Развитие биосистем

П равило ускорения эволюции: с ростом сложности организации биосистем темпы эволюции возрастают. Например: средняя продолжительность существования птиц – 2 млн. лет, млекопитающих – 800 тыс. лет, предковых форм человека – 200-500 тыс. лет, современного человека пока не более 50 тыс. лет (а уже возникли многие экологические кризисы, и генетики считают генетические резервы человека исчерпанными). Среди «живых ископаемых» нет высокоорганизованных видов. Высокая организация связана с относительно коротким сроком эволюции, однако число вымерших видов птиц и млекопитающих в сравнении со всем их количеством велико. Темпы вымирания и возникновения новых видов, очевидно, взаимосвязаны. Следует отметить, что достоверных сведений о возникновении нового вида нет. Открытие новых видов отнюдь не означает, что они появились сравнительно недавно (или давно), мы гораздо больше знаем о космосе, чем о Земле.

Внешние условия ограничивают интенсивность размножения организмов. Это отражено в правиле максимального «давления жизни»: организмы размножаются с интенсивностью, обеспечивающей максимально возможное их число. Однако «давление жизни» лимитировано емкостью среды жизни и многими другими закономерностями системного мира: законом ограниченного роста, правилами взаимоприспособленности, соответствия среды генетической предопределенности организма и др.

Эволюционные изменения идут также под контролем определенных правил и, прежде всего, закона эволюции А. Н. Северцова о чередовании ароморфозов (арогенезов), принципиально меняющих возможности вида к адаптации и расширению сферы обитания, и периодов аллогенезов (идиоадаптаций) – изменений частного порядка.

Принцип внезапного усиления патогенности: живое болезнетворное начало действует тем сильнее и разрушительнее, чем выше разница между его патогенностью и сопротивляемостью к ней, особенно, если этот дисбаланс возникает внезапно. Неожиданное усиление патогенности возникает в следующих случаях:

а) при мутации болезнетворного организма, приведшей к резкому возрастанию его вирулентности;

б) при выработке болезнетворным организмом новой экологической ниши (обычно при освобождении этой ниши другими организмами) в ранее не пораженном виде или иной систематической категории организмов;

в) при внедрении нового болезнетворного организма в экосистему, где нет механизмов регуляции его численности;

г) при очень резком изменении среды жизни для поражаемого организма или для экосистемы, куда он входит, что снижает его способность к сопротивлению болезнетворному началу;

д) при неблагоприятном изменении половозрастной структуры поражаемого вида (сильного постарения его особей или, наоборот, резкого их омоложения), в обоих случаях приводящем к снижению иммунитета.

Задание: приведите примеры на каждый пункт а-д.

Мутация может привести как к ароморфозу (арогенезу) – резкому расширению сферы обитания вида, возникновению многих близких форм, так и к аллогенезу (идиоадаптации) – изменениям частного порядка. В первом случае возможно катастрофическое поражение страдающего организма. Если при этом заметно изменились условия его обитания, может произойти полное вымирание поражаемого вида и более крупной систематической категории живого при условии, что данная категория не имеет очень большого запаса генетических преадаптаций для сопротивления болезнетворному началу. Видимо, этим объясняется вымирание видов и распространение ВИЧ-инфекции, африканской чумы свиней, птичьего и свиного гриппа и др.

Прогресс направляется как внешними, так и внутренними факторами. Внешними для развивающейся системы живого служат все воздействия надсистем – от Вселенной до ближайшей по иерархии, которые выступают как ограничения развития и как механизмы, к которым развивающаяся совокупность живого или с его участием вынуждена адаптироваться. Внутренние факторы – состояние генетического аппарата. У каждого вида программа развития признаков заложена в генетическом материале. Материал и закодированная в нем программа передаются от одного поколения другому, оставаясь относительно неизменными, благодаря чему представители того или иного вида выглядят и ведут себя почти одинаково.

Однако в популяции организмов любого вида всегда присутствуют небольшие изменения генетического материала и, следовательно, вариации признаков отдельных особей. Именно из этих разнообразных генетических вариаций процесс приспособления отбирает те признаки или благоприятствует развитию таких признаков, которые в наибольшей степени увеличивают шансы на выживание и тем самым на сохранение генетического материала. Адаптация, таким образом, может рассматриваться как процесс, посредством которого генетический материал повышает свои шансы на сохранение в последующих поколениях. С этой точки зрения, каждый вид олицетворяет собой успешный способ сохранения определенного генетического материала.

