Основные биологические гипотезы и теории, законы и закономерности

Вопрос появления жизни на земле всегда был одним из самых актуальных для исследователей (А. И. Опарин, Дж. Холдейн, С. Фоке, С. Миллер, Г. Меллер). Получить ответ на этот вопрос затруднительно так как сложно точно воспроизвести процессы и явления, происходившие во Вселенной миллиарды лет назад.

Идеалисты считали (и считают) жизнь духовным, нематериальным началом, возникшим в результате божественного творения. Материалисты, напротив считали, что жизнь на Земле могла возникнуть из неживой материи путем самозарождения (абиогенез) или занесения из других миров, т. е. является порождением других живых организмов (биогенез). Жизнь – это способ существования белковых тел, способных самовоспроизводиться, саморазвиваться и поддерживать существование в результате обмена энергией и веществом с окружающей средой. В современной науке существует ряд гипотез о происхождении жизни на планете.

Появление жизни Опарин рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень – биохимическую эволюцию. Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой. Первый этап – химическая эволюция. Второй этап – появление белковых веществ (коацерватов и протобионтов). Третий этап – формирование способности к самовоспроизводству, появление живой клетки. Первые организмы были гетеротрофными. По мере исчерпания запаса, «первичного бульона» возникли автотрофы. С точки зрения теории вероятностей возможность синтеза сверхсложных биомолекул при условии случайных соединений их составных частей крайне низка. К настоящему времени ни одна из существующих теорий прямыми доказательствами не обладает.

Основополагающие теории. Клеточная теория (Т. Шванн, Т. Шлейден, Р. Вирхов). Все живые существа – растения, животные и одноклеточные организмы – состоят из клеток и их производных. Клетка – единица не только строения, но и развития всех живых организмов. Для всех клеток характерно сходство в химическом составе и обмене веществ. Активность организма проявляется в результате взаимодействия составляющих его самостоятельных клеточных единиц. Все живые клетки возникают из живых клеток.

Мембранная теория (М. Траубе, В. Пфеффер, Ч. Овертон). Проистекает из клеточной теории. Объясняет свойства клетки (проницаемость, способность избирательно аккумулировать вещества, сохранять осмотическую стабильность, и генерировать электрические потенциалы) свойствами ее плазматической мембраны, представленной двойным слоем фосфолипидов, пронизанных частично или полностью белками, с «натриевыми», «калиевыми» и другими (около 30 разновидностей) каналами.

Фазовая теория (Б. Мур, М. Фишер, В. Лепешкин, Д. Н. Насонов, А. С. Трошин, Г. Линг). Проистекает из теории саркоды Дюжардена. Является альтернативой общепринятой мембранной теории. Представляет мембрану как границу из поляризованной ориентированной воды и на основании этого объясняет свойства клетки, рассматривая ее как протоплазму – коллоидную систему, фазы которой образованы упорядоченной совокупностью молекул белка, воды и ионов, объединяемых в единое целое возможностью взаимопереходов.

Синтетическая теория эволюции (С. С. Четвериков, Н. В. Тимофеев Ресовский, Дж. Хаксли). Элементарной эволюционной единицей является популяция. Элементарное эволюционное событие – изменение генетического состава популяции. Основным материалом для эволюции служат мелкие мутации. Факторами эволюции (поставляющими материал) являются мутационный процесс, комбинативная изменчивость и волны численности (популяционные волны). Фактором, усиливающим генетические различия, является изоляция. Единственный направляющий фактор эволюции – естественный отбор, возникающий на основе борьбы за существование. Его действие основано на сохранении и накоплении случайных мелких мутаций.

Хромосомная теория наследственности (Т. Морган). Хромосомы с локализованными в них генами – основные материальные носители наследственности. Гены находятся в хромосомах и в пределах одной хромосомы образуют одну группу сцепления. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом. В хромосоме гены расположены линейно. В мейозе между гомологичными хромосомами может произойти кроссинговер, частота которого пропорциональна расстоянию между генами.

Закон зародышевого сходства (К. Бэр). На ранних стадиях зародыши всех позвоночных сходны между собой, и более развитые формы проходят этапы развития более примитивных форм. Закон необратимости эволюции (Л. Долло). Организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, уже осуществленному в ряду его предков. Закон эволюционного развития (Ч. Дарвин). Естественный отбор на основе наследственной изменчивости является основной движущей силой эволюции органического мира.

