Эволюция

| Категория реферата: Рефераты по биологии
| Теги реферата: культурология, в контакте сообщения
| Добавил(а) на сайт: Janchukovskij.

При глубокой специализации общность клеток порождает многоклеточный организм. При этом возникает новая сущность, вместе с которой возникают новые свойства, новые закономерности саморазвития бытия. Клетки объединяются в колонию собственно с одной целью - более эффективно поддерживать динамическое равновесие со средой. В чём именно заключается это равновесие? Чтобы попытаться ответить на этот вопрос вернемся немного назад. Органические молекулы являются настолько сложными, что они не могут долгое время существовать. Если неорганические химические соединения могут сохранятся неопределенно долго, то сложные органические соединения под действием факторов среды распадаются довольно быстро, и чем молекула сложнее, тем быстрее распад. С другой стороны и само возникновение сложных органических молекул в десятки и, тем более, сотни атомов в силу случая невозможно. Существование таких молекул возможно при наличие процесса репликации с одной стороны, и постоянного восстановления белков и других соединений в клетке. Весь клубок процессов, происходящий в клетке с целью обеспечения ее существования не только (да и не столько) как индивидуальности, а как вида, то есть как некоторой массы белка определенной структуры, и даже как всей массы белка, и является жизнью. Вот здесь будет истинно определение – «жизнь это способ существования белковых тел».

Таким образом, жизнь это процесс обеспечивающий динамическое равновесие между массой белка (очень сложными молекулами) и окружающей средой. Этот процесс имеет две формы - восстановление белка на ДНК как на матрице и восстановление самих матриц, иначе - обмен веществ в клетке и размножение.
В свою очередь, обмен веществ делится на процессы ассимиляции и диссимиляции. Размножение делится на половое и бесполое. Такая структура процессов лежит в основе существования всех форм организмов. Только по способу обмена веществ, как мы видели, уже на клеточном уровне живые существа делятся на автотрофов и гетеротрофов. А в многоклеточных организмах это порождает две великие ветви живого - растения и животные.
Есть ли в этой паре необходимость и достаточность?

Как мы говорили, жизнь это процесс. Но процесс это форма движения.
Движение включает в себя то, что движется - вещество, и причину его движения - энергию. Жизнь это превращение сложных органических молекул в другие молекулы. Происходит это превращение за счет потребляемой энергии.
Жизнь без энергии невозможна. Рассматривая жизнь в целом, очевидно, что энергия должна потребляться вне жизни как таковой. Какой же эта энергия может быть? Ясно, что в своей основе процесс энергетического обмена в клетке и во всех доклеточных формах жизни вплоть до самых простых не может быть целенаправленным. Он может быть только случайным, стохастическим, то есть должен подчинятся принципам термодинамики. То есть процесс синтеза органических молекул должен представлять собой тепловую, если хотите, машину со своим циклом. А именно, должен быть источник с большей энергией чем среда. От этого источника энергии потребляется энергия на выполнение работы по соединению меньших молекул в большую, преодолевая при этом тепловое воздействие среды стремящейся меньшие молекулы разбросать в разные стороны, то есть совершается работа против увеличения энтропии. Затраченная работа становится частью внутренней энергии новой молекулы и выражается в электронной связи.

Нетрудно показать, что в условиях зарождения жизни наиболее подходящей формой энергии были световые кванты. Действительно, процесс образования связей между электронными оболочками требует, чтобы энергия поступала порциями небольшими, но концентрированными до размеров сравнимых с электронами и с уровнями энергии достаточных для перевода электрона с одного уровня энергии в атоме на другой.

Исходя из этого ясно, что основной формой жизни должна бить такая форма, которая осуществляет синтез белка за счет энергии света. Это как минимум.
Но ясно и другое, что при распаде таких молекул, которые синтезируются в растении может также получена быть энергия для синтеза белков другого организма. Однако, учитывая, что коэффициент полезного действия любой машины выполняющей работу не может быть равен ста процентам, и как правило он гораздо меньше, биомасса гетеротрофов должна быть гораздо меньше чем биомасса автотрофов. В свою очередь гетеротрофы тоже могут рассматриваться как источник сложных органических молекул и энергии для синтеза из них белков другого организма. В свою очередь биомасса этих животных, являющихся хищниками, будет еще меньше.

