнет, но спасает пчелиную семью, семейный запас меда.

Учитывая все сказанное, можно сформулировать главный вывод: весь ход эволюции видов ведет к тому, что генетические и иные признаки, обеспечивающие выживание, встречаются от поколения к поколению в данной популяции все чаще, определяя направление развития вида. Таким образом, эволюция есть направленный процесс исторического изменения живых организмов. Указанные факторы действуют не только на популяционном и видовом уровне, как микроэволюция, но также и на надвидовом уровне, как макроэволюция, образуя новые виды, классы живого. Современная сложная структура живого является как раз результатом и отражением продолжавшейся миллионы лет микро- и макроэволюции.

Вернер Гейзенберг: «Теория Дарвина в 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».

Комплекс представлений о микро- и макроэволюции, сложившийся к середине XX в., стали называть синтетической теорией эволюции. Несомненно, что в своем современном виде эволюционное учение, как и всякая научная теория, не претендует на абсолютную достоверность. В теории эволюции, конечно, проявляется определенная мера неполноты знаний, их обоснованности. Например, 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 два-три поколения исчезнет всякое воспоминание о белом цвете (ведь в природе нет «демона Максвелла»). Альтернативная концепция номогенеза утверждала, что изменения происходят не беспорядочно и случайно, а по законам форм. Русский ученый и революционер Петр Алексеевич Кропоткин придерживался точки зрения, в соответствии с которой взаимопомощь является более важным фактором эволюции, чем борьба.

Критики дарвинизма указывают наиболее часто на следующие два его недостатка: 1) невозможность объяснения с позиций дарвинизма установленного факта отсутствия в очень многих случаях промежуточных, переходных ступеней от одного биологического вида к другому; 2) безрезультатность многочисленных попыток сельскохозяйственной практики создать новые виды животных и растений; дело ограничивалось лишь некоторым преобразованием уже имеющихся видов. Между тем именно идея порождения новых видов через отбор является одной из основных идей теории эволюции.

Эти возражения не могли поколебать общей теории эволюции вплоть до появления под влиянием экологических исследований концепции коэволюции. 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. 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 и стало быть устойчивость экосистем. Удивительная согласованность всех видов жизни есть следствие коэволюции.

В конце ХХ века на основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции возникла гипотеза Геи-Земли. Авторами ее являются английский химик Джеймс Лавлок и американский микробиолог Линн Маргулис. Суть Гея-гипотезы: Земля является саморегулирующейся системой, способной сохранять химический состав атмосферы и тем самым поддерживать благоприятное для жизни постоянство климата. Подходя к Гее-гипотезе с биологических позиций, Л. Маргулис полагает, что жизнь на Земле представляет собой сеть взаимозависимых связей, позволяющих планете действовать как саморегулирующаяся и самопроизводящаяся система. По мнению Маргулис, симбиоз — образ жизни наиболее созидательных факторов эволюции. Например, 90% растений существуют вместе с грибами, поскольку грибы связаны с корнями растений, необходимыми 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. Такая симбиотическая коэволюция хорошо согласуется с данными синергетики. С точки зрения концепции коэволюции естественный отбор, который играл главную роль у Дарвина, является не «автором», а скорее «редактором» эволюции.

Эволюционистика далеко еще не разрешила всего огромного круга стоящих перед нею проблем и продолжает стремительное развитие. Ныне эволюционное учение видит свою главную задачу в том, чтобы на основе углубленного познания механизма эволюционных процессов предсказывать конкретные возможности эволюционных преобразований и на этой основе управлять эволюционным процессом. Все возрастающую роль в выполнении данной задачи играет одна из наиболее перспективных отраслей биологической науки — генетика.