Світоглядні та наукові погляди на походження та історичний розвиток життя
- 27-09-2021, 20:00
- 312
9 Клас , Біологія 9 клас Остапченко, Балан, Поліщук
§ 43. Світоглядні та наукові погляди на походження та історичний розвиток життя
Пригадайте, у чому полягає внесок Карла Ліннея в розвиток біології. Які таксономічні категорії ви знаєте? Що таке гіпотеза, правило, закон, теорія в біології? Що таке дивергенція?
Ми розглянули дані різних біологічних наук, які доводять реальність еволюційного процесу, та встановили основні напрями еволюції живої матерії на нашій планеті. Не виникає сумнівів, що основним напрямом еволюції було ускладнення організації живих організмів.
Поступовий розвиток живої матерії від простіших форм до складніших зумовив взаємозв’язок усіх рівнів живого на нашій планеті. Ідею про це висловив видатний український учений В.І. Вернадський (мал. 227). Таким чином, нижчі рівні організації живої матерії входять складовими елементами до вищих: молекули - до складу клітин, клітини - до складу тканин та організмів, організми - до складу популяцій та видів, види - екосистем, окремі екосистеми - до складу єдиної глобальної екосистеми - біосфери.
Елементарною одиницею еволюції є популяції організмів, а середовищем еволюційних змін - екосистеми, у яких усі популяції взаємопов’язані трофічними, просторовими та іншими зв’язками і тому впливають одна на одну. Мікроеволюційні процеси, які відбуваються в популяціях, можуть спричиняти зміни їхнього генофонду, що створює передумови для видоутворення - виникнення нових видів. У свою чергу, видоутворення зазвичай відбувається за допомогою дивергенції - походженням нащадків від спільного предка. Завдяки цьому вчені встановлюють систематичні групи організмів, які включають усіх нащадків спільного предка (разом з вимерлими в процесі еволюції) (мал. 228). Їх називають монофілетичними.
Мал. 227. Вернадський Володимир Іванович (1863-1945): видатний український учений, створив вчення про біосферу та ноосферу, засновник нової науки - біогеохімії, яка вивчає діяльність різних груп організмів з перетворення оболонок нашої планети. Один із засновників Української академії наук (нині - Національна академія наук України) та перший її президент. Засновник Національної бібліотеки України (яка носить його ім’я)
Мал. 228. Тип Членистоногі - приклад монофілетичної групи тварин. Завдання. З допомогою вчителя назвіть групи, до яких належать зображені на малюнку членистоногі
Пригадайте: усі екологічні фактори, які діють на організми та їхні угруповання, є водночас і факторами еволюції. У процесі еволюції виживають зазвичай найбільш адаптовані особини, гірше адаптовані - гинуть.
Основні напрями еволюційного процесу. У 20-х роках XX ст. О.М. Сєверцов (див. мал. 205, 1) розробив учення про біологічні прогрес і регрес. Біологічний прогрес є наслідком досконалих адаптацій організмів до умов мешкання. Проявом біологічного прогресу є переважання в популяціях народжуваності над смертністю. Учений наводив такі показники біологічного прогресу: збільшення чисельності особин; розширення ареалу; утворення нових підгруп усередині певної систематичної групи.
Виникнення нових адаптацій до середовища життя зменшує смертність, унаслідок чого чисельність виду зростає. Підвищення густоти популяцій посилює внутрішньовидову конкуренцію. Це змушує особин виду розселятись, розширюючи ареал. Унаслідок цього утворюються нові популяції та підвиди. Наприклад, у стані біологічного прогресу в нинішній час перебувають такі види: ворона сіра, тарган рудий, заєць сірий, сосна звичайна, пирій, серед таксонів високого рангу - покритонасінні, комахи, черевоногі молюски, птахи, ссавці тощо.
На відміну від біологічного прогресу, біологічний регрес є наслідком неспроможності певної групи пристосуватися до змін довкілля. Він проявляється у зменшенні чисельності організмів, звуженні ареалу та може призвести до вимирання цієї групи. Наприклад, з ряду хоботних, що колись процвітав, дотепер лишилось тільки два види - африканський та індійський слони, які перебувають під загрозою повного вимирання.
