Фундаментальные законы 10

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ



Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»








Т.В. Лобанова
В.В. Кравец
Г.Д. Толкушкина
Н.В. Симонова







Фундаментальные законы и концепции естествознания


Учебное пособие




Часть II












Барнаул
Издательство АГАУ
2011
УДК

Рецензенты – к.б.н., доцент АлтГПА И.Ю. Попова, к.б.н., доцент АГАУ Н.Ю. Давыдова

Лобанова Т.В. Фундаментальные законы и концепции естествознания: учебное пособие – часть II / Т.В. Лобанова, В.В. Кравец, Г.Д. Толкушкина - Барнаул: Изд - во АГАУ, 2011. с.







В учебном пособии рассмотрены фундаментальные законы биологии и концепции естествознания, имеющие важное значение для формирования научного мировоззрения и общей культуры студентов.
Предназначено для студентов экономического, инженерного, агрономического профилей. Будет полезно аспирантам, преподавателям высших учебных заведений и всем интересующимся концепциями современного естествознания и философскими проблемами мироздания.







Рекомендовано к изданию методической комиссией института природообустройства АГАУ (протокол № от 2011 г.)








(Лобанова Т.В., Кравец, В.В.,
Толкушкина Г.Д., Симонова Н.В. 2011
(ФГОУ ВПО АГАУ, 2011



ВВЕДЕНИЕ

Человек всегда стремился познать окружающий его мир и определить то место, которое он в нем занимает. Как возникли современные животные и растения? Что привело к их поразительному разнообразию? Каковы причины исчезновения фауны и флоры далеких от нас времен? Каковы дальнейшие пути развития жизни на Земле? Вот лишь несколько вопросов из того огромного количества загадок, решение которых всегда волновало человечество и на которые пытается ответить биология. Ее название возникло из сочетания двух греческих слов вios – (жизнь), logos – (слово, учение). Термин биология был впервые предложен в 1802 г. Ж.Б. Ламарком.
Биология – это наука о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.
Важнейшим инструментом познания мира служит категория «живого», являющаяся ключевой, исходной для всей системы биологических наук.
В самом общем виде жизнь можно определить как активное, идущее с затратой полученной извне энергии поддержание и самовоспроизведение специфической структуры.
Одним из сложнейших вопросов биологии является объяснение потрясающего разнообразия живого вещества по сравнению с неживым, а также того факта, что живое обладает свойством прогресса. Объяснение причин многообразия живого и прогресса живого является ключевой методологической задачей биологии.
Первые живые существа появились на нашей планете около 3 млрд. лет назад. От ранее существующих форм произошли современные организмы: более 1,5 млн. видов животных, 500 тыс. видов растений, значительное количество разнообразных грибов, а также множество прокариотических клеток, населяющих нашу планету. Ученые постоянно обнаруживают и описывают новые виды как существующие в современных условиях, так и вымершие в минувшие географические эпохи, число неописанных видов растений, животных и иных живых организмов оценивается по меньшей мере в 1 млн.
Живые организмы резко отличаются от объектов физики и химии – неживых систем – своей исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства. Живое представляет собой особую ступень развития материи.
Возникновение жизни и функционирование живых организмов обусловлены естественными законами. Познание этих законов позволяет составить современную научную картину мира и поможет сформировать научное мировоззрение. В этом заключается основная цель современного естествознания, где изучение живой материи занимает особое положение. Раскрытие общих свойств живых организмов, объяснение причин их многообразия, выявление связей между строением и условиями окружающей среды относятся к основным задачам биологии.
Важное место в этой науке занимают вопросы возникновения и законы развития жизни на Земле – эволюционное учение. Для живой природы постоянное развитие – наиболее важное и характерное свойство. В этой связи концепция развития в биологии представляет фундамент, на котором построена эволюционная биология. В настоящее время все эволюционные направления, так или иначе, базируются на последних достижениях смежных отраслей биологии и естествознания. Происходит, таким образом, своеобразный эволюционный синтез, приводящий к взаимному обогащению эволюционных теорий для микро -, макро – и мегаобъектов, которые представляют характерную особенность современного естествознания, заключающуюся в общем и в то же время едином подходе в многостороннем изучении единой природы в различных ее проявлениях. На протяжении всей истории развития биологии физические и химические методы были важнейшим инструментом исследования биологических явлений и процессов живой природы. Важность внедрения таких методов в биологию подтверждают экспериментальные результаты, полученные с помощью современных методов исследования, зародившихся в смежных отраслях – физике и химии. В этой связи в 1970 – х годах в науке появился новый термин «физико-химическая биология». Появление этого термина свидетельствует не только о синтезе физических, химических и биологических знаний, но и о качественно новом уровне развития естествознания, в котором происходит непременно взаимное обеспечение отдельных его отраслей. Физико – химическая биология содействует сближению биологии с точными науками – физикой и химией, а также становлению естествознания как единой науки о природе, в то же время изучение структуры, функций и репродукции фундаментальных молекулярных структур живой материи не лишает биологию ее индивидуальности, так как молекулярные структуры наделены биологическими функциями и обладают вполне определенной спецификой.
В данном учебном пособии рассматриваются особенности биологического уровня организации материи, принципы воспроизводства живых систем, происхождение жизни, эволюция живых систем, генетика и эволюция учение, закономерности самоорганизации, принципы универсального эволюционизма, многообразие живых организмов на Земле как основа организации и устойчивости биосферы, концепция биосферы и экология. Актуальной задачей современности является налаживание взаимоотношений между человеком и природой, принцип гармонизации системы «человек - биосфера», поэтому экология относится к быстроразвивающимся отраслям естествознания. Незнание или игнорирование законов природы приводит к тяжелым последствиям, как для окружающего мира, так и для человека. Исключительная способность живой природы к восстановлению создала иллюзию ее неуязвимости к разрушительным воздействиям человека, безграничности ее ресурсов. Вся хозяйственная деятельность человека сейчас должна строиться с учетом принципов организации биосферы.


ГЛАВА I
ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

1.1 СИСТЕМНОСТЬ ЖИВОГО

Мир живых существ, включая человека, представлен биологическими системами различной структурной организации и разного уровня соподчинения, или согласованности.
Живая (биологическая) система – это совокупность взаимодействующих элементов, которая образует целостный объект, имеющий новые качества, не свойственные входящим в систему элементам. Живая система в отличие от неживой обладает способностью жить. Жизнь – это высшая из природных форм движения материи, она характеризуется самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.
Живой системе присущи такие качества, как множественность элементов, наличие связей между элементами и с окружающей средой, согласованная организация взаимоотношений элементов, как в пространстве, так и во времени, направленная на осуществление функций системы.
Живыми системами являются и отдельные клетки, и различные ткани и органы тела, и биологические виды и их сообщества, целые экосистемы. В настоящее время описано более 1,5 миллиона видов животных, около полумиллиона видов растений, сотни тысяч видов грибов, более трех тысяч видов бактерий, и все это живые системы.



Иерархическая организация живого


Живая природа представляет собой сложно организованную иерархическую систему (рис.1). Ученые – биологи на основании особенностей проявления свойств живого выделяют несколько уровней организации живой материи.

Молекулярный. Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, проявляется на уровне взаимодействия биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. С этого уровня начинаются разнообразные процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др.
Клеточный. Клетка – структурная и функциональная единица, а также единица размножения и развития всех живых организмов, обитающих на Земле. На клеточном уровне сопрягаются передача информации и превращение веществ и энергии.
Рис. 1. Уровни организации
живых организмов

Тканевой. Ткань – совокупность сходных по строению клеток и межклеточного вещества, имеющих общее происхождение и обладающих одной функцией.
Органный. Орган – это структурно-функциональное объединение нескольких типов тканей, например, кожа человека как орган вместе выполняет целый ряд функций, среди которых наиболее значительная – защитная.
Организменный. Элементарной единицей организменного уровня служит особь, которая рассматривается в развитии – от момента зарождения до прекращения существования. Организм представляет собой целостную одноклеточную или многоклеточную живую систему, способную к самостоятельному существованию. Многоклеточный организм образован совокупностью тканей и органов, специализированных для выполнения различных функций.
Популяционно-видовой. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, создает популяцию, как систему надорганизменного порядка. В этой системе осуществляются простейшие, элементарные эволюционные преобразования.

Биогеоценотический. Биогеценоз – совокупность организмов разных видов и различной сложности организации со всеми факторами конкретной среды их обитания – компонентами атмосферы, гидросферы и литосферы. В процессе совместного исторического развития организмов разных систематических групп образуются динамичные, устойчивые сообщества. Основные функции биогеоценоза – аккумуляция и перераспределение энергии.
Биосферный. Биосфера – самый высокий уровень организации жизни на нашей планете. Система, охватывающая все явления жизни на нашей планете. В ней выделяют живое вещество ( совокупность всех живых организмов, неживое, или костное вещество и биокосное вещество.По ориентировочным оценкам биомасса вещества составляет около 2,5 ·1012т. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле.
Уровни организации живого тесно связаны между собой и вытекают один из другого, что говорит о целостности живой природы.
Понятие эмерджментности живых систем

Эмерджментность (англ. emergence – возникновение, появление нового) в теории систем - наличие у какой – либо системы особых свойств, не присущих ее подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не связанных особыми системообразующими связями; несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов; синоним – «системный эффект».
В биологии и экологии понятие эмерджментности можно выразить так: одно дерево – не лес, скопление отдельных клеток – не организм. Например, свойства биологического вида или биологической популяции не представляют собой свойства отдельных особей, понятие рождаемость, смертность, неприменимы к отдельной особи, но применимы к популяции или виду в целом.
В эволюционистике эмерджментность выражается как возникновение новых функциональных единиц системы, которые не сводятся к простым перестановкам уже имеющихся элементов.

Критерии живых систем


1. Единство химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение элементов в живом и неживом неодинаково. Элементарный состав неживой природы наряду с кислородом представлен в основном кремнием, железом, магнием, алюминием и т.д.
В живых организмах 97,4% химического состава приходится на шесть элементов – органогенов: углерод (20%), водород (10%), кислород (62%), азот (3%), фосфор (1,0%), сера. В живых телах эти элементы участвуют в образовании сложных органических молекул, распространение которых в неживой природе принципиально иное, как по количеству, так и по существу. Подавляющее большинство органических молекул окружающей среды представляют собой продукты жизнедеятельности организмов. В живом веществе существует несколько основных групп органических молекул, характеризующихся определенными специфическими функциями и в большинстве своем представляющих собой регулярные полимеры. Во – первых, это нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК, свойства которых, обеспечивают явления наследственности и изменчивости, а также самовоспроизведение. Во – вторых, это белки – основные структурные компоненты и биологические катализаторы. В – третьих, углеводы и жиры – структурные компоненты биологических мембран и клеточных стенок, главные источники энергии, необходимой для обеспечения процессов жизнедеятельности. И, наконец, огромная группа «малых молекул», принимающих участие в многочисленных и разнообразных процессах метаболизма в живых организмах.
Узнать сколько серы
2. Симметрия и ассиметрия живого. В композиции частей тела сложных живых организмов, в строении их органов характерно сочетание симметрии и ассиметрии. Такое неравенство «правизны» и «левизны» проявляется не только на уровне организмов, выражаясь в их строении и динамике, оно проявляется и на молекулярном уровне. Пространственную организацию живых молекул характеризует ассиметрия «левого» и «правого» в группировке атомов. При этом форме с «правосторонней» группировкой соответствует зеркальная ей «левостронняя» форма (рис.2). В молекулах живых систем имеются только «левосторонние» формы. Так, например, молекулы белка живой материи состоят только из «левосторонних» аминокислот. Эта особенность до сих пор не получила общепризнанного объяснения. Однако считается, что такое сочетание симметрии и ассиметрии обеспечивает приспособительные реакции организмов, разнообразие движений и функций, необходимых для их выживания. В неживой природе нет различий между «правым» и «левым», она симметрична.
Вставить рисунок белка

рис.2 Лево – и правосторонняя форма аминокислоты






3. Хиральность молекул живого - одно из фундаментальных свойств живой материи. Это способность к стереоспецифической комплементарной репродукции. С позиции физики отличительной особенностью органических соединений, порожденных жизнью, служит их оптическая активность, выражающаяся в способности поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света в одном направлении – либо влево, либо вправо в зависимости от конкретного соединения. Так, все белковые молекулы земных организмов поворачивают плоскость поляризации проходящего света влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию (L – конфигурацию), а молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК, поворачивают плоскость поляризации проходящего света только вправо, т.е. обладают правой или D – конфигурацией.
Между тем в неживом веществе того же химического состава реализуется смесь с равновероятным содержанием молекул обеих возможных конфигураций, поэтому поворота плоскости поляризации проходящего через них света не происходит.
Сохранение в процессах, связанных с жизнью, органических молекул только одной из двух возможных пространственных структур, называют хиральностью (хираль - рука), что означает понятие ассиметрии (ассиметрия - отсутствие у объекта свойства быть зеркально симметричным).
4. Энергозависимость и открытость живых систем. Живые тела представляют собой «открытые» для поступления энергии системы. Это понятие заимствовано из физики. Под «открытыми» системами понимают динамичные, т.е. не находящиеся в состоянии покоя системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне. Живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступает энергия и материя в виде пищи из окружающей среды.
5. Обмен веществ. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее вещества, необходимые для питания, и выделяя продукты жизнедеятельности.
В неживой природе также существует обмен веществами, однако при небиологическом круговороте веществ они просто переносятся с одного места на другое или меняется их агрегатное состояние: например смыв почвы, превращение воды в пар или лед.
В отличие от обменных процессов в неживой природе у живых организмов они имеют качественно иной уровень. В круговороте органических веществ самыми существенными стали процессы превращения веществ – процессы синтеза и распада.
Живые организмы поглощают из окружающей среды различные вещества. Вследствие целого ряда сложных химических превращений вещества из окружающей среды уподобляются веществом живого организма и из них строится его тело. Эти процессы называются ассимиляцией, или пластическим обменом.
Другая сторона обмена веществ - процессы диссимиляции, в результате которых сложные вещества и соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют энергетическим обменом. Обмен веществ обеспечивает гомеостаз организма.









Следует отметить, что живые организмы в отличие от объектов неживой природы отграничены от окружающей среды оболочками. Эти оболочки затрудняют обмен веществ между организмом и внешней средой, сводят к минимуму потери вещества и поддерживают пространственное единство живой материи.
6. Авторегуляция и гомеостаз. Авторегуляция – это способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов – гомеостаз.
При этом недостаток поступления каких – либо питательных веществ мобилизирует внутренние ресурсы организма, а избыток вызывает запасание этих веществ. Подобные реакции осуществляются разными путями благодаря деятельности регуляторных систем – нервной, эндокринной и некоторых других. Сигналом для включения той или иной регулирующей системы может быть изменение концентрации какого – либо вещества или состояния какой – либо системы.
7. Самовоспроизведение. Любой вид состоит из особей, каждая из которых рано или поздно перестанет существовать, но благодаря самовоспроизведению, или репродукции жизнь вида не прекращается. На организменном уровне самовоспроизведение проявляется в виде бесполого или полового размножения особей. При размножении живых организмов потомство обычно похоже на родителей. Размножение – это свойство живых организмов воспроизводить себе подобных. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, органеллы клеток (митохондрии, пластиды и др.) после деления сходны со своими предшественниками. В основе самовоспроизведения лежат реакции матричного синтеза, т.е. образование новых молекул и структур, которое обусловлено информацией, заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК.
Следовательно, самовоспроизведение – одно из основных свойств живого, тесно связанное с явлением наследственности.
Наследственность – это способность организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Она обусловлена относительной стабильностью, т.е. постоянством строения молекул ДНК и воспроизведением ее химического строения (редупликацией) с высокой точностью.
Изменчивость – свойство живых организмов приобретать новые признаки и свойства. В основе наследственной изменчивости лежат изменения молекул ДНК. Изменчивость создает разнообразный материал для отбора наиболее приспособленных к конкретным условиям существования в природных условиях, что, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.
8. Каталитический характер химии живого. В основе жизнедеятельности живого лежит ферментативный катализ. Специфические свойства ферментативного катализа: чрезвычайно высокие избирательность и скорость, главные причины которых – комплементарность фермента и реагента, высокомолекулярный характер фермента.
9. Способность к росту и развитию. Расти – значит увеличиваться в размерах и массе с сохранением общих черт строения. Рост сопровождается развитием. Способность к развитию – всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта, вследствие которого изменяется его состав или структура. Развитие живой формы материи представлено индивидуальным и историческим развитием. На протяжении индивидуального развития (онтогенеза) постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организмов. Филогенез, или эволюция, - это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. В результате исторического развития (филогенеза) возникло все многообразие живых организмов на Земле.
10. Раздражимость - неотъемлемая черта, присущая всему живому; она является выражением одного из общих свойств всех тел природы – свойства отражения. Это свойство выражается реакциями живых организмов на внешнее воздействие. Благодаря свойству раздражимости организмы избирательно реагируют на условия окружающей среды.
11. Дискретность и целостность – Само слово дискретность произошло от латинского «discretus», что означает прерывистый, разделенный. Дискретность - всеобщее свойство материи. Каждый атом состоит из элементарных частиц, атомы образуют молекулу, простые молекулы входят в состав сложных соединений или кристаллов и т.д.
Жизнь на Земле проявляется в виде дискретных (прерывистых) форм. Отдельный организм или иная биологическая система (вид, биоценоз и др.) состоит из отдельных изолированных, т.е. обособленных или ограниченных в пространстве, но тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство, таким образом, живая система является целостной. Например, любой вид организмов включает отдельные особи. Тело высокоорганизованной особи образует пространственно отграниченные органы, которые в свою очередь состоят из отдельных клеток. Энергетический аппарат клетки представлен отдельными митохондриями, аппарат синтеза белка – рибосомами и т.д. вплоть до макромолекул, каждая из которых может выполнять свою функцию, лишь будучи пространственно изолированной от других. Дискретность строения организма – основа его структурной упорядоченности. Она создает возможность постоянного самообновления его путем замены «износившихся» структурных элементов (молекул, ферментов, органоидов клетки, целых клеток) без прекращения выполняемой функции. Дискретность вида предопределяет возможность его эволюции путем гибели или устранения от размножения неприспособленных особей и сохранения индивидов с полезными для выживания признаками.
12. Единый принцип структурной организации. Все живые организмы, к какой бы систематической группе они ни относились, имеют клеточное строение. Клетка является структурно – функциональной единицей, а также единицей развития всех обитателей Земли.
13. Ритмичность. Периодические изменения в окружающей среде оказывают глубокое влияние на живую природу и на собственные ритмы живых организмов. Ритм – это повторение одного и того же события или воспроизведение одного и того же состояния через равные промежутки времени. Под ритмичностью живых систем понимают периодические изменения интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия). Хорошо известны суточные ритмы сна и бодрствования у человека; сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих (суслики, ежи, медведи) и многие другие.
Ритмичность обеспечивает согласование функций организма с окружающей средой, т.е. приспособление к периодически изменяющимся условиям существования.

Рис.1.3 Захаров стр.27
Строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Имеются как бы переходные формы неживого к живому. Так, например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться, лишь попадая в клетки другого организма и используя его ферментативные системы. Поэтому, в зависимости от того, какой признак живого мы считаем самым важным, мы относим вирусы к живым системам или нет.

Вопросы для повторения:

В чем заключается системность живого?
Какие качества присущи живой системе?
3.Какова иерархическая организация живого?
4.В чем заключается единство химического состава живого?
5.В чем заключается симметрия и ассиметрия живого?
6.В чем заключается хиральность молекул живого?
7.В чем заключается энергозависимость и открытость живых систем?
8.В чем заключается обмен веществ и энергии живых систем?
9.В чем сущность самовоспроизведения?
10.Что такое гомеостаз?
11. В чем заключается каталитический характер химии живого?
12.В чем заключается способность к росту и развития?
13.В чем раздражимость живой материи?
14.В чем заключается дискретность и целостность живой материи?
15.В чем заключается единый принцип структурной организации живой материи?
16.В чем заключается ритмичность живой материи?

1.2 ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЖИВОГО


Сейчас известны более ста химических элементов. В состав клетки входят около 70 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, встречающихся в неживой природе. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. Однако соотношение химических элементов, их вклад в образование веществ, составляющих живой организм, и в какой – либо объект неживой природы резко отличается.
Основу живых систем составляют шесть элементов, получивших название органогенов. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4 %. За ними следует 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем. Это натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, йод, кобальт. Их весовая доля в организмах примерно 1,6 %. Можно назвать еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узко специализированных биосистем. Ряд морских водорослей накапливают йод, лютики накапливают литий, ряска – радий, диатомные водоросли и злаки – кремний, моллюски и ракообразные – медь, позвоночные – железо, некоторые бактерии – марганец и т.д. Их доля в организмах составляет около 1 %. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано. Это говорит о том, что в процессе биогенеза (развития жизни) на Земле, шел отбор химических элементов в результате самоорганизации. Понятие самоорганизации отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности, или материальной организации.
Картина собственно химического мира тоже весьма отчетливо свидетельствует об отборе элементов. Теперь известно всего около восьми миллионов химических соединений. Из них подавляющее большинство (около 96 %) – это органические соединения, основной строительный материал которых – все те же 6 – 18 элементов. И как это ни парадоксально, из всех остальных 95 – 99 химических элементов природа (по крайней мере, на Земле) создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.
Столь резкая диспропорция между едва обозримым множеством органических соединений и каким – то минимумом составляющих их органогенов, так же, как и исключительно дифференцированный отбор того же минимума элементов для построения живых систем, нельзя всецело объяснить факторами различной распространенности элементов в Космосе и на Земле. В Космосе вообще безраздельно господствуют лишь два элемента – водород и гелий, тогда как все остальные элементы можно рассматривать только как примесь к ним.
На Земле наиболее распространены железо, кислород, кремний, магний, алюминий, кальций, натрий, никель, тогда как углерод занимает 16 – е место. В атмосфере Земли углерода не более 0,01 весового процента, в океанах – около 0,002, в литосфере – 0,1. Углерод в литосфере Земли распространен в 276 раз меньше, чем кремний, в 88 раз меньше, чем алюминий, и даже в 6 раз меньше, чем относительно редкий титан. Из органогенов наиболее распространены лишь кислород и водород. Распространенность же углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и в общем невелика – всего около 0,24 весовых процента.
Следовательно, геохимические условия не играют сколько – нибудь существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем. Определяющими факторами здесь выступают требования соответствия между строительным материалом и теми сооружениями, о которых выше говорилось как о структурах высокоорганизованных.
С химической точки зрения эти требования сводятся к отбору элементов, способных к образованию, во – первых, достаточно прочных и, следовательно, энергоемких химических связей и, во – вторых, связей лабильных, т.е. легко подвергающихся гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению. Вот почему углерод избран, или отобран, из многих других элементов как органоген № 1. Этот элемент действительно отвечает всем требованиям лабильности. Он, как никакой другой элемент, способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические противоположности, реализовать их единство, выступать в качестве носителя внутреннего противоречия.
Атомы углерода:
в одном и том же соединении способны выполнять роль акцептора, и донора электронов;
они образуют почти все типы связей, какие знает химия: а)менее чем одноэлектронные и одноэлектронные (например, при хемосорбции углеводородов на графите); б) двухэлектронные (например, в этане);в) трехэлектронные (в бензоле); г) четырехэлектронные (С=С); д)шестиэлектронные (С( С) со всевозможными промежуточными значениями зарядов связей. Это одна из причин их активности.
среди углерод – углеродных связей можно встретить чисто ковалентные, почти чисто ионные и ионоидные с самыми различными значениями энергии связей.
обладает способностью связываться друг с другом с образованием разнообразных структур, являющихся несущей основой органических молекул;
обладает способностью связываться с другими атомами близких радиусов (кислородом, азотом, серой) с образованием менее прочных связей (возникновение функциональных групп), которые обеспечивают химическую активность органических соединений;
функциональные группы атомов углерода (если их не менее двух в молекуле) и кратные связи обусловливают способность к образованию высокомолекулярных соединений;
обладают возможностью существования в виде ассиметричного (хирального) центра – одна из причин хиральности молекул живого.
Таким образом, в вещественном плане для становления жизни нужен прежде всего углерод. Атомы углерода вырабатываются в недрах больших звезд в необходимом для образования жизни количестве. Углерод способен создавать разнообразные, подвижные, низкоэлектропроводные, студенистые, насыщенноые водойёдлинные скрученные цепеобразные структуры.
Кислород и водород нельзя считать, столь же лабильными элементами, их скорее следует рассматривать в качестве носителей крайних и односторонних свойств – окислительных и восстановительных. Такие элементы, как азот, сера и фосфор, и некоторых элементов составляющих активные центры ферментов, например, железа, магния, то они подобно углероду отличаются также особой лабильностью. Рассматривая вопрос об отборе элементов, Дж. Бернал отмечает что, лабильные атомы серы, фосфора и железа, которые претерпевают большие изменения в неорганическом мире, имеют основное значение в биохимии, в то время как стабильные атомы, такие как алюминий, кремний, натрий, составляющие большую часть земной коры играют второстепенную роль в биохимии.
Следует подчеркнуть то обстоятельство, что внутримолекулярное или внутрикомплексное взаимодействие атомов, таких элементов, как C, N, S, P, H, O, Fe, Mg создает исключительное богатство химических связей. Сюда относятся и сопряжённые связи, обуславливающие еще более высокой ( электронной проводимостью. Сюда относятся относительно слабые, так называемые макроэргические связи в соединениях типа аденозинтрифосфата и одновременно очень слабые водородные связи. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой, железом, обладают замечательными каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами. Все «кирпичики» живого (органогены) легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются в воде.
О том, как происходил отбор структур, каков его механизм, сказать довольно трудно. Но этот процесс оставил нам своего рода музей. Подобно тому, как из всех химических элементов только 6 органогенов да 10 – 15 других элементов отобраны природой, чтобы составит основу биосистем, так и в результате эволюции шел тщательный отбор и химических соединений.
Из миллиона органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.
Исследователи – как химики, так и биологи – называют поразительным тот факт, что из такого узкого круга отобранных природой органических веществ составлен трудно обозримый мир живой материи.
В зависимости от того, в каком количестве входят химические элементы в состав веществ, образующих живой организм, принято выделять несколько групп атомов. Первую группу (около 98 % массы клетки) образуют четыре элемента: водород, кислород, углерод и азот. Их называют макроэлементами.
К макроэлементам относят также элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента: фосфор и сера, калий и натрий, кальций и магний, железо и хлор. Например, Na, К и Cl обеспечивают проницаемость клеточных мембран для различных веществ и проведение импульса по нервному волокну. Са и Р участвуют в формировании межклеточного вещества костной ткани, определяя прочность кости. Кроме того, Са – один из факторов, от которых зависит нормальная свертываемость крови. Железо входит в состав гемоглобина – белка эритроцитов, участвующего в переносе кислорода от легких к тканям. Наконец, Мg в клетках растений включен в хлорофилл – пигмент, обусловливающий фотосинтез, а у животных входит в состав биологических катализаторов – ферментов, участвующих в биохимических превращениях.
Все остальные элементы содержатся в клетке в очень малых количествах. К ним относятся преимущественно ионы тяжелых металлов, входящих в состав ферментов, гормонов и других жизненно важных веществ. В организме эти элементы содержатся в очень небольших количествах: от 0,001 до 0,000001 %; в числе таких элементов бор, кобальт, медь, молибден, цинк, ванадий, йод, бром и др. Общий их вклад в массу клетки составляет всего 0,02 %. Поэтому их называют микроэлементами. Однако это не означает, что они меньше нужны организму, чем другие элементы. Цинк, например, входит в молекулу гормона поджелудочной железы – инсулина, который участвует в регуляции обмена углеводов, а йод – необходимый компонент тироксина – гормона щитовидной железы, регулирующего интенсивность обмена веществ всего организма в целом и его рост в процессе развития, кобальт находится в составе витамина В12, медь обнаружена в некоторых окислительных ферментах.
Все перечисленные химические элементы участвуют в построении организма в виде ионов либо в составе тех или иных соединений – молекул неорганических и органических веществ. Например, углерод, водород, кислород входят в состав углеводов и жиров. В состав белков к ним добавляются азот и сера, нуклеиновых кислот – азот и фосфор. Эти элементы получили название биогенных. Большая часть неорганических веществ клетки находится в виде солей – либо диссоциированных на ионы, либо в твердом состоянии. От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства клетки. Буферностью называется способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне.
Вода, ее роль для живой природы
Среди веществ клетки на первом месте по массе стоит вода (75 – 85 %). Высокое содержание воды в клетке – важнейшее условие ее жизнедеятельности. Роль воды в клетке очень велика. Ее функции во многом определяются химической природой.
1. Высокая полярность воды и как следствие – химическая активность. Под действием некоторых катализаторов – ферментов – она вступает в реакции гидролиза, т.е. реакции, при которых к свободным валентностям различных молекул присоединяются группы ОН- или Н+ воды. В результате образуются новые вещества с новыми свойствами.
2. Высокая растворяющая способность. Дипольный характер строения молекул обусловливает способность воды активно вступать во взаимодействие с различными веществами. Ее молекулы вызывают расщепление ряда водорастворимых веществ на катионы и анионы. В результате этого ионы быстро вступают в химические реакции. Большинство химических реакций представляет собой взаимодействие между растворимыми в воде веществами. Таким образом, полярность молекул и способность образовывать водородные связи делает воду хорошим растворителем для огромного количества неорганических и органических веществ. Кроме того, в качестве растворителя вода обеспечивает как приток веществ в клетку, так и удаление из нее продуктов жизнедеятельности, поскольку большинство химических соединений может проникнуть через наружную клеточную мембрану только в растворенном виде.
3.Высокая теплоемкость воды, высокие теплоты испарения и плавления – основа для поддержания температурного гомеостаза живых организмов и регулирования тепла планеты. При изменении температуры окружающей среды, внутри клетки температура остается неизменной или ее колебания оказываются значительно меньшими, чем в окружающей клетку среде.
4. Аномальная плотность в твердом состоянии является причиной существования жизни в замерзающих водоемах;
5. Высокое поверхностное натяжение обеспечивает жизнь на поверхности гидросферы, передвижение растворов по сосудам растений.

Органические вещества
Органические соединения составляют в среднем 20 – 30 % массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул – гормонов и пигментов, АТФ и многих других. В различные типы клеток входит неодинаковое количество органических соединений. В растительных клетках преобладают сложные углеводы – полисахариды; в животных – больше белков и жиров. Тем не менее, каждая из групп органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции.
Многообразие органических химических соединений обусловлено образованием различных полимеров из мономеров и сочетанием полимеров друг с другом различными способами.
Особенностями органических биополимеров как высокомолекулярных соединений является их высокая молекулярная масса, способность образовывать пространственные и надмолекулярные структуры, разнообразие строения и свойств.

Вопросы для повторения:
1.Какие химические элементы составляют основу живых систем?
Как называются химические элементы, составляющие основу живых систем?
Каковы доказательства отбора химических элементов в период становления жизни на Земле?
Какие требования предъявляются органогенам?
Каковы уникальные особенности главного элемента живого – атома углерода?
Какие макроэлементы входят в состав живой материи и какова их роль?
Какие микроэлементы входят в состав живой материи и какова их роль?
Какова роль воды для живых организмов?
Какие органические молекулы входят в состав живых систем?
В чем состоят особенности органических биополимеров?

ГЛАВА II
ПРИНЦИПЫ ВОСПРОИЗВОДСТВА ЖИВЫХ СИСТЕМ


Биологические полимеры - белки

Среди органических веществ клетки белки занимают первое место, как по количеству, так и по значению. У животных на них приходится около 50 % сухой массы клетки. В организме человека встречаются 5 млн. типов белковых молекул, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов. Несмотря на такое разнообразие и сложность строения они построены всего из 20 различных аминокислот (рис ).

Аминокислоты имеют общий план строения. Вставить рис. Захаров стр.91
В левой части молекулы расположена группа Н2N –, которая обладает свойствами основания; справа – группа СООН – кислотная, характерная для всех органических кислот. Следовательно, аминокислоты – амфотерные соединения, совмещающие свойства и кислоты и основания. Этим обусловлена их способность взаимодействовать друг с другом. Соединяясь, молекулы аминокислот образуют связи между углеродом кислотной и азотом основной группы. Такие связи называются ковалентными, а в данном случае пептидными связями:рис. Захаров 91 стр
Соединение двух аминокислот в одну молекулу называют дипептидом, трех аминокислот – трипептидом и т.д., а соединение из 20 и более аминокислотных остатков – полипептидом.
Аминокислоты имеют общий план строения, но отличаются друг от друга по строению радикала (R), которое весьма разнообразно. Например, у аминокислоты аланина радикал простой – СН3, радикал цистеина содержит серу – СН2SH, другие аминокислоты имеют более сложные радикалы.
Белки, выделенные из живых организмов животных, растений и микроорганизмов, включают несколько сотен, а иногда и тысяч комбинаций 20 основных аминокислот.














Рис. 19. 20 аминокислот, входящих в состав природных белков

Порядок их чередования самый разнообразный, что делает возможным существование огромного числа молекул белка, отличающихся друг от друга. Например, для белка, состоящего всего из 20 остатков аминокислот, теоретически возможно около 2 · 1018 вариантов, отличающихся чередованием аминокислот, а значит, и свойствами различных белковых молекул.
Уровни организации белковой молекулы
1). Первичная. Аминокислоты соединены пептидной связью в линейной последовательности.
ЛИЗ-
ГЛУ -
ТРЕ -
АЛА -
АЛА -
АЛА -
ЛИЗ -

ФЕН -
ГЛУ -
АРГ -
ГЛН -
ГИС -
МЕТ -
АСП -

СЕР -
СЕР -
ТРЕ -
СЕР -
АЛА -
АЛА -
СЕР -

СЕР-
СЕР -
АСН -
ТИР -
ЦИС -
АСН -
ГЛУ -

Однако молекула белка в виде цепи аминокислотных остатков еще не способна выполнять специфические функции. Для этого необходима более высокая структурная организация.
2). Вторичная структура возникает в результате образования водородных связей между остатками карбоксильных и аминогрупп разных аминокислот. В результате этого белковая молекула принимает вид спирали (( - структура) или вид складчатого слоя – «гармошка» (( - структура). Но и ее часто недостаточно для приобретения характерной биологической активности.
3). Третичная структура образуется благодаря взаимодействию радикалов, в частности радикалов аминокислоты цистеина, которые содержат серу. Атомы серы двух аминокислот, находящихся на некотором расстоянии друг от друга в полипептидной цепи, соединяются, образуя так называемые дисульфидные, или S – S, связи. Благодаря этим взаимодействиям, а также другим, менее сильным связям, белковая спираль сворачивается и приобретает форму шарика, или глобулы. Многие белки, обладающие третичной структурой, могут выполнять свою биологическую роль в клетке.
Рис. 20. Вторичная

Рис. 21. Третичная

4). Некоторые белки для осуществления некоторых функций организма имеют четвертичную структуру, с более высоким уровнем организации. Она представляет собой функциональное объединение нескольких (двух, трех и более) молекул белка, обладающих третичной структурной организацией. Пример такого такого сложного белка – гемоглобин. Его молекула состоит из четырех связанных между собой молекул. (рис. 22). Другим примером может служить гормон поджелудочной железы – инсулин, включающий два компонента. В состав четвертичной структуры некоторых белков включаются помимо белковых субъединиц и разнообразные небелковые компоненты. Тот же гемоглобин содержит гетероциклическое соединение, в состав которого входит железо.


Рис. 22. Четвертичная
Свойства белка
Белки обладают рядом физико – химических свойств, вытекающих из их структурной организации. Это определяет функциональную активность каждой молекулы.
Белки – водорастворимые молекулы, могут проявлять свою функциональную активность только в водных растворах.
Белковые молекулы несут большой поверхностный заряд. Это определяет целый ряд электрохимических эффектов, например, изменение проницаемости мембран каталитической активности и других функций.
Белки термолабильны, т.е. проявляют свою активность в узких температурных рамках.
Действие повышенной температуры, а также обезвоживание, изменение РН и другие воздействия вызывают разрушение структурной организации белков. Вначале разрушается самая слабая структура – четвертичная, затем третичная, вторичная и при более жестких условиях – первичная. Утрата белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией.
Если изменение условий среды не приводит к разрушению первичной структуры молекулы, то при восстановлении нормальных условий среды полностью воссоздается структура белка и его функциональная активность. Такой процесс носит название ренатурации (рис. 23).




