Походження життя
Існує декілька теорій походження життя на Землі. Найбільш поширені з них стверджують, що життя:
• було створене Богом (креаціонізм);
• виникло з неживої речовини (теорія довільного зародження);
• існувало завжди (теорія стаціонарного стану);
• занесене на нашу планету ззовні (теорія панспермії);
• з’явилося в результаті фізичних і хімічних процесів на Землі (теорія біохімічної еволюції).
Прихильники креаціонізму уявляють створення світу одноразовим актом, який не піддається спостереженню. У кожної релігії є своє уявлення про те, як і коли саме Бог створив життя.
Л. Пастер
Теорія довільного зародження життя бере початок від гіпотези Арістотеля, згідно з якою певні частини речовини містять «активний початок», який за відповідних умов може створити живий організм. У 1862 р. Л. Пастер довів, що бактерії розповсюджуються повітрям, і якщо повітря, яке потрапляє в колби з пастеризованим бульйоном, позбавлене їх, то бактерій в бульйоні не буде. Пастер довів справедливість теорії біогенезу (живе походить тільки від живого) і остаточно спростував теорію спонтанності в зародженні життя. У 1924 р. О. І. Опарін, а в 1929 р. Дж. Холдейн висловили думку, що атмосфера первинної Землі була не такою, як тепер. Головними її особливостями були відновний характер і відсутність вільного кисню.
О. І. Опарін
У цих умовах під дією могутніх електричних зарядів і сонячного проміння в атмосфері з аміаку, метану і води могли утворитися прості органічні сполуки.
С. Міллер
У 1953 р. С. Міллер провів ряд експериментів, у яких відтворив умови первісної Землі. Йому вдалося довести можливість отриманняз амоніаку, метану, сірководню, вуглекислого газу і води величезного набору різних органічних сполук: вуглеводнів, сечовини, карбонових кислот, вуглеводів, амінокислот, альдегідів, пуринів і піримідинів. Наступним кроком стало утворення великих полімерів з малих органічних мономерів. Стабільність полімерних молекул зростає при збільшенні їх довжини, оскільки вони здатні скручуватися в глобули або інші, ще стійкіші структури. Серед полімерів у первісному океані Землі з’явилися білки, нуклеїнові кислоти, ліпіди, полісахариди й інші речовини.
О. І. Опарін вважав, що вирішальна роль у перетворенні з неживого на живе належить білкам. Саме вони могли проявляти каталітичну активність, об’єднуватися в агрегати і, головне, каталізувати реакції власного подвоєння. Дійсно, молекули білків, нуклеїнових кислот та інших біополімерів у водному розчині здатні створювати згустки, подібні до тих, що спостерігаються у водних розчинах желатину. Такі згустки Опарін назвав коацерватними краплями, або коацерватами. Коацервати могли бути вкриті оболонкою і обмінюватися деякими речовинами з навколишнім середовищем. Природно припустити, що всередині коацерватних крапель якісь речовини вступали в хімічні реакції. Такий хід подій, на думку О. І. Опаріна, призводив до ускладнення коацерватів, поки у них не з’явилася здатність до самоподвоєння. З цієї миті, очевидно, можна говорити про виникнення примітивного гетеротрофного організму, що самовідтворюється, поживним середовищем для якого служили органічні речовини «первинного бульйону».
Еволюційна теорія Ч. Дарвіна
Ч. Дарвін
Еволюційна теорія англійського ученого Ч. Дарвіна (1809—1882) має основні положення:
1. Умови зовнішнього середовища викликають зміну організмів, але ці зміни (модифікації) не успадковуються і не відіграють важливої ролі в еволюції.
2. Випадкові, ненаправлені зміни в окремих особин (мутації) можуть передаватися по спадку, якщо вони відбуваються в статевих клітинах. Саме такі зміни важливі для еволюції.
3. Усі успадковані зміни відносні, тобто в одних умовах вони можуть бути корисними, в інших — шкідливими або нейтральними. Якщо в даних умовах вони виявляються корисними, то організми з такими змінами виживають і дають потомство.
Головні рушійні сили еволюції: боротьба за існування; природний добір на основі спадкової мінливості.
Основні чинники еволюції: спадкова мінливість; природний добір; ізоляція; популяційні хвилі; дрейф генів.
Результати еволюції: відносна пристосованість видів; ускладнення організації; видоутворення.