Біологічний прогрес може бути досягнутий різними шляхами: ускладненням організації (ароморфоз), морфологічними змінами без підвищення чи зниження загального рівня організації (ідіоадаптації) та спрощенням організації (загальна дегенерація) (мал. 229).
Ароморфоз - еволюційне перетворення, яке підвищує рівень організації організму в цілому і відкриває нові можливості для засвоєння нових середовищ життя. Наприклад, поява чотирикамерного серця сприяла розподілу крові на венозну та артеріальну й зумовила виникнення теплокровності; таким чином, температура тіла у птахів і ссавців стала менше залежати від температури довкілля; утворення квітки в покритонасінних привело до урізноманітнення способів запилення, формування стінки плоду, що захищають насінини, процесу подвійного запліднення тощо.
Ідіоадаптація - зміни в будові організму, що мають характер пристосування до певних умов та не змінюють рівня його організації. Приклади ідіоадаптацій - це різноманітна будова квіток покритонасінних, пристосованих до різних способів запилення (комахами, вітром тощо); різноманітні ротові органи комах, пристосовані до споживання різної їжі та ін. (мал. 230).
Мал. 229. Шляхи досягнення біологічного прогресу
Запам’ятаємо: вузька спеціалізація видів часто є наслідком міжвидової конкуренції: вона може зменшувати гостроту конкуренції між ними.
Мал. 230. Приклади ідіоадаптацій: I - будова квітки комахозапильних (1) та вітрозапильних (2) рослин; II - ротові органи комах: гризучого типу (1), пристосовані для споживання твердої їжі; гризучо-лижучого типу (2) - пристосовані для злизування рідкої їжі; сисного типу (3) - пристосовані для живлення нектаром; колючо-сисного типу (4) слугують для проколювання покривів рослин, тварин і людини та висмоктування у рослин - соків, у тварин і людини - крові
Загальна дегенерація - явище спрощення організмів у процесі еволюції. Воно характерне для паразитів і малорухливих організмів (зникнення травної системи у стьожкових червів, відсутність голови у двостулкових молюсків тощо).
Проблема виникнення життя на нашій планеті й натепер лишається однією із центральних у сучасній науці. На сьогодні не існує єдиної гіпотези, яка б однозначно дала відповідь на це питання й до того ж навела беззаперечні докази. Є низка таких гіпотез, кожна з яких намагається пояснити появу живої матерії на планеті Земля зі своїх позицій.
Креаціонізм (від лат. креаціоніс - творіння) - концепція, згідно з якою неорганічний світ і всі живі істоти, включно з людиною, створені Богом. Погляди креаціоністів ґрунтуються на текстах, викладених у Священних книгах: Біблії (у християнстві), Торі (в іудаїзмі), Корані (мусульманство). Сучасний креаціонізм характеризується різними напрямами, частина яких не визнає процесу еволюції, інші ж вважають, що еволюція є засобом здійснення Богом його мети.
Гіпотези абіогенезу (гіпотези спонтанного зародження життя з неорганічної матерії) відомі ще з античних часів. Їх висували вчені стародавніх цивілізацій Китаю, Греції, Єгипту тощо ще тисячі років тому. Зокрема, давньогрецький філософ Анаксімандр (мал. 231, 1) вважав, що живі істоти походять з відкладень морського дна: вони виникають з нагрітої води із землею. Інший давньогрецький учений - Арістотель (мал. 231, 2) вважав, що живі істоти постійно виникають з мулу, гною тощо, частинки яких містять «активний зародок», що за відповідних умов може дати початок живому організму.
Погляди щодо можливості самозародження життя існували тривалий час. Так, голландський дослідник Я. ван Гельмонт (1577-1644) описав дослід з виникнення («мимовільного зародження») мишей з пропотілої сорочки в темній шафі зі жменею пшениці.