Рис. 23. Схема денатурации белка

Белки выполняют в организме чрезвычайно важные функции:
1. Каталитическая или ферментативная: все биологические катализаторы – ферменты – вещества белковой природы, они ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни тысяч раз. Им свойственны все законы катализа. Однако неорганический катализатор может применяться во многих различных производствах. Фермент же катализирует только одну реакцию или один вид реакций, т.е. более специфичен, чем неорганический катализатор. Фермент и реагент комплементарны друг к другу по принципу соответствия пространственных конфигураций молекул (принцип «ключ - замок»).
Рис 3.3. стр. 96 Захаров
Температура всегда влияет на скорость химических реакций. Большинство реакций с неорганическими катализаторами идет при очень высоких температурах. При повышении температуры скорость реакции, как правило, увеличивается. Для ферментативных реакций это увеличение ограничено определенной (оптимальной) температурой.
рис. 3.4. СТР. 97 Захаров
Дальнейшее повышение температуры вызывает изменение в структуре молекула фермента, ее активность снижается, а затем прекращается. Для большинства ферментов температурный оптимум близок 35 – 400 С.
Ферменты активны только при физиологических значениях кислотности раствора, только при такой концентрации ионов водорода, которая совместима с жизнью и нормальным функционированием клетки, органа или системы.
Реакции с участием неорганических катализаторов протекают при высоких давлениях, а ферменты работают при нормальном (атмосферном) давлении.
И самое важное отличие ферментов от других катализаторов то, что скорость реакций, катализируемых ферментами, в десятки тысяч, а иногда и в миллионы раз выше той скорости, которая может быть достигнута при участии неорганических катализаторов.
Пероксид водорода без катализаторов разлагается медленно: РИС. Захаров стр.97
В присутствии неорганического катализатора (солей железа) эта реакция идет несколько быстрее. А каталаза (фермент, имеющийся практически во всех клетках) разрушает пероксид водорода с невероятной скоростью: одна молекула каталазы расщепляет в 1 мин. более 5 млн. молекул Н2О2. Биологические катализаторы уменьшают энергию активации – ту энергию, которую необходимо сообщить реагирующим молекулам в момент их взаимодействия, чтобы реакция стала возможной.
2. Строительная (пластическая) функция: белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внеклеточных структур.
3. Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, кислорода гемоглобином) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к различным тканям и органам тела. Специфические транспортные белки перемещают РНК, синтезированные в клеточном ядре, в цитоплазму. Широко представлены транспортные белки в наружных мембранах клеток; они переносят различные вещества из окружающей среды в цитоплазму.
4. Защитная функция: при поступлении в организм чужеродных белков или микроорганизмов в белых кровяных тельцах – лейкоцитах образуются особые белки – антитела. Они связываются с несвойственными организму веществами (антигенами) по принципу соответствия пространственных конфигураций молекул (принцип – «ключ - замок»). В результате этого образуется безвредный, нетоксичный комплекс – «антиген - антитело», который в последствие фагоцитируется и переваривается другими формами лейкоцитов.
5. Регуляторная функция: регуляторные белки участвуют в обмене веществ. Инсулин регулирует обмен глюкозы. Соматотропин (гормон роста) регулирует рост костей, гистоны (белки, соединенные с ДНК) - генную активность.
6. Пищеварительная функция: пищеварительные белки питают зародыш на ранних стадиях развития и запасают биологически ценные вещества: ферритин запасает железо в селезенке.
7. Двигательная функция: сократительные белки обеспечивают движение клеток; внутриклеточных структур. Например, миозин - сокращение мышечного волокна; тубулин - растяжение хромосом к полюсам клетки.
8. Энергетическая функция: при полном расщеплении 1 г белка образуется 17,6 кДж энергии. Однако белки в таком качестве используются редко. Аминокислоты, высвобождающиеся при расщеплении белковых молекул, участвуют в реакциях пластического обмена для построения новых белков.


Органические молекулы - углеводы

Углеводы, или сахариды - органические вещества с общей формулой Сn (H2 О)m .У большинства углеводов число молекул воды вдвое превышает количество атомов углерода. Поэтому эти вещества и были названы углеводами.
В животной клетке углеводы находятся в количествах, не превышающих 1-2, иногда 5%. Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание в некоторых случаях достигает 90% сухой массы (клубни картофеля, семена и т.д.). Углеводы бывают простыми и сложными.
Простые углеводы называются моносахаридами. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахариды называются триозами – 3 атома, тетрозами – 4, пентозами – 5 или гексозами – 6 атомов углерода. Из шестиуглеродных моносахаридов – гексоз – наиболее важны глюкоза, фруктоза и газоктоза. Глюкоза содержится в крови (0,08-0,12). Пентозы – рибоза и дезоксирибоза – входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ.
Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, такое соединение называют дисахаридом. К дисахаридам относится пищевой сахар – сахароза, получаемый из тростника или сахарной свеклы, который состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы, и молочный сахар, образуемый молекулами глюкозы и галактозы.
Сложные углеводы, образованные многими моносахаридами, называются полисахаридами. Мономерами таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза, является глюкоза. Полисахариды, как правило, - разветвленные полимеры.
Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Например, целлюлоза образует стенки растительных клеток; сложный полисахарид хитин – главный структурный компонент наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняет и у грибов.
Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. В процессе окисления 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж. Крахмал у растений и гликоген у животных, откладываясь в клетках, служат энергетическим резервом.
Органические молекулы – жиры и липоиды
Жиры (липиды) представляют собой соединения высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде, они гидрофобны (от греч. gуdor – вода и phobos – страх). В клетках всегда есть и другие сложные гидрофобные жироподобные вещества, называемые липоидами.
Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5-15% от массы сухого вещества. В клетках жировой ткани количество жира возрастает до 90%. Накапливаясь в клетках жировой ткани животных, в семенах и плодах растений, жир служит запасным источником энергии.
Важная роль жиров и как растворителей гидрофобных органических соединений, необходимых для нормального протекания биохимических превращений в организме.
Жиры и липоиды выполняют и строительную функцию, они входят в состав клеточных мембран. Благодаря плохой теплопроводности жир способен выполнять функцию теплоизолятора. У некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в подкожной жировой ткани, которая у китов образует слой толщиной до 1 м.
Одна из основных функций жиров – энергетическая. В ходе расщепления 1 г жиров до СО2 и Н2 О освобождается большое количество энергии – 38,9 кДж.
Образование некоторых липоидов предшествует синтезу ряда гормонов, например, гормонов коры надпочечников. Следовательно, этим веществам присуща и функция регуляции обменных процессов.

Биологические полимеры – нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты – природные органические высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах.
Нуклеиновые кислоты - это ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Они были открыты в 1869 году Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов и названы нуклеиновыми, т.к. ядро - нуклеус (nucleus).
ДНК
Биополимер, мономером которого является нуклеотид. ДНК – полинуклеотид с очень большой молекулярной массой. В одну молекулу могут входить 108 и более нуклеотидов. В состав нуклеотида входит пятиатомный сахар дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты и одно азотистое основание. Азотистых оснований всего четыре - это аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Таким образом, нуклеотидов всего четыре: адениновый, гуаниновый, цитозиновый и тиминовый (рис. 13).





















Рис. 13. Схема строения ДНК Рис. 14. Строение участка
молекулы ДНК
Порядок чередования нуклеотидов в ДНК у разных организмов разный.
В 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик построили пространственную модель ДНК. Этому открытию способствовали два экспериментальных достижения:
1) Чаргафф получил чистые образцы ДНК и сделал анализ относительно числа оснований в каждом образце. Оказалось, что из какого бы организма не была выделена ДНК количество аденина равно количеству тимина (А = Т), а количество гуанина равно количеству цитозина (Г = Ц);
2) Уилкинс и Фрэнклин при помощи рентгенограммы получили хороший снимок ДНК (рис. 15).

Рис. 15. Рентгенограмма нити ДНК

Молекула ДНК состоит из двух соединенных друг с другом цепей и походит на веревочную лестницу (рис. 14). Боковые стороны лестницы закручены наподобие электрических проводов. Боковые стороны - это чередующийся сахар и фосфорная кислота. Перекладинами этой лестницы являются азотистые основания, соединенные по принципу комплементарности (А = Т; Г = Ц). Между аденином и тимином двойная водородная связь, гуанином и цитозином тройная.
Ширина двойной спирали - 1,7 нм, в один виток входит по 10 пар оснований, длина витка – 3,4 нм, между нуклеотидами расстояние = 0,34нм. При соединении с определенными белками – гистонами – степень спирализации молекулы повышается. Молекула утолщается и укорачивается. В дальнейшем спирализация достигает максимума, возникает спираль еще более высокого уровня – суперспираль. При этом молекула становится различима в световой микроскоп как вытянутое, хорошо окрашиваемое тельце – хромосома.
Синтез ДHK
ДНК входит в состав хромосом (комплекс ДНК с белком гистоном составляет 90 % хромосомы.
Встает вопрос, почему после деления клетки количество хромосом не уменьшается, а остается таким же. Потому что перед делением клетки, происходит удвоение (синтез) ДНК, а, следовательно, и удвоение хромосом. Под воздействием фермента нуклеазы происходит разрыв водородных связей между азотистыми основаниями на определенном участке ДНК и двойная цепочка ДНК начинает раскручиваться, одна цепь отходит от другой. Из свободных нуклеотидов, которые находятся в ядре клетки под действием фермента ДНК-полимеразы строятся комплементарные нити. Каждая из разделившихся парных нитей молекулы ДНК служат матрицей для образования около неё другой комплементарной её нити. Затем каждая прежняя (материнская) и новая (дочерняя) нити вновь закручиваются в виде спирали. В результате образуются две новые совершенно одинаковые двойные спирали (рис. 16).
Способность к воспроизведению является очень важной особенностью молекулы ДНК.
Рис. 16. «Материнская» ДНК служит матрицей для синтеза комплементарных цепей

Функция ДНК в клетке
Дезоксирибонуклеиновая кислота выполняет чрезвычайно важные функции, необходимые как для поддержания, так и воспроизведения жизни.
Во – первых, - это хранение наследственной информации, которая заключена в последовательности нуклеотидов одной из ее цепей. Наименьшей единицей генетической информации после нуклеотида являются три последовательно расположенных нуклеотида – триплет. Последовательность триплетов в полинуклеотидной цепи определяет последовательность аминокислот в белковой молекуле. Расположенные друг за другом триплеты, обусловливающие структуру одной полипептидной цепи, представляют собой ген.
Вторая функция ДНК – передача наследственной информации из поколения в поколение. Она осуществляется благодаря редупликации (удвоения) материнской молекулы и последующего распределения дочерних молекул между клетками – потомками. Именно двухцепочечная структура молекул ДНК определяет возможность образования абсолютно идентичных дочерних молекул при редупликации.
Наконец, ДНК участвует в качестве матрицы в процессе передачи генетической информации из ядра в цитоплазму к месту синтеза белка. При этом на одной из ее цепей по принципу комплементарности из нуклеотидов окружающей молекулу среды синтезируется молекула информационной РНК.
РНК
РНК – так же, как ДНК представляет собой биополимер (полинуклеотид), мономерами которого являются нуклеотиды (рис. 17). Азотистые основания трех нуклеотидов те же самые, что входят в состав ДНК (аденин, гуанин, цитозин), четвертое – урацил – присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК содержат другую пентозу – рибозу (вместо дезоксирибозы). По структуре различают двухцепочечные и одноцепочечные РНК. Двухцепочечные РНК являются хранителями генетической информации у ряда вирусов, т.е. выполняют у них функции хромосом.
РНК переносят информацию о последовательности аминокислот в белках, т.е. о структуре белков, от хромосом к месту их синтеза, и участвуют в синтезе белков.
Существует несколько видов одноцепочечных РНК. Их названия обусловлены выполняемой функцией и местонахождением в клетке. Все виды РНК синтезируются на ДНК, которая служит матрицей.

Рис. 17. Схема т-РНК
1. Транспортная РНК ( т-РНК) Самая маленькая, в состав входит 76 - 85 нуклеотидов. Имеет вид клеверного листочка, на длинном конце которого находится триплет нуклеотидов (АЦЦ), куда присоединяются активированная аминокислота. На коротком конце находится азотистое основание - гуанин, он не дает разрушаться т-РНК. На противоположном конце находится антикодон, который строго комплементарен генетическому коду на информационной РНК. Основная функция т-РНК – это перенос аминокислот к месту синтеза белка. Из общего содержания РНК в клетке на долю т-РНК приходится 10 %.
2. Рибосомальная РНК (р-РНК) содержаться в рибосомах, состоят от 3 - 5 тыс. нуклеотидов. Из общего содержания РНК в клетке на долю р-РНК приходится 90 %.
3. Информационная (и-РНК) или матричная (м-РНК). Содержится в ядре и в цитоплазме, молекулы информационной РНК могут состоять из 300 – 30000 нуклеотидов. Функция её состоит в переносе информации о первичной структуре белка в рибосомы. На долю и-РНК приходится 0,5 - 1 % от общего содержания РНК клетки.
Генетический код

Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в ДНК.



Свойства генетического кода
1. Код триплетен. Это означает, что каждая из аминокислот зашифрована последовательностью трех нуклеотидов, называемых триплетом или кодоном. Так, аминокислоте цистеину соответствует триплет АЦА, валину – ЦАА, лизину – ТТТ (рис.).
2 Код вырожден. Всего генетических кодов 64, в то время как кодируется 20 аминокислот, когда они идут на и-РНК синтез белка прекращается. Каждая аминокислота шифруется несколькими генетическими кодами, исключение составляют метионин и триптофан. Эта избыточность кода имеет большое значение для повышения надежности передачи генетической информации. Например, аминокислоте аргинину могут соответствовать триплеты ГЦА, ГЦТ, ГЦЦ и т.д. Понятно, что случайная замена третьего нуклеотида в этих триплетах никак не отразиться на структуре синтезируемого белка.
3. Код универсален. Генетический код один для всех живущих на Земле существ (для человека, животных, растений, бактерий и грибов).
4. Генетический код непрерывный. Нуклеотиды в ДНК не наползают друг на друга, между триплетами (кодонами) отсутствуют пробелы и знаки препинания. Каким же образом участок молекулы ДНК, несущей информацию о структуре одного белка, отграничивается от других участков? Существуют триплеты, функцией которых является запуск синтеза полинуклеотидной цепочки, и триплеты (вставить), которые прекращают синтез.
5. Генетический код специфичный. Нет случаев, когда один и тот же триплет соответствовал бы более чем одной аминокислоте.

Биосинтез белка в клетке
Биосинтез белков в клетке состоит из двух этапов:
1. Транскрипция.
2. Трансляция.
1. Транскрипция - это переписывание информации о первичной структуре белка с определенного участка ДНК (гена) на и-РНК по принципу комплементарности при помощи фермента РНК - полимеразы.
Считывание наследственной информации начинается с определенного участка ДНК, который называется промотор. Он располагается перед геном и включает около 80 нуклеотидов. Фермент РНК - полимераза узнает промотор, прочно с ним связывается и расплавляет его, разъединяя, нуклеотиды комплементарных цепей ДНК, затем этот фермент начинает двигаться вдоль гена и по мере разъединения цепей ДНК на одной из них, которая называется смысловой, синтезируется и-РНК. Готовая и-РНК через поры ядерной оболочки выходит в цитоплазму и пронизывает малую субъединицу рибосомы, а те участки гена, на которых полимераза образовала и-РНК, вновь закручиваются в спираль, и-РНК может пронизывать сразу несколько рибосом и этот комплекс называется полисома. В цитоплазме аминокислоты активизируются ферментом аминоацил-т-синтетаза и присоединяются к длинному концу т-РНК (рис.24). Рис. 24. Механизм транскрипции
2. Трансляция - это перевод наследственной информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот.
Трансляция начинается со стартового кодона АУГ, к которому своим антикодоном УАЦ присоединяется нагруженная метионином т-РНК. В большой субъединице рибосомы имеется аминоацильный и пептидильный центры. Сначала I аминокислота (метионин) попадает в аминоацильный центр, а затем вместе со своей т-РНК перемешается в пептидильный центр. Аминоацильный центр освобождается и может принять следующую т-РНК со своей аминокислотой. Вторая т-РНК, нагруженная 2-ой аминокислотой, поступает в большую субъединицу рибосомы и своим антикодоном соединяется с комплементарным кодоном и-РНК. Сразу же при помощи фермента пептидил - трансферазы предшествующая аминокислота своей карбоксильной группой (СООН) соединяется с аминогруппой (NH2) вновь пришедшей аминокислоты. Между ними образуется пептидная связь (-CO-NH-). В результате т-РНК, принесшая метионин, освобождается, а в аминоацильном центре к т-РНК присоединяются две аминокислоты (дипептид). Для дальнейшего процесса роста полипептидной цепи требуется освободить аминоацильный центр. Большая и малая субъединица рибосомы прокручивается относительно друг друга (по типу завода часов) триплет нуклеотидов на и-РНК продвигается вперед, на его место становится следующий триплет нуклеотидов. В освободившийся аминоацильный центр следующая т-РНК приносит в соответствии с кодономи и-РНК аминокислоту, которая при помощи пептидной связи соединяется с предыдущей, а вторая т-РНК уходит из рибосомы. Далее рибосома снова продвигается на один кодон и процесс повторяется. Происходит последовательное присоединение аминокислот к полипептидной цепи в строгом соответствии с последовательностью колонов на и-РНК.
Когда на рибосоме оказывается один из триплетов (УАА, УАГ, УГА) ни одна т-РНК не может занять место в аминоацильном центре, т.е. не существует антикодонов комплементарных этим генетическим кодам, поэтому синтез белков завершается. Синтезированные из аминокислот полипептидные цепи в дальнейшем поступают в комплекс Гольджи, где возникают вторичная, третичная, четвертичная структуры белка. Здесь же формируются комплексы белковых молекул с углеводами и жирами. Весь процесс биосинтеза белка представляется в виде схемы: ДНК - и - РНК - полипептидная цепь - белок - комплекс белков с другими веществами (рис. 25).




Рис. 25. Схема синтеза белка в рибосоме:
А - рибосома;
Б - и-РНК;
В - фермент (белок синтетаза);
Г - т-РНК, несущие аминокислоты в рибосому;
Д - белок.







Вопросы для повторения:
1.Из каких простых органических соединений состоят белки?
2.Что такое пептиды?
3.Что такое первичная структура белка?
4.Как образуется вторичная, третичная структуры белка?
5.Что такое денатурация белка?
6. Какие функции белков известны?
7.Какие химические соединения называются углеводами?
8.Какие клетки наиболее богаты углеводами?
9.Что такое моносахариды? Приведите примеры.
10.Что такое дисахариды? Приведите примеры.
11.Какой простой углевод служит мономером крахмала, гликогена, целлюлозы?
12.Укажите функции углеводов?
13.Что такое жиры?
14.Опишите их химический состав.
15.Какие функции выполняют жиры?
16.В каких клетках и тканях наиболее велико количество жиров?
17.Что такое нуклеиновые кислоты?
18.Какие простые органические соединения служат элементарной составной частью нуклеиновых кислот?
19.Какие типы нуклеиновых кислот известны?
20.Чем отличается строение молекулы ДНК и РНК?
21.Назовите функции ДНК.
22.Какие виды РНК имеются в клетке?
23.Охарактеризуйте свойства генетического кода.
24.Опишите синтез белка.



ГЛАВА III

МНОГООБРАЗИЕ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ – ОСНОВА ОРГАНИЗАЦИИ И УСТОЙЧИВОСТИ БИОСФЕРЫ

Многообразие и разнообразие живых систем поражает воображение. За все время эволюции жизни на Земле существовало колоссальное количество различных видов живых организмов: 750 - 800 млн., - причем большая часть из них прекратила свое существование. В настоящее время различные источники дают разные цифры по количеству всех видов существующих ныне живых организмов: в одних фигурирует цифра в 2 млн., в других 3 - 5 млн. К концу прошлого тысячелетия насчитывалось около 1,2 млн. видов животных и 0,5 млн. видов растений. Большинство исследований и классификаций живых организмов свидетельствуют о том, что общее число видов растений и животных, обитающих в настоящее время на Земле, равняется примерно 5 млн., причем подавляющее большинство современных живых организмов - это тропические насекомые, многие из которых еще не изучены. Однако, по мнению Р. Мэя из Принстонского университета (Нью-Джерси, США), в приведенную схему расчетов следует внести коррективы, которые почти на порядок увеличат число организмов, существующих на Земле. Исследования обитателей тропических лесов показали, что только в тропиках имеется около 50 тыс. видов деревьев и примерно 30 млн. видов насекомых. Речь пока не велась о простейших видах живых организмов на Земле, которых более 50 млн.
Лучше всего изучены живые организмы, проживающие в умеренной зоне Европы и Америки, причем в атмосфере, а хуже всего - живые организмы Арктики и Антарктики, а также глубинных слоев литосферы и гидросферы во всех зонах и на всех континентах. Наибольшее число древних видов, проживающих или произрастающих на Земле уже несколько десятков, а то и сотен тысячелетий, находится в Новой Зеландии.
Ежегодно исследователи описывают в среднем один новый вид млекопитающих и три вида птиц, причем в основном это обитатели тропиков, зоны, которая сейчас наиболее широко исследуется.
По мнению Н.В. Тимофеева – Ресовского на вопрос о причинах (механизмах) многообразия и прогрессивности живого по сравнению с неживым позволяют ответить 3 взаимодополняющих принципа:
- естественного отбора;
- конвариантной редупликации кодов наследственной информации (включающей в себя наследственные вариации, мутации);
- обязательности прогрессивного действия длительного, практически вечного естественного отбора.
Совокупность всех живых организмов на Земле действует как единая мощная сила, преобразующая поверхностные слои нашей планеты. Кроме того, все единицы биосферы взаимодействуют между собой, все они одинаково необходимы для поддержания целостного и устойчивого состояния биосферы, роль которой в химических и энергетических процессах на Земле необыкновенно важна.
Все живые организмы на Земле можно разделить на три основные группы (рис.3)
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 3 Биологическое разнообразие жизни на Земле


Вирусы.

В 1892 году русский ученый Д.И. Ивановский описал необычные свойства возбудителя болезни табака – так называемой табачной мозаики. Этот возбудитель проходил через бактериальные фильтры. Таким образом, здоровые растения табака можно заразить бесклеточным фильтратом сока больного растения. Через несколько лет Ф. Леффлер и П. Фрош обнаружили, что возбудитель ящура – болезни, нередко встречающейся у домашнего скота, также проходит через бактериальные фильтры. Наконец, в 1917 г. Ф.де Эррель открыл бактериофаг – вирус, поражающий бактерии.
Так были открыты вирусы растений, животных и микроорганизмов. Эти три события положили начало новой науке – вирусологии, изучающей неклеточные формы жизни. Лишь с помощью электронного микроскопа удалось увидеть эти мельчайшие из живых существ (от 20 до 3000 нм) и оценить многообразие их форм. Своё название вирусы получили от латинского слова virus – яд.
Вирусы играют большую роль в жизни человека. Они являются возбудителями ряда опасных заболеваний – оспы, гепатита, энцефалита, краснухи, кори, бешенства, гриппа и других. Вирусы обитают только в клетках, это внутриклеточные паразиты. В свободно живущем, активном состоянии они не встречаются и не способны размножаться вне клетки. В окружающей среде вирусы инертны1111111
Если у всех клеточных организмов обязательно имеются две нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК, то вирусы содержат только одну из них. На этом основании все вирусы делят на две большие группы – ДНК-содержащие и РНК-содержащие. В отличие от клеточных организмов у вирусов отсутствует собственная система, синтезирующая белки. Вирусы вносят в клетку только свою генетическую информацию. С матрицы – вирусной ДНК или РНК – синтезируется информационная РНК, которая и служит основой для синтеза вирусных белков рибосомами инфицированной клетки.
Молекула ДНК вирусов или их геном может встраиваться в геном клетки хозяина и существовать в таком виде неопределенно долгое время.
Таким образом, паразитизм вирусов носит особый характер – это паразитизм на генетическом уровне.
Химический состав вирусов. Просто организованные вирусы представляют собой нуклеопротеиды, т.е. состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК и РНК) и нескольких белков, образующих оболочку вокруг нуклеиновой кислоты. Белковая оболочка носит название капсид (от лат. сapsa – вместилище). Примером таких вирусов является вирус табачной мозаики. Его капсид содержит всего один белок с небольшой молекулярной массой (рис.). Сложно организованные вирусы имеют дополнительную оболочку, белковую либо липопротеиновую. Иногда в наружных оболочках сложных вирусов помимо белков содержатся углеводы, например у возбудителей гриппа и герпеса. Их наружная оболочка является фрагментом ядерной или цитоплазматической мембраны клетки-хозяина, из которой вирус выходит во внеклеточную среду.
Геном вирусов может быть представлен как однонитчатыми, так и двунитчатыми молекулами ДНК и РНК. Так, двунитчатая ДНК встречается у вирусов оспы человека, овец, свиней, аденовирусов человека, двунитчатая РНК служит генетической матрицей у некоторых вирусов насекомых и других животных. Широко распространены вирусы, содержащие однонитчатую РНК (вирусы энцефалита, краснухи, кори, бешенства, гриппа и др.).
Большинство вирусов построены по одному из двух типов симметрии спиральной или кубической.
Вирионы (отдельные инертные вирусные частицы) со спиральной симметрией имеют форму продолговатых палочек. В центре находится спирально закрученная нуклеиновая кислота. Капсид состоит из идентичных субъединиц белка, спирально расположенных вдоль молекулы нуклеиновой кислоты. По спиральному типу симметрии построено большинство вирусов, поражающих растения, и некоторые вирусы бактерий, так называемые бактериофаги или просто фаги.
Большая часть вирусов, вызывающих инфекции у человека и животных, имеет кубический тип симметрии. Капсид почти всегда имеет форму икосаэдра – правильного двадцатигранника с двенадцатью вершинами из равносторонних треугольников (рис.).
Существуют вирусы и с более сложным строением. Некоторые фаги помимо икосаэдрической головки, содержащей генетический материал, имеют полый цилиндрический отросток, окруженный чехлом из сократительных белков и заканчива- Схематическое изображение фага Т 4
ющийся шестиугольной площадкой с шестью короткими выростами и шестью длинными фибриллами нитями. Такая сложная конструкция обеспечивает впрыскивание генетического материала фага внутрь бактериальной клетки.
Взаимодействие вируса с клеткой. При образовании пиноцитозных вакуолей вместе с капельками жидкости межклеточной среды случайно внутрь клетки могут попадать и вирусы, циркулирующие в жидкостях организма. Однако, как правило, проникновению вируса в цитоплазму клетки предшествует связыванию его с особым белком-рецептором, находящимся на клеточной поверхности. Связывание с рецептором осуществляется благодаря наличию специальных белков на поверхности вирусной частицы, которые «узнают» соответствующий рецептор на поверхности чувствительной клетки. Участок поверхности клетки, к которому присоединился вирус, погружается в цитоплазму и превращается в вакуоль. Вакуоль, стенка которой состоит из цитоплазматической мембраны, может сливаться с другими вакуолями или ядром. Так вирус доставляется в любой участок клетки.
Рецепторный механизм проникновения вируса в клетку обеспечивает специфичность инфекционного процесса. Так, вирус гепатита А или Б проникает и размножается только в клетках печени, аденовирусы и вирус гриппа – в клетках эпителия слизистой оболочки верхних дыхательных путей, вирус, вызывающий воспаление головного мозга, - в нервных клетках, вирус эпидемического паротита (свинка) – в клетках околоушных слюнных желез и т.д.
Инфекционный процесс начинается, когда проникшие в клетку вирусы начинают размножаться, т.е. происходит редупликация (удвоение) вирусного генома и самосборка капсида. Для осуществления редупликации нуклеиновая кислота должна освободиться от капсида. После синтеза новой молекулы нуклеиновой кислоты она одевается синтезированными в цитоплазме клетки-хозяина вирусными белками – образуется капсид.
Накопление вирусных частиц приводит к выходу из клетки. Для некоторых вирусов это происходит путем «взрыва», в результате чего целостность клетки нарушается и она погибает. Другие вирусы выделяются способом, напоминающим почкование. В этом случае клетки организма могут долго сохранять свою жизнеспособность.
Иной путь проникновения в клетку у вирусов бактерий – бактериофагов. Толстые клеточные стенки бактерий не позволяют белку-рецептору вместе с присоединившимся к нему вирусом погружаться в цитоплазму, как это происходит при инфицировании клеток животных. Поэтому бактериофаг вводит полый стержень в клетку и выталкивает через него ДНК (или РНК), находящуюся в его головке. Геном бактериофага попадает в цитоплазму, а капсид остается снаружи. В цитоплазме бактериальной клетки начинается редупликация генома бактериофага, синтез его белков и формирование капсида. Через определенный промежуток времени бактериальная клетка гибнет и зрелые фаговые частицы выходят в окружающую среду.(рис.)
Ни один из известных вирусов не способен к самостоятельному существованию. Лишь попав в клетку, генетический материал вируса воспроизводится, переключая работу клеточных биохимических конвейеров на производство вирусных белков: как ферментов, необходимых для репликации вирусного генома – всей совокупности его генов, так и белков оболочки вируса. В клетке же происходит и сборка из нуклеиновых кислот и белков многочисленных потомков одного попавшего в неё вируса.
Происхождение вирусов. Вирусы представляют собой автономные генетические структуры, неспособные, однако, развиваться вне клетки. Полагают, что вирусы и бактериофаги – обособившиеся генетические элементы клеток, которые эволюционировали вместе с клеточными формами жизни.


Схематическое изображение фага Т 4


Рис. 2. Модель части ВТМ

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
Рис. 3 Примеры структур икосаэдрических вирионов. А. Вирус, не имеющий липидной оболочки (например, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]). B. Оболочечный вирус (например, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]). Цифрами обозначены: (1) капсид, (2) геномная нуклеиновая кислота, (3) капсомер, (4) нуклеокапсид, (5) вирион, (6) липидная оболочка, (7) мембранные белки оболочки

Вирусо-генетическая теория рака
Создал ее Л.Зильбер в 1948-1949 г. Существуют вирусы, вызывающие разные формы рака у животных. Их называют онкогенными. Они содержат внутри себя РНК. При помощи фермента обратной транскриптазы на РНК синтезируется нить ДНК, затем она удваивается и возникает двухцепочная ДНК, она встраивается в хромосом клетки хозяина. Это провирус. Провирус становится частью генетического материала клетки и при делении передается дочерним клеткам. Потомкам он передается через половые клетки. Рентгеновские лучи, химические агенты активизируют провирус и он превращается в вирус. При этом идет синтез вирусных белков и РНК и их сборка. Эти новые вирусы заражают соседние клетки. Они интенсивно размножаются и возникает опухоль. Раковые клетки могут отрываться от соседних клеток и по лимфе переходить в другое место, т.е. способны образовывать метастазы.











Фото. Вирус СПИДа


Прокариоты
К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Основное их отличие состоит в том, что они не имеют четко оформленного ядра (рис. 4).
Бактерии
Мельчайшие организмы, обладающие клеточным строением. Размеры от 0,1 до 10 мкм (1 мкм =1/103 м). Освоили самые разнообразные среды обитания: живут в почве, пыли, воде, воздухе, на внешних покровах и внутри организма. В 1 см3 парного молока свыше 3000 млн. бактерий. Существуют археобактерии - древнейшие и эубактерии - настоящие. Археобактерий по строению очень похожи на эубактерий, но отличаются по ряду физиологических и биохимических свойств.

Рис. 4. Схема прокариотической клетки

Строение бактерии
Типичное ядро отсутствует. Большинство бактерий содержит одну замкнутую в кольцо двух цепочную молекулу ДНК, которая является носителем наследственных свойств клетки. В цитоплазме находится рибосомы и включения (крахмал, гликоген, жиры), а у автотрофных бактерий мембранные структуры, содержащие пигмент, где происходит фотосинтез. Плазматическая мембрана впячивается внутрь клетки и образует складчатые мембраны - мезосомы. Мезосомы выполняют функции других, не достающих органоидов- митохондрий, аппарата Гольджи, эндоплазматической сети. Покрыты бактерии плотной клеточной стенкой, придающей клетке форму и жесткость. Снаружи она часто окружена слизистой капсулой, что служит ее защитой. Под клеточной стенкой расположена цитоплазматическая мембрана. Движутся многие бактерии при помощи жгутиков. (Движение их осуществляется по принципу колеса).
У некоторых бактерий есть пили - это тонкие выросты, придающие липкость, т.е. служат для прикрепления клеток друг к другу.
Формы бактериальной клетки:
1. Кокки - шарообразные
2. Бациллы - палочкообразные
3. Спириллы - спиралевидные
4. Вибрионы – изогнутые

Размножение
Бактерии размножаются путем деления на две части, посредством перетяжки. В неблагоприятных условиях возможен половой способ передачи наследственной информации. Половое размножение у бактерий называется конъюгация, две бактерии подходят друг к другу, между ними образуется цитоплазматический мостик, и ДНК одной бактерии переходит по этому мостику в другую бактерию. В неблагоприятных условиях бактерии образуют споры. Каждая клетка образует всего одну спору и общее число особей при этом не возрастает. При образовании споры клетки ссыхаются и образуют новую толстую стенку внутри старой. Как только условия вновь становятся подходящими для роста спора поглощает воду, разрушает внутреннюю стенку и превращается в типичную бактериальную клетку.
СДЕЛАТЬ фотографию споры
По способу питания бактерии делятся на анаэробные, живущие в бескислородной среде и аэробные, живущие в среде с кислородом. Факультативные бактерии способны жить в кислородной и бескислородной среде. Большинство бактерий питаются гетеротрофно, т.е. не синтезируют органические вещества из неорганических путем освоения СО2. Источником энергии для этого может служить окисление минеральных соединений (хемосинтез) и свет (фотосинтез).

Положительная роль бактерий
1.Являются редуцентами. Минерализуют органическое вещество до СО2, Н2О, LLS, NH3 которые в последствии используются растениями в фотосинтезе.
Рис. 5. Микрофотография коньюгирующих бактерий
2. Азотфиксирующие бактерии задерживают в почве азот аммиака, что приводит к обогащению плодородного слоя почвы.
3. Симбиотические бактерии живут в кишечнике человека и животных, помогая перерабатывать клетчатку.
4. Молочно - кислые бактерии окисляют молочный сахар в молочную кислоту. Они широко используются для изготовления простокваши и кефира. Отрицательная роль бактерий
Внутри организма выделяют токсические вещества и разрушают клетки
хозяина, вызывая тяжелые заболевания.

Сине-зеленые водоросли (цианеи)
Наиболее древние организмы. Возникли свыше 3 млрд. лет тому назад. Автотрофные организмы сыграли большую роль в выработке кислорода и а выходе организмов на сушу. Клетки имеют толстые многослойные стенки, часто одеты слизистым чехлом. Цианеи живут в виде отдельных клеток или образуют клетки нити и колонии, их прокариотические клетки сходны по строению с бактериями. Они способны очищать почву, минеральные продукты гниения. Цианеи первыми осваивают новые места обитания - вулканические острова, лавовые потоки (рис. 6).

Клеточная стенка;
Запасные вещества (углеводы);
Фотосинтезирующие
мембраны;
Рибосомы;
Хромосома;
Цитоплазма;
Плазматическая
мембрана.




Рис. 6. Сине-зелёные водоросли (цианеи)

Эукариоты

Эукариоты (греч. eu – хорошо, caryon – ядро ореха)– это организмы, имеющие в своем строении клеток четко оформленное ядро (рис. 7).
Открыл клетку Р. Гук в 1665 г. Он использовал первый микроскоп, построенный в Голландии в конце XVI века, и сделав срез пробки из сердцевины бузины, заметил, что в состав их входит множество мелких образований по форме напоминающих ячейки пчелиных сот. Он дал им название ячейки или клетки (лат. cellula).

















Рис. 7. Многообразие эукариотических клеток

В 1838 – 1839 гг. М. Шлейден и Т. Шванн создали клеточную теорию.

Основные положения клеточной теории

Все живые организмы на Земле состоят из клеток;
Все клетки имеют одинаковое мембранное строение, химический состав и одинаковый обмен веществ;
Ядро – главная составная часть клетки;
Дочерние клетки получаются в результате деления материнской на две (сформулировано Р. Вирховым в 1859 г. – «всякая клетка из клетки (cellula e cellula)»);
В многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой ими функции и образуют ткани, ткани – органы, органы – организм.
Клетка является биологическим аналогом атома в физике или молекулы в химии, как мельчайшая часть живого организма, а в ряде случаев как самостоятельный организм, обладающий такими свойствами живого, как:
- целостность;
- ограниченность во внешней среды;
- способность к самовоспроизводству;
- обладает наследственной информацией;
- способность к целенаправленному движению;
- синтезу новых химических соединений;
- извлечение энергии из внешней среды и другим функциям.
Живые организмы состоят:
- из одной клетки – одноклеточные:
- из многих клеток – многоклеточные.
Согласно виталистическому подходу, целое больше суммы частей и организм обладает большой жизненной силой по сравнению со свойствами его клеток.
Строение животной клетки

Любая эукариотическая клетка состоит из ядра и цитоплазмы. Цитоплазма – вязкая бесструктурная масса, коллоидная система, в которой располагаются органоиды (органеллы) – постоянные, жизненно важные элементы клетки.

Название органоида
Структура
Функции

1
2
3


Два слоя липида (бислой) между двумя слоями белка
Избирательно проницаемый барьер, регулирующий обмен между клеткой и средой


Система уплощенных мембранных мешочков цистерн в виде трубочек и пластинок. Образует единое целое с наружной мембраной, ядерной оболочкой
Если поверхность ЭПС покрыта рибосомами то он называется шероховатым. По цистернам транспортируется белок, синтезированный на рибосомах.
Гладкий ЭПС (баз рибосом) служит местом синтеза липидов и углеводов

Рибосомы

Очень мелкие органеллы, состоящие из субчастиц - большой и малой. Содержат белок и РНК приблизительно равными долями.

Место синтеза белка, где в правильном положении различные взаимодействующие молекулы.
Рибосомы связаны с ЭПС или свободно лежат в цитоплазме. Много рибосом могут образовать полисому (поли - рибосому) в которой они нанизаны на единую нить матричной РНК


Митохондрия окружена оболочкой из двух мембран; внутренняя мембрана образует складки (кристы). Содержит; матрикс, в котором находится небольшое количество рибосом, одна кольцевая молекула ДНК и фосфатные гранулы
В кристах происходит окисление веществ выработка энергии


Лизосомы



Простой сферический мембранный мешочек, заполненный пищеварительными ферментами


Пищеварительная





Стопка уплощенных мембранных мешочков цистерн. На одном конце непрерывно образуются, а с другого - отшнуровываются в виде пузырьков. Стопки могут существовать в виде дискретных диктиосом, как в растительных клетках, или образовывать пространственную сеть, как во многих животных клетках
Многие клеточные материалы например, ферменты из ЭПС претерпевают модификацию в цистернах и транспортируются а пузырьках.
Аппарат Гольджи участвует в секреции и в нем образуются лизосомы



1
2
3

Центросомы

Клеточный центр или центромера состоит из двух центриолей и отходящих микротрубочек

Передвижение хромосом к полюсам клетки.
Геометрия клетки.


Таблица 2. Различия между растениями и животными

Сравнение
Типичное животное
Типичное растение

Питание
Гетеротрофное
Автотрофное

Раздражимость
Регулируется гормонами и нервной системой, последняя позволяет быстро реагировать на раздражитель и необходима для быстрого передвижения.
Регулируется только гормонами, нервной системы нет. Медленно отвечает на раздражитель, часто ростовыми реакциями.

