Экология. Гипотеза Гея-Земли. Эта гипотеза возникла в последние два десятилетия на основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции

Гипотеза Гея-Земли. Эта гипотеза возникла в последние два десятилетия на основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции. Авторами ее являются английский химик Джеймс Лавлок и американский микробио­лог Линн Маргулис. Вначале была обнаружена химическая неравновес­ность атмосферы Земли, которая рассматривается как признак жизни. По мнению Лавлока, если жизнь представляет собой глобальную це­лостность, ее присутствие может быть обнаружено через изменение химического состава атмосферы планеты.

Концепция коэволюции. Критика дарвинизма велась со дня его возникновения. Одним не нравилось, что изменения, по Дарвину, могут идти во всех возмож­ных направлениях и случайным образом. Концепция номогенеза ут­верждала, что изменения происходят не беспорядочно и случайно, а по законам форм. Русский ученый и революционер П. А. Кропоткин придерживался точки зрения, в соответствии с которой взаимопомощь является более важным фактором эволюции, чем борьба.

Синтетическая теория эволюции жизни. Применительно к живой природе эволюция понимается как обра­зование более сложных видов из простых. Что является источником развития? Различные ученые по-разному отвечали на этот вопрос. Кювье, как уже отмечалось, считал, что это катастрофы, Ламарк отдавал предпочтение такому фактору, как тренировка органов, по Дарвину, в качестве такого источника выступает борьба за существование (естественный отбор).

Генетики опровергли представления Ламарка о наследовании приобретенных при жизни признаков. Опытным путем было установлено, что признаки, приобретаемые орга­низмом и приводящие к изменению фенотипа, не оказывают прямого воздействия на половые клетки, передающие признаки следующему по­колению.

В 1778 году священник Т. Мальтус опублико­вал «Трактат о народонаселении», в котором обрисовал, 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 английского геолога Ч. Лайеля, в соответствии с которым 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.

Теория эволюции сформулирована Дарвином в 1839 году. Наи­больший вклад Дарвина в науку заключался не в том, что он доказал существование эволюции, а в том, что он объяснил, как она может происходить. В 1859 году Дарвин опубликовал труд «Происхождение видов путем естественного отбора». Гипотеза Дарвина основана на трех наблюдениях и двух выводах. «Н. 1. Особи, входящие в состав популяции, обладают большим репродуктивным потенциалом. Н. 2. Число особей в каждой данной популяции примерно постоянно. В. 1. Многим особям не удается выжить и оставить потомство. В популяции происходит «борьба за существование». Н. 3. Во всех популяциях существует изменчивость. В. 2. В «борьбе за существование» те особи, признаки которых наилучшим образом приспособлены к услови­ям жизни, обладают «репродуктивным преимуществом» и производят больше потомков, чем менее приспособленные особи.

Не столь важно, какая конкуренция в процессе естественного отбора имеет место – внутривидовая или межвидовая. Решающий фактор, определяющий выживание, - это прис­пособленность к среде. Любое, пусть самое незначительное физичес­кое, физиологическое или поведенческое изменение, дающее одному организму преимущество перед другим, будет действовать в «борьбе за существование» как селективное преимущество, в результате чего благоприятные из­менения будут передаваться следующим поколениям.

Данные в поддержку гипотезы Дарвина дают различные науки. Палеонтология, которая занимается изучением ископаемых остатков, подтверждает факт прогрессивного возрастания сложности организ­мов. В самых древних породах встречаются организмы немногих ти­пов, имеющих простое строение. Постепенно разнообразие и слож­ность растут. Многие виды, появляющиеся на каком-либо стратигра­фическом уровне, исчезают затем. Это истолковывают как возникно­вение и вымирание видов.

В соответствии с данными палеонтологии можно считать, что в протерозойскую геологическую эру (700 млн. лет назад) появились бактерии, простейшие водоросли, примитивные морские организмы; в палеозойскую (365 млн. лет назад) - наземные растения, пресмыкаю­щиеся; в мезозойскую (185 млн. лет назад) - млекопитающие, птицы, хвойные растения; в кайнозойскую (70 млн. лет назад) - современ­ные виды. Конечно, следует иметь в виду, что палеонтологическая летопись неполна.

Теория эволюции знаменовала собой крупный прорыв в биологии, наряду с классификацией Линнея и клеточной теорией. Но вопросы и сомнения оставались. 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 2-3 поколения исчезнет всякое воспоминание о бе­лом цвете.

Лишь возникновение генетики дало возможность отвергнуть это возражение. Опровергнув концепцию Ламарка, генетика помогла дар­винизму, объяснив, что появившийся признак не может исчезнуть, так как наследственный аппарат сохраняет случайно возникшее в нем, подобно тому, как сохраняются опечатки в книгах при их восп­роизводстве.