Багато вчених дослідним шляхом намагалися довести неможливість самозародження життя, але їхні експерименти вважали непереконливими. Лише в 1860-1862 рр. видатний французький біолог Луї Пастер експериментально довів неможливість самозародження життя на нашій планеті в сучасних умовах (мал. 232). Він сконструював оригінальний прилад, що мав вигляд колби, до гирла якої була приєднана S-подібна трубка. У колбу наливали прокип’ячений поживний бульйон. На відміну від посудин іншої форми, де невдовзі на поверхні бульйону спостерігали «самозародження життя» - з’являлася бактеріальна плівка, у пастерівській колбі бульйон тривалий час залишався стерильним. Це пояснювалося тим, що незважаючи на те, що повітря вільно доходило до поверхні бульйону, спори та цисти бактерій осідали в S-подібній трубці і затримувалися там. Але варто було обмити бульйоном цю трубку, як на його поверхні розвивалася бактеріальна плівка. Отже, Л. Пастер остаточно довів неможливість самозародження життя на нашій планеті, за що йому 1862 р. було присуджено премію Французької академії наук.
Мал. 231. Давньогрецькі вчені - автори перших гіпотез походження життя: 1 - Анаксімандр (бл. 610-546 рр. до н.е.): одним з перших висловив свою гіпотезу походження світу, ввів термін «закон»; 2 - Арістотель (384-322 рр. до н.е.): видатний давньогрецький учений, якого вважають батьком біології. Йому належать перші біологічні праці, зокрема «Історія тварин», у яких він описав відомі йому види тварин (близько 500) і намагався їх класифікувати. Класифікація тварин, яку він запропонував, проіснувала багато віків, майже до праць К. Ліннея
Мал. 232. Луї Пастер (1822-1895) - видатний французький мікробіолог. Відкрив мікробіологічну суть процесів бродіння і збудників багатьох хвороб людини, став одним з основоположників таких наук, як мікробіологія та імунологія. Створив вакцину проти сибірки і розробив методику щеплення проти сказу. Його ім’я широко відоме завдяки створеній ним і названій пізніше на його честь технології пастеризації. Став першим директором Інституту мікробіології, заснованого в Парижі 1888 р. (згодом названий на його честь Інститутом Пастера). Після смерті Л. Пастера заступником директора інституту з 1905 р. працював наш співвітчизник І.І. Мечников
Найбільш відомою з абіогенних гіпотез походження життя є біохімічна гіпотеза, яку в 20-х роках XX ст. запропонували О.І. Опарін та Дж. Холдейн (мал. 233, 1). Вони вважали, що біологічній еволюції передувала хімічна еволюція органічних речовин, яка тривала кілька сотень мільйонів років аж до часу виникнення перших живих істот. Як свідчать геологічні дані, первинна атмосфера Землі складалася з вуглекислого газу, метану, аміаку, оксидів Сульфуру, сірководню та водяної пари. Вільний атмосферний кисень та озоновий екран були відсутні, і на поверхню суходолу та Світового океану падав активний потік космічного та сонячного випромінювань, включно з ультрафіолетовими променями. Унаслідок високої вулканічної активності до океану та атмосфери з надр Землі постійно надходили різноманітні хімічні сполуки. В атмосфері Землі були часті грози, електричні розряди - блискавки - сягали поверхні первісного Світового океану. Все це створювало умови для перебігу хімічних реакцій між різними неорганічними сполуками, у ході яких могли утворитися органічні речовини.
Органічні сполуки, утворені в первісному океані, збирались у скупчення, відокремлені водною оболонкою, - коацерватні краплини (мал. 233, 2). Вони поводилися як відкриті системи: виявляли здатність поглинати ззовні різні сполуки. Унаслідок цього розміри коацерватних краплин збільшувались, що нагадувало ріст клітин. У концентрованому розчині органічних речовин усередині коацерватних краплин могли відбуватись різні біохімічні процеси, що теоретично могло спричинити появу молекул, здатних до самовідтворення (таких як молекули нуклеїнових кислот). Гіпотеза Опаріна-Холдейна стверджує, що коацерватні краплини якось перетворились на гіпотетичні «доклітинні» біологічні системи, здатні до самоорганізації, - протобіонти. Від таких упорядкованих скупчень органічних сполук, у тому числі й біополімерів, могли виникнути первісні клітини - протоклітини.