Выделение
У большинства многоклеточных имеются специальные органы выделения, в частности для выведения азотистых веществ.
Продуктов выделения немного, специальных выделительных органов нет.

Рост
Всего тела
Ограничен определенными участками.

Отношение –
объем/поверхность
Тело компактное, что облегчает движение.

Высокое отношение по-верхность/объем, что спо-собствует более эффектив-ному улавливанию света и обмену веществ.

Строение клеток
Нет жесткой клеточной стенки.
Вакуоли небольшие и недолго живущие.
Нет хлоропластов и других пластид.
Запасают углеводы в виде гликогена. Имеются центриоли.

Жесткая клеточная стенка, содержащая целлюлозу.
Большая, постоянно существующая вакуоль, содержащая клеточный сок.
Имеются хлоропласты (содержащие хлорофилл) и другие пластиды.
Запасают углеводы в виде крахмала. Центриолей нет.


Таблица 3. Различие между прокариотами и эукариотами

Характеристики
Прокариоты
Эукариоты

1
2
3

Размеры клеток
Диаметр в среднем составляет 0,5 - 5 мкм
Диаметр до 40 мкм, объем клетки больше в 1000-10000 раз

Форма
Одноклеточные или нитчатые
Одноклеточные, нитчатые или истинно многоклеточные

Генетический
материал
Кольцевая ДНК находится в цитоплазме и ничем не защищена, нет ядрышек
Линейные молекулы ДНК связаны с белками и РНК и образуют хромосомы внутри ядра. Внутри ядра находится ядрышко

Синтез белка
Рибосомы (мелкие), эндоплазматической сети нет
Рибосомы (крупные), могут быть прикреплены к эндоплазматической сети

Органоиды
Органоидов мало. Ни одна из них не имеет оболочки (двойной мембраны)
Органоидов много,
окружены двойной мембраной

Клеточные стенки
Жесткие, содержат полисахариды и аминокислоты
У земных растений и грибов клеточные стенки содержат полисахариды. Основной материал клеточной стенки растений - целлюлоза, у грибов – хитин

1
2
3

Жгутики
Простые, микротрубочки отсутствуют. Находятся вне клетки (не окружены плазматической мембраной). Диаметр 20 нм.
Сложные с расположением микротрубочек типа 9+2 располагаются внутри клетки (окружены плазматической мембраной). Диаметр 200 нм

Дыхание
У бактерий происходит в мезосомах
Аэробное дыхание происходит в митохондриях

Фотосинтез
Хлоропластов нет, происходит в мембранах не имеющих специфической упаковки
В хлоропластах, содержащих специальные мембраны, которые обычно уложены в граны

Фиксация азота
Некоторые способны фиксировать
Ни один организм не способен к фиксации


(рис. 8).

Рис. 8. Сравнительная характеристика строения животной и растительной клеток


Ядро
Ядро (nucleus) - самая крупная органелла эукариотической клетки (3 - 10 мкм.) (рис. 9).
Состоит из ядерной оболочки, ядерного сока, ядрышек и хромосом.
Ядерная оболочка состоит из двух мембран (каждая толщиной 8 нм). Через определенные интервалы обе мембраны сливаются друг с другом, образуя ядерные поры. Через поры происходит обмен различными веществами между ядром и цитоплазмой.
Ядерный сок - вязкая бесструктурная масса, содержащая белки и различные РНК.
Ядрышко – округлое тельце (около 1 мкм). Место сборки рибосом, синтез РНК. Может быть одно или несколько ядрышек. Временные структуры: вначале деления клетки исчезают, в конце деления образуются.
Хромосомы – комплексы, химически состоящие из ДНК, которая накручена на глобулы белка – гистона. Рис. 10. Образование суперспирали ДНК
В неделящейся клетке хромосомы не видны – нити ДНК вытянуты и очень тонки.
Основная функция ядра – хранение и передача наследственной информации.











Рис. 9. Строение ядра (nucleus)

Строение хромосомы.
Хромосома имеет центромеру – место первичной перетяжки (рис. 11). Сюда присоединяются нити веретена деления в метафазе митоза и мейоза. Вторая перетяжка хромосомы носит название ядрышковый организатор – место образования ядрышек ядра в конце деления клетки. Некоторые хромосомы имеют спутники. По месту расположения центросомы хромосомы делятся на метацентрические(равноплечие), субметацентрические (слабонеравно-плечие), акроцентрические (сильно-неравноплечие) (рис. 12).

Рис. 11. Строение хромосомы
Хромосомы

1 - метацентрическая;
2 - субметацентрическая;
3 - акроцентрическая;
4 - хромосома со спутником;
а - центромера (первичная перетяжка);
б - вторичная перетяжка в – спутник
Деление клетки



Рис. 12. Классификация хромосом по Левитскому

Набор хромосом соматической клетки носит название кариотип. Он всегда диплоидный или двойной (2 п). У каждого вида животных и растений свой определенный набор хромосом. Примеры.
В половых клетках набор хромосом в два раза меньше, он одинарный (п) и носит название геном. В 2001 г. был расшифрован геном человека. Он включает 3 млр. нуклеотидных пар.
Расшифровка геномов имеет большую важность для биотехнологии и генной инженерии, позволяющих создавать новые живые организмы и воспроизводить живые организмы, жившие в прошлом, т.е. вмешиваться в естественные природные процессы в социальных и экономических интересах.

Вопросы для повторения

1.Каково многообразие и разнообразие живых организмов на Земле?
2.На какие три основные группы делятся живые организмы на Земле?
3. Опишите размножение вирусов?
4.Как устроен бактериофаг и каково его строение?
5.В чем смысл вирусо – генетической теории рака?
6.Какова роль фермента обратной транскриптазы?
7. Опишите строение прокариотической клетки.
8.Каково размножение бактерий?
9.Какова роль бактерий?
10.Опишите строение сине – зеленых водорослей.
11.Каковы основные положения клеточной теории?
12.Опишите строение животной клетки.
13.В чем заключаются основные отличия растений от животных.
14.В чем заключаются основные отличия прокариот от эукариот?
15.Каково строение ядра эукариотической клетки?
16.Каково строение хромосом?
17.В чем заключается классификация хромосом по Левитскому?


РАЗДЕЛ IV
РАЗМНОЖЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЖИВЫХ СИСТЕМ


Размножение, или самовоспроизведение, – одна из важнейших характеристик органической природы. Размножение – свойство, присущее всем без исключения живым организмам – от бактерий до млекопитающих. Существование любого вида животных и растений, бактерий и грибов, преемственность между родительскими особями и их потомством поддерживаются только благодаря размножению. Тесно связано с самовоспроизведением и другое свойство живых организмов – развитие. Оно также присуще всему живому на земле: и мельчайшим одноклеточным организмам, и многоклеточным растениям и животным.
Существует два типа размножения бесполое и половое.
Бесполое размножение осуществляется при участии лишь одной родительской особи. Особи дочернего поколения возникают из одной или группы клеток материнского организма. Наиболее широко бесполое размножение распространено среди прокариот, грибов и растений, но встречается и у различных видов животных. Основными формами бесполого размножения являются деление, спорообразование, почкование, фрагментация и вегетативное размножение.
У одноклеточных животных и растений в благоприятных условиях существования размножение осуществляется путем простого или множественного деления. При этом ядро один или несколько раз делится митозом с образованием двух или большего числа дочерних ядер, каждое из которых окружается цитоплазмой и формирует самостоятельный организм.
У многих растений (водоросли, мхи, папоротники), грибов и некоторых одноклеточных животных на определенной стадии жизненного цикла образуются споры - мелкие гаплоидные клетки, покрытые плотной оболочкой и устойчивые к действию неблагоприятных факторов внешней среды. Большинство спор неподвижны и расселяются во внешней среде пассивно. Некоторые водоросли и грибы образуют подвижные зооспоры. Споры служат не только для размножения, но и для расселения и переживания неблагоприятных условий. При возникновении благоприятных условий споры прорастают, давая начало новому организму. Бесполое размножение, осуществляемое с помощью спор, называют спорообразованием.
Перечисленные способы бесполого размножения характеризуются тем, что новый организм образуется за счет деления одной клетки родительской особи. В тех случаях, когда формирование нового организма осуществляется из группы клеток материнского организма, говорят о вегетативном размножении. Особенно широко вегетативное размножение распространено среди растений, у которых оно происходит за счет частей вегетативных органов или специально предназначенных для этой цели структур луковиц, корневищ, клубней и др.
Различают также почкование и фрагментацию. У некоторых грибов и животных от родительской особи отделяется небольшой участок тела почка, из которой впоследствии развивается новый организм. У морских гидроидных и коралловых полипов многократно почкующиеся особи не отделяются от материнского организма, формируя колонии.
Фрагментацией называют разделение особи на две или несколько частей, каждая из которых растет и достраивает новый организм. Основу фрагментации составляет способность организмов к регенерации, т.е. восстановлению утраченных частей. Некоторые виды животных способны восстанавливать целый организм из незначительных фрагментов тела. Так, морские звезды восстанавливают целый организм из одного луча, а пресноводная гидра из1/200 своего тела.
Итак, бесполое размножение обеспечивает воспроизведение большого количества генетически идентичных особей. Поскольку основным клеточным механизмом бесполого размножения является митоз, особи дочернего поколения оказываются точными копиями родительского организма. Бесполое размножение более выгодно для организмов, обитающих в относительно постоянных условиях. Оно является более древней формой размножения, возникшей в процессе развития жизни раньше полового.

Митоз
Митоз - это деление соматических клеток, при котором из одной материнской клетки с диплоидным набором хромосом получаются две дочерние с диплоидным набором хромосом.
Перед митозом происходит интерфаза - это стадия подготовки клетки к делению. В ней идет синтез белков, АТФ, ДНК. За счет синтеза ДНК хромосома удваивается. Она состоит из двух сестринских хроматид. Хромосомы в виде тонких длинных нитей (рис. 26).
Профаза.
1. Центриоли расходятся к полюсам клетки. Между ними образуется веретено деления;
2. Ядерная оболочка и ядрышки растворяются;
3. Хромосомы укорачиваются и утолщаются за счет спирализации в них ДНК;
4. Хромосомы свободно располагаются в цитоплазме клетки.
Метафаза
Хромосомы четко выстраиваются по экватору. От каждой центромеры хромосомы прорастают по 2 нити веретена деления к центриолям.
Анафаза
Нити веретена деления натягиваются. Центромера делится пополам. Половинки хромосом отходят к полюсам клетки. В последствии эти половинки станут самостоятельными хромосомами.
Телофаза
1. Клетка делится пополам;
2. Образуются ядрышки и ядерная оболочка;
3. ДНК-деспирализуются, хромосомы приобретают форму длинных нитей. Возникают из одной материнской клетки две дочерние.
Митоз сохраняет постоянство набора хромосом в соматической клетке.





Рис. 26. Митоз в типичной животной клетке

Половое размножение

Половое размножение появилось более 3 млрд. лет назад и встречается во всех крупных группах ныне существующих организмов. Сущность полового размножения заключается в объединении генетической информации от двух особей одного вида - родителей - в наследственном материале потомка. Наследственный материал каждой дочерней особи представляет собой уникальную комбинацию генетической информации родителей. Образующиеся в процессе полового размножения организмы отличаются друг от друга по генотипу, признакам, свойствам, характеру приспособленности к условиям обитания.
Таким образом, биологическое значение полового размножения заключается не только в самовоспроизведении особей, но и в обеспечении биологического разнообразия видов, их адаптивных возможностей и эволюционных перспектив. Это позволяет считать половое размножение биологически более прогрессивным, чем бесполое.
Половое размножение осуществляется с помощью специализированных половых клеток - гамет. Женские гаметы называют яйцеклетками, мужские - сперматозоидами. Гаметы отличаются от соматических клеток прежде всего вдвое меньшим числом хромосом, а также низким уровнем обменных процессов.
Яйцеклетки - относительно крупные неподвижные клетки, обычно округлой формы; в цитоплазме помимо типичных органоидов содержатся включения запасных питательных веществ в виде желтка.
Сперматозоиды - обычно очень мелкие клетки. У разных организмов они неодинаковой формы, но большинство из них имеет головку, шейку и хвост. Головка содержит ядро и очень небольшое количество цитоплазмы. На переднем конце головки располагается акросома – видоизмененный комплекс Гольджи, который содержит фермент для растворения оболочки яйцеклетки при оплодотворении. В шейке находятся многочисленные митохондрии и две центриоли. От шейки отрастает хвост, образованный микротрубочками и обеспечивающий подвижность сперматозоидов (рис. 27). Рис.27. Строение сперматозоида, яйцеклетки

Гаметогенез – процесс образования половых клеток
Где Он


Мейоз
Мейоз - это деление половых клеток на стадии созревания, при котором из одной материнской клетки с диплоидным набором хромосом получается 4 с гаплоидным набором хромосом (рис. 28). В мейоз входят 2 деления: уменьшительное и уравнительное. Перед мейозом есть интерфаза. В ней идет синтез ДНК, удвоение хромосом, синтез АТФ. Хромосомы в виде тонких длинных нитей.
Уменьшительное деление
Профаза I. В ней идут процессы похожие на процессы в профазе митоза. Центриоли расходятся к полюсам клетки; ядрышки и ядерная оболочка растворяются; идет спирализация ДНК, хромосомы по мере прохождения профазы укорачиваются и утолщаются. Но есть и существенные отличия. В начале профазы хромосомы в виде тонких длинных нитей, каждая из них состоит из двух хроматид, т.к. они удвоились ещё в интерфазе, но спирализация ДНК в хромосомах только началась. Затем гомологичные хромосомы начинают сближаться и соединяться друг с другом по всей длине хромосомы. Этот процесс носит название конъюгация. После сближения гомологичные хромосомы начинают перекручиваться относительно друг друга, между ними начинается обмен участками - генами, т.е. они обмениваются наследственной информацией. Затем гомологичные хромосомы начинают отталкиваться друг от друга центромерами, но остаются соединенными в местах их обмена. Процесс отталкивания центромерами продолжается и места, соединяющие 2 хромосомами сползают к их конкам, образуется комплекс из 2-х хромосом.

Рис. 28. Схема поведения хромосом в процессе мейоза

Метафаза I. Эти комплексы хромосом выстраиваются по экватору клети. От каждой центромеры прорастает по одной нити к центриолям (рис. 29).
Анафаза I. Нити веретена деления натягиваются и сокращаются, места, соединяющие гомологичные хромосомы рвутся, и целые хромосомы отходят к полюсам клетки.
Телофаза I. Клетка делится пополам. Образуются ядрышки и ядерная оболочка. В результате уменьшительного деления мейоза из одной материнской клетки с диплоидным набором хромосом получилось 2 дочерние с гаплоидным набором хромосом, т.к. к полюсам клетки отошли не половинки хромосом, а целые хромосомы.
Уравнительное деление II проходит точно по типу митоза. Полученные в результате уменьшительного деления клетки вступают в это деление практически без интерфазы. Синтез ДНК и удвоение хромосом не происходит.
Профаза II. Центриоли расходятся по полюсам, формируются веретена деления клетки, растворяются ядрышки и ядерная оболочка. Хромосомы свободно лежат в цитоплазме.
Метафаза II. Хромосомы располагаются по экватору. От каждой центромеры хромосомы прорастает по две нити веретена деления.
Анафаза II. Нити веретена деления сокращаются, центромера делится пополам и половинки хромосом отходят к полюсам клетки.
Телофаза II. Цитоплазма клетки делится пополам. Возникают ядрышко и ядерная оболочка. Идет деспирализация ДНК, хромосомы удлиняются и становятся в виде тонких длинных нитей. Из двух клеток с гаплоидным набором хромосом образуется 4 с гаплоидным набором хромосом.
Биологическая сущность мейоза состоит в том, что происходит уменьшение числа хромосом, возникают гаметы (половые клетки) с гаплоидным набором хромосом.






Рис 29. Схема процесса мейоза


Оплодотворение
Процесс слияния сперматозоида и яйцеклетки, сопровождающейся объединением геномов отцовского и материнского организмов и завершающийся образованием зиготы.
У человека процесс оплодотворения происходит в маточной трубе, куда после овуляции попадают яйцеклетка и многочисленные сперматозоиды. При контакте с яйцеклеткой сперматозоиды выделяют ферменты, разрушающие ее оболочки и обеспечивающие проникновение спермия внутрь. После проникновения сперматозоида яйцеклетка формирует на поверхности толстую непроницаемую оболочку оплодотворения, препятствующую полиспермии.
Сущность оплодотворения заключается в объединении гаплоидных геномов отцовского и материнского организмов и формировании уникальной комбинации генов в генотипе зиготы потомка (рис. 30).












Рис. 30. Схема оплодотворения:
А – слияние сперматозоида с яйцеклеткой;
Б – ядро сперматозоида в цитоплазме зиготы;
1 – женское ядро, 2 – сперматозоид, 3 – воспринимающий бугорок,
4 – центриоль, 5 – мужское ядро;
В – первое деление зиготы

Индивидуальное развитие организмов
Онтогенез - индивидуальное развитие организма от образования, зиготы до смерти. Онтогенез делится на 2 этапа: эмбриональное развитие и постэмбриональное развитие.
Эмбриональное развитие начинается с образования зиготы и заканчивается моментом рождения (на примере ланцетника). Он делится на стадии: 1. дробления или бластулы; 2. образование зародышевых листков или гаструлы и 3. образование осевых органов и мезодермы.
1. Дробление - зигота делятся в продольном направлении на две одинаковые по величине клетки, называемые бластомерами. Каждый из этих бластомеров делится в продольном направлении и образуется 4 клетки. Эти клетки делятся в поперечном направлении, в результате этого возникает 8 клеток. Дробление продолжается, что приводит к образованию 16, 32, 64, до 1000. Увеличение клетки при этом не происходит. Клетки передвигаются на периферию и образуется однослойный зародыш – бластула.
2. Гаструла – бластомеры выпячиваются внутрь и образуется двухслойный зародыш или гаструла (рис. 31).


Рис. 31. Гаструляция у ланцетника:
А – бластула, Б, В, Г – гаструляция;
1 – эктодерма, 2 - энтодерма

3. Образование осевых органов и мезодермы. Клетки эктодермы делятся и возникает нервная пластинка. Она опускается под эктодерму, растёт, образуя желобок. Размножение клеток идет далее, образуется нервная трубка. Она тянется вдоль тела от переднего конца к заднему. Из энтодермы обособляется хорда. Из эктодермы формируется третий зародышевый листок – мезодерма. Энтодерма сворачивается и образуется кишечная трубка.
Нервная трубка, хорда, кишечная трубка - это осевые органы. Нервная трубка дает начало Ц.H.C., хорда - позвоночнику, из выростов кишечной трубки развивается желудок, печень и другие органы пищеварения. Из мезодермы формируются хрящевые и костные элементы скелета, мускулатура, кровеносная, выделительная и половая системы (рис. 32).
Постэмбриональное развитие - это период с момента рождения до смерти. Различают 2 вида постэмбрионального развития: прямое, когда рождающийся организм сходен со взрослым (пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие), непрямое, когда эмбриональное развитие приводит к образованию личинки, которая, отличается от взрослого организма (насекомые, земноводные). Может свободно жить и питаться. Эволюционно выше стоит онтогенез человека, т.к. в организме матери образуется плацента.


Рис. 32. Начало развития оплодотворённого яйца ланцетника

Вопросы для повторения
В чем заключается биологический смысл бесполого размножения?
Опишите формы бесполого размножения.
Опишите фазы митоза.
В чем заключается биологический смысл митоза?
В чем заключается биологический смысл полового размножения?
Опишите строение половых клеток.
Опишите уменьшительное деления мейоза.
Опишите уравнительное деление мейоза.
Опишите процесс оплодотворения.
Что такое онтогенез?
Опишите эмбриональное развитие организмов.
Опишите постэмбриональное развитие организмов.


РАЗДЕЛ V
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

Большинство ученых убеждены, что жизнь представляет особую форму существования материального мира. Вопрос о сущности жизни до сих пор является дискуссионным в науке.
До конца 50 –х годов в научной и философской литературе общепринятым было знаменитое определение Ф. Энгельса, которое утверждало, что «жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». Но к этому времени стало очевидным, что субстратная основа жизни не сводится только к белкам, а функциональная – к присущему им обмену веществ».
Интересны также определения Э. Шредингера, как апериодического пентакристалла. На основании этой концепции можно объяснить наличие у животных и человека, хотя и ассиметричной, но пятилучевой формы тела, пятипалой конечности и исходной пятичленной структуры цветков растений. Г. Югай определил жизнь как космическую организованность материи. Существует определение на основе термодинамики, подчеркивающее энергетический аспект жизни как противостояние энтропийным процессам.
Современному состоянию исследований в области молекулярной биологии соответствует следующее определение явления жизни: «Жизнь есть форма существования высокоорганизованных неравновесных открытых систем, в структуре которых решающую роль играют белки и нуклеиновые кислоты; эти системы способны к обмену веществ, самовоспроизведению путем передачи наследственной информации и изменчивости на основе мутаций». Приведенное определение жизни в настоящее время является общепринятым среди биологов.
В последнее время появились иные формулировки сущности жизни, которые активно обсуждаются учеными. В своей сенсационной книге «Физика бессмертия» физик Ф. Типлер определяет жизнь, как некую закодированную информацию, которая сохраняется естественным отбором. Однако шок в научном мире вызвало не столько это определение, а сколько защищаемое Типлером положение о существовании Бога в качестве источника этой информации особого рода, которая может существовать сама по себе, независимо от тех или иных ее химических носителей. Типлер выдвигает возможность воскрешения мертвых и вечной жизни всех людей, коль скоро эта жизнь сводится к чистой информации.
Жизнь на Земле основана на углероде. Углерод синтезирован в звездах – гигантах несколько миллиардов лет назад. Если бы возраст Вселенной был меньше, то жизнь не могла бы возникнуть. Планеты должны иметь определенную массу для того, чтобы удержать атмосферу. Для возникновения жизни нужны определенные диапазоны температуры, влажности, давления, уровня радиации, определенная направленность развития Вселенной и время.
Взаимное удаление галактик приводит к тому, что их электромагнитное излучение приходит к нам сильно ослабленным. Если бы галактики сближались, то плотность радиации во Вселенной была бы столь велика, что жизнь не могла бы существовать.


Исторические концепции происхождения жизни на Земле

Многовековые исследования и попытки решения вопросов возникновения жизни на Земле породили разные концепции.
Креационизм (creatio – создание, творение). Направление в естественных науках, объясняющих происхождение мира актом сверхъестественного творения и отрицающее эволюцию. Христианское представление о сотворении мира изложено в библии. По библии весь мир и населяющие его организмы были созданы творцом (Богом) из ничего, из пустоты. Креационизм утверждает постоянство, неизменность всех видов живых организмов, сотворенных Богом в результате единовременного акта.
Так, в Библии акт творения, продолжавшийся в течение шести дней, изображается следующим образом.
1 – й день: Бог создал небо и землю, а также свет и воду, т.е. материал, который стал началом единой Вселенной.
2 – й день: Бог создал небо, которое разделило воды верхние и нижние.
3 – й день: Бог указал воде место, куда течь, чтобы обнажилась суша. Затем он покрыл сушу травами и деревьями.
4 – й день: Бог создал солнце, луну и звезды.
5 – й день: Бог создал «пресмыкающихся, душу живую» в воде.
6 – й день: Бог создал и «зверей земных по роду их, и человека «по образу Своему, по образу Божию».
Наука не в состоянии опровергнуть идею о божественном сотворении первозданной Вселенной и теологические взгляды на возникновение жизни. Современной наукой допускается и такая возможность. Креационистическая теория является полностью противоположной эволюционисткой, которая основана на человеческом разуме и связывает возникновение жизни с длительным процессом универсальной эволюции природы, взаимодействием порядка и хаоса и ее самоорганизацией, упорядочением на определенном этапе. Несмотря на претензии на непогрешимость, которые пытается предъявить каждая из этих концепций, с научной точки зрения обе они носят лишь вероятностно – гипотетический характер.
Теория спонтаного самозарождения (теория витализма (vitalis - жизненный). На протяжении тысячелетий люди верили в возможность самопроизвольного зарождения жизни, считая его обычным способом появления живых существ из неживой материи. Эта теория была распространена в древнем Китае, Вавилоне и Египте. Считалось, что рыбы могли зарождаться из ила, черви – из почвы, мыши – из тряпок, светлячки – из утренней росы, мухи – из гнилого мяса. Аристотель придерживался теории спонтанного самозарождения. Согласно гипотезе Аристотеля, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало» которое при подходящих условиях может создать живой организм, например, если из воздуха проникла «жизненная сила». В XVII в. итальянский ученый Ф. Реди экспериментально показал невозможность самозарождения живого. В нескольких стеклянных сосудах он поместил кусочки мяса. Часть из них он оставил открытыми, а часть прикрыл кисеей. Личинки мух появились только в открытых сосудах, в закрытых их не было. Однако противники Ф. Реди утверждали, что в закрытые сосуды не могла проникнуть «жизненная сила» и поэтому там не появились личинки мух. Окончательно версия о постоянном самозарождении живых организмов была опровергнута в середине XIX в. Л. Пастером. Он поместил простерилизованный бульон в колбу с длинным узким горлышком S – образной формы. РИС С ИНТЕРНЕТАБактерии или находящиеся в воздухе организмы оседали под действием силы тяжести в нижней, изогнутой, части горлышка. Тогда как воздух поступал в саму колбу. Проходили месяцы, а содержимое колбы оставалось стерильным. Проникнуть в колбу и вызвать разложение бульона бактерии могли лишь при отламывании горлышка или поворачивания колбы так, чтобы раствор омывал колено горлышка и стекал обратно в колбу. Эти и другие сходные опыты убедительно показывали, что в современную эпоху живые организмы любого размера происходят от других живых организмов. Таким образом, возникал вопрос о происхождении первых живых организмов. Отрицание факта самозарождения жизни в настоящее время не противоречит представлениям о принципиальной возможности развития жизни в прошлом из неорганической материи. На определенной стадии развития неорганической природы жизнь может возникнуть как результат естественных процессов.
Гипотеза панспермии. Эта теория выдвигает идею внеземного происхождения жизни, предложена в 1865 году немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррениусом в 1895 году. Она утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных частях галактики или Вселенной. Согласно этой гипотезе жизнь могла распространяться от одной галактики к другой в виде спор жизни. Кроме того, по мнению некоторых ученых, Земля и, возможно, другие первоначально лишенные жизни планеты могли быть намеренно наделены жизнью какими – то разумными существами, обитателями тех районов Вселенной, которые в своем развитии опередили нашу цивилизацию на миллиарды лет. Для обоснования этой теории используются многократные появления НЛО; наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также сообщения якобы о встречах с инопланетянами. При изучении материалов метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» - такие вещества как «цианогены», синильная кислота и органические соединения, которые, возможно, сыграли роль «семян», падающих на голую Землю. Появился ряд сообщений о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, однако доводы в пользу их биологического происхождения не кажутся учеными убедительными. Кроме того, часть ученых утверждает, что споры жизни должны были погибнуть в мощном ультрафиолетовом излучении Солнца и не смогли бы достичь поверхности Земли. Эту гипотезу в настоящее время нет возможности ни подтвердить, ни опровергнуть.
Теория стационарного состояния. Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно. Она всегда способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то незначительно. Виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности – либо изменение численности, либо вымирание. В качестве примера они приводят представителя кистеперых рыб – латимерию. По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых.
Концепция биохимической эволюции (теория абиогенеза). Жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. В 20-е годы XX в. русский ученый А.И. Опарин (1924 г.) и англичанин Дж. Холдейн (1928 г.) высказали предположение о самопроизвольном зарождении жизни из неорганической материи. Суть ее в том, что появлению жизни на древней Земле обязательно должно было предшествовать абиогенное образование органических соединений. Центральное положение гипотезы Опарина – идея химической эволюции, приведшей к образованию простейших органических соединений из неорганических под воздействием сильнодействующих физико-химических факторов (температура, ультрафиолетовое и рентгеновское облучение, мощные электрические разряды, атмосферное давление). В лаборатории Опарина были синтезированы не только аминокислоты (в смеси формальдегида и солей аммония под воздействием ультрафиолетового облучения), но и растительные пигменты (порфирин из пиррола и формальдегида).

Основные этапы происхождения жизни на Земле
(теория Опарина)
Химическая эволюция. Солнце и планеты Солнечной системы образовались примерно 4,5 млрд. лет назад из диффузного газопылевого облака, конденсировавшегося под действием сил гравитации. Земля вначале была холодная, но в дальнейшем благодаря распаду содержащихся в ней радиоактивных элементов она стала разогреваться (в недрах температура достигла 1000 0С и выше). Вещества Земли на этой стадии ее развития вступали между собой в химические реакции. Среди продуктов реакций было много газов. Под громадным давлением они вырывались на поверхность Земли, благодаря чему образовывалась ее первичная атмосфера. В ее составе, вероятно, содержалось много водяного пара и газов: N2, CO2, СО, Н2S, NH3, СН4 при полном отсутствии О2. После того, как температура на поверхности Земли стала ниже 100 0С, начался период дождей, вследствие чего образовались моря и океаны. В горячей дождевой воде растворялись аммиак, углекислый газ, метан, а также соли и другие вещества, вымываемые из поверхностных слоев Земли. Благодаря отсутствию в первичной атмосфере кислорода и озона, обладающих способностью поглощать ультрафиолетовые лучи и ионизирующие излучения, эти богатые энергией виды излучений воздействовали на поверхность Земли с большой интенсивностью. Грозы были часты, необычны по силе. Под влиянием ультрафиолетовых лучей, проникающего излучения и электрических разрядов между веществами, растворенными в первобытном океане, происходили химические реакции, в результате которых образовывались простейшие органические соединения (углеродистые), постепенно эти соединения усложнялись в процессе предбиологической эволюции.
Биохимическая эволюция. Химическая эволюция сменилась биохимической. Этот процесс был неразрывно связан с геологической эволюцией Земли. А.И. Опарин предположил, что под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси, содержащие пары воды, аммиака, метана и других газов, появились аминокислоты, нуклеотиды и их полимеры (белки и нуклеиновые кислоты), которые по мере увеличения концентрации органических веществ в «первичном бульоне» гидросферы Земли способствовали возникновению коллоидных систем, так называемых «коацерватных» капель.
Возникновение коацерватов. Опарин считал, что переход от химической эволюции к биологической требовал обязательного возникновения индивидуальных фаз – обособленных систем, способных взаимодействовать с окружающей внешней средой, используя ее вещества и энергию, и на этой основе способных расти, множиться и подвергаться естественному отбору. Органические молекулы имеют большую молекулярную массу и сложную пространственную конфигурацию, поэтому они окружены водной оболочкой. При определенных условиях (например, в отсутствии электролитов) водная оболочка приобретает четкие границы и отделяет молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окруженные водной оболочкой, могут объединяться, образуя многомолекулярные комплексы – коацерваты (сгустки). Капли отделены от окружающей среды резкой границей раздела, но они способны поглощать извне вещества по типу открытых систем. Опарин предположил, что органические вещества сталкивались друг с другом в сравнительно неглубоких местах первичных водоемов, прогреваемых Солнцем. Под действием ультрафиолетовых лучей (их энергии) протекали химические реакции между органическими соединениями. Результатом этих реакций стали коацерваты. Они были способны поглощать из внешней среды различные органические вещества. Это обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой. Естественный отбор способствовал выживанию наиболее устойчивых коацерватных систем (рис. 33).

Рис. 33. Сборка коацерватов

Таким образом, по Опарину коацерваты – первичная доклеточная структура. Она была открыта и наделена способностью к первичному метаболизму, хотя и не имела системы для передачи генетической информации. Это были микросистемы.
Переход к биологической эволюции. Микросистемы усложнялись за счет естественного отбора и превращались в целостные многомолекулярные системы, фазо - обособленные от среды определенной границей, но сохраняли с ней взаимодействие по типу открытых систем. Только такие системы, черпающие из внешней среды вещества и энергию, могли противостоять нарастающей энтропии и даже способностью к ее уменьшению в процессе своего роста и развития, что является характерным признаком всех живых систем. Коацерватные капли могли себя воспроизводить. Естественный отбор сохранял такие системы, в которых более совершенной была функция обмена веществ. Выживающие в ходе естественного отбора системы имели специфическое строение белков и нуклеоподобных полимеров. Они обусловили появление наследственности. С этого момента началась биологическая эволюция.
Сильная сторона теории Опарина. Доказательство абиогенного синтеза органических веществ в лабораторных условиях.
Слабая сторона теории Опарина. Допущение возможности самовоспроизведения коацерватных структур в отсутствии генетического кода, т.е. молекул ДНК и РНК.
Таким образом, Опарин не смог раскрыть переход от химической эволюции к биологической. В 1928 г. Дж. Холдейн, независимо от Опарина, пришел к сходным выводам. Он высказал предположение, что источником энергии для образования органических соединений на Земле служило ультрафиолетовое излучение Солнца. Аминокислоты, сахара и другие соединения накапливались в первичных океанах до тех пор, пока не приобрели консистенцию «теплого разжиженного бульона». Именно в таком «первичном бульоне», вероятно, и возникла жизнь.
Современная теория возникновения жизни на Земле, называемая теорией биопоэза, была сформулирована в 1947 году английским ученым Дж. Берналом.

Основные периоды биопоэза
Абиогенное возникновение биологических мономеров (химическая эволюция).
1) 4500 млн. лет назад Земля представляла собой холодную сферу, состоящую из оксидов, карбанатов и карбидов металлов, а также газов, вырывающихся из недр, благодаря активной вулканической деятельности.
2) На Земле шло повышение температуры за счет уплотнения коры, распада радиоактивных соединений и потока ультрафиолетового излучения Солнца.
В результате этого вода была в состоянии пара, который постоянно поднимался высоко и в холодном пространстве конденсировался в облака, образуя тучи, что привело к сильным ливням, сопровождавшимся непрерывными молниями. Образовывались неглубокие водоемы, заполненные дождями.
Горячие лавовые потоки и вулканический пепел создавали разнообразные быстро меняющиеся условия, в которых могли протекать реакции синтеза органических соединений – мономеров (аминокислоты, нуклеотиды, сахара, жирные кислоты). Они могли образовываться лишь из тех неорганических соединений, которые в изобилии присутствовали в атмосфере древней Земли (водород, метан, аммиак). Ультрафиолет был основным источником энергии. Свободного кислорода не было, он входил в состав различных соединений, образуя множество минералов в земной коре. Этот период возникновения жизни длился примерно 1000 млн. лет.

Доказательство абиогенного синтеза
Этап химической эволюции на Земле был доказан в лабораторных условиях в 1953 году американскими учеными Миллером и Юри. Они смогли имитировать условия древней Земли, создав воздухонепроницаемый аппарат (рис. 34).




Рис. 34. Аппарат Миллера
Через систему труб подавалась смесь газов метана, аммиака и водорода, кипящая вода служила источником водяного пара, с помощью холодильника поддерживалась циркуляция газовой смеси через сосуд, источником энергии послужил электрический заряд, который пропускали в течение нескольких дней при напряжении 60 w. Через 6 дней в водной фазе аппарата образовались различные органические вещества, среди них были обнаружены биологические мономеры: мочевина, молочная кислота, несколько различных аминокислот.
Заменяя источники энергии и смесь газов в аппарате, ученые смогли получить в последующих экспериментах не только аминокислоты, но и некоторые сахара, жирные кислоты, азотистые основания, рибозу и дезоксирибозу. Теория абиогенного синтеза органических соединений получила свое подтверждение. Последующие этапы биопоэза основываются в основном на логике.
II. Биохимическая эволюция (образование биологических полимеров). Встал закономерный вопрос, какие биополимеры возникли на древней Земле первыми: белки или нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Белки (полипептиды) – биополимеры, состоящие из соединенных друг с другом с помощью пептидных связей 20 аминокислот в разной последовательности, но их синтез на рибосоме осуществляется на основе генетического кода, кроме того, полипептиды не обладают способностью к самовоспроизведению, как нуклеиновые кислоты. В свою очередь, нуклеиновые кислоты (биополимеры, мономером которых являются 4 нуклеотида) не могут осуществлять процесс самовоспроизведения в отсутствии ферментов, которые по своей химической природе являются белками.
Американский ученый С. Фокс нагревал сухую смесь аминокислот и после охлаждения и растворения в воде обнаружил белковоподобные молекулы со случайной последовательностью аминокислот. Он предположил, что на древней Земле аминокислоты концентрировались в испаряющихся водоемах, а затем полиризовались под действием тепла лавовых потоков или входе высушивания под действием солнечных лучей. Последующие дожди растворяли полипептиды. Таким образом, можно представить, что на древней Земле, могли образовываться полипептиды, некоторые из которых могли обладать каталитической активностью.
Однако в настоящее время после открытия Т. Чеком в 1982 году каталитической активности РНК стали предполагать, что молекулы РНК были первыми биополимерами на Земле. В 80-е годы XX века был открыт «мир РНК».