Единичные, как будто бы случайные, мутации на самом деле в массе направлены внешними воздействиями и внутренними механизмами, в основе которых лежат энергетические и физико-химические закономерности (в том числе молекулярно-генетические). Все это объясняет значительную скорость эволюции, хотя математически она не укладывается в представления о полной случайности и ненаправленности механизмов прогресса.

Новые группы либо остаются относительно неспециализированными, либо подчиняются правилу прогрессирующей специализации Ш. Депере (1876), гласящему, что группа, вступающая на путь специализации, как правило, в дальнейшем развитии будет идти по пути все более глубокой специализации. И чем глубже такая специализация, тем возможнее расхождение темпов адаптации организма и скорости изменения среды его обитания. Этот факт обобщает правило более высоких шансов вымирания глубоко специализированных форм О. Марша: быстрее вымирают более специализированные формы, генетические резервы которых для дальнейшей адаптации снижены.

Состояние живых систем в любой момент времени (динамическое состояние) характерно тем, что элементы системы постоянно разрушаются и строятся заново. Этот процесс носит название биологического обновления. Для обновления элементов в живых системах требуется постоянный приток извне веществ и энергии, а также вывод во внешнюю среду тепла и продуктов распада. Это означает, что живые системы обязательно должны быть открытыми системами. Благодаря этому в них создается и поддерживается химическое и физическое неравновесие. Именно на этом неравновесии основана работоспособность живой системы, направленная на поддержание высокой упорядоченности своей структуры, а, значит, на сохранение жизни и осуществление различных жизненных функций. Кроме того, живая система, благодаря свойству открытости, достигает стационарности, т.е. постоянства своего неравновесного состояния.

В изолированной системе (такая система не обменивается с внешней средой веществом и энергией), находящейся в неравновесном состоянии, происходят необратимые процессы, которые стремятся привести систему в равновесное состояние. Переход живой системы в такое состояние означает для нее смерть.

Таким образом, открытость – одно из важнейших свойств живых систем.

Чем мельче особи, тем труднее им противостоять процессам энтропии (ведущим к равномерному распределению энергии), закономерно организовывать энергетические потоки для осуществления жизненных функций. С другой стороны крупные организмы с большой массой тела требуют для поддержания этой массы значительных количеств энергии, получаемой с пищей. Возрастающая потребность в пище увеличивает давление укрупненных особей на среду. Одновременно усложняются процессы гуморальной и нервной регуляции в особях, затрудняется их передвижение, в том числе в поисках пищи. «Эффект динозавра» выражается не только и не столько в величине особи, как в несоответствии формы управлении ее размеру. Недаром у многих пресмыкающихся был сильно развит крестцовый мозг.

В целом укрупнение входит в противоречие с законом оптимальности. Это, как правило, приводит к вымиранию слишком крупных организмов при минимальных изменениях среды жизни. В частности, возможно, именно так, без очень значительных глобальных катастроф, могли исчезнуть гигантские рептилии. Поскольку понятие «крупный» и «мелкий» имеют относительное (системное) значение (по отношению к факторам среды и морфофизиологическим характеристикам организмов), могут вымирать и не гиганты, а лишь организмы, вышедшие за рамки закона оптимальности для данных условий.

Закон увеличения размеров организмов в филогенетической ветви может иметь и минусовой знак, т. е. происходит снижение их величины. В ряде случаев с ходом геологического времени организмы отдельных филогенетических ветвей мельчают, что дает им большие возможности для приспособления к среде обитания, в том числе в процессах поиска и добычи пищи. При определенном ее обилии на единицу площади мелкие размеры и высокая активность особей уравновешивают потери энергии при усиленном метаболизме. Однако если количество пищи на единицу площади сокращается, то измельчание по причине высокого метаболизма требует повышения активности. Баланс энергии может оказаться отрицательным, и в этом случае неизбежно вымирание вида. Переход закона оптимальности в меньшую сторону, как правило, эволюционно менее пагубен, чем в большую, но и он может вести к вымиранию или к новому укрупнению до достижения «средних» (энергетически оптимальных) размеров.