Генетика привела к новым представлениям об эволюции, полу­чившим название неодарвинизма, который можно определить как тео­рию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически. Другое общепринятое название - синтетическая, или общая, теория эволюции. Механизм эволюции стал рассматриваться как состоящий из двух частей: случайные мутации на генетическом уровне и наследование наиболее удачных с точки зрения приспособления к окружающей среде мутаций, так как их но­сители выживают и оставляют потомство (мутация -» появление нового признака -» борьба за существо­вание -» естественный отбор).

Известный физик В. Гейзенберг в своей книге «Физика и философия» писал: «Теория Дарвина в ее 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» Некоторые из собы­тий, приводимых в качестве доказательства эволюционной гипотезы, воспроизводимы в лаборатории, однако это не значит, что они дейс­твительно имели место в прошлом, а свидетельствует об их возмож­ности. На многие возражения до сих пор нет ответа. Поэтому кон­цепцию Дарвина точнее все же относить к гипотезам, которые требу­ют дальнейшего подтверждения.

Эти возражения не могли поколебать общей теории эволюции вплоть до появления под влиянием экологических исследований кон­цепции коэволюции, которая смогла объяснить возникновение полов и другие феномены. 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, а значит, устойчивость экосистем. Удивительная согласо­ванность всех видов жизни есть следствие коэволюции.

Концепция коэволюции хорошо объясняет эволюцию в системе «хищник - жертва» - постоянное совершенствование и того, и друго­го компонента системы. В системе «паразит - хозяин» естественный отбор должен вроде бы способствовать выживанию менее вирулентных (опасных для хозяина) паразитов и более резистентных (устойчивых к паразитам) хозяев. Постепенно паразит становится комменсалом, т. е. безопасным для хозяина, а затем они могут стать мутуалами - организмами, которые способствуют взаимному процветанию, как гри­бы и фотосинтезирующие бактерии, вместе образующие лишайники. Но так происходит не всегда. Паразиты являются неизбежной, обяза­тельной частью каждой экосистемы. Коэволюционная «гонка вооруже­ний» способствует большему разнообразию экосистем.

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.

Суть Гея-гипотезы: Земля является саморегулирующейся систе­мой, созданной биотой и окружающей средой, способной сохранять химический состав атмосферы и тем самым поддерживать благоприят­ное для жизни постоянство климата. По Лавлоку, мы - обитатели и часть квазиживой целостности, которая обладает способностью гло­бального гомеостаза, снисходительного к нарушениям, если она в хорошей форме, в пределах своей способности к саморегуляции. Ког­да подобная система попадает в состояние стресса, близкого к гра­ницам саморегуляции, даже маленькое потрясение может толкнуть ее к переходу в новое стабильное состояние или даже полностью унич­тожить.

Подходя к Гея-гипотезе с биологических позиций, Л. Маргулис полагает, что жизнь на Земле представляет собой сеть взаимозави­симых связей, позволяющих планете действовать как саморегулирую­щаяся и самопроизводящая система. В 60-х годах она предполо­жила, что эукариотические клетки произошли в результате симбиоти­ческого союза простых прокариотических клеток, таких как бакте­рии. По мнению Маргулис, сим­биоз - образ жизни большинства организмов и один из наиболее со­зидательных факторов эволюции. Например, 90% растений сущест­вуют вместе с грибами, поскольку грибы, связанные с корнями расте­ний, необходимы 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. Изучение ДНК простых организмов подтверждает, что сложные растения произошли из соединения про­стых.

Так происходит переход от целесообразности на уровне орга­низмов к целесообразности на уровне сообществ и жизни в целом - целесообразности в научном смысле слова, определяемой тем, что существуют не внешние по отношению к сообществам, а внутренние объективные надорганизменные механизмы эволюции, которые и изуча­ет наука. С точки зрения концепции коэволюции естественный отбор, ко­торый играл главную роль у Дарвина, является не «автором», а ско­рее «редактором» эволюции.

Основные понятия и принципы экологии. В буквальном смысле слово «экология» означает науку о «доме» (от греч. «ойкос» - жилище, местообитание). Экология входит в цикл биоло­гических наук – это наука о местообитании живых существ и их взаимоотношении с окружающей средой. Экология изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, сообществ, экосистем. Термин «экология» предложил не­мецкий зоолог Э. Геккель в 1866 году, но наибольшее развитие эта наука получила в XX веке.

Экология изучает различные уровни целостности, промежуточные между организменным (биологическим) и глобальным (биосферным). Выделяют аутоэкологию, которая исследует взаимо­действие отдельных видов со средой, и синэкологию, которая изуча­ет сообщества. Сообществом, или биоценозом, называют совокупность растений и животных, населяющих участок среды обитания. Совокуп­ность сообщества и среды носит название экологической системы, или биогеоценоза.