Закон сцепленного наследования (Т. Морган, 1911 г.): сцепленные гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно и не обнаруживают независимого распределения. Закон гомологических рядов наследственной изменчивости (Н. И. Вавилов, 1920 г.). Генетически близкие виды и роды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости. Закон генетического равновесия в популяциях (Г. Харди, В. Вайнберг). В неограниченно большой популяции при отсутствии факторов, изменяющих концентрацию генов, свободном скрещивании особей, отсутствии отбора и мутирования данных генов, а также отсутствии миграции, численные соотношения генотипов АА, аа, Аа из поколения в поколение остаются постоянными. Частоты членов пары аллельных генов в популяциях распределяются в соответствии с разложением бинома Ньютона (рА + qа).

Правило взаимодействия факторов: организм способен заменить дефицитное вещество или другой действующий фактор иным функционально близким веществом или фактором. Закон биогенной миграции атомов (В. И. Вернадский). Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, которое в настоящее время составляет биосферу, так и тем, которое существовало на Земле в течение геологической истории.

Правило чередования главных направлений эволюции (А. Н. Северцов) ‒ для всех групп животных и растений свойственно чередование ароморфозов, сопровождающихся выходом группы в новую среду, и идиоадаптаций, сопровождающихся освоением новых условий среды и формированием в этой группе новых таксонов. Правило прогрессирующей специализации (Ш. Депере) ‒ группа, вступившая на путь специализации, как правило, в последующем филогенетическом развитии углубляет специализацию и совершенствует приспособляемость к определенным условиям жизни.

Детерминированность ‒ предопределенность, обусловленная генотипом; закономерность, в результате которой из каждой клетки образуется определенная ткань, определенный орган, что происходит под влиянием генотипа и факторов внешней среды, в том числе и соседних клеток (индукция при формировании зародыша).

Единство живого вещества ‒ неразрывная молекулярно-биохимическая совокупность живого вещества (биомассы), системное целое с характерными для каждой геологической эпохи чертами. Уничтожение видов нарушает природное равновесие, что приводит к резкому изменению молекулярно-биохимических свойств живого вещества и невозможности существования многих процветающих видов, в том числе человека. Закономерность географического распределения центров происхождения культурных растений (Н. И. Вавилов) ‒ сосредоточение очагов формообразования культурных растений в тех районах земного шара, где наблюдается наибольшее их генетическое разнообразие.

Закономерность экологической пирамиды ‒ соотношение между продуцентами, консументами и редуцентами, выраженное в их массе и изображенное в виде графической модели, где каждый последующий пищевой уровень составляет 10 % от предыдущего. Зональность ‒ закономерное расположение на земном шаре природных зон, отличающихся климатическими условиями, растительностью, почвами и животным миром. Зоны бывают широтные (географические) и вертикальные (в горах).

Изменчивость ‒ способность организмов изменять свои признаки и свойства; генотипическая изменчивость наследуется, фенотипическая – не наследуется. Метамерность ‒ повторение однотипных участков тела или органа; у животных – членистое тело червей, личинок моллюсков и членистоногих, грудная клетка позвоночных; у растений – узлы и междоузлия стебля. Наследственность ‒ способность организмов передавать следующему поколению свои признаки и свойства, т. е. воспроизводить себе подобных.

Полярность ‒ противоположность концов тела: у животных – передний (головной) и задний (хвостовой), у растений – верхний (гелиотропический) и нижний (геотропический). Приспособленность ‒ относительная целесообразность строения и функций организма, явившаяся результатом естественного отбора, устраняющего неприспособленных к данным условиям существования.

Симметрия ‒ закономерное, правильное расположение частей тела относительно центра – радиальная симметрия (некоторые беспозвоночные животные, осевые органы растений, правильные цветки) либо относительно прямой линии (оси) или плоскости – двусторонняя симметрия (часть беспозвоночных и все позвоночные животные, у растений – листья и неправильные цветки). Цикличность ‒ повторение определенных периодов жизни; сезонная цикличность, суточная цикличность, жизненная цикличность (период от рождения до смерти). Цикличность вчередовании ядерных фаз – диплоидной и гаплоидной.