Боротьба за існування — це активна або пасивна конкуренція між організмами, що виникає через невідповідність між здатністю видів до необмеженого розмноження і обмеженістю природних ресурсів. Розрізняють такі види боротьби за існування: внутрішньовидова, міжвидова, боротьба з несприятливими умовами середовища. Внутрішньовидова боротьба викликається однаковою у всіх особин даного виду потребою в їжі, території та інших ресурсах. Міжвидова боротьба виникає між особинами різних видів, що використовують одні й ті ж харчові ресурси, територію. Боротьба з несприятливими умовами середовища полягає у виживанні організмів при постійній дії абіотичних чинників середовища — повеней, засух, морозів, приливів і відливів, штормів, заболочування, сніжної лавини, селів, пожеж і т. д.
Результатом боротьби за існування є виживання найбільш пристосованих і їх розмноження. Слабкі особини гинуть або не породжують потомства, їх гени елімінуються. У ході боротьби за існування відбувається природний добір — вибіркове знищення одних особин і вибіркове виживання інших.
Природний добір — процес, у результаті якого найбільш пристосовані організми виживають і розмножуються, а менш пристосовані — гинуть і не залишають потомства. Природний добір — це єдиний чинник еволюції, що здійснює направлену зміну генотипного складу популяцій. Виділяють три типи добору — направлений, стабілізувальний і дизруптивний (розриваючий).
Направлений, або рушійний, добір викликає однонаправлені зміни генетичного складу популяції. Він спостерігається в тих випадках, коли популяція пристосовується до нового середовища. Стабілізувальний добір не сприяє еволюційним змінам і з покоління в покоління підтримує фенотипну стабільність популяції. Якщо популяція добре пристосована до стабільного середовища, то добір зводиться до елімінації мутантних особин і особин, які відхиляються від норми.
Дизруптивний (розриваючий) добір направлений проти особин із середнім і проміжним характером ознак, тобто веде до стабілізації крайніх форм і встановлення поліморфізму в популяції. Популяція при цьому підрозділяється за даною ознакою на декілька груп.
Відносна пристосованість
Результатом дії рушійних сил еволюції є відносна пристосованість видів до умов навколишнього середовища. У поняття «пристосованість» входять забарвлення, форма тіла, поведінка, особливості фізіологічних і біохімічних процесів і т. д.
Одним з найяскравіших прикладів пристосованості є захисне забарвлення, що робить тварину схожою з навколишніми предметами. Деякі тварини можуть змінювати забарвлення тіла під колір місцевості, наприклад хамелеони і восьминоги. Різновид захисного забарвлення — розчленовуюче, як у тигра і зебри. Чергування різнокольорових вертикальних смуг розбиває контур тварини на фоні навколишнього пейзажу та інших особин стада. Деякі тварини мають не тільки захисне забарвлення, але й маскуючу форму тіла. Захисне (загрозливе) забарвлення попереджає хижаків, що її власник отруйний або неїстівний. Це різке, яскраве забарвлення, як, наприклад, у сонечка. Деякі беззахисні види мають забарвлення, схоже з таким у неспоріднених, добре захищених і маючих захисне забарвлення видів. Таке наслідування називається мімікрією. Пристосувальна поведінка має велике значення для виживання організмів у боротьбі за існування. Існують різні варіанти пристосувальної поведінки: затаювання у разі небезпеки, демонстративна і відлякуюча поведінка у разі наближення ворога, запасання корму на несприятливий сезон, різноманітні форми піклування про потомство.
Дрейф генів — випадкові, ненаправлені зміни частот алелей у популяції. Роль дрейфу генів особливо зростає, коли чисельність популяції різко скорочується (у результаті катастроф, зміни середовища, популяційних хвиль). При цьому через випадковість у популяції можуть значно зрости або знизитися частоти тих або інших алелей. Через зростання частки близькоспоріднених схрещувань деякі алелі можуть повністю зникнути з популяції, а інші, навпаки, стати переважаючими.
Популяційні хвилі (коливання чисельності особин, що становлять популяцію) — це чинник еволюції, який припускає невиборче, випадкове знищення особин, завдяки чому рідкісний генотип (алель) може стати звичайним і підхопитися природним добором.
Причини коливання чисельності популяцій:
1) періодичні (сезонні) коливання чисельності характерні для короткоживучих організмів — комах, найпростіших, однорічних рослин;
2) неперіодичні коливання чисельності залежать від складного поєднання ряду чинників — чисельності хижаків, великої кількості кормових ресурсів;
3) спалахи чисельності видів спостерігаються в нових для них районах, де відсутні їхні природні вороги (кролики в Австралії, домові горобці в Північній Америці);
4) різкі коливання чисельності пов’язані з природними катастрофами (засухою, пожежами, повенями та ін.).
У популяції, що пережила катастрофічне скорочення чисельності, частоти алелей будуть іншими, ніж у початковій популяції. При цьому деякі присутні в малих концентраціях алелі можуть зникнути з популяції, а концентрація інших алелей може випадково підвищитися при подальшому спалаху чисельності.