Эту цепь можно продлить и дальше. Могут быть хищники хищников. Но это уже хищники в целом и каких либо существенных отличии они друг от друга не имеют. Таким образом, цепь передачи органического вещества и энергии включает в себя автотрофов - растения, гетеротрофов - растениеядных и гетеротрофов-хищников. Кроме того, безусловно должны быть и переходные виды живых существ, хотя конечно в значительно меньших масштабах. Например миксотрофные организмы, грибы и т.п.. Таким образом наличная структура жизни возникает с необходимостью как продукт ее саморазвития. Первичными здесь являются растения. Без них невозможно существование последующих форм жизни.

Жизнь на Земле возникла на ее поверхности. Мы об этом уже говорили. Её питают два источника. Источник энергии - солнечный свет и источник вещества
- окружающая среда. Как мы рассмотрели выше, основными химическими элементами для жизни являются водород, углерод, кислород, азот и фосфор.
Кроме того, как среда для прохождения различных реакций необходима вода. В этих условиях жизнь может развиваться только на поверхности планеты. Причем на первых этапах в среде своего возникновения - в поверхностных слоях воды, а позже и на поверхности Земли. Уже этим определяется структура растений как представителей первого этапа жизни. А именно, должны быть элементы для извлечения необходимых веществ из земли и элементы для поглощения энергии от солнца, а также необходимых газов из атмосферы.

Этим определяется существующая структура растения, состоящая из корней и кроны, которые соединяются в той или иной степени развития стволом.
Жизнеспособность растения тем больше, чем более энергично проходят процессы жизнедеятельности. А они определяются количеством поступающих веществ и энергии. Поскольку основные биохимические процессы фотосинтеза определились в процессе возникновения жизни, то удельная величина проходящих веществ через поверхность корней и потребляемой энергии через листья практически не изменяется. В этих условиях возможным путем повышения жизнеспособности является только увеличение площади поверхности корней и листьев. Этим определяется развитость корневой системы растений и кроны.

Как правило растения подразделяются на различные виды, роды, семейства, порядки, классы и отделы. Такая систематика возникает в силу того, что с одной стороны растения очень разнообразны, а с другой составляют целый ряд ступеней эволюционного развития. Эволюционное развитие растений имеет ту особенность, что растения неподвижны. Действительно, они растут на освещённом месте, и все что им нужно для жизни само поступает из среды.
Это, во-первых, определяет лучевую, или радиальную, симметрию растения. Во- вторых, существенно ограничивает ту область пространства, в которой ограничивается жизнь вида. Зачастую эта область может ограничиваться несколькими гектарами. Учитывая также числа возможных комбинаций существенно отличных параметров среды (температура, влажность, кислотность, химический состав почв и т.д.) не вызывает особого удивления, что число видов растений достигает полумиллиарда.

Приспособление растений в процессе эволюции к различным комбинациям характеристик среды (экологическим нишам) делает возможным сосуществования в одном месте различных растений. Действительно, если одно растение предпочитает сухой воздух и хорошую освещенность, а другое влажность и освещенность меньшую, то одно растение может жить располагая свою крону над другим. Таким образом появляется стремление растений образовывать сообщества растений, в которых они связаны паразитическими, симбиотическими или комменсалистическими связями. Как клетка так и многоклеточный организм
,в котором индивидуальность формируется системными межклеточными связями и специализацией самих клеток, как вещь в себе, противостоят окружающему бытию. Такое противостояние присуще материи на любом уровне его саморазвития, поскольку всегда для-себя-бытие любого выделенного объекта противостоит вне-себя-бытию. Наибольшее выражение это находит тогда, когда материя в своем саморазвитии достигает разума. Тогда оно приобретает вид противоречия материи и сознания. Так вот, растение само по себе относится к окружающему миру вообще, и к другим растениям в частности, как к окружению, которое обеспечивает растение всем необходимым для жизни. В этих условиях, только совершенно случайное совпадение факторов в процессе естественного отбора приводит к тому, что данное растение по отношению к другому становится паразитом, симбионтом или комменсалом.