Основные понятия аутоэкологии – популяция, местообитание, экологическая ниша. Популяцией называется группа организмов, от­носящихся к одному или близким видам и занимающая определенную область, называемую местообитанием. Важной экологической характеристикой популяции является ее численность - общее количество особей вида, присутствующее на той или иной территории. Согласно современным представлениям популяция является элементарной единицей эволюции. С точки зрения эволюции важна не общая численность особей в популяции, а эффективная (репродуктивная) численность, т.е. та часть популяции, которая формирует генофонд следующего поколения.

Средняя численность большинства крупных популяций изменяется из года в год относительно мало, главным образом, потому, что организмы размножаются более интенсивно при меньшей плотности популяции и менее интенсивно при большей плотности. Основными причинами колебаний численности популяций связаны с изменениями условий существования: изменение действия абиотических факторов среды, изменение межвидовых отношений (враги, паразиты), изменение количества и качества корма.

Популяционные волны - это вспышки численности, периодические или непериодические значительные изменения числа особей в популяции. С. С. Четвериков назвал популяционные волны и 1905 г. "волнами жизни". Масштабы колебаний численности у популяций разных видов обычно разные. Флуктуации численности вызываются самыми различными причинами, для различных видов эти причины не всегда одинаковые. Но есть и причины общего характера. Так, периодические колебания численности популяций, имеющих 10-11-летний период, объясняются периодичностью активности Солнца.

Совокупность условий, необхо­димых для существования популяции, носит название экологической ниши. Экологическая ниша определяет положение вида в цепях пита­ния. В зависимости от характера питания строится пирамида пита­ния, состоящая из нескольких трофических уровней. Низший уровень занимают автотрофные организмы, питающиеся неорганическими соединениями, прежде всего растения. На более высоком уровне располагаются ге­теротрофные организмы, использующие в пищу биомассу растений. За­тем идут гетеротрофы второго порядка, питающиеся гетеротрофами первого порядка, т. е. травоядными животными и т. д.

Организмы, способные к фото- или хемосинтезу и являющиеся в пищевой цепи первым звеном, созидателем органических веществ из неорганических, называют продуцентами, к ним относятся все автотрофные организмы. Организмы, потребляющие готовые органические вещества (но не доводящие разложение органических веществ до простых минеральных составляющих), называют консументами (от лат. consumo – потребляю). Совокупность консументов образует трофические цепи, в которых выделяют консументы первого порядка (растительноядные), второго, третьего и т.д. порядков (хищники). Все гетеротрофные организмы относятся к консументам. Третья разновидность организмов редуценты – (от лат. reducentis - возвращающий, восстанавливающий). Редуценты (другое название – сапротрофы) – это организмы, разлагающие мертвоеорганическое вещество (трупы, отбросы) и превращающие его в неорганические вещества, которые затем усваиваются продуцентами.

Один из важнейших принципов экологии – принцип устойчивости, в соответствии с которым чем больше трофических уровней и чем они разнообразнее, тем устойчивей биосфера. В экологии показано, что живой мир – не совокупность живых существ, а единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимоотноше­ний. Если даже небольшая часть его погибнет, погибнет и все ос­тальное.

К важным выводам экологии можно отнести следующие, отмечав­шиеся еще Вернадским. 1. Каждый организм может существовать толь­ко при условии постоянной тесной связи со средой, т. е. с другими организмами и неживой природой. 2. Жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись на планете, стимулируя перераспределение энергии и веществ. 3. Раз­меры популяции возрастают до тех пор, пока среда может выдерживать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Чис­ленность популяции колеблется вблизи равновесного уровня.

Равновесие в живой природе не статично, как равновесие крис­талла, а динамично, представляя собой движение вокруг точки ус­тойчивости. Если эта точка не меняется, то такое состояние назы­вается гомеостазом («гомео» - тот же, «стасис» - состояние). В преде­лах «гомеостатического плато» за счет отрицательных обратных связей живой организм поддержи­вает параметры своей внутренней среды, противодействуя внешним воздействиям, на таком постоянном уровне. Например, кровяное давление, частота пульса, температура тела – все это обусловлено гомеостатическими механизмами, которые работают настолько хорошо, что мы обычно их не замечаем.

Механизм, ответственный за эволюцию живой природы, получил название гомеореза. Он дает возможность как бы перескакивать с одного устойчивого состояния на другое через неравновесные точки (как бы «с кочки на кочку»), тем самым проявляя такую отличитель­ную особенность живых тел, как их способность поддерживать устой­чиво неравновесное состояние. Средством, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на дос­таточно высоком уровне упорядоченности (на достаточно низ­ком уровне энтропии), является энергия, получаемая организмом из окружающей среды с продуктами питания.