Штучний добір — це вибір і подальше розмноження організмів, що мають господарсько-цінні або декоративні ознаки і властивості (продуктивність, довжина шерсті, кількість молока, розмір плодів, кількість насіння і т. д.), який робить людина. Виведені сорти рослин або породи тварин несуть один або декілька гіпертрофованих ознак, зумовлених надмірною активацією певних генів. Такі організми не можуть вижити в дикій природі. Ч. Дарвін показав, що між природним і штучним добором сполучною ланкою є несвідомий добір як основна форма відбору, виконаного людиною на перших щаблях її культурного розвитку.
Мікроеволюція і видоутворення
Мікроеволюція — еволюційні перетворення виду на рівні популяцій, які ведуть до внутрішньовидової дивергенції і видоутворення. Мікроеволюційний процес починається з відносної ізоляції популяцій і поступової зміни їх генетичного складу за рахунок накопичення мутацій. Це призводить спочатку до дивергенції в результаті незалежної дії природного добору й інших чинників еволюції, а потім — до видоутворення.
Дивергенція і конвергенція
Боротьба за існування, природний добір і ізоляція призводять до дивергенції (дивергентної еволюції) — розбіжності ознак організмів порівняно з початковою предковою формою. Еволюція, в результаті якої з однієї форми предка виникає безліч різноманітних форм, що займають різні місця існування, називається адаптивною радіацією.
Якщо групи організмів адаптуються до схожих умов середовища, у них виникають риси, які мають поверхневу подібність. Розвиток схожих комплексів ознак у групах різного еволюційного походження називається конвергенцією (конвергентною еволюцією).
Прикладом конвергенції є розвиток крил у літаючих плазунів, птахів і ссавців, а також у комах.
Видоутворення
При алопатричному (географічному) видоутворенні види утворюються в результаті просторової ізоляції популяцій. Один із способів — розрив ареалу предкового виду. Інший спосіб алопатичного видоутворення — розселення вихідного виду.
При симпатричному видоутворенні види утворюються з популяцій предкового виду на одній географічній території; при цьому чинниками видоутворення є репродуктивна і тимчасова ізоляція, спонтанні зміни генетичного матеріалу і поліплоїдія.
Макроеволюція
Макроеволюція — еволюційні перетворення надвидового масштабу, що відбуваються на великих територіях протягом тривалих періодів часу, в результаті яких створюються великі систематичні групи — роди, родини, ряди. Макроеволюція відбувається на основі мікроеволюційних процесів.
Головні напрями еволюції
В еволюційному процесі можна виділити два основні напрями: біологічний прогрес і біологічний регрес. Під біологічним прогресом розуміється збільшення чисельності таксона, розширення ареалу, зростання числа дочірніх таксонів. Основними шляхами досягнення біологічного прогресу (головними напрямами еволюції) є ароморфоз, ідіоадаптація і дегенерація.
Ароморфоз — шлях еволюції, при якому ускладнення будови тіла і вдосконалення фізіологічних функцій істотно підвищує рівень організації еволюціонуючої групи. У результаті ароморфозів організми одержують якісно нові можливості для пристосування до умов зовнішнього середовища. Ароморфози є характерними особливостями великих таксонів. Прикладом можуть служити ароморфози, що дозволили ссавцям стати панівним класом: чотирикамерне серце, здатність підтримувати постійну температуру тіла, істинне живородіння, прогресивний розвиток переднього мозку. Для покритонасінних рослин ароморфозом є наявність репродуктивного органу — квітки та плоду, що сприяє розповсюдженню насіння.
Ідіоадаптація — зміни приватного порядку, які є результатом пристосування до різних умов середовища, без підвищення рівня організації. Ідіоадаптації ведуть до збільшення видової різноманітності, швидкого зростання чисельності таксона. У результаті ідіоадаптацій виникли такі різноманітні ряди ссавців, як Рукокрилі, Хоботні, Китоподібні, Примати.
Дегенерація — спрощення рівня організації в результаті переходу до паразитичного або прикріпленого способу життя. Дегенерація пов’язана з крайньою спеціалізацією і часто супроводжується редукцією окремих органів і систем. Редукція дихальної, кровоносної і нервової систем у печінкового сисуна, котячої двоустки, бичачого ціп’яка є результатом пристосування до ендопаразитизму.
Біологічний регрес — зменшення чисельності таксона, звуження ареалу і зменшення числа підлеглих систематичних груп. Як правило, зниження чисельності виду є наслідком нездатності адаптуватися до умов навколишнього середовища. Частіше регресу піддаються вузькоспеціалізовані види.