Высота кроны растения определяет форму ствола. Если крона низкая, то ствол может или вообще практически отсутствовать, или быть не прочным. Это травянистые формы растений. По мере увеличения высоты кроны нагрузка на ствол увеличивается. Действительно, при увеличении линейных размеров любой вещи равномерно во все стороны, объем ее увеличивается (и вес соответственно) в кубе. Таково свойство трехмерного пространства. В связи с этим прочность ствола (и твердость его тела) должна быстро возрастать.
Кроме того, возрастают и ветровые нагрузки. В связи с этим (а также некоторыми другими причинами) ствол дресневеет. Так в процессе эволюции появляются деревья, а кроме того переходные формы - кусты и т.п.

Можно было бы подробно рассматривать множество проявлений бытия растений и показывать в них закономерное проявления саморазвития материи. И это было бы весьма интересно. Вспомните «Метаморфозы» Гете. Однако это заняло бы очень много места, а у нас еще так много впереди. В связи с этим мы будем рассматривать вопросы, которые на наш взгляд наиболее важны для понимания сущности явления - растительной формы жизни.

Остановимся на вопросах размножения растений. Рассматривая клетку, мы пришли к тому выводу, что устойчивое существование генотипа, а следовательно и вида, возможно при наличии как минимум двух способов размножения - деления и полового процесса. Кроме того, биоценоз, как совокупность связей между видами, определяется теми связями, которые определяют взаимоотношения для-себя-бытия и вне-себя-бытия. Тогда устойчивое существование биоценоза, а, следовательно, жизни в целом, зависит от устойчивости видовых признаков.

С другой стороны, климатические, геологические, геофизические условия на
Земле не остаются стабильными. Поэтому изменчивость видовых признаков является важным условием эволюционного развития. Таким образом, видовая стабильность и видовая изменчивость диалектически взаимосвязаны и определяются характеристиками процесса размножения. Об изменчивости мы говорили выше и выяснили, что она определяется мутациями, которые опираются на определенный механизм обеспечивающий не только изменение состава генов, но и их наращивание. Причем это происходит как в процессе формирования клеток, так и во время процесса их размножения. В принципе, механизм изменчивости реализуется у всех форм жизни одинаково.

Видовая стабильность определяется двумя факторами. Основным является адекватность организма экологической нише. Действительно, в процессе естественного отбора происходит подгонка всех параметров организма параметрам среды. Поэтому всякое отклонение за счет изменчивости от оптимального варианта снижает жизнеспособность организма и предопределяет его гибель. Здесь могут происходить отклонения только во второстепенных признаках, практически не влияющих на степень приспособленности организма.
Второй фактор стабильности состоит в том, что растения, как и все организмы, в процессе эволюции приобрели средства предохраняющие от межвидового скрещивания. Действительно, при межвидовом скрещивании потомство приобретает случайную совокупность признаков в значительной мере отличающуюся от требуемой в условиях данной экологической ниши, что делает его не приспособленным к выживанию. Учитывая, что процесс размножения сам по себе представляет большую затрату жизненных сил организма, очевидно, что жизнеспособность вида существенно зависит от того производит ли оно жизнеспособное, а следовательно приспособленное к данной экологической нише, потомство, то есть своего вида без каких либо отклонений. О конкретных способах предохранения от межвидового скрещивания мы поговорим ниже, хотя бы в качестве примера здесь отметим, что они появляются уже на клеточном уровне, а по мере усложнения организмов при движении их по эволюционной лестнице появляются все новые и новые способы.