Свойства РНК
1) РНК наделена такой же «генетической памятью», как и ДНК;
Нет организмов, в которых отсутствовала бы РНК, но есть множество вирусов, геном которых составляет РНК, а не ДНК;
РНК способна самовоспроизводиться в отсутствии ферментов;
РНК сама обладает каталитической активностью;
На РНК при помощи фермента обратной транскриптазы может синтезироваться цепочка ДНК
На основе этого было сделано предположение, что цепочка передачи генетической информации эволюционировала в направлении РНК – белок – ДНК. ДНК лучше приспособлена для долговременного хранения информации. Наличие сахара – дезоксирибозы делает молекулу ДНК более устойчивой к гидролитическому расщеплению в слабощелочных водных растворах. Именно такие растворы были в первичных водоемах и сохранились в современных клетках. Наличие двух цепей ДНК облегчает процесс удвоения и исправления ошибок, возникающих в любой из двух цепей. Кроме того, у ДНК С - Н связи более прочные, чем С - ОН связи РНК. Возможно, благодаря активности древнего белка близкого современному ферменту обратной транскриптазе образовались первые молекулы ДНК. В этот период поверхности водоемов были покрыты липидными пленками (соединение жирных кислот со спиртами), которые образовались на этапе химической эволюции.
В 2009 году ученым из Манчестера на основе уникальной технологии удалось синтезировать из элементов неживой природы при обычных для земного климата условиях молекулу РНК, которая обладает способностью к самовоспроизведению.
III. Образование и эволюция биологических мембран. Липидные молекулы структурно состоят из неполярных углеводородных «хвостов» и заряженных «головок». На поверхности водоемов «хвосты» торчали наружу, а «головки» были обращены в воду. Белковые молекулы, растворенные в водоемах, благодаря электрическому притяжению присоединялись к «головкам». На поверхности водоемов возникал двойной липопротеидный слой. Из-за порывов ветра поверхность океана изгибалась от нее отрывались пузырьки, поднимались в воздух, а когда падали вновь покрывались вторым липо-белковым слоем. Такая четырехслойная оболочка могла стать прародительницей современной мембраны.
IV. Возникновение прокариот. Первые организмы на древней Земле были прокариотами (лишенные ядра): сине-зеленые водоросли и бактерии.
Первые организмы были анаэробными гетеротрофами. Они размножались, получали пищу и энергию из органических и минеральных веществ абиогенного происхождения в изобилии имевшихся в окружающей среде. Способом обмена веществ им служило брожение – процесс ферментативного превращения органических веществ. Запасы органических молекул абиогенного происхождения постепенно истощались и исключительным событием стало возникновение бактериального фотосинтеза. При этом источником энергии являлось Солнце, а результатом было накопление органических веществ биогенного происхождения. Побочным продуктом такого фотосинтеза является кислород, который привел к появлению озонового слоя, который защитил первичные организмы от ультрафиолетового облучения и положил конец абиогенному синтезу органических молекул. Возник автотрофный тип питания и аэробное дыхание. Сегодня большинство представителей растительного и животного царства – облигатные (обязательные) аэробы.
V. Возникновение и эволюция эукариот (ядерные). Считают, что предками эукариот были прокариотические клетки. Согласно теории клеточного симбиоза, эукариотическая клетка представляет сложную структуру, состоящую из нескольких прокариотических клеток, которые взаимодополняют друг друга в пределах общей клеточной мембраны. В пользу симбиотической теории происхождения эукариот говорит внешнее и внутреннее сходство митохондрий и хлоропластов со свободноживущими бактериями.
1) в течение 700-800 млн. лет эукариоты были одноклеточными;
2) возникновение митоза привело к появлению многоклеточности. Основным способом размножения было бесполое;
3) возникновение полового процесса. Вначале половой процесс был примитивный по типу копуляции – взаимное объединение клеток с полярными свойствами, специализированные половые клетки отсутствовали. В результате появились клетки с диплоидным набором хромосом;
4) возникновение мейоза привело к возникновению специализированных половых клеток с гаплоидным набором хромосом.
Дж. Бернал считал, что возникновение пола привело к окончательному утверждению жизни на Земле.
Концепции голо и генобиоза
Из центральных вопросов гипотез происхождения жизни на Земле является вопрос о характере той предбиологической системы, которая предшествовала появлению «живых систем», т.е. субстанций, наделенных признаками жизни.
1) концепция голобиоза. – методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности структуры, типа клеточной, наделенная способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментативного механизма. К этой группе относится гипотеза А.И. Опарина.
2) концепция генобиоза (голый ген) – методологический подход в вопросе происхождения жизни на Земле, основанный на убеждении первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.
Сторонником теории генобиоза был Дж.Холдейн. С идеей первичности молекулярной системы тесно связано одно из фундаментальных свойств живой материи – способность к стереоспецифической комплементарной репродукции. Л. Пастер, исследуя строение кристаллов солей и их водных растворов виноградной кислоты биологического происхождения, обнаружил у них оптическую активность, т.е. способность отклонять поляризованный луч. Он открыл неотъемлемое свойство живой материи, что в последствии получило название молекулярной хиральности. У солей и их растворов виноградной кислоты небиологического происхождения этого свойства не наблюдалось, неживая материя всегда симметрична. Наличие ассиметрии свидетельствовало о молекулярной природе этого явления.
Л. Пастер задался этим вопросом. Ответ его был достаточно определенным. Превращение молекулярносимметричных веществ неживой природы в молекулярнодисимметричные живой неразрывно связан с происхождением живой материи. По мнению Л. Пастера, это могло происходить постепенно, по мере воздействия на неживую косную материю особых «диссимитричных сил», вызывающих диссиметризацию молекул этой материи. Силы эти носили космических характер и могли быть мощными электрическими разрядами, геомагнитными колебаниями, вращением Земли вокруг Солнца и т.д. Воззрения Пастера относятся к концепции генобиоза, т.к. Пастер первым (в этом его заслуга) рассмотрел проблему зарождения жизни из неживой материи на молекулярном уровне.
В настоящее время считается, что в преджизненный период образования на Земле органических соединений возникал только рацемат – хаотическая смесь органических молекул обеих пространственных конфигураций. Рацемат, возникший при абиогенном синтезе органических молекул, был примером равновесного, симметричного состояния конечного продукта синтеза.
При переходе к жизни у соответствующих органических соединений вдруг произошла сортировка молекул и возникла хиральность. Как это произошло, почему у белков отсортировались молекулы с L – конфигурацией, а у ДНК и РНК – молекулы с D – конфигурацией? На эти вопросы пока ответа нет. Однако можно высказать предположения, опираясь на понимание процессов самоорганизации в природе.
Переход к жизни, рассматриваемый как самоорганизация вещества, мог произойти в условиях, когда открытая система (предшественница биосферы) находилась вкрайне неравномерном, критическом состоянии. Присущая биосфере хиральность подтверждает, что именно таким и было состояние перехода. Возникновение хиральности потребовало определенных энергетических вложений, необходимая энергия поступала извне. Что касается L – и D – конфигураций, то наблюдаемые особенности молекул белков и нуклеиновых кислот биосферы могли возникнуть по чисто случайным причинам, закрепившись затем в генетическом аппарате, но не исключено и то, что здесь присутствуют какие – то пока нам неизвестные важные для жизни причины.
Переход от рацемата к хиральности не мог произойти в ходе эволюционного, плавного развития, здесь имел место скачок со всеми характерными чертами самоорганизации вещества, т.е проявились характерные черты фазового перехода.
Таким образом, считается, что одновременно с генетическим возник и стереохимический код. Его функцией стало кодирование построения хирально чистых мономеров, наличие которых необходимо для комплементарного взаимодействия молекул субстрата и ферментов при биохимических реакциях. По своей химической природе эти мономеры были макромолекулами РНК. В возникновении хиральности, а также первичных молекул РНК имел место скачок, а далее шел процесс эволюции от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК.
Установлено, что хиральная чистота живых организмов важна: полимеры хирально нечистого состава менее прочны, медленнее растут и быстрее разрушаются, чем хирально чистые.
Таким образом, в настоящее время общепринятой концепцией в естествознании в вопросе происхождения жизни на Земле является концепция закономерной эволюции материи. Жизнь – результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен план дальнейшего развития живого.
Вопросы для повторения
Какие определения жизни существуют в науке?
В чем заключается смысл теории креационизма?
Опишите теорию витализма.
В чем смысл гипотезы панспермии?
В чем заключается смысл теории стационарного состояния?
Опишите основные этапы происхождения жизни на Земле по теории А.И. Опарина.
В чем заключается смысл теории происхождения жизни на Земле Д. Холдейна?
Опишите химическую эволюцию на Земле по теории Д. Бернала.
.Приведите доказательства абиогенного синтеза.
Опишите биохимическую эволюцию на Земле по теории Д.Бернала.
В чем заключается «мир» РНК?
Опишите образование и эволюцию биологических мембран по теории Д. Бернала.
Опишите возникновение и эволюцию прокариот и эукариот.
В чем заключается концепция голо и генобиоза?
В чем заключается молекулярная хиральность живых организмов?

РАЗДЕЛ VI
ЭВОЛЮЦИЯ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Целесообразность живых организмов. Многообразие и разнообразие живых систем поражает воображение. За все время эволюции жизни на Земле существовало колоссальное количество различных видов живых организмов: 750 - 800 млн. (большая часть из них прекратила свое существование). В конце прошлого века было описано более 500 тыс. растений и не менее 1,5 млн. видов животных, около 40 тыс. видов грибов и более 3 тыс. прокариот, а также до 200 видов вирусов. В настоящее время большинство исследований и классификаций живых организмов свидетельствуют о том, что общее число видов растений и животных, обитающих на Земле, равняется 5 млн., причем подавляющее большинство современных живых организмов – это тропические насекомые, многие из которых еще не изучены. Однако, исследователи обитателей тропических лесов утверждают, что только в тропиках имеется около 50 тыс. видов деревьев и примерно 30 млн видов насекомых. Речь пока не велась о простейших видах живых организмов на Земле, которых более 50 млн. Как возникло такое многообразие? При изучении живых организмов поражает воображение их целесообразность или максимальная приспособленность к тем факторам среды, в которых они обитают. Как возникла такая приспособленность? Существует две основных концепции при ответе на эти вопросы. Первая, самая древняя – это представление о божественном сотворении мира (креационизм). Видов животных и растений столько, сколько создано богом, они неизменны. Организмы построены в соответствии с изначальной целесообразностью, т.е. в зависимости от цели, которую поставил творец. Вторая концепция – это концепция эволюции органического мира. Все виды на Земле прошли длительный исторический путь развития от более простых форм к более сложным, их приспособленность – это результат действия естественного отбора. Эта концепция утвердила себя с середины XIX века (1859 г) после выхода книги «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение избранных пород в борьбе за жизнь» английского естествоиспытателя Ч. Дарвина.
Предпосылки создания теории эволюции Ч. Дарвина. Под эволюцией органического мира понимают процесс исторического развития от древнейших форм до современных и будущих форм жизни.
1) Идея исторического развития живой природы и изменяемости организмов зародилась еще у античных мыслителей. Гераклит из Эфеса впервые ввел в философию представление о постоянном изменении. Большое влияние на развитие преставлений о живой природе указали умозрительные концепции Пифагора, Эмпедокла, Демокрита, Гиппократа.
2) Развитие эволюционная идея получила в XVIII веке. В биологии зарождается новое направление называемое трансформизмом (transformo – превращаю, преобразую). Это учение об изменчивости организмов, о возможности превращения (трансформации) одних форм в другие. Возникновению трансформизма способствовало не только накопление фактов в естествознании, но и революционные идеи в связи с французской буржуазной революцией. Представителями трансформизма были Р. Гук, Ж. Ламетри, Д. Дидро, Ж. Бюффон и другие. Французский натуралист Ж. Бюффон высказал идеи о происхождении и развитии Земли, об изменчивости животных под влиянием климата, пищи и «гнета одомашнивания», в связи с этим допускал общность происхождения животных от одного ствола. Однако трансформисты не связывали изменения организмов с историческим эволюционным процессом.
3) После французской буржуазной революции (1789 г.) наступает период расцвета биологической науки во Франции, был организован Национальный музей естественной истории, куда на работу были приглашены молодые ученые Жан-Батист Ламарк и Ж. Кювье, которые внесли огромный вклад в развитие эволюционной идеи.
Жан – Батист Ламарк впервые попытался создать стройную теорию эволюции на Земле, эволюционная идея у него тщательно разработана, подкреплена многочисленными фактами и поэтому превратилась в теорию. В своей книге «Философия зоологии» (1809 г.) он доказывал сам факт эволюции и изменчивости видов. Но его основная ошибка заключалась в том, что он неправильно вскрыл движущие силы эволюции. Основным фактором эволюции Ламарк считал упражнение одних органов (стремление к совершенству, прогрессу) и неупражнение других под воздействием условий среды, но вопрос ставился так: передаются ли детям те признаки, которые у родителей выработались в процессе жизнедеятельности путем упражнений или шире – в результате приспособлений к внешним условиям? Ламарк отвечал, что передаются. Отводя решающую роль в эволюции прямому влиянию внешней среды, упражнению и неупражнению органов и наследованию приобретенных признаков, Ламарк не мог объяснить возникновения приспособлений, обусловленных «мертвыми» структурами. Например, окраска скорлупы птичьих яиц носит явно приспособительный характер, но объяснить этот факт с позиций теории Ламарка невозможно. Взгляды Ламарка не нашли признания у современников. Куда большей популярностью пользовались воззрения его соотечественника Ж. Кювье.
4) Ж. Кювье избрал целесообразность – основным орудием исследований. Он исходил из того, что все органы в организме взаимообусловлены и соотнесены. Он открыл закон соотношения органов: «всякое организованное существо образует целое, единую замкнутую систему, части которой соответствуют друг другу и содействуют. Ни одна из этих частей не может измениться без того, чтобы не изменились другие, и, следовательно, каждая из них, взятая отдельно, указывает и определяет другие».
Возьмем травоядное животное. Растительная пища малопитательна для удовлетворения потребностей организма, ее требуется большое количество. Значит, желудок травоядного животного должен быть большим. Размер желудка обусловливает размеры других внутренних органов – позвоночника, грудной клетки. Массивное тело может держаться на мощных ногах, снабженных твердыми копытами, а длина ног обусловливает длину шеи, чтобы животное могло свободно щипать траву. Иное дело хищники. Пища у них более питательна – значит, желудок, должен быть небольшим. Хищнику нужны мягкие лапы с подвижными когтистыми пальцами, чтобы незаметно подкрадываться к добыче и хватать ее. Шея у хищника должна быть короткой, зубы острыми и т.д. Свой метод Кювье довел до совершенства, что нередко по одному найденному зубу ему удавалось восстановить облик животного. Так Кювье открыл целый мир ископаемых животных: мастодонтов, мамонтов, гигантских черепах и т.д. и явился основателем исторической палеонтологии, тем самым внеся огромный вклад в эволюционную теорию. Другим важным принципом или законом, сформулированным Ж. Кювье был принцип «условий существования» - суть его заключается в том, что строение организма точно соответствует тем условиям, в которых оно живет.
Изучая вымерших животных, Кювье обнаружил, что останки одних видов приурочены к одним и тем же геологическим пластам и не встречаются в соседних пластах, для которых свойственны совершенно другие организмы. Отсюда он сделал вывод, что животные, некогда населявшие нашу планету, погибали почти мгновенно от каких-то неизвестных причин, а позднее на их месте появлялись новые обитатели, не имевшие ничего общего со своими предшественниками. Кювье выдвигает теорию катастроф, согласно которой причиной вымирания были периодически происходившие крупные географические катастрофы, уничтожавшие на больших территориях животных и растительность. Последователи и ученики Ж. Кювье, развивая его учение, утверждали, что катастрофы охватывали весь земной шар. После каждой катастрофы следовал новый акт творения. Таких катастроф и, следовательно, актов творения они насчитывали 27.
5) В то время, когда теория катастроф считалась абсолютно достоверной, к геологическим исследованиям приступил англичанин геолог Ч. Лайель. Он доказал несостоятельность представлений Кювье о внезапных катастрофах, изменяющих поверхность Земли, и обосновал противоположную точку зрения: поверхность планеты изменяется непрерывно и не под влиянием каких – либо особых сил, а под действием обычных повседневных факторов – колебаний температуры, ветра, дождя, прибоя и жизнедеятельности растительных и животных организмов. К числу постоянно действующих природных факторов Лайель отнес землетрясения, извержения вулканов. Тщательно изучив отложения третичной эпохи, предшествующей нашей, он отметил, что многие организмы, обитавшие тогда, встречаются на Земле и сейчас. При этом в одно и то же время нарождались новые виды и доживали свой век старые. Сам Лайель не утверждал, что одни виды происходили от других, но, доказав, медленный постепенный характер геологических изменений, он создал предпосылки для развития эволюционной идеи.

Эволюционная учение Ч. Дарвина
В 1831 году, отправляясь в кругосветное путешествие, в качестве натуралиста, на топографическом судне «Бигль», Ч. Дарвин прихватил с собой I том «Основ геологии» Ч. Лайеля, а через пять лет, вернувшись в Англию, привез из плавания убежденность, что виды изменчивы, животное и растительное царство, каким мы его знаем – это результат длительного и сложного развития органического мира. Правота этой идеи подтверждалась огромным количеством материалов. Осталось решить вопрос о движущих силах этого развития. Так Дарвин подошел к рубежу, перед которым прежде остановился Ламарк. Но, в отличие от Ламарка, Дарвин решительно исключил из рассмотрения «стремление организмов к совершенству». Особое внимание он обратил на человеческую деятельность, он обратился к практике сельского хозяйства Англии. В первой половине XIX века в Англии имел место бурный породообразовательный процесс. Было выведено более 50 новых пород, среди них специализированные мясные породы крупного рогатого скота как шортгорны, герефорды, молочные породы как джерзейская (очень жирномолочная), самая резвая в мире лошадь – чистокровная верховая, целый ряд тяжеловозных пород и др., около 30 различных пород овец, 10 пород свиней, среди них крупная белая и др. Каждая порода была полезна по – своему и были выражены, особенно, те признаки, которые отвечали требованиям человека. Но особенно поразило Дарвина множество пород голубей. В его времена было 150 пород, он доказал, что все породы голубей имеют монофилитическое происхождение, т.е. происходят от одной дикой формы – сизый скалистый голубь (Columbia livia). Проанализировав мировой опыт практики сельского хозяйства – селекционеров – животноводов и растениеводов, Дарвин пришел к выводу, что ведущим фактором в эволюции домашних животных и растений является отбор, проводимый человеком или искусственный отбор. Он выделил 2 формы искусственного отбора:
Отбор бессознательный. Это выбраковка худших и оставление лучших экземпляров безо всякого намерения изменить породу или вывести новую породу. Однако, отбирая лучших по продуктивности и не ставя задачу изменить породу, селекционеры не только ее изменяли, но даже выводили новые породы. Путем бессознательного отбора были выведены местные примитивные породы животных.
Отбор методический. Это выбраковка худших и оставление на племя лучших с целью изменить породу или вывести новую. Методический отбор по Дарвину характеризуется 3 чертами: наличие заранее определенной цели работы; недопущение свободного бессистемного скрещивания; систематическое спаривание оставленных на племя животных.
Но как писал Ч. Дарвин в своей биографии: «Какую роль может играть отбор применительно к организмам, живущим в естественных условиях, в течение некоторого времени оставалось для меня загадкой?» В 1838 году Ч. Дарвин прочитал книгу Т. Мальтуса «Трактат о народонаселении», в котором Мальтус ярко обрисовал к чему мог бы привести рост населения, если бы он ничем не сдерживался. Дарвин перенес эти рассуждения на другие организмы и обратил внимание, что несмотря на их высокий репродуктивный потенциал численность популяции постоянна. Несоответствие между численностью и средствами их к жизни неизбежно ведет к борьбе за существование. Даже медленно размножающиеся животные потенциально способны оставить огромное число потомков. Самки слонов приносят детенышей в возрасте между 30 и 90 годами. За 60 лет они рождают в среднем 6 слонят. Расчеты показывают, что даже при такой низкой интенсивности размножения через 750 лет потомство одной пары слонов составило бы 19 млн. особей. Дарвин приходит к выводу, что в природе любой вид стремиться к размножению в геометрической прогрессии. В то же время число взрослых особей каждого вида остается относительно постоянным, т.к. большая часть появившихся на свет организмов гибнет, не достигнув половой зрелости.
Дарвин выделил три основных формы борьбы за существование: а) внутривидовую, б) межвидовую, в) борьбу с неблагоприятными условиями среды. В борьбе за существование выживают и оставляют потомство индивидуумы, обладающие комплексом признаков и свойств, который позволяет наиболее успешно конкурировать с другими, лучше приспособленные к жизни в условиях окружающей среды. Следствием борьбы за существование является естественный отбор, или выживание наиболее приспособленных, и преимущественное оставление ими потомства. Он является движущей силой эволюции. Следует подчеркнуть, что естественный отбор не отбирает более приспособленных, они просто сохраняются в результате элиминации менее приспособленных. В результате этого процесса любая сохранившиеся организация, структура или функция соответствует состоянию приспособленности друг к другу и к окружающей среде, т.е. оказывается биологически целесообразной.
Как же возникло то многообразие видов, которое мы наблюдаем сегодня? Для ответа на этот вопрос Дарвин предложил принцип дивергенции, или расхождения признаков. Говоря об эволюционных процессах, необходимо четко осознавать, что особь не имеет возможности эволюционировать. Такой способностью, как показал Ч. Дарвин, обладают виды, представляющие собой совокупность географических и экологически сходных популяций, каждая из которых способна эволюционировать, т.е. изменяться и приспосабливаться во времени и пространстве. Популяция – это совокупность особей одного вида, длительно населяющих определенное пространство, размножающихся путем свободного скрещивания и в той или иной степени изолированных друг от друга. Главный фактор, определяющий единство популяции и ее относительную обособленность – свободное скрещивание особей. Популяцией считают простейшей эволюционной единицей. При изменении условий существования внутри популяции идет процесс расхождения признаков – дивергенция, которая приводит к образованию новых группировок особей внутри популяции. Этот процесс связан с возникновением наследственной изменчивости под воздействием факторов окружающей среды. От исходного вида берет начало целый «пучок» форм, но не все они получат дальнейшее развитие. Наиболее расходящиеся по признакам формы обладают большими возможностями оставлять плодовитое потомство и выживать, так как они меньше конкурируют между собой, чем промежуточные, которые постепенно вымирают в борьбе за существование под действием естественного отбора в бесконечном ряду поколений. Таким образом, идет процесс видообразования, за счет образования внутри вида новых внутривидовых группировок – популяций и подвидов. Этот процесс получил название микроэволюции. Она доступна непосредственному наблюдению и изучению, так как может происходить в исторически короткое время (рис. 35).


Рис. 35. Эволюция систематических групп

Таким образом, по Ч. Дарвину, основными факторами эволюции являются а) изменчивость – это материал для отбора, она носит направленный, адаптивный характер, б) наследственность – закрепляет изменчивость в ряду поколений, в) естественный отбор, который накапливает, суммирует полезные отклонения. Результатом отбора является возникновение приспособлений и на этой основе – видового разнообразия. По выражению Ч. Дарвина – «отбор – это волшебный жезл, с помощью которого можно придавать какие угодно формы».
К сходным выводам независимо от Ч. Дарвина пришел зоолог А. Уоллес, на 20 страницах он изложил свои воззрения, но его рукопись не имела успеха. В 1858 году Ч. Дарвин опубликовал книгу «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение избранных пород в борьбе за жизнь». 1250 экземпляров разошлись за один день и по воздействию на умы человечества она уступает только библии. Дарвин впервые предложил естественно-научное объяснение эволюционного процесса. Он указал на движущие силы эволюции: наследственная изменчивость, борьба за существование, естественный отбор; дал объяснение механизма видообразования и причин многообразия видов, а также объяснил причины возникновения целесообразности.
После выхода своей книги Ч. Дарвин получил письмо от инженера Дженкина, который в сущности сделал попытку опровергнуть идею Дарвина о естественном отборе, как движущей силы эволюции. Дженкин писал: «если представить поле красных маков, то среди них вследствие изменения условий среды и в результате изменчивости могут возникнуть маки с белым цветом. В первом поколении при скрещивании белых маков с красными возникнут маки с розовым цветом, во втором цветки приобретут еще более красный цвет, а в третьем белый цвет исчезнет совсем, и как бы не были цветки с белым цветом более приспособленными к изменившимся условиям среды, подействовать естественный отбор на них не успеет». Ч. Дарвин ни чего не смог ответить Дженкину и «кошмар Дженкина» мучил его всю жизнь. Ошибка биологов XIX века заключалась в том, что они считали, что наследственные задатки сливаются, хотя до выхода книги Ч. Дарвина чешский ученый Г. Мендель выпустил книгу «Опыты над растительными гибридами», где он смог сформулировать законы наследственности, открыл явление доминирования. Законы Г. Менделя были переоткрыты в 1900 г. независимо друг от друга Г. де Фризом, К. Корренсом и Э. Чермаком и этот год считается годом основания генетики как науки.

Генетика и эволюция
Генетика – это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и методах их управления.
Ген – материальный носитель наследственности. Представляет собой участок молекулы ДНК в хромосоме. Основными свойствами генетического материала являются: дискретность, непрерывность, линейность, относительная стабильность. Совокупность генов данной клетки или организма составляет его генотип.
В процессе взаимодействия генотипа и внешней среды формируется фенотип совокупность всех признаков и свойств особи. Однозначного соответствия между фенотипом и генотипом нет, так как изменения генотипа не всегда сопровождаются изменением фенотипа, а изменения фенотипа не обязательно связаны с изменениями генотипа.
Программа структуры организма, его поведения и будущего записана в генах, которые, по словам Дж. Уотсона, занимают столь важное место в живой природе, что нельзя понять сущность жизни, не изучив генов, так как все живые организмы действуют по определенным генетическим программам.
О невероятной сложности генетического устройства свидетельствуют следующие факты:
геном бактерии Helibacter, вызывающей язву желудка у человека, включает 1603 гена или более полутора миллиона единиц, «букв» информации;
геном человека содержит 100 тыс генов, включающих около 3 млрд единиц информации, причем сбой, ошибка в функционировании хотя бы одной из этих единиц может привести к тяжелому заболевании.
Именно Дж. Уотсон совместно с Ф. Криком расшифровали структуру генов и принципы их изменения. Выяснилось, что гены способны делиться (раздваиваться, матрично копироваться). В генах закодирована информация о будущем синтезе белка, причем очередность и порядок его самосборки определяются структурой ДНК.
Однако структура генов была расшифрована не так давно, а генетика как наука стала активно развиваться еще в XIX в., и в ее основу легли закономерности наследственности, обнаруженные биологом Г. Менделем.
Наследственность это свойство организмов передавать свои признаки и особенности следующему поколению, которое позволяет живым организмам сохранять из поколения в поколение характерные черты вида, породы, сорта.
Наследственность осуществляется через размножение. При бесполом, или вегетативном, размножении новое поколение развивается или из одноклеточных зачатков (спор), или из многоклеточных образований (почкование гидры, размножение растений клубнями, луковицами и т.п.). При половом размножении новые поколения возникают в результате оплодотворения - слияния женской и мужской половых клеток. Следовательно, материальная основа наследственности заключена в половых клетках мужской и женской особях - родителей. Именно через половые клетки и их гены (а значит, и ДНК) осуществляется связь между поколениями. Однако объединение в результате оплодотворения генетического материала материнской и отцовской клеток приводит к образованию нового генотипа, обладающего своей специфичностью, несхожей со специфичностью генов каждого родителя.
Эволюция особей, размножающихся половым путем, была бы невозможной, если бы генетические программы воспроизводились абсолютно точно. Именно поэтому копирование генетических программ - репликация ДНК - происходит с высочайшей, но не абсолютной точностью, довольно редко, но возникают ошибки - мутации генов. В результате мутации генетические программы, которыми располагают живые организмы, изменяются естественным путем и рождаемые особи могут иметь иные признаки. Иногда мутации имеют отрицательный результат: способствуют возникновению болезней, ослаблению организма, но часто мутации бывают и положительными способствуют большей приспособляемости отдельных особей, а затем и целого вида к изменившимся условиям внешней среды.
Все особи в пределах одного вида различны, это свойство называется изменчивостью.
Изменчивость - это присущее всему живому свойство изменять свои биохимические, морфологические и физиологические признаки на любом этапе развития, а не только на уровне зачатия и развития плода, когда формируется генотип особи.
Таким образом, различия между особями одного вида могут зависеть как от изменений наследственных свойств организма, так и от изменения внешних условий, в которых происходит развитие организма. В зависимости от этого различают наследственную и ненаследственную изменчивость. В основе наследственной, или генотипической, изменчивости лежит изменение генетического материала на любом уровне его организации, в том числе и мутации генов.
Ни наследственность, ни окружающая среда не являются неизменными. В мире нельзя найти двух людей, за исключением однояйцовых близнецов (развившихся из одной оплодотворенной яйцеклетки), обладающих одинаковым набором генов. Нельзя также найти двух людей, проживших жизнь в одинаковых условиях. Именно эти факторы способствуют эволюции. Наличие генетической программы обеспечивает наследование организмом признаков предков и его видовых особенностей, а влияние условий существования в период развития организма определяет отклонения, индивидуальные отличия, которые могут не затронуть генетический аппарат половых клеток и не передаться затем по наследству следующим поколениям, а могут и закрепиться в генах.
Знание законов наследственности, сформулированных Г. Менделем, их дальнейшее изучение и практическое применение позволяют понять процесс зарождения и эволюции, разработать методы генетической идентификации личности, меры по защите наследственного аппарата человека от вредных влияний окружающей среды, а также способы коррекции наследственных недугов.

Моногибридное скрещивание.
Это скрещивание особей отличающихся по одной паре контрастных (альтернативных) признаков.
Г. Мендель проводил опыты с горохом. Для скрещивания он взял формы отличающиеся по одному признаку: семена одного сорта гороха были желтые, а другого зеленые.
Схема скрещивания
А – желтый

Родители
АА
желтые
Х
аа
зеленые


гаметы

А

А


а - зеленый

F1

Аа
желтые



Все особи первого поколения оказались желтыми, такое преобладание признака одного из родителей Г. Мендель назвал доминированием, а соответствующие признаки доминантными.
Из гибридных семян гороха, Г. Мендель вырастил растения, которые путем самоопыления произвели семена второго поколения.

Родители
Аа
Желтые
х
Аа
желтые

гаметы
А
А

А
А


F2
АА
Желтые
Аа
Желтые

Аа
желтые
аа
зеленые


Во втором поколении получились особи с желтыми и зелеными семенами, произошло расщепление (3:1 по фенотипу, 1 АА: 2 Аа: 1 аа по генотипу) Из этого опыта Мендель сделал вывод, что кроме доминантных существуют рецессивные признаки.
Доминантный признак – это признак преобладающий и проявляющийся в первом поколении.
Рецессивный признак – подавленный, в первом поколении не проявляющийся.
Мендель впервые установил, что растения, сходные по внешнему виду, могут резко отличаться по наследственным свойствам.
Гомозиготы – это особи, не дающие расщепления (АА, аа)
Гетерозиготы – особи, дающие в потомстве расщепление (Аа). Гетерозигота состоит из разных аллелей одного и того же гена (А и а). Аллельные гены, определяют альтернативное развитие одного и того же признака, в данном случае окрашивание. Они расположены в идентичных участках гомологичных хромосом.
Растения, выросшие из желтых семян, имея одинаковый фенотип, обладают различной комбинацией генов, генотипом.
Генотип – совокупность всех генов организма.
Фенотип – совокупность всех признаков организма. Фенотип развивается в результате взаимодействия генотипа и внешней среды.
I закон Менделя или закон единообразия. При скрещивании гомозиготных особей, отличающихся по одной паре контрастных признаков, все потомство первого поколения единообразно, как по фенотипу, так и по генотипу.
II закон Менделя или закон расщепления. При скрещивании гибридов первого поколения в потомстве наблюдается расщепление признаков по фенотипу 3 : 1, а по генотипу 1: 2 : 1.
Проводя скрещивание, Мендель не наблюдал появление форм промежуточных по признакам, всегда потомство характеризовалось четко выраженными доминантными и рецессивными признаками. На основе анализа своих скрещиваний Мендель пришел к выводу, что рецессивные гены не исчезают в гетерозиготном состоянии, а вновь появляются при встрече с такими же рецессивными задатками в последующих поколениях. Таким образом, вернувшись к письму Дженкина, белый цвет мака не исчезнет, а сохранится в гетерозиготном состоянии, и если он окажется более выгодным в борьбе за существование, он будет оставлен естественным отбором.
Наряду с наследственностью живым организмам присуще неотъемлимое свойство изменчивости. Без изменчивости невозможна эволюция, поскольку изменчивость является материалом для творческой деятельности отбора. Изменчивость подразделяется на модификационную (фенотипическую) и мутационную (генотипическую).
Модификационная (фенотипическая) изменчивость. Эта изменчивость ненаследственная. Она не затрагивает гены и хромосомы, возникает под влиянием условий внешней среды (колебаний температуры, освещенности, влажности, количества и качества пищи и др.). Все эти факторы могут изменять морфологические и физиологические свойства организмов, т.е. их фенотип. Под действием определенного фактора внешней среды каждый организм реагирует и реакция оказывается сходной у всех особей данного вида. Это обстоятельство позволило Ч. Дарвину назвать ненаследственную изменчивость групповой или определенной. Различные признаки организма в разной степени изменяются под воздействием внешних факторов. Одни очень пластичны и изменчивы, другие менее изменчивы. Например, количество жира в организме млекопитающих изменяется в широких пределах, очень изменчивы размеры листьев растений. Менее изменчивы форма и размеры цветка насекомоопыляемых растений, размеры сердца и головного мозга у животных. Эти показатели в большей степени зависят от генотипа организма. Таким образом, при разных условиях границы модификационной изменчивости могут быть различными.
Пределы модификационной изменчивости признака называют нормой реакции. Одни признаки, как размеры листьев, обладают широкой нормой реакции или иначе широкой приспособляемостью в природных условиях. Другие признаки, такие как размеры цветка насекомоопыляемых растений, обладают узкой нормой реакции. Таким образом, наследуется не признак как таковой, а способность организма (его генотипа) в результате взаимодействия с факторами окружающей среды давать определенный фенотип или иначе наследуется норма реакции организма на внешние условия (рис. 36).

Рис. 36. Кривая нормы реакции: а – б – пределы модификационной изменчивости, в – средняя норма.

Модификационная изменчивость характеризуется следующими основными свойствами: 1) ненаследуемостью; 2) групповым характером изменений; 3) соотнесением изменений действию определенного фактора среды; 4) обусловленностью пределов изменчивости генотипом (степень изменений у разных организмов различна).
Мутационная изменчивость (генотипическая) или наследственная. Мутации – это резкие ненаправленные изменения наследственности, связанные с любыми изменениями в генотипе (изменения структуры гена или хромосом), что приводит к наследственным изменениям признаков. Дарвин называл наследственную изменчивости неопределенной, индивидуальной изменчивостью, подчеркивая тем самым ее случайный, ненаправленный характер и относительную редкость возникновения.
Понятие о мутациях было введено в науку голландским ботаником Гуго де Фризом. У растения энотера (ослинник) он наблюдал появление резких скачкообразных отклонений от типичной формы (рис. 37). Эти отклонения оказались наследственными.
К наследственной изменчивости относят такие изменения признаков организма, которые определяются генотипом и сохраняются в ряду поколений. Иногда это крупные, хорошо заметные изменения, например коротконогость, отсутствие оперения у кур (рис. 38), отсутствие пигмента, короткопалость у человека (рис. 39).
Мутации служат единственным источником генетического разнообразия внутри вида. Благодаря постоянному мутационному процессу возникают различные варианты генов, составляющие резерв наследственной изменчивости. Однако бесконечное разнообразие живых организмов обусловлено комбинативной изменчивостью – перегруппировкой хромосом в процессе полового размножения и участков хромосом в процессе кроссинговера. При этом типе изменчивости структура самих генов и хромосом остается такой же, но меняется сочетание наследственных задатков и характер их взаимодействия в генотипе.

Рис. 37. Мутация ослинника (энотеры).

Мутации возникают в любой период жизни организма. Мутации могут быть нейтральными (безразличными), вредными (нежелательными) или полезными для организма. В большинстве случаев они вредоносны, т.к. связаны с ошибками в воспроизведении генетической информации, чем вносят нарушения в систему биохимических превращений. При изменении внешних условий, некоторые вредные рецессивные мутации могут оказаться полезными, и носители таких мутаций получают преимущество в процессе естественного отбора.


Рис. 38. Доминантная мутация Рис. 39. Брахидактилия у человека:
отсутствие оперения на шее А – внешний вид руки; Б – рентгенограмма,
у петуха показывающая, что короткопалость обусловлена
слияние двух фаланг пальцев

Мутации могут быть прямыми и обратными. Прямые мутации, как правило, бывают рецессивными. Доминантный ген мутирует в рецессивный (А а). Обратные – это мутирование в доминантное состояние рецессивного гена (а А). Большинство мутаций рецессивны, поэтому проявляются в потомстве не сразу, сохраняясь в гетерозиготе (Аа) и проявляются только тогда, когда переходят в гомозиготное состояние – аа. Обладатели вредных доминантных мутаций, сразу же проявляющиеся в гомо- и гетерозиготном состоянии, часто оказываются нежизнеспособными и погибают на ранних стадиях онтогенеза.
В большинстве случаев мутанты менее жизнеспособны. Многие из рецессивных мутаций летальны (letal - смерть). Мутации организмов возникают естественно, как в природе, так и в лабораторных условиях и их называют спонтанными. Мутации, вызванные искусственно (физическими или химическими факторами) носят название индуцированных.
Мутации могут быть соматическими, т.е. возникать в клетках тела. При половом размножении они потомкам не передаются. У растений интересные соматические мутации можно сохранять и распространять, используя вегетативное размножение (рис. 40).


Рис. 40. Различные мутации дрозофилы.