Експериментально отримати примітивні клітини із скупчень органічних сполук у лабораторних умовах досі не вдалося. Тож і походження життя шляхом абіогенного синтезу органічних сполук досі залишається дискусійним, бо не має експериментального підтвердження.
Цікаво знати
Прихильником ідеї самозародження життя був і Ж.-Б. Ламарк (див. мал. 1). Пригадайте: він вважав, що одні види організмів у процесі еволюції переходять в інші, з більш високим рівнем організації. Йому були відомі й приклади вимирання певних видів організмів, унаслідок чого видове різноманіття нашої планети мало б скорочуватись. Оскільки Ж.-Б. Ламарк не знав про процес дивергенції, який відкрив Ч. Дарвін, збереження видового різноманіття він пояснював тим, що нові види постійно самозароджуються.
Мал. 233. Біохімічна гіпотеза походження життя на Землі: 1 - автори гіпотези: Олександр Іванович Опарін (1894-1980) (а) та Джон Бердон Сандерсон Холдейн (1892-1964) (б); 2 - схема утворення коацерватних краплин
Цікаво знати
Можливість синтезу простих органічних сполук з неорганічних була експериментально доведена в 30-х роках XX ст. У 1952-1953 рр. два американські вчені - Стенлі Міллер та Гарольд Юрі сконструювали прилад, за допомогою якого відтворили умови, які могли існувати в той час на нашій планеті (мал. 234). Їхньою метою було довести гіпотезу Опаріна-Холдейна. Прилад становив собою систему герметично запаяних скляних колб і трубок. У неї закачували гази: метан, амоніак, водень, в одну з колб заливали воду, до іншої підводили пару електродів: між електродами періодично пропускали іскру, яка імітувала розряди блискавки. Колбу з водою нагрівали, щоб вона випаровувалася. Потім прилад охолоджували, і вода конденсувалася. У цьому приладі вдалося синтезувати чотири амінокислоти.
Мал. 234. Прилад, який сконструювали С. Міллер та Г. Юрі, і за допомогою якого було доведено можливість синтезу низькомолекулярних органічних сполук з неорганічних речовин
Цікаво знати
Новий етап уявлень про самозародження та еволюцію життя на нашій планеті пов’язаний з ідеями так званого світу молекул РНК. Уперше їх висловив американський мікробіолог Карл Річард Воуз (1928-2012) і згодом розвинули британський хімік Леслі Ілізер Орджел (1927-2007) та американський фізик Волтер Гілберт (нар. 1932). Їхні уявлення базуються на тому що молекули РНК можуть не тільки зберігати спадкову інформацію, а й виконувати функції ферментів. На базі скупчень молекул РНК, що виникли на певному етапі розвитку нашої планети, могли сформуватись асоціації молекул РНК, ДНК і білків. Такі асоціації могли відокремлюватись біологічними мембранами від зовнішнього середовища. На ранніх етапах зародження життя на Землі молекули РНК могли існувати автономно завдяки здатності до самоподвоєння та каталітичним властивостям. Виникнення нових мутацій могло спричинити появу молекул РНК, здатних каталізувати біосинтез певних білкових молекул. Поява молекул ДНК зумовила здійснення ними функцій спеціалізованих «зберігачів» спадкової інформації. Натомість за молекулами РНК залишилися функції посередників між ДНК та молекулами білків, що синтезуються. Цікаво, що в деяких РНК-вмісних вірусів, наприклад ВІЛ, молекули РНК слугують матрицею для синтезу ДНК (чого не спостерігають ані в еукаріотів, ані у прокаріотів).