Размножение, как мы рассмотрели выше, на уровне клетки представляет как минимум деление. Для многоклеточных организмов такой способ уже не возможен. Если многоклеточный организм прост, в том смысле, что специализация клеток еще не настолько выражена чтобы любая из них не могла стать основой для формирования в процессе деления нового организма, то размножение может быть вегетативное, путем почкования, при помощи неоплодотворенных яйцеклеток (партеногенеза) и половым. Очевидно, что чем сложнее и развитее организм, тем большая специализация клеток, тем с большим трудом может происходить вегетативное размножение, затем путем почкования. Чем сложнее организм, тем соответственно сложнее и крупнее молекула ДНК, тем быстрее в ней накапливаются ошибки. В связи с этим менее допустимым становится партеногенез. В связи с этим среди высших организмов
- млекопитающих и человека - возможен только половой способ размножения.
Растения же, будучи сидячими и имеющими такой процесс обмена веществ
(фотосинтез) который не требует развитых органов, а следовательно и большого разнообразия в специализации клеток, могут использовать различные способы размножения, а именно, вегетативный (по существу деление клеток)
,путем почкования, так и через семя, то есть по существу яйцами, как с оплодотворением, так и без. Однако, наиболее прогрессивным способом размножения и у растения является половой способ размножения, как способствующий наибольшей степени выживаемости в эволюционном процессе, действительно, покрытосеменные растения являются самой молодой и разнообразной группой растений - порядка трехсот видов, тогда как остальные группы - голосеменные, папоротниковое, мхи, грибы, лишайники, водоросли, составляют порядка двухсот видов.

Таким образом, нам ясна природа растений. Существует ли резкая грань между растениями и животными? Безусловно нет. Качественно это равноправные две ветви одного явления - жизни, на клеточном уровне грани между ними почти стираются. Скажем, в разных источниках мы можем встретить отнесение бактерий, вирусов, грибов, то к растениям, то к животным, то выделяют их в отдельное царство. На примитивном уровне признаки и растений и животных могут смешиваться. Да в редуцированном виде и у высших животных и у высших растении мы можем обнаружить проявление свойств другого царства. Так например, растения могут двигаться, (подсолнух за солнцем), питаться другими животными (росянка), иметь аналог нервной системы животного
(стыдливая мимоза) и т.д. А отдельные животные как по образу жизни, так и по виду могут быть очень похожи на растения, например анемоны. Те не менее, для внесения определенной ясности в этот вопрос будем считать, что растения это автотрофы, а животные гетеротрофы, хотя в этом могут быть и исключения.
Можно ещё остановиться на рассмотрении ряда вопросов, касающихся природы и свойств растений. Однако поспешим дальше и перейдем к царству животных, а к отдельным вопросам связанным с растениями мы еще неоднократно вернемся.

Итак, животные гетеротрофы. Выше мы показали, что процесс гетеротрофного преобразование органики в процессе питания животного связан с потерями.
Далеко не всё из плоти растения усваивается. Это требует освоения животным больших пространств, чем растение. Далее, съев одно растение, или его часть, животное должно передвинуться к следующему. Уже эти первые аргументы убеждают нас в том, что животное должно энергично (во всяком случае, гораздо энергичнее, чем растение) двигаться. А если оно ведет и сидячий образ жизни, то должно придвигать, направлять, хватать и т.д. себе пищу из окружающей среды. Это уже предопределяет необходимость выделения специализированных клеток, в своем взаимодействии меняющих геометрическую конфигурацию животного, обеспечивающих перемещение животного в пространстве. Затем, эти клетки, формирующие мышечную ткань, должны взаимодействовать синхронно. В связи с этим с необходимостью возникает совокупность специализированных клеток для передачи сигналов – нервные клетки, поскольку другие методы передачи сигналов, например химическим путём, как внутри клетки, слишком медленны и неэффективны. Такие методы находят применение у растений, поскольку их движения могут быль медленными.
У животных же на базе нервных клеток возникает нервная система.

Естественно, что все большая специализация клеток требует увеличения и их числа, что затрудняет доступ к клеткам питательных веществ, кислорода и удаления продуктов жизнедеятельности. В связи с этим возникает система канальцев, мышечных образовании для принудительного прогона воды через эти канальца и специализированных клеток для доставки кислорода, питательных веществ и выведения продуктов жизнедеятельности. Таким образом, с необходимостью возникает кровеносная система, система дыхания, система выделения. Естественно, при этом происходит и усложнение пищеварительной системы.