Мутации могут быть половыми, т.е. возникать в половых клетках. В случае оплодотворения они могут приводить к образованию измененных организмов.
Мутации по уровню их возникновения классифицируются на следующие:
Генные или точковые – это изменения, обусловленные заменой одного или нескольких нуклеотидов в пределах одного гена. Они влекут за собой изменения структуры строения белков, заключающиеся в появлении новой последовательности аминокислот в полипептидной цепи, и, как следствие изменения функционирования активности белковой молекулы.
Хромосомные мутации – это изменения структуры хромосом. Участок хромосомы может удвоиться, выпасть, перемеситься на другое место и т.д. Рассмотрим основные типы хромосомных мутаций (табл. 2):
Таблица 2
Типы хромосомных мутаций
Условные обозначения
Изменения структуры хромосомы
Название

А Б В Г Д Е
Нормальный порядок генов
-

А Б В В Г Д Е
Удвоение участка
Дупликация


А Б В Д Е
Нехватка участка
Делеция


А Б Г В Д Е
Поворот участка на 1800
Инверсия

А Б В Г М К
Перемещение участка на негомологичную хромосому
Транслокаця

А Б В Г Д Е
О Р R S T
Слияние негомологичных хромосом
Центрическое слияние



Хромосомные мутации приводят к изменению функционирования генов. Они играют серьезную роль в эволюционных преобразованиях видов.
Геномные мутации – это изменения кариотипа, кратные или некратные гаплоидному числу хромосом. Вследствие нерасхождения какой – либо пары гомологичных хромосом в мейозе одна из образовавшихся гамет содержит на одну хромосому меньше, а другая на одну хромосому больше, чем в нормальном гаплоидном наборе (рис. 41). В результате этого зигота образуется при оплодотворении с большим или меньшим набором хромосом по сравнению с диплоидным (2n + 1). У простейших и у растений часто наблюдается увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору – полиплоидия (не 2n, а 3n, 4n, 5n и т.д.). Происходит в связи с нерасхождением гомологичных хромосом в мейозе с последующим их удвоением. Некоторые полиплоидные растения характеризуются более мощным ростом, крупными размерами и другими свойствами, что делает их более ценными для генетико-селекционных работ, искусственно получают полиплоидные сорта культурных растений (рис. 42).
















Рис. 41 Кариотип больного с Рис. 42. Семена ржи,
синдромом Дауна сверху – диплоидный сорт (2n = 14), снизу – тетраплоидный сорт (4n = 28)

Свойства мутаций:
Мутации возникают случайно, внезапно, скачкообразно;
Мутации наследственны;
Мутации ненаправлены;
Одни и те же мутации могут возникать повторно и неоднократно;
По своему проявлению могут быть полезными и вредными, доминантными и рецессивными.

Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости Н.И. Вавилова
Виды и роды генетически близкие имеют сходные ряды в наследственной изменчивости. Зная наследственные изменения одного вида, можно предвидеть нахождение сходных изменений у родственных видов и родов. На примере семейства злаковых Н.И. Вавилов показал, что сходные мутации обнаруживаются у целого ряда видов этого семейства. Черная окраска семян встречается у ржи, пшеницы, ячменя, кукурузы и ряда других за исключением овса, проса и пырея, удлиненная форма зерна – у всех изученных видов. У животных также наблюдаются сходные мутации: альбинизм и отсутствие шерсти у млекопитающих, альбинизм и отсутствие перьев у птиц, короткопалость у крупного рогатого скота, овец, собак и птиц. Некоторые наследственные заболевания и уродства, встречающиеся у человека, отмечены и у некоторых животных. Например, катаракта глаза бывает у мышей, крыс, собак и лошадей; гемофилия – у мыши и кошки; диабет – у крысы; врожденная глухота – у морской свинки, мыши, собаки и т.д.
Закон гомологических рядов объясняется сходностью происхождения генотипов. В процессе возникновения новых видов от одного предка различия между ними устанавливаются только по части генов, обусловливающих успешное существование в конкретных условиях. Многие гены у видов, имеющих общее происхождение, остаются неизменными и при мутации дают сходные признаки. Этот закон активно используется в селекционной работе. Так, использование ценных генов дикого эфиопского ячменя позволило создать выдающийся по продуктивности сорт ярового ячменя Одесский 100.

Синтетическая теория эволюции. Ее основные положения.
Признание того, что ход эволюции обусловлен естественными причинами, открыло путь к их дальнейшему научному анализу. С начала XX века благодаря данным в первую очередь генетики и экологии открылись возможности для анализа эволюционных преобразований. Дальнейшее развитие идей Дарвина в работах зарубежных и отечественных исследователей - сформировало современный синтетический (основанный на данных многих отраслей естествознания) этап развития теории эволюции, положениями ее являются:
1) Популяция – элементарная эволюционная структура.
2) Генофонд популяции – элементарный наследственный материал. Генофонд - это совокупность генов популяции.
3) Изменение генофонда популяции – элементарное явление эволюции. В природных условиях на популяции действуют внешние и внутренние факторы, нарушающие генетическое равновесие. Если популяция длительно испытывает значительное давление со стороны каких – либо внешних факторов, то неизбежно произойдет изменение генетического состава популяции, ее генофонда. Без изменения генофонда популяции эволюционный процесс невозможен.
4) Мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор – элементарные эволюционные факторы.

Постоянная мутационная изменчивость и комбинации при скрещиваниях дают новые сочетания генов в генофонде, что неизбежно вызывает наследственные изменения в популяции. Мутационный процесс постоянно увеличивает генетическую гетерогенность популяций вследствие сохранения рецессивных мутаций в гетерозиготах. Это разнообразие (полиморфизм) усиливается в результате различных генных комбинаций при скрещиваниях. Популяции насыщаются мутациями и обладают широкими возможностями для совершенствования существующих и выработки новых приспособлений при изменении среды. Рецессивные мутации в гетерозиготном состоянии составляют скрытый резерв изменчивости, который может быть использован естественным отбором при изменении условий существования. Мутационный процесс – это поставщик эволюционного материала.

Популяционные волны
Популяционными волнами называют периодически и непериодические колебания численности особей популяции. Причинами этих колебаний могут быть различные абиотические и биотические факторы среды. При резком сокращении численности популяции (сезонные колебания, сокращение кормовых ресурсов) среди оставшихся в живых немногочисленных особей могут быть редкие генотипы. Если в дальнейшем численность восстановиться за счет этих особей, то это приведет к случайному изменению частот генов в генофонде данной популяции. Таким образом, популяционные волны являются поставщиком эволюционного материала.
Если популяция мала по численности, то в результате случайных событий некоторые особи независимо от своей генетической конституции могут оставить или не оставить потомство, вследствие этого частоты некоторых генов могут резко меняться за одно или несколько поколений. Случайное изменение частот генов в генофонде популяции называют дрейфом генов.
Изоляция
Изоляция обусловлена возникновением разнообразных факторов, препятствующих свободному скрещиванию. Размножение идет преимущественно в пределах изолята, прекращается обмен генетической информацией с другими группами. Это способствует закреплению начальной стадии изменения генофонда обособившейся группы, становлению ее как самостоятельной генетической системы. Различают пространственную и биологическую изоляцию.
Пространственная изоляция связана с территориально – географическими (горные хребты, водные преграды, места, непригодные для жизни) и экологическими (расселение по разным экологическим нишам) факторами разобщения популяций. К биологической изоляции относятся особенности поведения, изменения строения и физиологической активности сроков размножения и ряда других факторов, препятствующих скрещиванию.
Изоляция – закрепляет и усиливает генетические различия между популяциями.
Мутации, популяционные волны, изоляция – случайны и носят ненаправленный характер, направленность эволюционного процесса обеспечивает естественный отбор.

Естественный отбор
Это избирательное выживание и возможность оставления потомства отдельными особями. Биологическое значение особи, давшей потомство, определяется вкладом ее генотипа в генофонд популяции. Отбор действует в популяциях, его объектами являются фенотипы отдельных особей. Фенотип организма формируется на основе реализации информации генотипа в определенных условиях среды. Отбор играет творческую роль в природе, поскольку из ненаправленных наследственных изменений закрепляются те, которые приводят к образованию новых групп особей, более совершенных в данных условиях существования.
Различают три основных формы естественного отбора: стабилизирующий, движущий и разрывающий.
Стабилизирующий отбор способствует сохранению признаков вида в относительно постоянных условиях среды. Он поддерживает средние значения, выбраковывая мутационные отклонения от ранее сформировавшейся нормы. Примером действия отбора в популяциях людей служит большая выживаемость детей со средней массой тела.
Движущий отбор благоприятствует изменению среднего значения признака в измененных условиях среды. Вариационная кривая смещается в направления приспособления к новым условиям существования. Примером является потемнение окраски бабочки березовой пяденицы в развитых индустриальных районах Англии. До развития индустрии в популяции преобладали светлоокрашенные формы, темные склевывались птицами. С развитием промышленности кора деревьев стала темной из-за исчезновения лишайников, чувствительных к загрязнению атмосферы. Численность темных бабочек, менее заметных на стволах деревьев, стала преобладать над светлоокрашенными.
Разрывающий или дизруптивный отбор действует в разнообразных условиях среды, встречающихся на одной территории. Если условия среды настолько изменились, что основная масса вида утрачивает приспособленность, то преимущество приобретают особи с крайними отклонениями от средней нормы. Такие формы быстро размножаются, и за счет них формируется несколько, различающихся по какому – либо признаку групп.
Естественный отбор – единственный направляющий фактор эволюции (рис. 43).

Рис. 43. Действие стабилизирующей (а), движущей (б) и разрывающей (в) форм естественного отбора: F1, F2, F3 – стадии видообразования

Микроэволюция
Микроэволюция – это совокупность эволюционных процессов, протекающих в популяциях, приводящих к изменению их генофонда и образованию новых видов. Образование новых видов в природе является завершающим этапом микроэволюции. Вид – это качественный этап эволюционного процесса, наименьшая генетически устойчивая надорганизменная система в живой природе. Вид – это совокупность особей, сходных по строению, имеющих общее происхождение, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство. Все особи одного вида имеют одинаковый кариотип, сходное поведение и занимают определенный ареал.
Можно выделить два основных пути видообразования: аллопатрическое и симпатическое. Аллопатрическое или географическое, связанное с пространственной изоляцией дивергировавших групп и может осуществляться в основном путем миграции или расчленения ареала различными преградами (реки, горы, почвы, климат и др.). При расселении за пределы ареала исходного вида популяции попадают в иные условия среды обитания, что за счет микроэволюционных процессов может привести к образованию новых видов. Симпатическое видообразование осуществляется в пределах ареала исходного вида путем полиплоидии (в роде табака исходное число хромосом равно 12, но имеются формы с 24, 48, 72 хромосомами), гибридизации с последующим удвоением хромосом (межвидовые гибриды обычны среди растений, например рябино-кизильник, некоторые виды малины и др.), сезонной изоляции (форель оз. Севан по срокам размножения образует озимую и яровую расы).

Макроэволюция
Макроэволюция обусловливает образование из видов новых родов, из родов – семейств, отрядов, классов, типов (отделов у растений). Это надвидовая эволюция. Здесь действуют те же факторы эволюции, дивергенция увеличивает разнообразие форм жизни.
Эволюционный процесс связан с развитием живой природы от простого к сложному, он самопроизволен, необратим, направлен и имеет прогрессивный характер. При биологическом прогрессе вида имеет место возрастание приспособленности особей к окружающей среде, повышение численности особей, расширение ареала, увеличение популяций внутри вида, видов в роде. Выделяют три основных пути достижения биологического прогресса:
Ароморфозы – крупные эволюционные изменения. Усложняется строение и функции организмов, что ведет к общему повышению организации и жизнеспособности групп в новых условиях обитания. Предки млекопитающих приобрели ароморфозы важнейших систем: нервной, кровеносной, дыхательной и др., что обеспечило освоение ими более сложных сред обитания. К важнейшим ароморфозам относят появление фотосинтеза у прокариот, возникновение ядра в клетке (эукариот), возникновение многоклеточности и скелета. Ароморфозы приводят к появлению типов и классов.
Идиоадаптации – мелкие приспособления к специфическим условиям среды, существенно не меняющие уровня организации. Классы насекомых, птиц и млекопитающих на основе многочисленных идиоадаптаций (преобразования различных органов) дали громадное многообразие видов (рис. 44).
Общая дегенерация – упрощение организации, образа жизни в результате приспособлений к более простым условиям существования, например, переход к паразитическому образу жизни (у ленточных червей утрачены некоторые органы чувств, пищеварительная система).

Рис. 44. Схема соотношений между ароморфозом, идиоадаптацией и дегенерацией (по А.Н. Северцеву)

Наряду с биологическим прогрессом существует биологический регресс, который характеризуется противоположными признаками, что может привести к вымиранию группы (исчезли древние папоротники, древовидные хвощи, плауны, большинство древних пресмыкающихся).

Методы исследования эволюции
Эмбриологические доказательства эволюции. Убедительные доказательства степени родства между организмами, представляет эмбриология, изучающая зародышевое развитие организмов. Еще Ч. Дарвин отметил наличие взаимосвязей между индивидуальным развитием организмов (онтогенезом) и их эволюционным развитием (филогенезом). Подавляющее большинство организмов развиваются из оплодотворенного яйца. При развитии зародышей рыбы, ящерицы, кролика, человека наблюдается сходство зародышей, что касается формы тела, наличия хвоста, зачатков конечностей, жаберных карманов по бокам глотки. Во многом сходна внутренняя организация зародышей. У всех сначала имеется хорда, а затем позвоночник из хрящевых позвонков, кровеносная система с одним кругом кровообращения, одинаковое строение почек и др. По мере развития сходство зародышей ослабевает и начинают все более четко проявляться черты тех классов, к которым они принадлежат. Изложенные факты говорят о происхождении видов от одного ствола, который в ходе эволюции распался на множество ветвей (рис. 45).

Рис. 45. Сравнение зародышей позвоночных на разных стадиях развития.
На основании этого в XIX в. Э. Геккелем и Ф. Мюллером, был сформулировал биогенетический закон. Он основан на принципе рекапитуляции (от лат. recapitulatio повторение) повторение признаков далёких предков в [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] современных организмов - их структуре, химизме, функциях. Согласно этому закону каждая особь в индивидуальном развитии (онтогенезе) повторяет историю развития своего вида (филогенез), или, короче, онтогенез есть краткое повторение филогенеза. Это повторение никогда не бывает полным, но этапы внутриутробного развития индивида в основном воспроизводят этапы истории происхождения организма. Об истории развития организма человека свидетельствуют, например, атавизмы, возникающие на разных этапах эмбрионального генеза, жаберные щели, волосяной покров.
Палеонтологические доказательства эволюции. Палеонтология изучает ископаемые остатки вымерших организмов и выявляет их сходство и различие с современными организмами. По ископаемым остаткам палеонтологи узнают о растительном и животном царстве прошлого. Сравнение земных пластов разных геологических эпох свидетельствует об изменении органического мира во времени. В самых древних пластах заключены остатки типов беспозвоночных, в более поздних – остатки хордовых, в более молодых пластах содержатся остатки животных и растений, похожие на современные.
В одних случаях удалось установить переходные формы, что говорит о преемственности между разными систематическими группами. Например, найдена группа зверозубых рептилий (Северная Двина), совмещающих в себе черты млекопитающих и пресмыкающихся. Форма черепа, позвоночника, конечностей, деление зубов имеют сходство с млекопитающими. Находка археоптерикса, это животное величиной с голубя имело признаки птицы, но сохраняло черты пресмыкающихся. Признаки птицы: сходство конечностей с цевкой, наличие перьев, общий вид. Сходство с пресмыкающимися: длинный ряд хвостовых позвонков, брюшные ребра и наличие зубов (рис. 46).


Рис. 46. Архиоптерикс

В других случаях удалось установить палеонтологические (филогенетические) ряды. Удалось установить филогенетические ряды некоторых копытных, хищных, моллюсков и др. Примером служит эволюция лошади: наиболее древний ее предок ростом с лисицу, четырехпалые передние конечности, трехпалые задние, зубы травоядного типа. Жил в местностях с теплым и влажным климатом, среди трав и кустарников, передвигаясь скачками. К концу неогена растительность стала сухой грубой; в открытых степных пространствах спасение от врагов можно было найти в быстром беге.
Борьба за существование и естественный отбор проходили в направлении удлинения ног и сокращения поверхности опоры – уменьшения количества пальцев, достигающих почвы, упрочение позвоночника, что способствовало быстрому бегу. Изменение характера пищи повлияло на образование складчатых зубов. В результате произошла мощная перестройка организма этих животных (рис. 47).


Рис. 47. Эволюция лошади

Биогеография - проведение сопоставление видового состава с историей территории. Распространение современных и ископаемых видов животных и растений по поверхности планеты дает дополнительно важные сведения о хронологии событий, имевших место в эволюционном процессе. А. Уоллес выделил шесть зоогеографических областей: 1) Палеоарктическую 2) Неоарктическую 3) Индо-Малайскую 4) Эфиопскую 5) Неотропическую 6) Австралийскую. Сравнение животного и растительного мира разных зон дает богатейший материал для доказательства эволюционного процесса. Фауна и флора Палеоарктической и Неоарктической областей имеет много общего. Это объясняется тем, что в прошлом между ними существовал Берингов перешеек. Фауны Неоарктической и Неотропической областей имеют глубокие различия, хотя в настоящее время соединены Панамским перешейком. Геологические данные убеждают в том, что связь Южной, Центральной и Северной Америк возникла сравнительно недавно. Южная Америка, как и Австралия, обособились от других материков очень давно. Длительная изоляция огромного континента наложила свой отпечаток на формирование животного мира. После возникновения Панамского перешейка начался широкий обмен между северо- и южноамериканской фаунами. Вследствие своеобразия и примитивности Неотропической фауны лишь немногие виды смогли проникнуть и широко распространиться в Северной Америке (дикобраз, броненосец, опоссум). Интенсивное проникновение многих видов с севера (олени, лисы, выдры, медведи и многие другие) существенно повлияло на облик Неотропической фауны за последние несколько миллионов лет. Однако своеобразие южноамериканской фауны сохранилось, поскольку многие древние и оригинальные формы там широко представлены. Австралийская фауна еще более оригинальна и примитивна, за исключением летучих мышей и собаки динго, попавшей вместе с аборигенами. Там не было плацентарных млекопитающих в момент открытия этого континента европейцами. Зато там существовало огромное число сумчатых млекопитающих и даже два рода: ехидна и утконос. С момента отделения Австралии от Южной Азии, когда плацентарные еще не появились, эволюционный процесс вызвал на других континентах появление плацентарных, и австралийская фауна оказалась как бы застывшей. На ней сохранились реликты, виды животных более раннего эволюционного развития. Существует множество других фактов, свидетельствующих о том, что распространение видов животных и растений по поверхности планеты и их группировка в биогеографические зоны отражают процесс исторического развития Земли и эволюции живого. Например, во время своего путешествия Ч. Дарвин наблюдал островные формы вьюрков на Галапагосских островах. Они были сходны с материковыми, но имели другую форму клюва, таким образом приспособившись к разным источникам питания – твердым семенам, насекомым, нектару цветковых растений. Птицы попали на остров с материка и изменились вследствие приспособления к новым условиям обитания.
Морфологические методы. Проводится установление связи между сходством строения и родством сравниваемых форм. Единство происхождения и эволюции подтверждается строением гомологичных органов. Гомологичными называют органы, соответствующие друг другу по происхождению и строению независимо от выполняемых функций (конечности позвоночных, видоизменения корня, стебля и листьев у растений).
Развиваясь в сходных условиях, неродственные группы могут приобретать сходные признаки. Этот процесс называется конвергенция (схождения признаков), например, внешнее сходство формы тела у акул и дельфинов. Органы, выполняющие одинаковые функции и внешне похожие, но разного происхождения, называют аналогичными (жабры рака и рыбы). Свидетельством истории происхождения видов служат рудименты и атавизмы (сужение и полная утрата функции какого-либо органа или структуры). Пример рудиментарных органов – резко выраженное недоразвитие глаз у подземных животных, недоразвитие крыльев у новозеландской нелетающей птицы киви, закладка в эмбриогенезе зубов у беззубых китов и др. к числу атавизмов относят появление трехпалости у современных лошадей.
Генетические, экологические, методы биохимии и молекулярной биологии. Синтетическая теория эволюции – это синтез дарвинской концепции естественного отбора с генетикой и экологией, где элементарной единицей микроэволюции выступает местная (локальная) популяция. Подлинная революция в изучении макроэволюции (филогенеза) произошла благодаря переходу к ее изучению на молекулярно-генетическом уровне. Появилась возможность непосредственного изучения результатов макроэволюции при использовании «молекулярных документов эволюции». К числу этих «документов» были отнесены белки и нуклеиновые кислоты, изъятые как из ныне живущих организмов, так и экстрагируемых из геологических слоев залегания ископаемых форм. Возникла возможность сопоставления ДНК, отражающие видовые особенности разных организмов.
В настоящее время надежно зарекомендовали себя два основных метода определения родства и биологических объектов: гибридизационный анализ и полимерная цепная реакция. В каждом из этих подходов выявляются две группы индивидуально характерных участков ДНК. Первая группа представлена единичными участками и позволяет выявить у конкретного биологического объекта не более двух фрагментов ДНК, различающихся или совпадающих от объекта к объекту. Вторая группа позволяет одновременно выявлять множество (несколько десятков и более) таких участков. Анализ первой группы был назван монолокусным, а анализ второй группы мультилокусным. Локус - это местоположение определенного гена на генетической или цитологической карте хромосомы.
В связи с таким делением анализа групп индивидуально характерных участков ДНК можно говорить уже о четырех методах определения родства биологических объектов:
- монолокусной полимерной цепной реакции;
- монолокусном гибридизационном анализе;
- мультилокусном гибридизационном анализе;
- мультилокусной полимерной цепной реакции.
Мультилокусная полимерная цепная реакция в настоящее время интенсивно развивается благодаря ее максимальной информативности при невысокой цене, вероятно, за ней будущее, но пока она применяется не так часто, как первые три метода.
Мультилокусный гибридизационный анализ дает наиболее достоверные результаты за один раз, но является самым дорогим на сегодняшний день. Монолокусные анализы намного дешевле, так как производят исследование одного локуса, но для достижения такой же достоверности, как при мультилокусном гибридизационном анализе, требуется проведение 8-12 анализов.
Оказалось, что методы в определении состава и гомологичности ДНК, вполне информативны для таксонов в ранге видов, а иногда родов, однако по отношению к семействам, классам, порядкам и т.д. они малоэффективны. С середины 1970-х гг. в «арсенал» молекулярных документов эволюции были включены молекулы рибосомальной РНК и белки. В Америке был разработан метод секвенирования, т.е. определения состава и расположения нуклеотидов в молекуле РНК (160 нуклеотидов), свидетельствующего о степени филогенетического родства таксонов. Завершающим этапом процедуры является построение «филогенетических древ». Таким образом, был найден метод, для изучения и построения новых схем филогенеза живого мира на уровне макротаксонов – царств живой природы.
Однако в своем современном виде эволюционное учение, как и всякая научная теория, не претендует на абсолютную достоверность. Критики дарвинизма указывают наиболее часто на следующие 2 его недостатка:
- невозможность объяснения с позиций дарвинизма установленного факта отсутствия в очень многих случаях промежуточных, переходных ступеней от одного биологического вида к другому;
- безрезультатность многочисленных попыток сельскохозяйственной практики создать новые виды животных и растений; а идея порождения новых видов через отбор является одной из основных идей теории эволюции.
Нужна огромная работа исследователей, чтобы эволюционная теория, основы которой были заложены Ч. Дарвином, приобрела завершенный вид.
Развитие жизни на Земле
Биологическая эволюция продолжается на Земле более 3 млрд. лет. С момента возникновения первых примитивных клеточных организмов, благодаря естественному отбору, появилось бесчисленное множество форм живых организмов.
Историю Земли принято делить на промежутки времени, границами которых являются крупные геологические события: горообразовательные процессы, поднятия и опускания суши, изменения очертания материков, уровня океана. Движения и разломы земной коры сопровождались усиленной вулканической деятельностью, выбросом в атмосферу громадного количества газов и пепла. Понижение прозрачности атмосферы уменьшало количество солнечной радиации, падавшее на Землю, и было одной из причин развития оледенения. Грандиозные ледниковые щиты, покрывавшие поверхность Земли, значительно изменили климатические условия и тем самым оказывали глубокое влияние на растительный и животный мир. Одни группы организмов вымирали, другие сохранялись и в межледниковые эпохи достигали расцвета.
Геохронологическая таблица - это история Земли, разделенная на эры и периоды. Разделение основано на смене флоры (растительности) и фауны (животные), которые осуществлялись благодаря существенным геологическим и климатическим преобразованиям. Эры – более длительные промежутки, периоды – более мелкие. Название эр имеют греческое происхождение, название периодов связано с географическим районом, либо указывают на наиболее типичные геологические отложения.
Хронологию основных эволюционных событий воссоздала наука палеонтология, наука, изучающая историю жизни на Земле по остаткам некогда живших организмов, сохранившихся в различных геологических отложениях и породах (табл.3).
Таблица 3.
Геохронологическая таблица и история развития живых организмов
(возраст = годы х 10-6)

Эра
Период
Воз-раст
Группы животных
Группы растений

1
2
3
4
5


Кайнозойская
(новая жизнь)
Антропоген
1,5
Современный животный мир. Эволюция и господство человека
Современный растительный мир



Неоген
23,5
Доминируют млекопитающие, птицы, насекомые.
Широко распространяются цветковые растения, особенно травянистые.



Палеоген
42
Появляются парапитеки и дриотипеки. Появляются первые приматы (лемуры, приматы), Исчезают многие группы пресмыкающихся, головоногих моллюсков.
Сокращается флора голосеменных.


Мезозойская
(средняя жизнь)
Мел
70
Преобладают костистые рыбы, первоптицы, мелкие млекопитающие; появляются и распространяются плацентарные млекопититющие и современные птицы; вымирают гигантские пресмыкающиеся.
Доминируют современные покрытосеменные; сокращаются папоротники и голосеменные



Юра
58
Господство гигантских пресмыкающихся; костистые рыбы, насекомые, головоногие моллюски; появляется археоптерикс; вымирают древние хрящевые рыбы
Господствуют современные голосеменные; появляются первые покрытосеменные, вымирают древние голосеменные


Триас
35
Преобладают земноводные, головоногие моллюски, травоядные и хищные пресмыкающиеся, появляются костистые рыбы, яйцекладущие и сумчатые млекопитающие
Преобладают древние голосеменные; появляются современные голосеменные; вымирают семенные папоротники


Палеозойская
(древняя жизнь)
Пермь
55
Господство морских беспозвоночных, акулы; быстро развиваются пресмыкающиеся и насекомые; возникают зверозубые и травоядные пресмыкающиеся; вымирают стегоцефалы и трилобиты.
Богатая флора голосеменных, семенных и травянистых папоротников; появляются древние голосеменные; вымирают древовидные хвощи; плауны и папоротники.



Карбон
75 – 65
Доминируют земноводные, моллюски, акулы, двоякодышащие рыбы; появляются и быстро развиваются крылатые насекомые, пауки, скорпионы, возникают первые пресмыкающиеся; заметно уменьшаются трилобиты и стегоцефалы.
Обилие древовидных папоротникообразных, образующих «каменноугольные леса», возникают семенные папоротники; исчезают псилофиты.


Девон
60
Преобладают панцирные, моллюски, трилобиты, кораллы; появляются кистеперые, двоякодышащие и лучеперые рыбы, стегоцефаллы
Богатая флора псилофитов; появляются мхи, папоротникообразные, грибы


Силур
30
Богатая флора трилобитов, моллюсков, ракообразных, кораллов; появляются панцирные рыбы, первые наземные беспозвоночные (многоножки, скорпионы, бескрылые насекомые)
Обилие водорослей; растения выходят на сушу – появляются пселофиты



Ордовик
Кембрий
60
70
Преобладают губки, кишечнополосные, черви, иглокожие, трилобиты; появляются бесчелюстные позвоночные, моллюски
Процветание всех отделов водорослей

Протерозой-ская
(ранняя
Жизнь)

2600
Широко распространены простейшие; появляются все типы беспозвоночных; иглокожих; появляются первичные хордовые – подтип Бесчерепные
Широко распространены синезеленые и зеленые водоросли, бактерии; появляются красные водоросли


Архейская

3500
Возникновение жизни: прокариоты (бактерии, синезеленые водоросли), эукариоты (простейшие), примитивные многоклеточные



4600
Образование Земли



В архейскую эру, которая охватывает 900 млн. лет – следы жизни незначительны. В протерозойскую эру (длительность 2000 млн. лет) эволюция шла очень медленными темпами. В древнейших отложениях этой эры найдены первые следы органических остатков. Земля сплошь была покрыта океаном. На Земле обитали бактерии, сине - зеленые водоросли, примитивные беспозвоночные морские животные. В палеозойскую эру (365 млн. лет) эволюция живого шла быстрыми темпами. Образовались большие пространства суши и на ней появились наземные растения. Особенного развития получили папоротники. Они образовывали дремучие леса. Морские животные тоже усовершенствовались, что привело к образованию огромных панцирных рыб, а впоследствии появление рыб всех известных крупных систематических групп. В каменноугольном периоде, на который падает расцвет палеозойской фауны и флоры, уже появились земноводные. В пермский период, завершающий палеозойскую эру, быстрое развитие получают рептилии.
Еще быстрее животный и растительный мир стал развиваться в мезозойскую эру (средняя жизнь) (165 млн. лет). Уже в самом начале пресмыкающиеся стали господствовать на суше – начинается «век динозавров»; появляются черепахи, крокодилы и др. Возникают первые млекопитающие – сумчатые. Всеобщее распространение получают хвойные деревья. Возникли, развились и начали господствовать разнообразные птицы и млекопитающие. Появляются первые покрытосеменные растения.
70 млн. лет назад наступила кайнозойская эра (новая жизнь). Виды млекопитающих и птиц продолжали совершенствоваться. Появляются приматы. В растительном царстве преобладающая роль перешла к цветковым. Животный и растительный мир приобретает современные черты. С возникновением человека, происшедшим около 2 миллионов лет назад, начинается нынешний период кайнозойской эры – четвертичный – антропоген. Наиболее значительные изменения в кайнозойскую эру связаны с возникновением большого числа культурных растений и домашних животных. Все это результат целенаправленной деятельности человека. Эволюция живого продолжается, но теперь она идет под непосредственным влиянием человека.
Основные таксономические группы растений и животных и последовательность их эволюции:
- рыбы
- земноводные (амфибии)
- пресмыкающиеся (рептилии)
- птицы
- млекопитающие
- голосеменные
- покрытосеменные
- цветковые

Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма.

Понятие природы. Два взгляда на природу.

1. Понятие «природа» общее – одно из наиболее широких понятий. Этим понятием охватывается все сущее, вся Вселенная и весь космос.
2. Второе понятие узкое. В узком смысле под природой понимается совокупность естественных условий существования человека и человечества. Существует две полярных точки зрения на природу:
а) Природа – это хаос, крайне неорганизованное начало. Хаос в природе носит разрушительный характер. Неустойчивость природы – досадная неприятность, ее нужно преодолеть. Человек должен покорить природу.
б) Природа образец совершенства, верх гармонии. Человек должен учиться у природы.
Раньше Мичурин выдвинул лозунг «Мы не должны ждать милостыни у природы. Взять ее наша задача». Современная наука выдвигает новые представления о мире и учит нас по-новому смотреть на природу. Эти идеи заложены в теории самоорганизации природы, в синергетике.

Синергетика и ее основные принципы.

Синергетика (синергия – сотрудничество, совместное действие) – это теория, изучающая общие принципы функционирования и самоорганизации сложных органических, неорганических и социальных систем, включая природу. Кратко, синергетика – это наука о самоорганизации. Каковы же основные принципы синергетики:
1. Принцип хаотики. Хаос выступает в качестве созидающего начала и только из хаоса может рождаться что-то новое. Синергетика везде: в семье на работе в науке в учебе (количественных превращений в качественные).
2. Принцип коэволюции (совместного сосуществования)
Природе нельзя навязывать пути ее развития. Нужно использовать законы совместной жизни природы и человечества, их коэволюции. Коэволюция – это взаимное приспособление видов. Выделяют два вида коэволюции: 1) Мутуалистическую (взаимовыгодную), 2) Немутуалистическую (отношение «эксплуатация - защита», хищник – жертва, хозяин - паразит).
В коэволюции решающую роль играет не борьба за существование, а взаимопомощь, согласованность, сотрудничество различных видов, в том числе и несвязанных между собой генетическими узами.
3. Принцип альтернативы – есть несколько альтернатив путей развития (бифуркация), т.е линейный характер эволюции сложных систем, к которым привыкла классическая наука, не правило, а исключение; развитие большинства систем носит нелинейный характер. Для сложных систем существует несколько возможных путей развития. Развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точке бифуркации. Случайность – не досадное недоразумение, она встроена в механизм эволюции.
4. Принцип суперпозиции. Сборка сложного эволюционного целого осуществляется из готовых комплексов, структур, но не сводится к их простому сложению, оно качественно новое. Суперпозиция – это наложение (супер – «сверх», сверхпозиции, т.е. «позиция на позиции»). Это допущение согласно которому результирующий эффект сложного процесса воздействия представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым эффектом в отдельности при условии, что эффекты не влияют взаимно друг на друга.
5. Операционный принцип. Главное в управлении системой – это не сила, а правильная конфигурация, воздействие малой силы на среду (слабое побеждает твердое, тихое побеждает громкое).
6. Принцип саморазвития – общие принципы эволюции природы.

