Біологія. Повторне видання. 9 клас. Остапченко

§ 45. Світоглядні та наукові погляди на походження та історичний розвиток життя

Пригадайте, чому популяцію вважають елементарною одиницею еволюції? 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 дали змогу встановити основні напрями еволюції живої матерії на нашій планеті. Не виникає сумнівів, що основним напрямом еволюції було ускладнення організації 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. 45.1). 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.

Мал. 45.1. 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)

Якщо елементарною одиницею еволюції вважають популяцію організмів, то 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. 45.2). Такі групи називають монофілетичними.

Мал. 45.2. Тип Членистоногі - приклад монофілетичної групи тварин. Завдання. З допомогою вчительки/вчителя назвіть групи, до яких належать зображені на малюнку членистоногі

Пригадаймо: 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. 42, 1) розробив учення про біологічні прогрес і регрес як основні напрями еволюції. Біологічний прогрес є наслідком формування досконалих адаптацій організмів до умов існування. 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 певної систематичної групи, звуженні ареалу та може призвести до її вимирання. Наприклад, з ряду хоботних, що колись процвітав, дотепер лишилось тільки два види слонів - африканський та індійський, які перебувають під загрозою повного вимирання.

Мал. 45.3. Шляхи досягнення біологічного прогресу

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. 45.3).

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. Завдяки цьому температура тіла у птахів і ссавців стала менше залежати від температури довкілля. Утворення квітки в покритонасінних сприяло урізноманітненню способів запилення, формуванню стінки плоду, що захищають насінини, процесу подвійного запліднення тощо.

Мал. 45.4. 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

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. 45.4).

Загальна дегенерація - явище спрощення організації організмів у процесі еволюції. Воно характерне для паразитів і малорухливих організмів (пригадаймо: 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. Досі не існує єдиної теорії, яка б однозначно дала відповідь на це питання й до того ж навела беззаперечні докази. Є низка гіпотез, кожна з яких намагається пояснити появу живої матерії на планеті Земля зі своїх позицій.

Згідно з креаціонізмом (від лат. креаціоніс - творіння) 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 біохімічної еволюції — 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 Аристотель вважав, що живі істоти постійно виникають з мулу, гною тощо, частинки яких містять «активний зародок», що за відповідних умов може дати початок 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. 45.5). 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 після розміщення бульйону на його поверхні 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. 45.5. 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 видатний 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. 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, амоніаку, 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 випромінювання, 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, під час яких могли утворитися органічні речовини.

Мал. 45.6. Біохімічна гіпотеза походження життя на Землі: схема утворення коацерватних краплин

Органічні сполуки, утворені в первісному океані, збирались у скупчення, відокремлені водною оболонкою, - коацерватні краплини (мал. 45.6). 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 залишається дискусійним, бо не має експериментального підтвердження.

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. Після появи молекули ДНК почали виконувати функції спеціалізованих «зберігачів» спадкової інформації. Натомість за молекулами РНК залишилися функції посередників між ДНК та процесами синтезу молекул білків. Цікаво, що в деяких РНК-умісних вірусів, наприклад ВІЛ, молекули РНК слугують матрицею для синтезу молекул 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 на початку XX ст., а розвинув український учений В.І. Вернадський. До її прихильників належить й один із відкривачів молекулярної структури молекули ДНК - біохімік Ф. Крік, а також 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.

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 нашої планети. У подальшому еволюція таких «первинних» видів відбувалася в різних напрямах відповідно до змін умов довкілля.

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 (за вибором учительки/ вчителя) визначте риси ароморфозів, ідіоадаптацій або загальної дегенерації в їхній організації. Свої висновки обґрунтуйте.