Перед нами оказывается довольно сложный конгломерат специализированных клеток. При этом необходимо образование и специализированных клеток берущих на себя функции размножения, а следовательно и формирование особых
(половых) органов. Хотя на примитивном уровне развития животных, размножение может происходить без наличия специальной половой системы, или помимо её, почкованием или делением организма. Но уже на стадии червей эти способы перестают быть возможными, ввиду слишком далеко зашедшей специализации клеток. Дальнейшее развитие животных осуществляется на основе перечисленных минимально необходимых органов за счет их специализации на подорганы.

Обычно подразделяют животных на травоядных и хищников. Существенность такого разделения проявляется лишь на достаточно высоких этапах эволюции.
То есть тогда, когда у травоядных возникают средства защиты и, соответственно, у хищников средства нападения. При этом существенно начинают отличаться и все остальные органы. На ранних стадиях эволюции животное выделяет себя из среды, а вся остальная органика выступает для него как корм, включая и сородичей. И только равная способность родичей дать отпор, ограничивает масштабы каннибальства. Тем не менее, принципиальная возможность животного съедать другое животное, даёт серьезный толчок эволюции. А иначе животные не развились бы дальше червей и слизняков. Ведь любое высшее травоядное животное, например корова, имеет своими предками хищников, и неоднократно в процессе эволюции. Например, на уровне ящеров, рыб и т.д.

Прогресс в развитии животного определяется исключительно его приспособлением к условиям жизни. Наличность того, или иного вида является проявлением факта его хорошего приспособления к данным условиям среды.
Вполне естественно, что совершенствование тех или иных органов, их усложнение, разделение на подерганы является естественным путем и проявлением саморазвития материи. Так например, развитие нервной системы происходило по пути разделения ее на периферийную и центральную части, формированием центральной нервной системы и головного мозга, формирование специализированных нервных клеток образующих рецепторы и на их основе образования органов чувств - зрения, слуха, обоняния и т.д.

Важно понимание формообразующей роли взаимодействия организма с внешней средой. Сходные условия среды порождают и сходные формы. Например, посмотрите на ихтиозавра. Сколько общего у них с дельфинами. А у трицератопса с носорогами. Мало того, даже частные характеристики формы животного имеют под собой весьма глубокий смысл. Например, почему у человека и у высших животных именно пять пальцев на лапах и руках? При подробном рассмотрении мы сможем убедиться, что это совершенно не случайно.
Действительно, уменьшение числа пальцев приводит к снижению эффективности хватательных функций конечности. Увеличение же числа пальцев требует увеличения числа управляющих мышц, нервной системы управляющей мышцами пальцев, это требует, в свою очередь, уменьшения объема ресурсов на другие части организма. А это нарушает гармонию организма в целом, а следовательно и его возможность к выживанию.

А если меняются условия жизни организма, то меняется путем естественного отбора и его формы. Например, у лошади конечности потеряли функцию хватания, в связи с этим все пальцы, кроме среднего, в основном атрофировались, а коготь среднего пальца превратился в копыто. Вполне определенные причины имеет и размер животного. Он определяется величиной земного притяжения, скоростью прохождения сигналов по нервной системе, характеристиками способа питания и т.д.

Действительно, увеличение линейных размеров животного приводит к увеличению его объема, а, следовательно, и веса в кубическое зависимости.
Уже у слона ноги - целые колонны. Если слона увеличить в десять раз, то он превратиться вообще в одни ноги. Важное значение имеет перепад давлений в кровеносной системе. Ври высоте животного в десять метров, разность давлений между низом и верхом его составит целую атмосферу, что уже кровеносные сосуды не в состоянии выдержать. Можно определенные соображения привести и относительно минимальных размеров животных и их отдельных видов.
Здесь мы тоже придем к выводу, что случайности здесь нет, поскольку характеристики формы определяются содержанием, которое в свою очередь проистекает из объективной последовательности причин и следствий и является результатом саморазвития материи.