Концепция самоорганизации в науке. Формирование идеи самоорганизации.
Самоорганизация – наблюдаемая способность материи к созданию все более сложных и упорядоченных структур в ходе эволюции.
Формирование идей самоорганизации.
1) Первые подходы к самоорганизации в отдельных науках обозначились в XVIII в. Они связаны с деятельностью основоположника классической политической экономии Адамом Смитом, который в своем труде «Исследование о природе и причинах богатства народов» ясно выразил идею о том, что спонтанный порядок на рынке является результатом взаимодействия различных, часто противоположных стремлений, целей, интересов многочисленных его участников. Именно такое взаимодействие приводит к установлению никем непридуманного и незапланированного порядка на рынке, который выражается в равновесии спроса и предложения. Эту мысль А. Смит выразил в форме метафоры «невидимой руки», которая регулирует цены на рынке. «Каждый отдельный человек старается употреблять свой капитал так, чтобы продукт его обладал наибольшей стоимостью. Обычно он и не имеет в виду содействовать общественной пользе и не сознает насколько содействует ей. Он имеет ввиду лишь собственную выгоду, причем в этом случае он невидимой рукой направляется к цели, которая не входила в его намерения. Преследуя свои собственные интересы, он часто более действенным образом служит интересам общества, чем тогда, когда сознательно стремиться служить им».
«Бранил Гомера, Феокрита, зато читал Адама Смита
И был глубокий эконом, то есть умел судить о том,
как государство богатеет и чем живет
и почему не нужно золота ему, когда простой продукт имеет»
(А.С. Пушкин «Евгений Онегин»)

2) 18 век. Шотландские моралисты высказали аналогичные идеи относительно самоорганизации норм нравственности в обществе. Они подчеркивали, что принципы нравственного поведения людей не создаются правителями, политиками и иными общественными деятелями, а формируются медленно и постепенно в ходе самоорганизации людей под влиянием изменившихся условий их жизни.
3) XIX век. Идеи самоорганизации, самосовершенствования, улучшения деятельности социальных систем и общественных организаций ученые связывают с эволюционными процессами, которые происходят в жизнедеятельности людей, таким образом, оказалось, что идеи самоорганизации и эволюционной теории тесно связаны. Эволюционная теория Дарвина послужила мощным толчком для развертывания исследований о механизмах развития различных природных и социальных систем. Эволюционная концепция биологии заставила физиков и химиков по-новому взглянуть на объекты своих исследований и природу в целом. Они вынуждены были считаться с тем глубоким противоречием, которое существовало между их взглядами и достоверными фактами и теоретически обоснованными утверждениями дарвинской эволюционной теории. В самом деле, если теория Дарвина приводила к совершенствованию и усложнению живых систем в результате их адаптации к изменившимся условиям окружающей среды, то в классической физике она связывалась с разрушением системы и дезорганизацией. Такое представление вытекало из II начала термодинамики, возрастания энтропии, беспорядка, согласно которому закрытая система эволюционирует в сторону беспорядка и дезорганизации. Резкое противоречие между биологической эволюцией и физикой закрытых систем удалось разрешить только после того, когда физика обратилась к понятию открытой системы. Открытая система – система, обменивающаяся с окружающей средой веществом, энергией, информацией. При определенных условиях в открытых системах могут возникать процессы самоорганизации в результате получения новой энергии, вещества, заряда извне. Таким образом было установлено, что ключ к пониманию процессов самоорганизации лежит в исследовании процессов взаимодействия системы с окружающей средой. К установлению общего взгляда на процессы самоорганизации разные ученые шли разными путями.
4) Немецкий физик Герман Хакен, работающий в лаборатории фирмы Белла, над новыми источниками света, исследовал механизмы кооперативных процессов, которые происходят в твердотельном лазере (Лазер – самый мощный источник света, мощность излучения 1012 – 1013 Вт с одного квадратного сантиметра). Мощность излучения Солнца с этой же площади только 7 х 103 Вт). Он выяснил, что частицы, составляющие активную среду резонатора под воздействием внешнего светового поля начинают колебаться в одной фазе. Между ними устанавливается согласованное взаимодействие, которое, в конечном итоге приводит к кооперативному или коллективному поведению. Г. Хакен вводит понятие синергетика в 70-е годы XX века. По Хакену процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны.
5) В химии бельгийский ученый русского происхождения во второй половине XX века И.Р. Пригожин приходит к сходным выводам. Из хаоса может возникать порядок. Он анализировал специфические химические реакции, которые приводят к образованию определенных пространственных структур с течением времени при изменении концентрации реагирующих веществ. Была построена математическая модель таких реакций. Теоретической основой модели стала термодинамика, изучающая процессы в неравновесных системах под воздействием флуктуаций. Флуктуации – случайные отклонения системы от некоторого среднего положения. Если система удалена от точки термодинамического равновесия, то возникающие в ней флуктуации будут усиливаться в результате взаимодействия со средой и в конце концов приведут к разрушению структуры и тем самым к возникновению новой структуры. Например: 1. происходят флуктуации, 2. они усиливаются в результате взаимодействия со средой, 3. происходит разрушение старой структуры, 4. возникает новая, более сложная. Такие системы, структуры И.Р. Пригожин назвал диссипативными, поскольку они образуются за счет диссипации или рассеивания энергии, используемой системой, и получения новой свежей энергии. Таким образом диссипация – это рассеивание энергии в неравновесной системе, а диссипативная структура – неравновесная упорядоченная структура, возникшая в результате самоорганизации. За исследование в термодинамики по диссипативным структурам Пригожин получил Нобелевскую премию. Он создает направление в синергетике – неравновесная термодинамика.
6) Аналогичные примеры самоорганизации были открыты и в других классах открытых неравновесных систем, систем разной природы. Самый наглядный и популярный пример образования структур нарастающей сложности явление в гидродинамике, названное ячейками Бенара. При подогреве жидкости, которая находится в сосуде круглой или прямоугольной формы, между нижним и верхним слоями возникает разность (градиент) температур. Если эта разность мала, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне и никакого макроскопического движения не происходит. Если градиент достигает критического значения в жидкости скачком (внезапно) возникает макроскопическое движение, образующее четко выраженные структуры в виде цилиндрических ячеек. Сверху такая макроупорядоченность выглядит как устойчивая ячеистая структура, похожая на пчелиные соты. Это хорошо знакомое всем явление с позиций статистической механики невероятно. Ведь оно свидетельствует, что в момент образования ячеек Бенара миллиарды молекул жидкости, как по команде, начинают вести себя скоординировано, согласованно, хотя до этого пребывали в хаотическом движении. Создается впечатление, будто каждая молекула «знает», что делают все остальные, и желает двигаться в общем строю. Классические статистические законы здесь не работают, это явление иного порядка. Ведь если бы даже случайно такая правильная и кооперативная структура образовалась она тут же бы и распалась. Но она не распадается при соответствующих условиях (приток энергии извне), а наоборот устойчиво сохраняется. Значит, возникновение структур нарастающей сложности – не случайность, а закономерность.
7) Примеры самоорганизации: химические часы (реакция Белоусова – Жаботинского, спиральные волны). Белоусов – Жаботинский открыл «автокаталитические» (самоповторяющиеся) химические реакции.
8) Другой видный теоретик самоорганизации немецкий ученый Эйген показал, что открытый Ч. Дарвиным принцип отбора сохраняет свое значение на микроуровне Он утверждал, что развитие жизни есть результат процессов отбора, происходящего на молекулярном уровне «атомы, молекулы», их накопление приводит к новым адаптациям.
Таким образом в природных и социальных системах происходит самопроизвольное возникновение неравновесных структур в силу объективных законов природы и общества.
В 60-х годах XX столетия исследование процессов самоорганизации ограничивалось отдельными естественно-научными и инженерными дисциплинами. Сами исследователи не придавали им обобщающего характера. 70 – е годы стали периодом перехода от исследования отдельных предметов и процессов к изучению их целостных систем. Возникают такие науки как кибернетика и синергетика. Кибернетика – наука об управлении сложными системами с обратной связью. Кибернетика исследует не состав систем, не их структуру, а результат работы данного класса систем. Синергетика имеет в настоящее время междисциплинарный характер, хотя она вышла из физики, из термодинамики.
Таким образом синергетика исследует механизмы возникновения новых состояний, структур и форм в процессе самоорганизации, а не сохранение старых форм. Она опирается на принцип положительной обратной связи, когда изменения, возникшие в системе (флуктуации) не подавляются, а постепенно накапливаются, и в конце концов приводят к разрушению старой и возникновению новой системы. Речь идет о сложноорганизованных системах, являющимися неравновесными открытыми системами, находящимися вдали от точки термодинамического равновесия (табл. 4).
Каковы же условия возникновения новых структур, условия самоорганизации:
1. Открытость системы. Везде, где создаются новые структуры необходим приток энергии. Именно энергия творит более высокие уровни организаций. «Дайте мне энергию и я создам мир», перефразируя фразу Архимеда.
2. Нахождение ее вдали от термодинамического равновесия (неравновесные системы).
3. Наличие флуктуаций.
4. Нелинейность системы.
Таблица 4.
Отличие равновесных систем от неравновесных

НЕРАВНОВЕСНАЯ
РАВНОВЕСНАЯ

Открытая
Закрытая

Система адаптируется к внешним условиям, изменяя свою структуру
Для перехода из одной структуры к другой требуются изменения граничных условий

Множественность стационарных состояний
Одно стационарное состояние

Чувствительность к флуктуациям (небольшие влияния приводят к большим последствиям, внутренние флуктуации становятся большими)
Нечувствительность к флуктуациям


Хаотичность, неравновесность – источник порядка. Все части могут действовать согласованно
Молекулы ведут себя независимо друг от друга


Фундаментальная неопределенность поведения системы. Зная состояние системы в данный момент нельзя предсказать, что с ней будет в следующий момент
Определенность поведения системы. При отсутствии доступа энергии извне система стремиться к состоянию равновесия


Примечание: Большинство систем неравновесные, равновесные структуры – кристаллы

Самоорганизация – источник и основа эволюции

1. В существующих теориях эволюции особое внимание обращалось на воздействие окружающей среды на систему. «Что же, черт возьми, определяет каждое отдельное изменение, если не изменившиеся условия развития» - Ч. Дарвин. Именно в изменении или же возникновении новых факторов среды видели в прошлом главную движущую силу эволюции - Ламарк. В дарвинской теории происхождения новых видов растений и животных путем естественного отбора главный акцент делался на среду, которая выступала в качестве определяющего фактора адаптации живых систем к изменяющимся условиям их существования.
2. Синергетика в настоящее время, выдвинула принцип коэволюции – совместного развития. Не подлежит сомнению, что внешние условия, среда обитания оказывают огромное влияние на эволюцию. Но это влияние в не меньшей степени зависит также от самой системы, ее состояния и внутренней предрасположенности. Таким образом главным условием развития систем является взаимодействие системы и окружающей среды. Только в результате такого взаимодействия происходит обмен веществом, энергией и информацией между системой и ее окружением и возникает новая система.
3. В диссипативных структурах спонтанный порядок возникает благодаря усилению флуктуаций, а последние зависят от интенсивности взаимодействия системы с окружающей средой.
4. Эволюция системы соответствующим образом влияет на развитие среды, поэтому нужно говорить не об эволюции, а о коэволюции.
Самоорганизация – это источник эволюции систем. т.к. она служит началом процесса возникновения качественно новых и более сложных структур в развитии системы.
Как же происходит эволюция?
На микроуровне происходит процесс расширения и усиления флутуаций вследствие увеличения неравномерности системы под воздействием факторов среды, притока энергии;
Этот процесс остается незаметным на макроуровне, пока изменения не достигнут некоторой критической точки. В критической точке открывается два возможных пути эволюции системы, математики выражают это термином «бифуркация» - раздвоение. Развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точке бифуркации. Случайность – не досадное недоразумение, она встроена в механизм эволюции. Выход из критического состояния происходит одномоментно, скачкообразно, происходит переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности. Таким образом, линейный характер эволюции сложных систем, к которым привыкла классическая наука, не правило, а, скорее исключение. Развитие большинства таких систем носит нелинейный характер и для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции. Принцип альтернативы. В математическом смысле – нелинейность – уравнения, содержащие искомые величины в степенях больше единицы, которые могут иметь несколько различных решений. В более общем плане понятие нелинейности используется для указания на многовариантность, альтернативность и необратимость возможных путей эволюции сложных самоорганизующих систем. Развитие таких систем носит непредсказуемый характер, какой именно будет выбран – однозначно спрогнозировать нельзя, но процесс этот необратим. Таким образом для самоорганизации характерен пороговый или внезапный характер, в результате самоорганизации энтропия понижается;
Возникает новая система или структура, более сложная и высокоупорядоченная.

Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе, создание более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход. Она пытается ответить на вопрос. Как возникли те макроструктуры в которых мы живем. Энергия – это творец. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен с окружающей средой. Энергия творит более высокие уровни организации.
Большинство систем открыты. Главенствующую роль в окружающем мире играет не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. Хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен. Диссипативные структуры – новые структуры, для поддержания которых требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят. Синергетика – одна из важнейших составляющих современной картины мира. Она подводит базу под совершающийся в естествознании глобальный эволюционизм. Он включает: эволюцию Вселенной, учение о дрейфе континентов в геологии, концепцию предбиологической эволюции в химии, синтетическую теорию эволюции, эволюционную генетику, неравновесную термодинамику.


Эволюции в социальных и гуманитарных системах

Видные ученые характеризуют социальную эволюцию как продолжение биологической или генетической эволюции. Мощным средством приспособления к окружающей среде многие считают культуру. Как же она проходила?
Становление человека и переход его к цивилизации занял не меньше 100 тыс. лет. Вначале существовала коллективная собственность на крайне скудные средства существования. Такой способ добывания средств к жизни первобытными людьми предопределил экономические отношения между ними и правила поведения в группе, которое характеризовалось агрессивностью к людям из других отрядов и групп и солидарностью к членам собственной группы. Присваивающее хозяйство.
Такая первобытная инстинктивная мораль постепенно пришла в резкое противоречие с новыми условиями жизни, когда люди перешли к разведению скота и земледелию, т.е. к производящему хозяйству, в период неолита произошла неолитическая революция. В результате этого люди стали регулярно обмениваться продуктами своего труда, вместо коллективной собственности проявляется собственность частная, в вместе с ней новые цивилизованные мораль и право.
Новые правила поведения формировались постепенно, в ходе самоорганизации, они проникали в более широкие слои общества. Именно такие нормы, правила сформировали тот расширенный порядок в обществе, которое делает возможным само его существование.
Как возник такой порядок? Какие факторы способствовали и тем самым содействовали эволюции общества?
Социальная эволюция, как и эволюция природная возникает в результате взаимодействия с окружающей средой. В последней появляются случайные изменения, к которым живые организмы должны адаптироваться. В природе такая адаптация происходит путем естественного отбора мутаций, таким образом биологическая эволюция происходит путем генетической передачи наследственной информации от родителей потомкам. В социально-экономической и культурной эволюции наследственной передачи не происходит, у общества существуют свои методы и средства передачи приобретенного и накопленного опыта. Эти методы и средства обычно составляют то, что характеризуется, как традиции. Именно традиции сыграли решающую роль в становлении расширенного порядка в человеческой деятельности и формировании цивилизации в целом. К традициям относятся все способы передачи опыта, начиная от простейших навыков и правил поведения и заканчивая сложнейшими приемами профессиональной деятельности, накопленными знаниями и общечеловеческими нормами поведения. Возникает вопрос: существует ли какая – либо связь между генетической и социальной эволюцией, если последняя исключает передачу приобретенного опыта по наследству. На этот вопрос можно ответить утвердительно. Дело в том, что человек, как существо биологическое, унаследовал такое важное свойство, как способность к обучению путем подражания. Эта способность присуща животным, но в значительно меньшей степени. Многие ученые считают, что именно обучение путем подражания в сочетании с трудовой деятельностью вывело человечество на широкую дорогу социально-культурной эволюции. Таким образом синергетика исходит из того, что природа – открытая система, в которой возникает неустойчивость, флуктуации.
Открытость системы – необходимое, но недостаточное условие для ее самоорганизации. Не всякая открытая система самоорганизуется и строит структуры. Все зависит от того, как побудить действие внутренних регуляторов, импульсов и природа сама построит необходимую структуру. Нужно только знать потенциальные возможности данной природной среды и способы ее стимуляции. Неустойчивость далеко не всегда зло, подлежащее устранению или некая досадная неприятность. Неустойчивость чаще выступает условием стабильного и динамичного развития. Только системы далекие от равновесия, системы в состоянии неустойчивости способны спонтанно и непроизвольно организовать себя и развиваться. Устойчивость и равновесие – тупики эволюции. (сытость, пресыщенность).
В социальных системах самоорганизация дополняется организацией, т.к. в обществе действуют люди. В социальных системах, благодаря «социальной памяти» наследование приобретенного опыта и традиций протекает более целенаправленно. Эволюция в социальной системе идет быстро. Эволюция требует сочетание устойчивого и неустойчивого.

Универсальный эволюционизм, как научная программа современности

Принципы:
- все существует в развитии;
- развитие как чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций);
- законы природы как принципы отбора допустимых состояний из всех мысленных;
- фундаментальная и неустранимая роль случайностей и неопределенности;
- непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации (прошлое влияет на будущее, но не определяет его);
- устойчивость и надежность природных систем как результат их постоянного обновления.
Вопросы для повторения
1.В чем заключается целесообразность живых организмов?
2.Каковы предпосылки создания теории эволюции Ч. Дарвина?
3.Опишите эволюционную теорию Ч. Дарвина.
4. Что такое ген?
5.Каковы законы наследственности Г. Менделя?
6.Опишите модификационную изменчивость
7.Опишите мутационную изменчивость.
8. В чем заключается закон гомологических рядов в наследственной изменчивости Н.И. Вавилова?
9.Каковы основные положения синтетической теории эволюции?
10.Опишите элементарные эволюционные факторы.
11.Опишите микроэволюцию.
12.Опишите макроэволюцию.
13.Опишите методы исследования эволюции.
14.Опишите геохронологическую таблицу и историю развития живых организмов.
15.Опишите основные принципы синергетики.
16.Как происходило формирование идей самоорганизации в науке?
17.Что исследует наука синергетика?
18.Каковы основные отличия равновесных систем от неравновесных?
19.Как происходит эволюция?
20.Как происходит эволюция в социальных и гуманитарных системах?
21.Каковы основные принципы универсального эволюционизма?


РАЗДЕЛ VII
БИОСФЕРА И ЭКОЛОГИЯ

Экосистемы (многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости биосферы). Понятия об экосистеме и биогеоценозе

Экология – это наука о взаимоотношении организмов друг с другом и с окружающей средой. Термин экология (от греч. ойкос – дом и логос – наука ) предложен Э. Геккелем.
Все организмы и факторы среды находятся в тесной или отдаленной связи между собой. Но так как земная поверхность неоднородна, возникли более или менее разграниченные комплексы таких взаимоотношений.
Экосистема – совокупность совместно обитающих организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ.
Биогеоценоз – исторически сложившийся комплекс взаимосвязанных видов или популяций разных видов, обитающих на определенной территории с более или менее однородными условиями существования.
Экосистема и биогеоценоз – понятия близкие друг другу, но не синонимы. В обоих случаях это устойчивые взаимодействующие системы живых организмов и среды, в которых совершается поток энергии и круговорот веществ, но экосистема – понятие безразмерное, применимое как к естественным (тундра, океан), так и к искусственным комплексам (аквариум, капля воды с микробным населением, космическая станция, сооружение для биологической очистки сточных вод). Биогеоценозы – сугубо наземные образования, имеющие свои четкие границы. Любой биогеоценоз является экосистемой, но не всякая экосистема может считаться биогеоценозом.

Элементы экосистем (биотоп, биоценоз)
Биоценоз (сообщество организмов) – совокупность всех видов живых организмов, населяющих определённую территорию. В состав биоценоза входят растения, животные и микроорганизмы. Конкретные сообщества складываются в строго определённых условиях окружающей среды (почва, воды, климат). Компоненты относящиеся к неживой природе образуют - экотоп. Биотоп – относительно однородное по абиотическим факторам (почва, вода, климат) среды пространство, занимаемое биоценозом (рис. 48).

Рис. 48. Схема биогеоценоза

Виды природных экосистем
Биогеоценозы способны формироваться на любом участке земной поверхности, сухопутном и водном. Природные биогеоценозы (естественные экологические системы) могут быть лесными, степными, луговыми, болотными и др. (озеро, лес, пустыня, тундра, океан). Совокупность всех биогеоценозов земли образуют биосферу – земную оболочку, населенную живыми существами.
Рост потребностей человечества привел к созданию искусственных экологических систем - агроценозов (сады, парки, культурные пастбища, животноводческие комплексы).
Биотическая структура экосистем
Биогеоценоз состоит из двух компонентов: абиотический и биотический. Неживой, или абиотический компонент экосистемы включает почву, воду и климат. Почва и вода содержат смесь органических и неорганических веществ. Свойства почвы зависят от материнской породы, на которой она лежит и из которой частично образуется. В понятие климата входят такие параметры: температура, освещенность, влажность.
Биотический компонент составляют живые организмы, которые по функциям, выполняемым в экосистеме подразделяются на продуценты, консументы и редуценты.
Основу биогеоценозов составляют продуценты (растения, хемо– и фотосинтезирующие бактерии) – автотрофные организмы, которые с использованием солнечной энергии и энергии, выделяемой при окислении неорганических веществ, синтезируют из неорганических веществ богатую энергией биомассу. Гетеротрофные организмы – консументы (животные) используют эту биомассу для получения и накопления энергии, изменяют или перестраивают органические вещества. Разрушители органического вещества – редуценты (грибы, бактерии) доводят распад использованной или отмершей биомассы до простых неорганических веществ (вода, углекислый газ, аммиак), пригодных для нового усвоения автотрофными организмами. Продуценты, консументы и редуценты тесно взаимосвязаны между собой и являются основой существования экосистемы.
Энергетические потоки в экосистемах.
Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот веществ в экосистемах, т.е. существование экосистем, зависит от постоянного притока энергии, необходимой всем организмам для их жизнедеятельности и самовоспроизведения.
Энергия определяется как способность совершать работу. Экосистему можно уподобить единому механизму, потребляющему энергию и питательные вещества для совершения работы (поддержания жизнедеятельности живых организмов).
Питательные вещества первоначально происходят из абиотического компонента системы, в который в конце концов возвращаются, либо в качестве отходов жизнедеятельности, либо после разрушения и гибели организмов. В экосистеме происходит постоянный круговорот питательных веществ, в котором участвуют и живой, и неживой компоненты. Такие круговороты называются биогеохимическими циклами.
Движущей силой этих круговоротов служит энергия Солнца. Фотосинтезирующие организмы используют непосредственно энергию солнечного света и затем передают ее другим представителям биотического компонента. В итоге создается поток энергии и питательных веществ через экосистему. Климатические факторы также регулируются поступлением солнечной энергии. Таким образом, имеет место линейный поток энергии через экосистему, а не ее круговорот.
Энергия может существовать в виде различных взаимопревращающихся форм, таких как, механическая, химическая, тепловая и электрическая. Переход из одной формы в другую, называется преобразованием энергии и подчиняется законам термодинамики. Первый закон сохранения энергии гласит: «энергия может превращаться из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена». Второй закон термодинамики утверждает, что при совершение работы энергия не может быть использована на все 100 %, часть ее неизбежно превращается в тепло. Тепло есть результат случайного движения молекул, тогда как работа всегда означает неслучайное. Увеличение неупорядоченности, которое сопровождается преобразованием энергии, измеряется как прирост энтропии. Понятие «работы» приложимо к любому процессу, протекающему в живой системе с потреблением энергии, начиная от процессов на клеточном уровне (синтез белков, распад веществ) и кончая процессами на уровне целого организма (рост, развитие, размножение). Таким образом, живые организмы – это преобразователи энергии и каждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла. В конце концов, вся энергия, поступающая в биотический компонент экосистемы рассеивается в виде тепла (рис. 49).


Рис. 49. Поток энергии в экосистеме (по Ф. Рамаду, 1981)

Живые организмы не используют тепло, как источник энергии для совершения работы. Они используют свет и химическую энергию.
Солнце как источник энергии
Первоисточником энергии для экосистем служит Солнце. Солнце – это звезда, излучающая в космос огромное количество энергии. Энергия распространяется в космическом пространстве в виде электромагнитных волн, и небольшая часть ее, составляющая 10,5 х 106кДж/м2, в год захватывается Землей. Около 40 % этого количества сразу отражается от облаков, атмосферной пыли и поверхности Земли без какого бы то ни было теплового эффекта. 15 % поглощается атмосферой (озоновым слоем) и превращается в тепловую энергию, или расходуется на испарение воды. Оставшиеся 45 % поглощаются растениями или земной поверхностью. В среднем это составляет 5 х 106кДж/м2 в год. Большая часть энергии излучается земной поверхностью и нагревает атмосферу (2/3), и только небольшая часть, пришедшей от Солнца энергии усваивается биотическим компонентом экосистемы (рис. 50).

Рис. 50. Поток солнечной энергии на Земле и ее трансформации (по Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину, 1994)

Скорость фиксации солнечной энергии определяет продуктивность сообществ. Основной показатель продуктивности – биомасса организмов, составляющих экосистему. Биомасса выражается в единицах массы или энергии живого вещества организмов, приходящихся на единицу площади или объема. Продуктивность автотрофных организмов представляет собой первичную продуктивность. Продуктивность гетеротрофных организмов составляет вторичную продуктивность. Первичная валовая продукция – продукция фотосинтеза. Это вся химическая энергия в форме произведенного органического вещества. Если из валовой продукции изъять ту часть энергии, которая тратится растениями на дыхание, то получится чистая первичная валовая продукция. Зеленые растения могут перерабатывать от 1 % до 5%, поступающей на земную поверхность энергии Солнца. Животные, питающиеся растениями для образования биомассы своего тела используют всего 1 % энергии, содержащейся в растительном материале. Экосистема океана дает половину всей продуктивности планеты, леса – третью часть, пашни – около 1/10. Оценку продуктивности экосистем всегда производят по первичной продукции. Первичная продукция во много раз больше вторичной продукции. В целом вторичная продуктивность колеблется от 1 % до 10 % в зависимости от свойств животных и особенностей поедаемости ими корма.
Пищевые (трофические) цепи, пирамиды
Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаются автотрофными организмами и служат пищей (источником вещества и энергии) для гетеротрофов. Типичный пример, животное поедает растение. Это животное в свою очередь может быть съедено другим животным и таким образом может происходить перенос энергии через ряд организмов: каждый последующий питается предыдущим, поставляет ему сырье и энергию. Такая последовательность называется пищевой цепью, а каждое ее звено трофическим уровнем (tropho - питание). Первый трофический уровень занимают первичные продуценты. Это автотрофные организмы, в основном зеленые растения. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами (травоядные животные). Ими являются насекомые, рептилии, птицы, млекопитающие (грызуны и копытные – лошадь, овца, крупный рогатый скот). Они питаются первичными продуцентами. Вторичные консументы (третий трофический уровень) питаются травоядными. Это уже плотоядные животные, как и третичные консументы (четвертый трофический уровень), поедающие консументов второго порядка. Консументы второго и третьего порядка могут быть хищниками, могут питаться падалью и быть паразитами. Обычно бывает 4 -5 трофических уровней и редко больше 6.
В типичных пищевых цепях хищников плотоядные животные оказываются крупнее на каждом следующем трофическом уровне:
Растительный материал (нектар) муха паук землеройка сова;
Сок розового куста тля божья коровка паук насекомоядная птица хищная птица.
В типичных пищевых цепях, включающих паразитов, последние становятся меньше по размерам на каждом следующем трофическом уровне.
Существует два главных типа пищевых цепей – пастбищные и детритные. В пастбищных цепях первый трофический уровень занимают зеленые растения, второй – пастбищные животные (все организмы, питающиеся растениями), третий – хищники.
Тело погибших растений и животных еще содержат энергию и строительный материал, также как и прижизненные выделения моча, фекалии. Эти органические материалы разлагаются микроорганизмами - грибами и бактериями, живущими как сапрофиты на органических остатках. Такие организмы называются редуцентами. Они выделяют пищеварительные ферменты на мертвые тела или отходы жизнедеятельности и поглощают продукты их переваривания. Скорость разложения может быть различной. Органические вещества мочи, фекалий и трупов животных потребляются в течение нескольких недель, тогда как упавшие деревья и ветви могут разлагаться многие годы. Очень существенную роль в разложении древесины играют грибы, они выделяют фермент целлюлазу, размягчающий древесину, и это дает возможность мелким животным проникать внутрь и поглощать различный материал. Кусочки частично разложившегося материала называют детритом, многие мелкие животные: дождевые черви, мокрицы, клещи, нематоды, черви - энхитреиды (детритофаги) питаются ими, ускоряя процесс разложения. Детритофагами могут питаться более крупные организмы и тогда создается пищевая цепь другого типа, начинающаяся с детрита:
Детрит детритофаг хищник;
Мертвое животное личинки падальных мух травяная лягушка уж.
Реальные пищевые связи в экосистеме намного сложнее. Животное может питаться организмами разных типов или даже из разных пищевых цепей (хищники верхних трофических уровней). Поэтому пищевые цепи переплетаются, образуя пищевую сеть.

Экологические пирамиды (схемы пищевых сетей)
Существуют пирамиды численности, биомассы, энергии.
1. При составлении пирамид численности сначала подсчитывают число различных организмов на данной территории. Подсчеты показывают, что численность организмов прогрессивно уменьшается при переходе от второго трофического уровня к последующим. Численность растений первого трофического уровня превосходит численность животных составляющих второй уровень. Пирамида численности изображается в виде прямоугольника, площадь которого пропорциональна числу организмов, обитающих на данной площади (рис. 51).

Рис. 51. Схема пирамиды численности (по Г.А. Новикову, 1979)

Этот метод имеет недостатки:
- продуценты сильно отличаются по размерам, между тем один экземпляр злака или водоросли имеет тот же статус, что одно дерево;
- цепи питания паразитов могут давать перевернутые пирамиды.
2. При составлении пирамид биомассы учитывается суммарная масса организмов (биомасса) каждого трофического уровня. Определение биомассы включает не только учет численности, но и взвешивание отдельных особей. В пирамидах биомассы отображают биомассу организмов каждого трофического уровня, отнесенную к единице площади или объема. На каждом трофическом уровне происходит уменьшение биомассы (рис. 52).
Пирамиды биомассы, та же, как и численности могут иметь вид перевёрнутого треугольника. Перевёрнутые пирамиды биомассы свойственны водным экосистемам, в которых первичные продуценты, например, фитопланктонные водоросли, очень быстро делятся, а их потребители – зоопланктонные ракообразные – гораздо крупнее, но имеют длительный цикл воспроизводства, т.е. биомасса у продуцентов в единицу времени мала, а производительность велика.

Рис. 52. Пирамида биомассы (по Н.Ф. Реймерсу, 1990)
Примечание: цифры означают продукцию, выраженную в граммах сухой массы, приходящуюся на 1 м2.

3. Пирамиды энергии – графическое отображение продуктивности экосистемы в энергетических эквивалентах (кДж/м2) для всех членов каждого трофического уровня пищевой цепи. Она отражает скорость образования биомассы. Каждая ступенька пирамиды энергии отражает количество энергии на единицу площади или объема, прошедшей через определенный трофический уровень за определенный период. В каждой цепи питания организмы последующих трофических уровней способны использовать не более – 10 % энергии поступившей биомассы на построение вещества своего тела. Данный закон сформулировал Р. Линдеман в 1942 г., который часто называют «законом 10%» Это позволяет сравнить не только различные экосистемы, но и относительную значимость популяций внутри одной экосистемы (рис. 53).

Рис. 53. Пирамида энергии (из Ф. Рамада, 1981)
Е – энергия, выделяемая с метаболитами, D – естественные смерти,
W – фекалии, R – дыхание.
Экологические факторы
Экологический фактор – любой элемент среды, способный оказывать влияние (прямое или косвенное) на живые организмы хотя бы на протяжении одной из стадий их индивидуального развития. Все экологические факторы делятся на биотические и абиотические факторы, антропогенные факторы.
Абиотические факторы – это факторы неживой природы: свет, температура, влажность, особенности рельефа, химический состав воздушной, водной и почвенной среды.
Биотические факторы – совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие.
Антропогенные факторы – влияние человека на другие виды и среду обитания.

Формы биотических отношений
Они делятся на внутривидовые и межвидовые взаимодействия. К внутривидовым взаимодействиям относятся факторы, наиболее рельефно проявляющиеся на популяционном уровне. Сюда относится конкуренция – вид взаимодействия, когда один организм использует фактор, который был бы доступен для другого организма и мог бы им потребляться. Внутривидовая конкуренция (за пищу, жизненное пространство, полового партнера и другие ресурсы) увеличивается с ростом численности популяции и степенью специализации особей данного вида. По мере роста численности популяции возрастает сопротивление среды и вступают во взаимодействие механизмы (недостаточность источников пищи, враги, паразиты и др.), регулирующие численность данной популяции, которые поддерживают ее на определенном уровне. Конкуренция бывает внутри вида и между видами.
Межвидовые взаимодействия:
Хищничество (хищник - жертва) – распространенный тип взаимоотношений, при котором особи одних видов непосредственно преследуют, убивают и пожирают особей других видов. Организмы, питающиеся живой органикой называются хищниками, используемые в пищу – жертвы. При отношениях жертва – хищник, одна из особей получает выгоду (питательные вещества и энергию), а другой особи наносится вред. Эксплуататоры могут оказывать разнообразные воздействия на популяцию жертв. Их влияние не всегда отрицательно. Полное уничтожение хищников приводило вначале к резкому увеличению численности жертв, а затем к ее катастрофическому падению из-за распространения заболеваний или подрыва кормовой базы. В естественных условиях возникает такая временная последовательность событий: размножение жертвы – размножение хищника – падение численности жертвы – сокращение численности хищника – размножение жертвы и т.д. Периодические колебания численности обусловлены взаимодействиями хищника и жертвы. Численность жертв лимитируется численностью хищников и наоборот. При низкой численности хищника численность популяции жертв растет, так как они мало истребляются хищниками. С некоторым запозданием начинает увеличиваться численность хищников, так как их плодовитость возрастает из-за лучшей обеспеченности пищей. В некоторый момент численность хищников на данной территории становится так велика, что численность жертв начинает падать. Пока она остается еще достаточно высокой, численность хищников продолжает расти: именно из-за этого пик численности у хищников наступает позднее, чем у жертвы. Когда численность жертв еще больше снижается, начинается снижение численности хищников. Постепенно система возвращается к исходному состоянию, и цикл начинается вновь (рис. 54). Колебания численности в системе «хищник - жертва» могут зависеть от разных факторов: способности их к миграциям, неоднородности среды, наличия других источников пищи.
Изучение динамики численности «хищник - жертва» играет большую роль в оптимальной эксплуатации природных ресурсов, предсказании вспышек численности вредителей, разработке борьбы с ними. На основе этих исследований решается вопросы о том, сколько раз в год и в каком количестве можно отстреливать дичь или вести улов рыбы, чтобы не нанести вред популяции; целесообразно ли применять для борьбы с данным видом «вредных» насекомых ядохимикаты, если целесообразно, то в какой сезон и в каком количестве? Состав и структура сообществ во многом определяется взаимоотношениями «жертва - эксплуататор». Хищники и паразиты регулируют численность, входящих в состав сообщества видов.
Пищевые связи в большинстве сообществ весьма сложны: большинство видов жертв потребляется несколькими эксплуататорами, а большинство эксплуататоров используют несколько видов жертв; многие хищники сами служат пищей хищникам высшего порядка, имеют своих паразитов. В таких системах с многочисленными обратными связями вспышки численности каких – либо видов – явление редкое. Умеренная эксплуатация по интенсивности обычно способствует поддержанию видового разнообразия. Рис. 54. Изменение численности между хищником и жертвой (по А.В. Яблокову, А.Г. Юсуфову, 1998)
Паразитизм – форма межвидовых отношений, при которой организм паразита получает необходимые питательные вещества от организма – хозяина, принося вред, но не вызывая немедленной гибели. Сопряженная эволюция популяций паразита и хозяина привела к многочисленным адаптациям с одной и другой сторон и к динамическому равновесию между ними (паразиты ослабляют жизнеспособность, но не губят их, т.к. это приведет к их собственной гибели). Паразитизм широко распространен, начиная с вирусов и бактерий и кончая высшими растениями и многоклеточными организмами. Паразитов делят на облигатных (организмы, для которых паразитический образ жизни является обязательным – вирусы, бычий цепень, острица, чесоточный зудень и др.) и факультативных (организмы, способные вести свободный образ жизни – личинки комнатной мухи при попадании с пищей в кишечник человека способны обитать там некоторое время). Различают паразитов временных, которые нападают на хозяина только для питания (клещи, кровососущие насекомые) и постоянных, обитающих в теле или на покровах хозяина большую часть жизненного цикла. Постоянные паразиты могут использовать одного хозяина (аскарида, вши, трихинелла) или проводить разные стадии жизненного цикла в разных хозяевах (печеночный сосальщик, широкий лентец). Паразитов делят также на эктопаразитов, обитающих на поверхностях тела хозяина (комары, клещи, вши), и эндопаразитов, обитающих в клетках (вирусы, малярийный плазмодий), тканях или полостях тела (лямблии, аскариды, легочный сосальщик).
Нейтрализм – при таком типе взаимодействий, совместно обитающие виды могут сосуществовать независимо, если их экологические требования различны, например гидроидные полипы на раковине моллюска.
Мутализм – взаимодействия, приносящие пользу обоим партнерам: при симбиозе взаимовыгодное сожительство жизненно важно обоим партнерам (клубеньковые бактерии с бобовыми); при проткооперации выгода не очень значительна (совместное гнездование некоторых видов птиц способствует защите, но не предотвращает их гибели от хищников). Часто польза может быть односторонней. Форма взаимоотношений между двумя видами, когда жизнеспособность одного из них предоставляет пищу и убежище другому, получила название коменсализма. Например в гнездах птиц и норах грызунов обитают постоянные сожители, использующие микроклимат убежищ и находящие там пищу.
Набор факторов и их значимость для живых организмов зависят от среды обитания.
Среда обитания и экологическая ниша
С экологических позиций среда обитания это комплекс окружающих условий, в той или иной степени влияющих на жизнедеятельность организмов.
К среде обитания относят те элементы среды, с которыми данный организм вступает в прямые или непрямые отношения. На Земле существуют 4 основные среды обитания, освоенные и заселенные организмами. Это водная, наземно-воздушная, почвенная и среда, образуемая самими живыми организмами. Каждая из этих сред имеет свои специфические условия жизни.
В водной среде большое значение имеют такие факторы, как плотность воды, солевой режим, способность течения, содержание органических веществ, свойства грунта, поглощение света, насыщенность кислородом. Обитатели водной среды называются гидробионтами.
Наземно-воздушная среда освоена в ходе эволюции позднее водной, она требует более высокого уровня организации живого. Здесь существенную роль играют температура воздуха, содержание кислорода, влажность, погода, интенсивность света.
Почва - среда обитания множества микроорганизмов, корней растений. Первостепенное значение имеют такие факторы: структура, химический состав, влажность. Обитателей почвенной среды называют эдафобионтами или геобионтами.
Тела многих организмов служат жизненной средой для других организмов (паразитов, симбионтов). Главную роль здесь играет обилие пищи, относительная стабильность условий, защищенность от неблагоприятных внешних факторов, активное сопротивление организма – хозяина.
У организмов, живущих в определенной среде, вырабатываются специфические приспособления к экологическим условиям именно этой среды.

Толерантность, пределы толерантности
Толерантность – способность организмов выдерживать изменения условий жизни (колебания температуры, влажности, света). Это очень важное свойство, позволяющее приспосабливаться к изменяющимся условиям. Воздействие экологического фактора зависит от его интенсивности. Для каждого экологического фактора существует благоприятная интенсивность воздействия, называемая зоной оптимума. Кривая, характеризующая скорость того или иного процесса в зависимости от одного из факторов внешней среды всегда имеет форму колокола (рис. 55).

Рис. 55. Зависимость действия экологического фактора от его интенсивности
Такие кривые называют кривыми толерантности. Свойства видов адаптироваться к тому или иному диапазону факторов среды обозначается понятием «экологическая пластичность» вида.
Для некоторых особей и видов характерны кривые с очень острыми пиками, т.е. диапазон условий, при котором скорость процесса достигает максимума, очень узок. Пологие кривые соответствуют широкому диапазону толерантности. Организмы такие обычно обозначают с приставкой «эври-». Эврибионт – организм, способный жить при различный условиях среды. Например, эвритермный – переносящий широкие колебания температуры.
Для определения вида, обитающего в узких границах изменений того или иного фактора, пользуются приставков – «стено-». Стенобионт – организм, требующий строго определенных условий среды. Например, стенофаг – приспособленный к потреблению определенного вида пищи (рис. 56).

Рис. 56. Экологическая пластичность видов (по Ю Одуму, 1975)

Однако широкие границы по одному фактору вовсе не означает широких границ по всем факторам. Растения могут быть эвритермными, но стеногидроидными, животные – стенотермными, но эврифагами. Иногда в течение жизни особи ее толерантность может изменяться, если особь попадает в иные условия, тогда происходит изменение физиологического оптимума, или сдвиги купола кривой толерантности. Такие сдвиги называют адаптацией или акклиматизацией.

Закон минимума
Интенсивность тех или иных биологических процессов часто оказывается чувствительной к двум или большему числу факторов окружающей среды. В этом случае решающее значение будет принадлежать такому фактору или ресурсу, который имеется в минимальном с точки зрения потребностей организма количестве (Ю. Либих). В целом закон звучит так «Успешное функционирование популяций или сообществ живых организмов зависит от комплекса условий; ограничивающим или лимитирующим фактором является любое состояние среды, приближающееся или выходящее за границу устойчивости для организмов интересующей нас группы». В роли ограничивающего фактора могут выступать как основные, так и второстепенные экологические факторы.