Докази еволюції
Дані палеонтології. Палеонтологія вивчає викопні залишки живих організмів. На основі палеонтологічного літопису можна описати живі організми, які існували мільйони років тому, і умови їх життя. Проте цей літопис неповний, у ньому бракує багатьох ланок — перехідних форм.
Дані порівняльної анатомії. Порівняльна анатомія вивчає форму й будову окремих органів, а також їх еволюційні зміни. При порівняльному вивченні анатомічних особливостей окремих груп тварин або рослин між ними знаходиться подібність. Наприклад, про єдність походження хребетних тварин свідчать такі ознаки.
1. Загальний план будови — двостороння симетрія, наявність порожнини тіла, спинного та головного мозку.
2. Гомологічні й аналогічні органи. Органи, що відповідають одне одному за будовою і походженням, називаються гомологічними (лапа собаки, нога слона, ластоподібні кінцівки моржів, крило птаха). Органи, які мають загальні риси в будові та функціонуванні, але формуються в ході ембріонального розвитку з різних клітинних елементів (мають різне походження), називають аналогічними. Наприклад, крило метелика (складка на другому сегменті грудей) — крило птаха (видозмінена кінцівка) — крило кажана (шкірна складка між передньою і задньою кінцівками).
3. Рудименти — органи, які в процесі еволюції втратили своє первинне значення і знаходяться на стадії зникнення. Наприклад апендикс у людини — рудиментарний залишок сліпої кишки, розвиненої у її предків.
4. Атавізми — прояв в окремих особин ознак, властивих далеким предковим видам (багатососковість, густий волосяний покрив у людини).
Дані порівняльної ембріології. Вивчення ембріонального розвитку організмів показало, що кожна особина в індивідуальному розвитку (онтогенезі) коротко і швидко повторює історію розвитку свого виду (філогенез). Ця закономірність називається біогенетичним законом Мюллера — Геккеля.
Дані біогеографії. Біогеографія вивчає розподіл тварин і рослин на Землі.
В Австралії живуть сумчасті ссавці, ростуть стародавні голонасінні (саговники) і деревоподібні папороті. Ця частина світу раніше за інші відокремилася від первинного загального материка і тому відрізняється своєрідністю флори і фауни, а також повільними темпами еволюції. Істотно розрізняється тваринний і рослинний світ Північної і Південної Америки. Це пояснюється тим, що два континенти з’єдналися порівняно недавно. Пояснити особливості сучасного географічного розміщення тварин і рослин на Землі можна тільки за допомогою еволюційних уявлень. Чим більше були ізольовані окремі ділянки біосфери, тим глибше наявні відмінності їх тваринного і рослинного світу. Дані порівняльної біохімії
Біохімічні дані є дуже зручним критерієм для визначення спорідненості еволюційних груп. Чим більше подібна структура ДНК тих чи інших організмів, тим у ближчій спорідненості вони знаходяться. Те саме стосується будови деяких білків, первинна структура яких у багатьох організмів практично однакова. Імунологічні дослідження виявляють ступінь еволюційної спорідненості між видами. Біохімічну гомологію підтверджує наявність у хребетних подібних або ідентичних гормонів, які виконують аналогічні функції.
Термоядерні реакції
Термоядерними називають реакції синтезу деяких ядер із більш легких, оскільки для злиття ядер вихідні речовини треба нагріти настільки, щоб кінетична енергія ядер перевищувала енергію відштовхування їх протонів. Так, для злиття ядер дейтерію і тритію потрібна температура близько К. Поки що такими реакціями керувати не вдається. Вони здійснені лише у водневій бомбі, де вихідною речовиною є дейтерид літію LiD, схеми реакцій: ; .
Саме за рахунок реакцій синтезу виділяється енергія Сонцем та іншими зірками.
У лабораторних умовах провадяться експерименти з нагрівання суміші легких ізотопів потужними лазерними променями. Інший напрям — нагрівання іонізованої газової суміші ізотопів Гідрогену електричним струмом, оточеним сильним магнітним полем.
Найбільш відомі установки другого типу, які одержали назву ТОКАМАК (тороїдальна камера з магнітними котушками), були створені в Радянському Союзі. На базі найбільшого з токамаків розпочато спорудження міжнародного промислового термоядерного реактора у Франції (м. Кадараш). Серед країн-учасниць проекту — Росія, США, Японія, Південна Корея й Китай. Орієнтовний термін виготовлення реактора — 2015 рік. Реактор розраховують на вироблення 7 млрд кіловат-годин електроенергії при затратах 100 г дейтерію і 3 т літію за рік.