Гіпотези біогенезу базуються на поглядах, що жива матерія може походити лише від живої матерії. Прихильники цих гіпотез розглядають життя як особливу форму існування матерії, що існує стільки само часу, як і Всесвіт, тому їх ще називають гіпотезами вічності життя. Ці гіпотези не намагаються пояснити, як виникло життя, а стверджують лише про його позаземне походження.
Сучасні біогенні погляди мають назву гіпотези панспермії (від грец. пан - усе та сперматос - насіння). Уперше висловив думку про можливість занесення життя з космосу ще давньогрецький філософ Анаксагор у V ст. до н. е. Гіпотезу панспермії сформулював шведський фізик С.А. Арреніус (мал. 235) на початку XX ст., а розвинув український учений В.І. Вернадський. До її прихильників належать видатні вчені: зоолог Л.C. Берг, географ О.Ю. Шмідт, астроном Й.С. Шкловський, один із відкривачів молекулярної структури молекули ДНК біохімік Ф. Крік та багато інших.
Гіпотеза панспермії припускає, що спори прокаріотів можуть, не втрачаючи життєздатності, витримувати перебування у вакуумі при температурах, близьких до абсолютного нуля (-273,15 °С), жорстке радіаційне та ультрафіолетове опромінення, тобто умови космічного простору. Вони легко потрапляють у верхні шари атмосфери планет і завдяки мізерній власній масі можуть звідти потрапляти у відкритий космос.
Мал. 235. Прихильники біогенних гіпотез походження життя на Землі: 1 - Анаксагор (близько 500-428 рр. до н. е.) - давньогрецький філософ, математик та астроном; 2 - Арреніус Сванте Август (1859-1927) - видатний шведський фізик, хімік та астроном, лауреат Нобелівської премії з хімії (1903)
Отже, у космосі присутні спори прокаріотів, які неначе дощем безперервно могли потрапляти на планети за умов відсутності щільної атмосфери. За сприятливих умов з них виходили активні форми прокаріотів різних видів, які утворювали первинні екосистеми. У подальшому еволюція таких «первинних» видів відбувалася в різних напрямах відповідно до змін умов довкілля на певних небесних тілах.
Цікаво знати
С.А. Арреніус підрахував, що тиск світла спричинює помітну механічну дію на частки діаметром близько 0,015 мм, переміщуючи їх. Саме такий діаметр мають спори більшості бактерій. Спора, розганяючись під дією тиску сонячних променів, за 20 діб може подолати відстань між орбітами Землі та Марса, а за 80 - досягти орбіти Юпітера. Нещодавно в метеоритах знайдено спороподібні утвори.
Коротко про головне
Наслідком адаптацій організмів до середовища життя може бути біологічний прогрес або біологічний регрес. Біологічний прогрес може досягатися шляхом ароморфозу, ідіоадаптацій або загальної дегенерації.
Існують різні гіпотези, які намагаються пояснити походження життя на нашій планеті. Креаціонізм вважає, що життя створене Богом. Гіпотези абіогенезу стверджують, що життя на нашій планеті виникло шляхом небіологічного (абіогенного) синтезу органічних сполук з неорганічних, з подальшим виникненням первинних клітин та їхньою подальшою еволюцією. Гіпотези біогенезу пояснюють походження життя на нашій планеті його потраплянням з космосу (гіпотеза панспермії).
Ключові терміни та поняття: біологічний прогрес, біологічний регрес, ароморфоз, ідіоадаптації, загальна дегенерація, креаціонізм, гіпотези абіогенезу та біогенезу.
Перевірте здобуті знання
1. Що таке біологічний прогрес та біологічний регрес? 2. Якими шляхами може бути досягнутий біологічний прогрес? 3. Чим характеризуються ароморфози? 4. Назвіть характерні риси ідіоадаптацій. 5. Чим характеризується загальна дегенерація? 6. Що таке креаціонізм? 7. У чому полягає суть абіогенних гіпотез виникнення життя? 8. Які основні положення гіпотези панспермії?
Поміркуйте
На прикладі певних груп організмів визначте риси ароморфозів, ідіоадаптацій або загальної дегенерації в їхній організації. Свої висновки обґрунтуйте.
Коментарі (0)