Понятие о биосфере
Биосфера – самый высокий уровень организации жизни на планете. Биосфера – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Термин «биосфера» ввел в 1875 г. геолог Э. Зюсс. Широкое распространение этот термин получил на исходе 20-х годов XX века, когда было развито учение о биосфере В.И. Вернадским.
Среды обитания живого сосредоточены в литосфере (в верхней части земной коры), в гидросфере (океаны, моря, реки, озера), в нижних слоях атмосферы (тропосфере). Верхний предел жизни ограничен озоновым слоем 20-25 км, нижняя граница опускается до 3 км ниже поверхности суши и на 1-2 км ниже дна океана. Максимальная толщина биосферы 33 – 35 км. Максимальная мощность биосферы в океанической области достигает более 17 км, в сухопутной до 12 км.
Вещество биосферы состоит из несколько существенно разнородных компонентов:
Живое вещество – представлено совокупностью всех живых организмов. Живое вещество обладает колоссальной энергией, рассеяно в миллиардах особей, представляет собой единое, связанное с окружающей средой биогенным потоком атомов – дыханием, питанием, размножением. Биомасса живого вещества составляет около 2,5 х 1012т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2 % представлена зелеными растениями.
Биогенное вещество обязано своим происхождением живым организмам (осадочные породы органического происхождения, каменный уголь, нефть, битум и др.) После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельные.
Косное вещество по В.И. Вернадскому, совокупность тех веществ в образовании которых живые организмы не участвуют (горные породы магматического, неорганического происхождения, вода, космическая пыль, метеориты).
Биокосное вещество создается живыми организмами и косными процессами (вода биосферы, почвы, приземная часть атмосферы). Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль.
В.И. Вернадский геохимические функции живого вещества разделил на несколько групп:
1) Газовая функция. Благодаря газовой функции происходит миграция газов и их превращение, формируется газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на планете имеет биогенное происхождение. Кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза. При этом количество молекул кислорода пропорционально количеству связываемых водой молекул диоксида углерода. Последний поступает в атмосферу за счет дыхания всех организмов. Другой мощный его источник – выделение по трещинам земной коры из осадочных пород за счет химических процессов под действием высоких температур.
2) Концентрационная функция. Она проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды, которые используются для построения тела. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде.
3) Деструктивная функция. Благодаря этой функции протекают процессы, связанные с разложением мертвых организмов. При этом происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное.
4) Средообразующая функция. Живые организмы в результате своей жизнедеятельности изменяют качественные и количественные характеристики местообитания, в результате на этих территориях могут существовать другие виды организмов. Например: лишайники разрушая горные породы образуют тонкий слой почвы на котором поселяются другие растения.
5) Энергетическая функция состоит в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с излучением Космоса, и прежде всего с солнечной радиацией. Основой указанной функции является фотосинтез, в процессе которого происходит аккумуляция энергии Солнца и ее последующее перераспределение между компонентами биосферы. Накопленная солнечная энергия обеспечивает протекание всех жизненных процессов. За время существования жизни на Земле живое вещество превратило в химическую энергию огромное количество солнечной энергии. При этом существенная часть ее в ходе геологической истории накопилось в связанном виде (залежи угля, нефти и других органических веществ).
6) Окислительно – восстановительная функция заключается в химическом превращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (это в основном соединения железа, марганца и др.). В результате происходят превращения большинства химических соединений, при этом преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

Биогенная миграция атомов химических элементов
Рост и размножение организмов, происходящие в биосфере, обеспечивают биогенную миграцию атомов, которая обусловила в процессе эволюции создание современной природной системы. За сотни миллионов лет растения поглотили огромное количество диоксида углерода и одновременно обогатили атмосферу кислородом. Живые организмы глубоко воздействуют на природные свойства биосферы и всей планеты. Скелеты беспозвоночных образовали такие осадочные породы, как известняк и мел; каменный уголь и нефть образовались из растительных остатков. Биогенное происхождение имеет и почва, которая представляет собой продукт жизнедеятельности микроорганизмов, растений и животных в их взаимодействии с неорганическими компонентами природы. Возникновение в процессе эволюции более сложно устроенных, но менее зависимых от изменений среды организмов, а также развитие относительно устойчивых экосистем привело к увеличению скорости движения энергии и веществ в сформировавшихся биогеоценозах.
Живое вещество характеризуется исключительно высокой функциональной активностью. Она связана с его способностью к неограниченному развитию и количественному росту, названному В.И. Вернадским «напором жизни». Суммарная масса живого вещества, которое было на Земле, хотя бы в течение 1 млрд. лет, уже превышает массу земной коры. Биомасса Земли составляет 1,84 х 1012т, т.е. около 0,00001% земной коры (2 х 1019т), ежегодная продукция живого вещества близка к 1,7 х 1011т. полагая, что последний миллиард лет эта продукция была близка к современной, можно рассчитать ее суммарное количество: 1,7 х 1011 х 109=1,7 х 1020т, т.е. почти на порядок больше массы земной коры. Если собрать всю биомассу, произведенную на Земле за последние 600 млн. лет, то она покрыла бы Землю слоем в сотни километров.
По мнению В.И. Вернадского, вышеуказанная «пленка жизни» длительное время является главной геологической силой, придающей современный облик трем оболочкам Земли: литосфере, атмосфере и гидросфере. Развитие и характер этих оболочек определяется уже не астрономическими, а биогенными причинами. Исключение составляют лишь проявления вулканической деятельности, которые порождены глубинными геофизическими слоями Земли.

Структура и основные циклы биохимических круговоротов
Так как Земля есть конечное физическое тело, то любые химические элементы (в чистом виде или в виде соединений) также физически конечны. За миллионы лет их ассимиляции фотосинтетиками, т.е. превращения в более сложные вещества, они должны, казалось бы, быть давно исчерпанными, полностью связанными в мертвой органике, превратиться в косную материю. Однако этого не происходит.
Чтобы биосфера продолжала существовать и на Земле не прекращалось развитие жизни, должны происходить непрерывные химические превращения ее живого вещества. Иными словами, вещества после использования одними организмами должны переходить в усвояемую для других организмов форму. Такая циклическая миграция веществ и химических элементов может осуществляться только при определенных затратах энергии, источником которой является Солнце. Академик В.Р. Вильямс указывал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в круговорот.
Из-за геологических изменений лика Земли часть вещества биосферы может исключаться из этого круговорота. Например, такие биогенные осадки, как каменный уголь, нефть на многие тысячелетия консервируются в толще земной коры, но в принципе не исключено их повторное включение в биосферный круговорот.
Круговорот веществ это многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере, литосфере, в том числе и тех их слоях, которые входят в биосферу планеты. При этом выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биологический и биогеохимический).
Большой круговорот длится сотни миллионов лет. Горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами. Крупные, но медленно протекающие геотектонические изменения (опускание материков и поднятие морского дна, перемещение морей и океанов) приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс повторяется. Границы геологического круговорота значительно шире границ биосферы, его амплитуда захватывает слои земной коры далеко за пределами биосферы. И, самое главное, в процессах указанного круговорота живые организмы играют второстепенную роль.
Напротив, биологический круговорот вещества проходит в границах обитаемой биосферы и воплощает в себе уникальные свойства живого вещества планеты. Будучи частью большого, малый круговорот осуществляется на уровне биогеоценоза, он заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы как их самих, так и организмов-консументов. Продукты разложения органического вещества почвенной микрофлорой и мезофауной (бактерии, грибы, моллюски, черви, насекомые, простейшие и др.) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вновь вовлекаются ими в поток вещества.
Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и химических реакций называется биогеохимическим циклом. Его часто называют большим биосферным кругом, имея в виду безостановочный планетарный процесс перераспределения вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиеся экологические системы биосферы.
Биогеохимические круговороты в биосфере подразделяют на: 1) круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере или гидросфере (азота, кислорода, диоксида углерода, водяных паров) и 2) круговороты осадочного типа с менее обширными резервуарами в земной коре (фосфора, кальция, железа).
Круговорот воды. Постоянный перенос воды происходит с одного места в другое в масштабе всей планеты, главным образом между океаном и сушей. Он осуществляется в основном непосредственно за счет энергии Солнца, однако живые организмы оказывают на него важное регулирующее воздействие. В процессе переноса воды часто происходит изменение агрегатного состояния последней (превращение жидкой воды в твердую, парообразную, и наоборот), что позволяет поддерживать равновесие между суммарным испарением и выпадением осадков на планете. Испаряясь, вода с содержащимися в ней некоторыми веществами воздушными течениями переносится на десятки, сотни и тысячи километров. Выпадая в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делает их минералы доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой, после чего уходит вместе с растворенными частицами в океаны и моря. Подсчитано, что с поверхности Земли только за 1 минуту испаряется около одного миллиарда тонн воды и столько же выпадает обратно в виде осадков. Общий объем воды, поступающей из атмосферы на поверхность Земли, составляет за год около 500 тыс. км3 и таково же количество испаряющейся воды (рис. 57). При этом на континентах выпадает за год 109 тыс. км3, а испаряется 72 тыс. км3. Разница в 37 тыс. км3 и есть значение полного поверхностного речного стока. С поверхности Мирового океана испаряется воды больше (448 тыс. км3), чем выпадает осадков (441 тыс. км3). Разница восполняется стоком речных вод. «Лишняя» испарившаяся вода переносится с атмосферными потоками, выпадает в виде осадков над сушей и поступает обратно в океаны с поверхностным стоком и через грунтовые воды.

Рис. 57. Общая схема круговорота воды (по Ф. Рамаду, 1981)
Примечание: цифры - толщина слоя в метрах

Вода, доступная для наземных организмов, составляет всего около сотой доли процента от ее общего количества, в то время как вода океанов могла бы покрыть всю планету слоем в 2700 м, вода рек и озер в 0,4 м, вода атмосферного пара в 3 см. Всей воды, содержащейся в телах живых организмов, хватило бы лишь на то, чтобы покрыть Землю слоем в 1 мм. Тем не менее количество воды, входящее в годовую продукцию фотосинтезирующих организмов, составляет, по данным академика А. П. Виноградова, более 830 млрд т. При этом лишь малая часть воды, проходящей через тела растений, разлагается в результате фотолиза на кислород, выделяемый в атмосферу, и водород, включаемый в состав органических веществ. Существенно больше растения расходуют на транспирацию, поглощая воду из почвы и испаряя в атмосферу надземными частями, прежде всего листьями. Циркуляция воды между Мировым океаном и сушей важнейшее звено в поддержании жизни земных организмов и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой материей. Одновременно вода в геологическом круговороте величайшая трансформирующая сила, которая способствует постепенному разрушению литосферы, переносу ее составных частей в глубины морей и океанов.
Круговорот углерода гораздо в большей степени, чем круговорот воды, зависит от деятельности живых организмов. Диоксид углерода атмосферы ассимилируется наземными растениями в ходе фотосинтеза и включается в состав органических веществ (рис. 58). В процессе дыхания растений, животных и микроорганизмов углерод, содержащийся в организме, вновь переходит в атмосферу в виде СО2. Эти два процесса полностью уравновешены: лишь около 1 % углерода, усвоенного растениями, откладывается в виде торфа и удаляется из круговорота.

Рис. 58. Круговорот углерода (по И.П. Герасимову, 1980)

Удивительный факт: всего за 7 - 8 лет живые организмы пропускают через свои тела весь углерод, содержащийся в атмосфере. Под считано, что все зеленые растения Земли ежегодно извлекают из атмосферы до 300 млрд т диоксида углерода (86 млрд т углерода). При этом годичный круговорот массы углерода на суше определяется как массой составляющих его звеньев биосферы, так и количеством углерода, захватываемого каждым звеном. Согласно А.М. Алпатьеву (1983 г.): суммарный захват в результате фотосинтеза 60 ·109 т/год; возврат от дыхания в процессе разложения органического вещества 48 ·109 т/год; поступление в гумосферу и консервация в многолетних фитоценозах 10 ·109т/год; поступление от сжигания топлива около 5 ·109 т.
Намного большее количество углерода, чем в атмосфере, содержится в растворенном виде в морях и океанах (в виде СО2 угольной кислоты Н2СО3 и ее ионов). Этот углерод также доступен для усвоения живыми организмами и расходуется как в процессе фотосинтеза, так и на образование скелетов организмов, включающих карбонат кальция. Благодаря различным биологическим и химическим процессам между океанами и атмосферой идет интенсивный обмен углеродом, причем заметное количество его (3 млрд т) ежегодно выводится из круговорота и осаждается в виде малорастворимых карбонатов (солей угольной кислоты) в океанах.
Суммарное количество диоксида углерода в атмосфере планеты составляет не менее 2,3 ·102 т, в то время как содержание его в Мировом океане оценивается в 1,3 · 102 т. В литосфере в связанном состоянии находится 2 ·1017 т диоксида углерода. Значительное количество диоксида углерода содержится и в живом веществе биосферы (около 1,5 ·1012 т, т.е. почти столько, сколько во всей атмосфере). Диоксид углерода атмосферы и гидросферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.
Круговорот азота. Хотя атмосфера содержит огромный запас азота (3,8 ·1015 т), Мировой океан 2 ·1013 т, однако атмосферный азот в форме N2 не может быть напрямую использован большинством живых организмов.
При осуществлении круговорота соединений азота главную роль играют микроорганизмы: азотфиксаторы, нитрификаторы, денитрификаторы, которые способствуют биологической фиксации азота воздуха, т.е. переводят его в усвояемую для живых организмов форму. Азотфиксирующие организмы суши ежегодно улавливают около 4,4 ·1010 т азота, а в водной среде ежегодная биологическая фиксация его составляет 1,0 ·1015 т. В то же время содержание азота в наземных организмах составляет 1,22 ·1010 т, а в донных организмах всего 0,025 ·1010 т (в 50 раз меньше). В целом в биосфере ежегодная фиксация азота из воздуха составляет в среднем 140 - 700 мг/м2. В основном это биологическая фиксация и лишь небольшое количество азота (в умеренных областях не более 35 мг/м2) фиксируется в результате электрических разрядов и фотохимических процессов.
Возвращение азота в атмосферу происходит вследствие денитрификации, которая осуществляется как при участии бактерий, так и в ходе химических реакций без участия организмов. Другие этапы круговорота также во многом зависят от деятельности бактерий, которые переводят азот из одних форм в другие. Важнейший из этапов разложение тел отмерших организмов, в результате чего восполняется фонд неорганических соединений азота, доступных для использования растениями.
Круговорот азота в большинстве сообществ замкнутый, лишь небольшие количества этого элемента выносятся из наземных сообществ со стоком. Однако в масштабах всей биосферы реки выносят в океан около 30 млн т азота в год.
Круговорот кислорода является планетарным процессом, связывающим атмосферу и гидросферу с земной корой. Основными узловыми звеньями его являются: образование свободного кислорода при фотосинтезе, последующие затраты на дыхание, протекание реакций окисления органических остатков и неорганических веществ (например, сжигание топлива) и других химических преобразований. Они способствуют образованию таких окисленных соединений, как диоксид углерода, вода, после чего указанные вещества вовлекаются в новый цикл фотосинтетических превращений. Подсчитано, что весь кислород атмосферы проходит через живое вещество Земли за 2 тысячи лет.
Круговорот кислорода есть ярко выраженная активная геохимическая деятельность живого вещества, его ведущая роль в этом циклическом процессе. Ежегодное продуцирование кислорода зеленой растительностью планеты составляет около 300 ·109 т. При этом почти 3/4 этого количества выделяется растительностью суши и лишь немногим более четверти фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Кислорода в газовой оболочке Земли около 1,2 ·105 т; подсчитано, что такое количество фотосинтезирующие организмы могли бы выработать за 4 тыс. лет. В океане содержание свободного кислорода намного меньше: от 2,7 до 10,9 ·1012 т (согласно А. Д. Добровольскому, 1980 г.).
Помимо вышеупомянутых основных элементов, которые принимают участие в биологическом круговороте веществ, важную роль играют также калий, фосфор, сера, натрий и некоторые другие элементы, входящие в состав питания растений. В той или иной степени все элементы таблицы Д. И. Менделеева вовлечены в биологический круговорот.
Следует в то же время уточнить, что термин «круговорот веществ» употребляется в переносном смысле. Истинный круговорот совершают элементы: углерод, кислород, водород, азот и др. На каждом этапе круговорота они входят в состав различных соединений простых (вода) или сложнейших (живой белок), а иногда выступают и в свободном состоянии. Поэтому более точно было бы говорить о круговороте элементов, а не о круговороте веществ.
Правомочен и другой вопрос: почему энергия течет в одном направлении, а вещество «вращается» на месте, ведь известно, что материя неотделима от энергии? Это кажущееся противоречие объясняется тем, что в определении «неотделимость» материя понимается в самом широком, философском смысле слова. Солнечная энергия приходит на Землю как бы в безвещественном виде, хотя в общем смысле она материальна (Солнце, излучая энергию, теряет многие миллиарды тонн своей массы). Попав на планету и приведя в движение, образно говоря, «жернова биосферы», энергия как бы стекает в форме теплового излучения. При этом тепло – непревратимая далее энергия – переходит с вовлеченного в круговорот вещества в окружающую среду и навсегда покидает живую оболочку планеты.
Биогеохимические функции живого вещества в биосфере развиваются в соответствии со следующими принципами:
1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному проявлению. Жизнь стремится заполнить в максимальном объёме пригодное для него пространство. Мы можем наблюдать это, например, на свежей насыпи, когда её осваивают растения. Когда сукцессия доходит до предельного насыщения биоценоза, процесс замедляется, но продолжает идти в эволюционном плане.
2. Эволюция видов идёт в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов в ней. Этот принцип важен для понимания истории жизни, а при переводе на язык практики он означает увеличение продуктивности растений и животных.
3. В течении всего геологического времени заселение планеты должно быть максимально возможным для всего живого вещества, которое существовало в тот или иной момент. Этот принцип важен для понимания современных проблем биосферы. Живое вещество, достигшее качественно новой высшей формы развития – формы человеческого общества, получило возможность существования на всём пространстве земной поверхности. При этом отношение человеческого общества с биосферой также должны перейти в новую форму, биосфера стала превращаться в ноосферу.
Вопросы для повторения
1.Что изучает наука экология?
2.Опишите сходство и отличие экосистемы и биогеоценоза.
3.Дайте определение биоценоза и биотопа.
4.Опишите схему биоценоза.
5.В чем заключается биотическая структура экосистем?
6.Как осуществляется поток энергии в экосистеме?
7.Как происходит поток солнечной энергии и ее трансформация на Земле?
8.Какие два типа пищевых цепей существует?
9.Опишите пастбищную пищевую цепь.
10.Опишите детритную пищевую цепь.
11.Опишите пирамиды численности, биомассы, энергии.
12.Какие экологические факторы существуют?
13.Опишите формы биотических отношений.
14.Опишите среды обитания живых организмов.
15.Что такое толерантность и каковы ее пределы?
16.В чем заключается закон минимума?
17.Что такое биосфера и какие компоненты в нее входят?
18.Опишите геохимические функции живого вещества.
19. В чем заключается биогенная миграция атомов химических элементов?
20.Опишите структуру и основные циклы биохимических круговоротов.
21.Опишите круговорот воды.
22.Опишите круговорот углерода.
23.Опишите круговорот азота.
24.Опишите круговорот кислорода.
РАЗДЕЛ VIII
ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ

1. История развития представлений о происхождении человека
Наука о происхождении и эволюции человека, образовании человеческих рас и о нормальных вариациях физического строения человека называется антропологией. Антропология как самостоятельная наука сформировалась в середине XIX века. Основные разделы антропологии: морфология человека, учение об антропогенезе, расоведение. Процесс историко-эволюционного формирования физического типа человека, первоначального развития его трудовой деятельности, речи, а также общества называется антропогенезом или антропосоциогенезом.  
Антропогенез – процесс исторического развития человека. Это отрасль науки о человеке - антропологии, изучающая эволюцию человека.
С древних времен человека интересовал вопрос о его происхождении.
1. Библия отвечает на этот вопрос так: «И сказал бог: «Сотворим человека по образу нашему, по подобию нашему». Основной материал, из которого был вылеплен человек была глина. Из белой глины – белый человек, из красной – красный и коричневый.
2. В древности многие народы верили, что их прародителем были животные, например американские индейцы из племени герокозов считали им болотную черепаху, индейцы Калифорнии – кайотов (степных волков), некоторые племена Восточной Африки – гиену.
3. В античные времена возникла мысль о сходстве человека и обезьяны. Ганнон – мореплаватель из Карфагена считал, что гориллы западноафриканского побережья – люди, покрытые шерстью.
4. Первый, кто объединил в один отряд приматов, человека и обезьяну, отметив у них много общих признаков, был К. Линней (XVIII в.). К. Линней говорил лишь о сходстве, но не о родстве.
5. Ж.- Б. Ламарк (XIX в.) сделал предположение о родстве человека и орангутанга. Он считал, что человек произошел от обезьяноподобных предков, перешедших от лазанья по деревьям к хождению по земле. Он писал, что «когда-то наиболее развитое «четверорукое» перестало лазить по деревьям и приобрело привычку ходить на двух ногах, спустя несколько поколений новая привычка укрепилась, существа стали двурукими. Вследствие этого изменилась и функция челюстей. Они стали служить для пережевывания пищи. Произошли изменения в строении лица, из-за рос $&*NЦШ
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·жмB
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·р
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·Ї
·та потребностей новая порода совершенствовала свои способности, а когда общество стало многочисленным, возникли речь и сознание. Эти идеи оказали огромное влияние на развитие научной мысли Ч. Дарвина.
6. Еще в начале своей деятельности, в 1837 – 1838 годах, Дарвин отмечал в своей записной книжке: «если дать простор нашим предположениям, то животные – наши братья по болезни, смерти, страданию, голоду, и наши рабы в самой тяжелой работе, товарищи в наших удовольствиях; все они ведут, может быть, свое происхождение от одного общего с нами предка – нас всех можно слить вместе». Дарвин посвятил вопросу о происхождении человека две работы «Происхождение человека и половой отбор», и «О выражении эмоций у человека и животных». Ч. Дарвин собрал и обобщил огромный материал, накопленный до него наукой, и пришел к выводу, что человек, как и все другие живые существа возник в результате чрезмерно длительного и постепенного развития. Как и во всей живой природе, в этом процессе можно наблюдать изменчивость, наследственность, борьбу за существование, естественный отбор и приспособленность к условиям окружающей среды. Ч. Дарвин считал, что происхождение человека от более низших форм доказывается 1) сходством в строении тела и его функциях у человека и животных; 2) сходством некоторых признаков зародыша человека и его развития с животными; 3) наличие рудиментарных органов у человека, волосяной покров, копчик, грудные железы у мужчин, соединительная перепонка во внутреннем углу глаза).
Ч. Дарвин отмечал, что огромное преимущество по сравнению с другими видами живых существ люди получили благодаря прямохождению, формированию руки, развитию мозга, возникновению речи. Все эти свойства, по мнению Ч. Дарвина, человек приобрел в процессе естественного отбора. Сравнивая умственные способности человека и животных, Ч. Дарвин собрал большое количество фактов, доказывающих, что человека и животных сближают не только некоторые инстинкты, но и зачатки чувствований, любопытство, внимание, память, воображение, подражание. Он высказал предположение, что нашими предками были обезьяны, которые однако не были сходны ни с одной из ныне живущих обезьян. Прародиной человечества Ч. Дарвин считал Африку. Его поддержал Э. Геккель. Он воссоздал родословную млекопитающих. В ней есть генеалогическая линия, идущая от полуобезьян к обезьянам и далее к человеку. Геккель заявил о существовании в родословной человека – обезьяночеловека – питекантропа. Однако:
- Ч. Дарвин превысил роль биологических факторов в процессе эволюции человека и недооценил влияние социального фактора на его развитие.
- В теории Дарвина отсутствует качественное отличие ума человека от животного.
- Не смог осветить влияние общественного производства на естественный отбор человека. Он не затронул роли труда в процессе антропогенеза.
- Не смог показать, что на смену биологическим законам с возникновением человека пришли социальные закономерности.
7. Ф. Энгельс отчетливо сформулировал положение о том, что человека из животного мира выделило производство, именно труд коренным образом изменил природу человекоподобных, создал человека разумного. Роль естественного отбора в ходе формирования человека постепенно уменьшилась, главную роль стал играть фактор социальный. Подробно эти вопросы Энгельс рассмотрел в работе: «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека». В ней Энгельс убедительно раскрыл картину формирования человека под влиянием труда и наметил определенную последовательность в развитии существенных органов нашего тела:
1). Начальным этапом процесса выделения человека из животного мира Энгельс считает усвоение какой-то необычно развитой породой человекообразных обезьян прямой походки (прямохождение). Этим сделан решающий шаг для перехода от обезьяны к человеку.
2). При прямой походке освободилась рука и могла совершенствоваться в ловкости, гибкости и мастерстве. С данного времени началась ее бурная эволюция по пути все большего приспособления к трудовым операциям.
3). Приобретенные человеком навыки и свойства передавались по наследству и закреплялись в последующих поколениях. Таким образом, рука не только орган, но и продукт труда. При этом имеются в виду больше функциональные, чем анатомические изменения органа.
4). Под влиянием развития рук и их деятельности произошли изменения в организме человека. Недоразвитая гортань обезьяны медленно преобразовывалась, органы рта научились производить членораздельный звук, что привело к появлению звука и развитию речи.
5). Под влиянием труда и языка совершенствуется мозг.
6). Труд расширил кругозор людей, сплачивал их в более тесные коллективы, стало рождаться человеческое общество, резко отличающееся от стада обезьян, в первую очередь трудом и общением.
7). Огромное значение в эволюции человека имели использование огня, приручение животных, постоянное потребление мяса. Употребление этого более питательного продукта по сравнению с растительной пищей способствовало необычному сокращению процессов пищеварения, что позволило увеличить расход энергии на другие жизненно важные функции. Мозг получил больше необходимых для своего развития питательных веществ.
8). Важным следствием трудовой деятельности явилось расширение области проживания человека. Он приспособился жить в разных природных и климатических условиях.
9). С течением времени человек научился изменять природу в своих интересах. Находки ископаемых форм людей, орудий труда и предметов быта подтверждают и допускают выводы Ф. Энгельса.
Схема эволюции человека
Согласно палеонтологическим данным, от примитивной группы древних насекомоядных млекопитающих около 35 млн. лет назад обособилась группа животных, давшая впоследствии приматов. Приматы относятся к наиболее высоко организованным млекопитающим и обладают рядом антропоидных черт: значительно развит головной мозг, глазницы направлены вверх, конечности хватательного типа, на всех пальцах развиты ногти, одна пара сосков и др. От приматов в палеогене кайнозойской эры отделилась ветвь, давшая предков современных человекообразных обезьян – парапитеков – небольшие животные, ведущие древесный образ жизни, питающиеся растениями и насекомыми. Их челюсти и зубы были подобны челюстям и зубам человекообразных обезьян. 17-18 млн. лет тому назад парапитеки дали начало гиббонам и орангутангам, а также вымершей ветви (8 млн. лет назад) древесных обезьян – дриопитекам. У последних за более чем 10 млн. лет обитания в тропических лесах сформировались передние конечности, приспособленные к лазанию по деревьям и добыванию пищи, большой головной мозг с высоким развитием двигательных отделов, бинокулярное зрение и др.
В связи с похолоданием климата и вытеснением тропических и субтропических лесов к югу в конце палеогена сформировались обширные открытые пространства с растительностью саванного типа. Популяции дриопитеков расселились по разным местообитаниям: предковые формы современных человекообразных обезьян – в дождевые тропические леса, где они передвигались, главным образом, цепляясь руками за ветки и раскачиваясь. От них образовались два вида: горилла и шимпанзе. Другие были вынуждены приспосабливаться к жизни на открытых пространствах, они были вынуждены встать на нижние конечности, видимо, чтобы лучше обозревать местность. Прямохождение закрепилось под давлением естественного отбора и сыграло огромную роль в эволюции антропоидов, так как оно освободило передние конечности, что позволило им использовать их для добывания пищи, ухода за детенышами и выполнения различных других функций хватательного типа. Освободившиеся от функции передвижения верхние конечности, наряду с развитым головным мозгом, органами чувств и стадным образом жизни явились необходимыми адаптациями к развитию в последующем трудовой деятельности. Таким образом, в палеогене линия людей (семейство гоминиды – прямоходящие приматы) отделилась от линии, ведущей к современным человекообразным обезьянам (рис. 59).
13EMBED CorelDRAW.Graphic.61415
Рис. 59. Генеалогическое древо человека.
1 - плезиадацис, 2 - дриопитек африканский, 3 - рамапитек, 4 - австралопитек,
5 - австралопитек войсен, 6-7 - Homo erectus, 8 - неандерталец, 9 - Homo sapiens,
10 - современный человек.
Приматы
Первые представители отряда приматов появились на Земле более 70 млн лет назад. Среди ныне живущих приматов насчитывается примерно 210 видов. Они разделяются на два подотряда подотряд полуобезьян, низших приматов и подотряд высших приматов. К низшим приматам относятся в основном мелкие животные (самые крупные из них достигают размеров собаки): тупайя, банканский долгопят, лепилемур и др. (длина около 10 см, масса 40 - 60 г). Подотряд высших приматов наряду с человеком включает всех обезьян, разделяющихся на широконосых обезьян (все они - низшие обезьяны: игрунки, тамарины, капуцины, ревуны и др.) и узконосых обезьян (мартышкообразные низшие обезьяны, высшие обезьяны и человек). Высшие, человекообразные обезьяны (гиббоны, орангутаны, гориллы, шимпанзе и др.) и человек образуют особое надсемейство. В отличие от всех других млекопитающих зрение у приматов объемное, стереоскопическое, цветовое (различают 2 - 3 цвета).
В процессе эволюции приматов уменьшилась острота восприятия высокочастотных звуков и обоняния. Высокое качество зрения при развитой передней конечности (у высших приматов ее можно называть рукой), недоступная другим животным взаимосвязь глаз - рука создали приматам исключительные возможности для сложных форм поведения. Большинство приматов живут стадами (но не все, гиббоны, например, живут парами). Стадный образ жизни помогает защищаться от врагов, способствует взаимному обмену навыками, воспитанию молодняка. Ценным является очень развитая у приматов способность к подражанию, наблюдается (особенно в группах низших обезьян, например, мартышек) взаимопомощь и сотрудничество. В пределах общего стада формируются группы на основе родственных и приятельских связей. Кроме обезьян, такое не свойственно другим видам животных. Существуют стада обезьян и с одним взрослым самцом, и с несколькими. Встречается господство в группах и самок.
Гамадрилы (разновидность павианов, относящихся к низшим обезьянам) используют почти 20 различных звуковых сигналов, подсчитано, что они пользуются семью типами взглядов и десятью жестами. Летом 1977 г. в Институте экспериментальной патологии и терапии Академии медицинских наук СССР сотрудники стали свидетелями того, как огромный самец-павиан, видя, что лаборантка не торопится вытереть ему тампоном кровь после укола, взял вату и сам сделал это.
Для всех человекообразных обезьян вместе с человеком характерны округлая голова с выступающим лицевым отделом, крупный высокоразвитый мозг, богатая мимика, длинные и развитые передние конечности (руки) с ногтями, сходное число позвонков (29 - 36) и ребер (12 - 24), хождение на двух ногах. Несколько отличается гиббон, у которого и мозг поменьше (объем всего 100 - 150 см3), и механизм передвижения более древний. У всех антропоидов отсутствуют хвост и защечные мешки, у многих нет седалищных мозолей. Самые крупные антропоиды гориллы (рост до 2 м, масса до 300 кг, мозг 400-600 см3). Шимпанзе (рост до 150 см, масса до 80 кг, обычно же 45 - 60 кг) представляют собой наиболее близкий человеку род. Они питаются растениями, но замечены и в хищничестве и даже каннибализме. Заметим, что и в становлении человека охота и потребление мяса сыграли огромную роль.
Высшим обезьянам (например, шимпанзе) свойственна «человечность» бытового поведения на воле: они обнимаются соприкасаются руками. В специальных, экспериментальных условиях высшие обезьяны делают палки, расщепляя острым камнем доску, обучаются жестовому языку глухонемых и другим способам несловесного общения, вполне целенаправленно рисуют, находят пути в лабиринтах и т.п.
Установлено иммунологическое и биохимическое родство человека с обезьянами. Человекообразные, высшие обезьяны ближе к человеку, чем к низшим узконосым (не говоря уже о более примитивных широконосых) обезьянам, по параметрам головного мозга, структуре лейкоцитов и т.п. У человека диплоидное число хромосом равно 46 (23 = 46), у человекообразных обезьян 48 (24 = 48), а у низших узконосых обезьян эта величина имеет значения от 54 до 78 (от In = 54 до In = 78), т.е. различие намного больше. Известны случаи успешного переливания крови шимпанзе людям, имеющим соответствующую группу крови, и наоборот. Для низших же узконосых обезьян кровь человека оказывается слишком чужеродной. Обмен кровью здесь невозможен. Но анатомические отличия человека от антропоидов все же значительны. Главные из них - те, которые обеспечивают человеку возможность полноценной трудовой деятельности. У обезьян же, даже самых высших, наблюдаются все-таки лишь намеки на таковую.
По совокупности показателей можно сделать вывод, что гориллы и шимпанзе ближе к человеку, чем орангутаны. Но ни гориллы, ни шимпанзе не могут быть предками человека, они его современники. Предками и человека, и современных человекообразных обезьян могут быть только более древние, давно уже исчезнувшие виды человекообразных обезьян, поиски которых продолжаются.

Палеонтологические доказательства происхождения человека.
Основные этапы эволюции рода Homo и его предшественников
(стадиальная концепция).
Палеонтология (от [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], греч. уn, родительный падеж уntos существо и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]), наука об организмах минувших геологических периодов, сохранившихся в виде [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], следов их жизнедеятельности и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Современную палеонтологию можно также определить как науку о всех доступных изучению проявлениях жизни в геологическом прошлом на организменном, популяционном и экосистемном (биогеоценотическом) уровнях. В биологии палеонтология предшествует [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] - науке о современном органическом мире. По объекту исследования палеонтология - наука биологическая, но возникла она в тесной связи с геологией, широко пользующейся данными палеонтологии и вместе с тем служащей главным источником разнообразной информации о среде жизни. Именно эта связь и делает палеонтологию целостной наукой о развитии живой природы в геологическом прошлом, без которой невозможно понимание геологической истории [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], точнее - смены палеобиосфер и становления современной биосферы.
Протоантропы (австралопитеки) – вымершая группа гоминид (скелетные останки найдены в Южной Африке) вели стадный образ жизни и занимались охотой и собирательством, начали освоение огня. Они жили около 5 млн. лет назад, систематически использовали естественные предметы (камни, палки, кости и т. п.) в качестве орудий труда. Судя по строению зубной системы, эти животные были всеядными; слабое развитие клыков согласуется с предположением, что функции нападения и защиты у них должны были перейти к верхним конечностям. Масса тела 20 - 50 кг, рост 120 - 150 см, объем мозга около 650 см3. Они ходили на двух ногах при выпрямленном положении тела, руки были свободными и могли ловить животных, бросать камни и совершать другие действия (рис. 60).
Позднее (2 - 3 млн. лет назад) австралопитеки дали начало более прогрессивной ветви Человеку умелому. Это новое видовое наименование связано с тем, что рядом с костными останками этого существа были найдены изготовленные им примитивные режущие и рубящие орудия из гальки. Рост достигал 150 см, объем головного мозга был на 100 см3 больше, чем у австралопитека, зубы человеческого типа, фаланги пальцев сплющены, первый палец стопы, как и у современного человека, не был отведен в сторону. Хотя в морфологическом отношении Человек умелый значительно не отличался от австралопитеков, однако, являясь создателем самой примитивной культуры палеолита, он преодолел грань, отделяющую ископаемых человекообразных обезьян от древнейших людей.
В течение длительной фазы предшественников человека действовали преимущественно эволюционные факторы генетической изменчивости и отбора. Изменение условий существования создало сильное давление отбора в пользу выживания особей и групп с признаками, содействовавшими прогрессивному развитию прямохождения, способности к трудовой деятельности, совершенствованию верхних конечностей и познавательной активности головного мозга. Естественный отбор сохранял признаки, способствующие усилению совместного поиска добычи, защите от хищных зверей, заботе о потомстве и т.д., что содействовало развитию стадности как ступени к возникновению социальности.

Рис. 60. Схема эволюционного развития человека

а) протоантроп (австралопитек), б) – архантроп, в) – палеантроп, г) – неоантроп

Примерно 8 млн. лет назад начался период перехода от животного к человеку, в конце которого стоит род человека Homo. Ископаемые представители семейства Гоминиды (австралопитеки, группы вида Человек умелый) 1,5 - 2 млн. лет назад широко расселились по Африке, Средиземноморью, Азии. Использование орудий, стадный образ жизни способствовали дальнейшему развитию мозга, возникновению речи, социальности. Эволюция физических и общественных особенностей первых людей охватывает три этапа: древнейшие люди, древние люди и современные люди.
Систематика
Человек разумный (Homo sapiens); род человек; семейство людей; отряд приматы; подотряд гоминоидов; секция: узконосые обезьяны.
Характерные особенности человека: трудовая деятельность, использование огня, развитие речи, способность к абстрактному мышлению, наличие фонда социальной и культурной информации.
В результате эволюции человека произошло возрастание роли социальных эволюционных факторов (передача накопленных знаний, технологий, традиций) и ослабление биологических (движущего и дизруптивного отборов, изоляции, популяционных волн).

Этапы эволюции человека
Основным, имеющим палеонтологическое подтверждение признаком перехода от дочеловеческой фазы к человеческой фазе развития считают формирование способности к планомерной трудовой деятельности, заключающейся в переходе от случайного использования естественных предметов как орудий труда к изготовлению специализированных орудий, предназначенных для разных целей. Существенными предадаптациями были прямохождение, хватательная рука и хорошо развитая высшая нервная деятельность признаки, унаследованные от предков. К ним добавились высокоразвитая забота о потомстве и сохранение старшего поколения, любопытство к окружающей среде, коллективная деятельность, социальные структуры и все более усложняющаяся система общения - язык.
Социальные закономерности, создавшие наряду с генетической системой наследования информации новую систему передачи из поколения в поколение разнообразной культурной и научно-технической информации, стали играть все более важную роль, освобождая человека от жесткого контроля естественного отбора. Постепенно человек становился существом, жизнь которого определяется социальными законами, причем познавательный аппарат головного мозга обеспечил человеку решающее преимущество перед всеми другими обитателями Земли.
Древнейшие люди (архантропы). К настоящему времени известно несколько ископаемых форм: Питекантроп (обезьяночеловек), его останки были обнаружены на о. Ява в 1891 г.; Синантроп, его останки были обнаружены в 1927 г. в пещере близ Пекина, и др. Их, видимо, можно отнести к одному виду - Человек прямоходящий, группы которого жили приблизительно от 2 млн. до 200 тыс. лет назад. В этот период, расселяясь и попадая в новые условия существования, популяции Человека умелого образовывали отдельные изолированные формы архантропов, занимающих по многим существенным признакам промежуточное положение между австралопитеком и современным человеком.
Перспективным направлением эволюции было возникновение и дальнейшее развитие способности к изготовлению орудий труда, что было взаимосвязано с дальнейшим развитием прямохождения и головного мозга; освоение огня, что явилось дополнительным источником тепловой энергии, способствовало защите от диких животных. Изготовление орудий требовало понимания их назначения и способа производства.
Понятийная деятельность связана с речью и мышлением в процессе коллективной трудовой деятельности. Объем мозга архантропов (700 - 1200 см3) позволял обладать примитивной речью. (Считают, что при массе мозга 750 г ребенок современного человека овладевает речью.) Рост мужчин составлял около 160 см, возможно, и более. Кости черепа очень толстые, лоб покатый, выражены надбровные валики, подбородочный выступ отсутствовал, массивные челюсти. Все это указывает на значительные отличия архантропов от современного человека. Их эволюция осуществлялась еще под преимущественным влиянием биологических факторов.
Древние люди (палеоантропы). Эта форма занимает промежуточное положение между архантропами и ископаемыми формами Человека разумного. На данном этапе антропогенеза наряду с биологическими факторами эволюции начинают действовать и социальные факторы: объединение усилий особей в процессе труда, охоты и защиты, передача накопленного опыта и традиций следующим поколениям, развитие интеллекта и др. К палеоантропам относят неандертальцев (впервые их останки найдены в долине р. Неандерталь в Германии в 1856 г.). Они были широко расселены в Европе, Африке и Азии. Неандертальцы жили в ледниковую эпоху от 250 до 35 тыс. лет назад в пещерах, группами по 50 - 100 человек. Они изготовляли разнообразные специализированные каменные орудия: ручные рубила, скребла, остроконечники и др. Мужчины коллективно охотились, женщины и дети собирали съедобные корни и плоды. Неандертальцы постоянно поддерживали и широко использовали огонь для приготовления пищи, одевались в шкуры.
Для неандертальцев характерны: небольшой рост (155 - 165 см), низкий скошенный лоб и затылок, большой надглазничный валик, развитые лобные доли; объем мозга возрос до 1400 см3. Особенности строения нижней челюсти (слаборазвитый подбородочный выступ) указывают, что у них была зачаточная речь.
В суровых условиях климата естественный отбор способствовал выживанию любой ценой, в том числе и ценой жизни своих соплеменников. Однако трудовая деятельность требовала объединения усилий отдельных индивидуумов в процессе труда, охоты и защиты от крупных хищников. Необходимым условием являлась передача накопленного опыта и традиций последующим поколениям. Дальнейшее совершенствование коллективных взаимоотношений, развитие интеллекта способствовали успеху в совместной борьбе за жизнь и привели некоторые группы неандертальцев к формированию нового вида Человек разумный (табл. 5).

Таблица 5.
Основные стадии эволюции человека
Признаки
Антропоиды
Семейство Гоминиды


Дриопитек
Австралопитек
Человек умелый

Древнейшие люди
Питекантроп Синантроп
Древние люди
Неандерталец
Новые люди
Кроманьонец Современный человек


Возраст,
лет
18 млн.
5 млн.
2-3 млн.
2 млн. - 200 тыс.
250 - 35 тыс.
50 - 40 тыс.


Внешний
вид
Небольшие живот-ные с округлым черепом, биноку-лярным зрением, хорошо развитым головным мозгом; могут находиться в вертикальном положении
Масса до 50кг, рост до 150см, руки свобо-дны, прямо-
хождение
Фаланги
пальцев сплющены, первый па-лец стопы не отведен в сторону
Рост около 160
см, массивный
костяк, положе-ние тела полу-
согнутое
Рост 155 - 165
см, коренастые
люди, ходили несколько сог-
нувшись
Рост около 180 см,
физический тип современного человека


Объем
мозга, см3

550650
750
7001200
До 1400
Около 1400


Череп
Человекоподобные
черты в строении нижней челюсти
Массивные
челюсти,
небольшие резцы и клыки
Зубы человечес-кого типа
Кости черепа
массивные, лоб
Покатый, над-
бровные валики
выражены
Скошенные
лоб и затылок,
большой над-
глазничный
валик, подборо-
дочный выступ
развит слабо
Мозговой череп преобладает над лицевым, сплошной надглазничный валик отсутству-ет, подбородоч-ный выступ хорошо развит


Орудия
труда
Манипуляция с окружающими предметами
Систематичес-кое использо-вание естест-
венных предметов
Изготовление прими-тивных орудий
Труда
Изготовление
хорошо выде-ланных камен-ных орудий труда
Изготовление
разнообразных
каменных ору-
дий труда
Изготовление сложных
орудий труда и механизмов


Образ
жизни
Стадность
Стадность,
охота, собира-
тельство
Коопери-рование во время охо-ты и групп-повая защита
Обществен-
ный образ жиз-
ни, поддержа-
ние огня, примитивная речь
Коллективная
деятельность, забота о ближ-них, продвину-тая речь
Настоящая речь, абстрактное мышление, раз-
витие сельского и промышленного хозяйства, техни-
ки, науки, искусства



Современные люди (неоантропы). Возникновение людей современного физического типа, сменивших древних людей, осуществилось 50 - 40 тыс. лет назад. Некоторое время архантропы и неоантропы существовали совместно, а затем неандертальцы были вытеснены первыми современными людьми кроманьонцами (костные останки впервые были найдены в гроте Кроманьон во Франции в 1868г.). Человек современного типа, вероятно, возник в Восточном Средиземноморье и в Передней Азии и затем широко расселился в остальных частях Земли. От него, видимо, произошли все современные человеческие расы.
В целом кроманьонцы обладали всем комплексом физических особенностей ныне живущих людей: рост до 180 см; мозговая часть черепа преобладала над лицевой; сплошной надглазничный валик отсутствовал; развитый подбородочный выступ указывал на хорошо развитую членораздельную речь; масса головного мозга значительно не изменилась, но наиболее развитыми оказались лобные доли и зоны, связанные с развитием речи и мышления.
На этом этапе эволюция вышла из-под ведущего контроля биологических факторов, и в развитии Человека разумного социальные отношения играют все возрастающую роль. Формирование современного человека результат неразрывного единства биологического и социального его развития. Эволюция древних человекообразных обезьян была целиком обусловлена естественным отбором и осуществлялась путем биологического изменения целого комплекса телесных особенностей и в первую очередь мозга. Этот путь привёл в конце концов к появлению первобытных людей, морфофизиологическое строение которых обусловило их способность изготавливать орудия труда. Благодаря этому появилась возможность приспосабливаться к изменениям внешней среды не путем изменения строения тела, а посредством создания новых орудий труда и искусственной среды обитания, защищавшей людей от неблагоприятных условий естественной среды.
Вначале, когда орудия труда и средства выживания человека были еще очень примитивны, естественный отбор продолжал действовать и вызывал существенное изменение строения тела древних людей, порождая новые их виды. Ко времени появления кроманьонцев ископаемых людей современного вида решающую роль стали играть не факторы биологической эволюции (наследственность, изменчивость и естественный отбор), а факторы социального развития (труд, речь, организация совместной жизни людей в стаде, потом и в собственно человеческом обществе и т.п.). В результате биологическая эволюция человека по существу прекратилась. Вот почему современные люди так мало отличаются от ископаемых кроманьонцев.
Генетическое наследование морфофизиологических особенностей, врожденных инстинктов и рефлекторного механизма деятельности у человека дополнено социальной передачей опыта предшествующих поколений новым поколениям в процессе их обучения с помощью членораздельной речи. На первых шагах исторического развития людей, когда их речь была несовершенной, трудовые и другие навыки передавались больше показом, но ко времени появления кроманьонцев словесная передача опыта превратилась уже в устойчивую и важную форму обучения и воспитания молодежи. Со времен кроманьонцев природные факторы жизни людей все больше дополнялись культурой созданным ими самими миром орудий труда, жилищ, одежды, форм поведения, обычаев и т.п.
Созданные кроманьонцами каменные, костяные и роговые орудия труда значительно превосходили приспособления неандертальцев. Кроманьонцы изготавливали составные орудия, не только обкалывали, но и обтачивали каменные орудия. У них появилось искусство. На стенах их пещер обнаружены рисунки животных и охотничьих сцен, вместе с орудиями труда найдены вырезанные кроманьонцами из кости фигурки животных и людей.
Теория Ч. Дарвина ограничивается чисто биологическими факторами эволюции предков современного человека. Роль социальных факторов, в первую очередь труда и членораздельной речи, в становлении человечества первым раскрыл Ф. Энгельс в статье «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека» (написанной в 1876 г., но опубликованной только в 1935 г). Современные исследования, в том числе культурологические, в полной мере подтверждают основные идеи этой работы.
В социальной, культурной эволюции предков человека и самого Homo sapiens обычно выделяют следующие периоды. Палеолит древний каменный век продолжительностью от 2 - 3 млн лет назад до 10 тысячелетия до н.э. За это время человеческий род продвинулся от вида Homo habilis («человек умелый») до кроманьонцев, т.е. до Homo sapiens. Становящийся, формирующийся человек пользовался постепенно совершенствовавшимися каменными, деревянными, костяными орудиями, занимался охотой и собирательством. Мезолит средний каменный век (10 - 5 тысячелетия до н.э.). В это время появились лук и стрелы, была приручена собака. Неолит новый каменный век (8 - 3 тысячелетия до н.э.). В эту эпоху осуществился переход от присваивающего хозяйства (собирательства, охоты) к производящему (скотоводству, земледелию). Произошла неолитическая революция. Люди научились шлифовать и сверлить орудия из камня, делать глиняную посуду, овладели навыками прядения и ткачества.
Бронзовый век исторический период, сменивший неолит (4 - 1 тысячелетия до н.э.). Характеризуется производством и использованием бронзы (сплавов меди с оловом, алюминием, бериллием, свинцом и другими металлами), бронзовых предметов и оружия. Это время распространения кочевого скотоводства и поливного земледелия, письменности, рабовладельческих цивилизаций и государств (Ближний Восток, Китай, Южная Америка и др.). На смену бронзовому приходит железный век.

Факторы антропогенеза
Антропогенез один из разделов антропологии, изучающий происхождение и эволюцию человека, становление его как вида в процессе формирования общества.
Историческое развитие человекообразных обезьян и человека осуществлялось под влиянием тех же факторов биологической эволюции: мутационного процесса, популяционных волн, дрейфа генов, изоляции и естественного отбора, что и остальных видов живой природы. Однако для антропогенеза недостаточно только биологических закономерностей. Происхождение человека это уникальное явление, при котором осуществился переход от биологических к социальным процессам. Социальные факторы антропогенеза (трудовая деятельность, общественный образ жизни, речь и мышление) приобрели важное значение в эволюции человека. На первых этапах эволюции решающее значение имел отбор на лучшую приспособляемость к меняющимся условиям окружающей среды. Однако в дальнейшем развитие трудовой деятельности, требуя объединения усилий людей в процессе труда, охоты и т.д., выдвинуло проблему передачи индивидуального опыта в пределах коллектива. Преимущества перед другими получили племена, которые поддерживали не только физически сильных особей, но и сохраняли полезных своими умственными способностями детей будущее поколение, стариков хранителей информации о способах выжить (мастеров по выделке орудий, охотников).
Если особенности строения и физиологии человека передаются по наследству на основе генетической информации, то социальная информация передается с помощью слова при обучении и определяет духовный облик индивидуума. Каждое взрослое поколение передает последующим опыт, знания, духовные ценности в процессе воспитания и образования.
Для древнейших и древних людей были характерны значительные сдвиги в морфологии особей и одновременно относительно медленное совершенствование орудий труда. В развитии неоантропов появляется иная закономерность интенсивное обогащение духовного мира, рост интеллекта, гигантская скорость развития производства и практически отсутствие уловимых тенденций в изменении строения тела человека (физический облик человека почти не изменился в течение последних 40 тыс. лет). Для современных людей ведущими и определяющими стали общественно-трудовые отношения. Человек разумный в результате социального развития приобрел решающие преимущества среди всех живых существ.
Социальная эволюция человека сложилась на фундаменте биологической эволюции. Это означает, что возникновение социальной формы движения не отменило действие биологических законов, а лишь изменило их проявление. Биологический вид Homo sapiens составляет часть биосферы и продукт ее эволюции. Закономерности биологических процессов, происходящих на клеточном уровне и имеющих универсальное значение в природе, в полной мере приложимы к человеку. К человеку применимо большинство морфологических и физиологических закономерностей, характерных для группы животных, к которой он относится. В то же время биосоциальная сущность человека накладывает отпечаток на проявление биологических закономерностей. Реализация генетической информации в онтогенезе в условиях определенной среды формирует биологическую конституцию человека создает материальные предпосылки для развития интеллекта, мышления, культуры. Социальная информация передается с помощью слова при обучении и определяет духовный облик индивидуума. Наследственность человека обеспечивает возможность восприятия социальной программы, а полная реализация его биологической организации возможна лишь в условиях социальной среды.
В современном обществе действие биологических факторов эволюции претерпело значительные изменения: естественный отбор теряет свою ведущую роль как фактор видообразования и в известной мере выполняет лишь стабилизирующую функцию. Изоляция также постепенно теряет свое значение нарушение изоляционных барьеров ведет к обогащению генофондов популяций и формированию смешанного населения отдельных регионов. В настоящее время численность человечества не подвержена значительным колебаниям, и в связи с этим действие популяционных волн может сказываться только в отдельных малонаселенных регионах. Сохранил свое значение в человеческом обществе мутационный процесс. Мутации постоянно меняют генотипический состав населения и совместно с комбинативной изменчивостью обеспечивают полиморфизм популяций. Ослабление действия отбора может привести к накоплению вредных мутаций, ведущих к снижению жизнеспособности особей. Эти обстоятельства следует учитывать в разных областях человеческой деятельности, прежде всего в охране окружающей среды от загрязнения.

Экологические последствия неолитической революции
Изменение границ оптимальных и лимитирующих факторов. Своей деятельностью человек способен изменять силу действия и число лимитирующих факторов, а также сужать или, напротив, расширять границы оптимальных значений факторов среды. Так, уборка урожая связана с извлечением из почв элементов минерального питания культурных растений и переходом некоторых из них в разряд лимитирующих факторов для вновь посаженных растений. С другой стороны, такие мелиоративные мероприятия, как обводнение, осушение, внесение удобрений и т.п., оптимизируют факторы, фактически устраняют их лимитирующий характер.
1) Сокращение численности популяций. Животные, птицы и насекомые находят смерть на дорогах под колесами автотранспорта, а также при проведении полевых работ. Перелетные птицы сгорают в газовых факелах, где сжигают отходящие газы при добыче нефти. Животные гибнут в разливах нефти, на проводах и опорах линий электропередач, в рыболовных сетях. Загрязняющие вещества (оксиды серы, фтор и фтористый водород, хлориды и диоксид азота) наиболее опасны для растений, вызывают ожоги, а при высоких концентрациях и гибель отдельных особей. Образующиеся из диоксида серы сернистая, а также серная кислоты, вместе с другими веществами попадая в почву, снижают ее плодородие, подавляя жизнедеятельность бактерий и снижают численность дождевых червей. Крайне опасными загрязнителями являются и поверхностно-активные вещества и нефть, попадающая в водоемы.
Загрязняющие вещества влияют на эмбрионы, развивающиеся зародыши, отравляя их, вызывают уродства и ненормальности в развитии организма, нарушение функций нервной системы, половых желез и органов.
Загрязнители разной природы, действуя одновременно, оказывают кумулятивный эффект. Под влиянием загрязняющих веществ сокращается продолжительность жизни прежде всего долгоживущих видов, способных накапливать их в организме, и эффект суммирования: вредное влияние меди на растения усиливается в присутствии солей свинца, а также при воздействии радиации.
Изменяются половая и возрастная структуры популяции; численность сокращается до таких пределов, что затрудняется поиск брачных партнеров. Из-за загрязнения среды нарушаются циклы размножения, уменьшается количество беременных самок, число детенышей в помете, растет смертность новорожденных. Распадается ареал вида, сокращаются площади местообитания, изолируются мелкие островки обитаний.
2) Воздействие на характер функционирования экосистем. Некоторые экосистемы и даже их крупные блоки (например, степи, прерии) человеком практически уничтожены. В других нарушены свойственные им процессы и принципы таких явлений как обеднение видового состава сообществ и расширение возможностей для внедрения в экосистемы несвойственных им видов.
Воздействие на динамику экосистем. Осушение болот, вырубка лесов, пожары и другие виды антропогенной деятельности разрушают или нарушают конечные (климаксные) стадии экосистем, заменяют их промежуточными сообществами. В своих интересах человек нередко поддерживает экосистемы на промежуточных стадиях динамики в течение длительного времени. Например, он сохраняет лиственные леса на месте коренных хвойных, поскольку они более ценны в рекреационном (для отдыха) отношении или устойчивы к загрязнениям атмосферы. Иногда, наоборот, стимулируются сукцессионные процессы для скорейшего перевода экосистем в завершающие стадии динамики. Так, в лесном хозяйстве удаляются лиственные деревья из хвойно-листвен- ных лесов с целью ускорения их перевода в чисто хвойные леса. Экологические издержки таких мероприятий неизбежны снижение устойчивости сообществ.
Обеднение генофонда. Сокращение числа видов уменьшает сложность экосистемы; выпадение одних видов часто приводит к вспышке численности других; доминантные виды могут быть угнетены, и их место занимают вновь вселяющиеся виды; разрушаются межвидовые отношения: хищник жертва, опылитель опыляемое растение, симбиотические связи. Подсчитано, что гибель одного вида растения может вызвать к гибели от 5 - 7 до 30 - 35 связанных с ним видов животных, главным образом беспозвоночных. Световое, звуковое, химическое загрязнение нарушает сложившиеся системы сигнализации в природном сообществе между видами. На наших глазах происходит обеднение генофонда биосферы вследствие вымирания видов, сокращения их популяционного разнообразия и численности особей. Ежедневно из этого числа безвозвратно исчезает один вид животных и еженедельно один вид растений;
Сокращение территорий, занимаемых естественными экосистемами. Ныне 9 – 12 % поверхности суши распахано, 22 – 25 % составляют полностью или частично окультуренные пастбища. Более 450 экваторов такова протяженность дорог на планете; 24 км на каждые 100 км2 такова густота дорог. По данным ООН, в одних лишь промышленно развитых странах под бетоном строящихся автострад, населенных пунктов, аэропортов ежегодно исчезает более 3 тыс. км2 ландшафта.

Влияние человека на функции живого вещества в биосфере.
Результатом крупномасштабной деятельности человека является нарушение механизмов функционирования живого вещества и его функций. Рассмотрим некоторые из них: а) константность живого вещества. Условием постоянства массы живого вещества в биосфере является сохранение условий, обеспечивающих нормальную продуктивность сообществ. Они нарушаются в результате истощения почв, замены более продуктивных экосистем (например, тропических, пойменных и т.п.) менее продуктивными, при отчуждении земель под различные виды строительства и т.п. Все это приводит к уменьшению объемов живого вещества (биомассы) на Земле. Подчеркнем, что за счет повышения человеком продуктивности агроэкосистем потери живого вещества не компенсируются;
б) транспортная и рассеивающая функции живого вещества. Перемещая большие массы биологической продукции в пространстве, человек нарушает при этом естественные круговороты. Например, с 1 га соснового леса вместе с древесиной удаляется около 140 кг калия, 330 кг кальция, 70 кг магния, 20 кг фосфора и 250 кг азота. Более масштабны негативные последствия от разрушения почв. Вынос водным стоком натрия, магния, кальция, калия и азота с площадей вырубок увеличился соответственно в 3; 8; 9; 20 и 100 раз.
Рассеивающая функция усиливается в результате использования человеком практически всех видов ресурсов. Одного железа ежегодно рассеивается около 100 - 120 млн т (из 6 - 7 млрд т этого металла, находящегося в использовании);
в) деструкционная и концентрационная функции. Усиление человеком деструкционных (разрушительных) явлений в биосфере (в сотни и тысячи раз по сравнению с естественным ходом процессов) происходит в результате извлечения ресурсов из недр, а также воздействия на поверхность литосферы. Только обработкой почв ежегодно разрушаются и выносятся в океан или перемещаются в пределах материков воздушными и водными потоками миллиарды тонн материала, в том числе наиболее ценной части почвы гумуса.
Результатом интенсификации концентрационных процессов является накопление на поверхности Земли ресурсов или продуктов их переработки в таких объемах, что они выделяются в специфические техногенно-геохимические провинции.

Изменение временного фактора развития биосферных процессов.
Если (по Б. Небелу), весь период развития жизни на Земле (порядка 4 млрд лет) представить в годичном масштабе, тогда время появления человека как вида (3 млн лет назад) относится примерно к 16 часам 31 декабря, сельское хозяйство начало развиваться за 2 минуты до окончания года (10 - 12 тыс. лет назад), а промышленная революция, начавшаяся в XVIII веке, длится всего 2 секунды. Время наиболее интенсивного воздействия человека на биосферные процессы (с 60 - 70-х годов прошлого века) в принятой шкале времени измеряется долями секунды. Следовательно, периоды «биогенеза» и «ноогенеза» совершенно несопоставимы ни по продолжительности, ни по интенсивности. Нарушение временного фактора в развитии биосферы и среды обитания приводит к несоответствию темпов изменения среды и адаптационных возможностей организмов. Следствием этого являются нарушение в соотношении численности отдельных видов (результат неодинаковой адаптивности), снижение устойчивости и продуктивности экосистем и даже гибель некоторых видов.
В заключение отметим, что принцип Ле Шателье - Брауна в рамках биосферы нарушается современным человечеством. Н.Ф. Реймерс указывает: «Если в конце прошлого века еще происходило увеличение биологической продуктивности и биомассы в ответ на возрастание концентрации углекислого газа в атмосфере, то с начала нашего века это явление не обнаруживается. Наоборот, биота выбрасывает углекислый газ, а биомасса ее автоматически снижается».
Вопросы для повторения:
1.Какова история развития представлений о происхождении человека?
2. Какова схема эволюции человека?
3.Опишите отряд приматы.
4.Что изучает палеонтология?
5.Что представляли собой протоантропы?
6.Опишите основные этапы эволюции человека.
7.Опишите основные факторы антропогенеза.
8.В чем заключаются последствия неолитической революции?
9.В чем заключается влияние человека на функции живого вещества в биосфере?
10.В чем заключается изменение временного фактора развития биосферных процессов?

Раздел VI. Глобальный экологический кризис (экологические функции литосферы, экология и здоровье)

Определенные противоречия во взаимодействии общества с природной средой неизбежны. В процессе обмена между обществом и природой материя (вещество, энергия и информация) никуда не исчезает, а переходит из одной формы и состояния в другую. При этом прогресс общества неизбежно идет «за счет» природы, ибо, удовлетворяя свои потребности, люди в процессе производства заимствуют у природной среды материальные блага, отчуждая их у нее. Однако если общество существует за счет природы, его прогрессивное развитие может быть бесконечным только при условии бесконечности и разнообразия природной среды. Но реальное общество всегда развивается на ограниченном по объему пространстве, каким и является наша планета. Поэтому оно неизбежно на определенном этапе (в силу несотворимости и неуничтожимости материи) должно столкнуться с экологической проблемой. Следовательно, указанная проблема обусловлена возрастанием противоречий в вещественных, энергетических и информационных связях общества с природной средой.
За истекшее столетие в человеческом обществе произошли два важнейших сдвига. Во-первых, резко увеличилась численность населения Земли (до 6,0 млрд человек в 2000 г.) и имеется тенденция дальнейшего ее возрастания. Еще в начале 50-х годов XX века эта цифра была вдвое меньше. Во-вторых, значительно выросло производство: промышленное, выпуск энергии и продуктов сельского хозяйства, хотя и не адекватно росту населения.
Человечество заявило о себе как сила, по мощности воздействия на поверхностные оболочки планеты почти не уступающая суммарному воздействию всех живых организмов. Обладая способностью влиять на вековой ход биосферных процессов, человечество создало техносферу. Техносфера часть биосферы, преобразованная людьми с помощью прямого и косвенного воздействия технических средств в целях наилучшего соответствия ее своим социально-экономическим потребностями.
Современное человечество использует не только огромные энергетические ресурсы биосферы, но и не биосферные источники энергии (например, атомной), ускоряя при этом геохимические преобразования природы. Некоторые антропогенные процессы при этом направлены противоположно по отношению к естественному ходу их в биосфере. Это рассеивание металлов руд, углерода и других биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение законсервированного углерода (уголь, нефть, газ) и его окисление, нарушение крупномасштабных процессов в атмосфере, влияющих на климат, и т.п. В конечном итоге все это приводит к экологическим кризисам в биосфере.
Экологический кризис (по И.И. Дедю) ситуация, которая возникает в экологических системах (биогеоценозах) в результате нарушения равновесия под воздействием стихийных природных явлений или в результате воздействия антропогенных факторов (загрязнение человеком атмосферы, гидросферы, педосферы, разрушение естественных экосистем, природных комплексов, лесные пожары, зарегулирование рек, вырубка лесов и др.). В более широком смысле экологический кризис критическая фаза в развитии биосферы, при которой происходит качественное обновление живого вещества (вымирание одних видов и возникновение других). Здесь уместно привести образное высказывание Ю.С. Шевчука (1991 г.): «...Экологический кризис это кнут, которым природа направляет нас на единственно прогрессивный «зеленый» путь развития. Но это и топор, которым природа отсекает с дерева человечества тупиковые ветви». В предыстории и истории человечества выделяют ряд экологических кризисов (табл. 6).
Современный кризис часто называют «кризисом редуцентов», поскольку природные редуценты уже не успевают очищать биосферу от антропогенных отходов или потенциально не способны это делать в силу чуждого природе характера выбрасываемых синтетических веществ ксенобиотиков. Иначе говоря, биосфера потеряла способность к самовосстановлению.
Почти одновременно с «кризисом редуцентов» активно проявляются два других экологических напряжения: термодинамическое (тепловое) и обусловленное снижением надежности экосистем.
Таблица 6
Экологические кризисы в развитии биосферы и цивилизаций
(Н.Ф. Реймерс, 1992 - с изменениями)



Название кризиса
Время
Причины кризиса
Пути выхода из кризиса

1
2
3
4
5


1
Предантропогенный (аридизации)
3 млн лет назад
Наступление засушливого периода (аридизация климата)
Возникновение прямоходящих антропоидов

2
Обеднения ресурсов собирательства и промысла для человека
30 - 50 тыс. лет назад
Недостаток доступных первобытному человеку ресурсов
Простейшие биотехнические мероприятия типа выжигания растительности для обновления экосистем


3
Перепромысла крупных животных (кризис кон-сументов)
10 - 50 тыс. лет назад
Уничтожение доступных крупных животных человеком-охотником
Переход к примитивному земледелию, скотоводству (неолитическая революция)

4
Примитивного поливного земледелия
1,5 - 2 тыс. лет назад
Примитивный полив, сопутствующие ему истощение и засоление почв
Переход к неполивному (богарному земледелию)

5
Недостатка растительных ресурсов и продовольствия (кризис продуцентов)
150 - 250 лет назад
Истощительное землепользование, отсталые технологии
Промышленная революция, новые технологии в сельском хозяйстве

6
Глобального загрязнения среды и угрозы истощения ресурсов (кризис редуцентов)
30 - 50 лет назад по настоящее время
Истощительное природопользование, многоотходные технологи и
Энергосберегающие технологии, безотходное производство, поиск экологически приемлемых решений


7
Глобальный термодинамический (теплового загрязнения)
Начался и прогнозируется
Выделение в окружающую среду большого количества тепла, особенно из внутренних источников, парниковый эффект
Ограничение использования энергии, предотвращение парникового эффекта, поиск решений

8
Глобального исчерпания надежности экологических систем
Первые признаки и прогноз
Нарушение экологического равновесия в масштабах планеты
Приоритет экологических ценностей перед всеми другими, поиски решений


Связаны они с экологическими последствиями перепроизводства энергии в нижней тропосфере (парниковый эффект, строительство тепловых и атомных электростанций и т.д.), а также с нарушением природного экологического равновесия. Указанные экологические кризисы (они уже начались и обострятся в ближайшем будущем), возможно, будут разрешены на основе энергетической и планируемой экологической революций (рис. 61).

Рис. 61. Экологические кризисы и революции, по Н.Ф. Реймерсу, 1990
Первая, как считают ученые, будет заключаться в максимальной экономии энергии и переходе к ее источникам, почти не добавляющим тепло в приземный слой тропосферы, вторая в регулируемой коэволюции (т.е. параллельной, совместной, взаимосвязанной эволюции всех живых существ биосферы) в системе «общество-природа», строительстве ноосферы.
Имеется важное наблюдение: общим для всех антропогенных кризисов является то, что выход из них сопровождался, как правило, уменьшением численности народонаселения, его миграцией и социальными потрясениями, в некоторых случаях кризисы завершались сменой общественного строя. Так, первый антропогенный кризис вызвал расселение охотников, или «великое переселение народов». Переход к земледелию и скотоводству сопровождался разложением первобытно-общинного строя и возникновением рабовладельческого, которому сопутствовали опустынивание и истощение земельных ресурсов и переход к феодальному строю.

Загрязнение окружающей среды
Загрязнение окружающей среды это любое внесение в ту или иную экологическую систему (биогеоценоз) не свойственных ей живых или неживых компонентов, физических или структурных изменений, прерывающих или нарушающих процессы круговорота и обмена веществ, потоки энергии и информации, с непременными последствиями в форме снижения продуктивности или разрушения данной экосистемы.
Разнообразные виды вмешательства человека в естественные процессы в биосфере можно сгруппировать по следующим категориям загрязнений (рис. 62):
ингредиентное загрязнение, или внесение химических веществ, которые количественно или качественно чужды естественным биогеоценозам;
параметрическое (физическое) загрязнение, связанное с изменением качественных параметров окружающей среды;
биоценотическое загрязнение, которое заключается в воздействии на состав и структуру популяций живых организмов, населяющих биогеоценоз;
стациально-деструкционное загрязнение (стация - место обитания популяции), изменение ландшафтов и экологических систем в процессе природопользования, связанном с оптимизацией природы в интересах человека.
С позиций кибернетики загрязнение можно считать комплексом помех в экосистемах, которые воздействуют на потоки энергии и информации в пищевых (энергетических) цепях. Однако в отличие от естественных, антропогенные помехи весьма часто приводят не к отбору наиболее приспособленных особей, а к массовой элиминации (вымиранию) организмов. Это обусловлено специфическими особенностями действий антропогенных факторов, из которых важнейшими являются следующие:
1) нерегулярность действия, а значит, и непредсказуемость для организмов, а также высокая интенсивность изменений, которая превышает их адаптационные возможности; 2) неограниченные возможности действия их на организм (вплоть до уничтожения последних), что, конечно, присуще и природным факторам и процессам, но лишь в редких случаях (стихийные бедствия, катаклизмы).
Помимо помех, которые возникают в экосистемах в качестве косвенных последствий тех или иных мероприятий, человек часто создает направленные помехи в каналах информации между компонентами экосистем. Примером может служить сознательное (направленное) загрязнение среды ядохимикатами специально для уничтожения хозяйственно вредных насекомых (инсектициды), грибов (фунгициды), сорняков и др. Применение последних есть воздействие на уровень продуцентов, а, следовательно, и на все звенья пищевых цепей, которые связаны именно с уничтожаемыми растениями-сорняками. При этом происходит воздействие на все уровни организации жизни - от биогеоценоза в целом до популяций и отдельных индивидуумов. В подобных случаях ученые указывают на возможность ответных реакций природы и ее компонентов.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415











































Рис. 62. Схема классификации загрязнения экологических систем
(по Г.В. Стадницкому и А.И Родионову)
Природная цепная реакция - цепь природных явлений, каждое из которых неизбежно влечет за собой изменение других, связанных с ним явлений. Так, исчезновение насекомого-опылителя делает невозможным в дальнейшем плодоношение растения, а следовательно, появления новых поколений вида, размножающегося только семенами; это в свою очередь ведет к исчезновению животных, связанных с данным растением, а следовательно, их паразитов и т.д.

Индикаторы глобального экологического кризиса
Воздействие человека на биосферу в целом и на отдельные ее компоненты (атмосферу, гидросферу, литосферу и биотические сообщества) достигло в настоящее время беспрецедентных размеров. Современное состояние планеты Земля оценивается как глобальный экологический кризис. Особенно возросли темпы роста ингредиентных и параметрических загрязнителей, причем не только в количественном, но и в качественном отношениях.
Индикаторами глобального экологического кризиса являются: усиление парникового эффекта; проблема истощения озонового слоя; кислотные осадки; деградация лесных, земельных и водных ресурсов; снижение биоразнообразия.

Усиление парникового эффекта
Парниковый эффект. Все виды солнечного излучения (от ультрафиолетового до инфракрасного) достигают земной поверхности и нагревают ее. Последняя переизлучает ранее накопившуюся тепловую энергию в виде ИК-излучения в Космос. Переизлученное ИК-излучение интенсивно поглощается некоторыми газами (СО2, СН4, NO2, фреонами). Указанные газы, называемые парниковыми, действуют в атмосфере, как стекло в парнике: они беспрепятственно пропускают к Земле солнечную радиацию, но задерживают тепловое излучение Земли. В результате повышается температура ее поверхности, изменяются погода и климат.
Под парниковым эффектом понимают возможное повышение глобальной температуры планеты в результате изменения теплового баланса, обусловленное постепенным накоплением парниковых газов в атмосфере.
Основным парниковым газом является диоксид углерода. Его вклад в парниковый эффект, по разным данными, составляет от 50 до 65 %. К другим парниковым газам относятся метан (около 20 %), оксиды азота (примерно 5%), озон, фреоны (хлорфторуглероды) и другие газы (около 10 - 25 % парникового эффекта). Всего известно около 30 парниковых газов, их утепляющий эффект зависит не только от количества в атмосфере, но и от относительной активности действия на одну молекулу. Если по данному показателю СО2 принять за единицу, то для метана он будет равен 25, для оксида азота – 165, а для фреона – 11000.
Начиная с середины XIX столетия содержание СО2 в атмосфере менялось следующим образом (частей на миллион, или содержание молекул С02 на миллион молекул воздуха) 1859 г. 265 - 290; 1958 г. 313; 1978 г. - 330; 1990 г. 350, т.е. увеличилось на 12 - 15% (табл. 7).
Основным антропогенным источником поступления СО2 в атмосферу является сжигание углеродсодержащего топлива (уголь, нефть, мазут, метан и др.). Ныне только от теплоэнергетики в атмосферу поступает около 1 т углерода на человека в год; по прогнозам, в первой половине XXI столетия выброс достигнет 10 млрд т. Согласно Ю.В. Новикову (1998 г.), доли некоторых государств в глобальном выбросе СО2 таковы: США - 22%, Россия и Китай - по 11%, Германия и Япония - по 5, остальные страны - около 46%.
Вследствие парникового эффекта среднегодовая температура на Земле за последнее столетие повысилась на 0,3 - 0,6 0С. В настоящее время увеличение концентрации СО2 происходит примерно со скоростью 0,3 - 0,5% в год. Увеличивается содержание и других парниковых газов: метана - на 1%, оксидов азота - на 0,2% в год. По разным источникам, удвоение содержания парниковых газов, которое может произойти во второй половине текущего века, вызовет повышение среднегодовой температуры планеты на 1 - 3,5 0С.

Таблица 7
Изменение концентрации основных парниковых газов в атмосфере Земли,
их динамика и свойства (К.Я. Кондратьев, 1990 - с дополнениями)

Показатели
Единица измерения
Диоксид углерода
Метан
Фреоны
Оксиды азота

Концентрация в доиндустриальный период
частей на млн
280
0,79
ничтожно мало
0,288


Концентрация в современный период
частей на млн
354
1,72




Ежегодный рост
%
0,3 - 0,5
0,5 - 1,0

0,2 - 0,3

Время жизни
Лет
50 - 200
10
130
150


Активность действия
на 1 молекулу
1
25
11000
165


Доля в парниковом эффекте
%
66
18
8
3



Глобальное потепление климата и обусловленное им повышение уровня Мирового океана многими учеными рассматривается, как величайшая катастрофа не только для отдельных экосистем, но и биосферы в целом:
1. В случае повышения уровня океана на 1,5 – 2 м под затопление попадает около 5 млн км2 земель, причем наиболее плодородных и густонаселенных. На них проживает около1 млрд человек и собирается почти треть урожая многих сельскохозяйственных культур. Вынужденные переселения народов в глубь материков чреваты военными конфликтами и социальными потрясениями.
Помимо подъема уровня океана потепление климата будет сопровождаться увеличением степени неустойчивости погоды, смещением границ природных зон, ростом числа штормов и ураганов, ускорением темпов вымирания животных и растений. Следствием этого, очевидно, явится резкое обострение продовольственной проблемы.
Уменьшение различий температуры на полюсах и экваторе (в основном за счет более сильного потепления полюсов) вызовет, в свою очередь, подтаивание вечномерзлых почв (таковых в России около 2 млн км2) и высвобождение из них огромных количеств метана, что усилит парниковый эффект.
Изменение климата может оказать негативное влияние на здоровье людей как вследствие усиления теплового стресса в южных районах, так и из-за распространения многих видов заболеваний.
Вышеизложенное дало основание Международной конференции по проблемам изменения климата (Торонто, 1979 г.) заявить, что «...конечные последствия парникового эффекта могут сравниваться только с глобальной ядерной войной».
К этому, как считают ученые, следует добавить и последствия от возрастающего влияния на климат антропогенного тепла. Согласно М.М. Будыко, радиационный баланс земной поверхности и производимая человечеством тепловая энергия ныне соотносятся как 49:0,02; что практически не сказывается на глобальной температуре. Однако при современных темпах роста производства энергии (около 10% ежегодно) в текущем столетии антропогенное тепло и радиационный баланс заметно сблизятся, что сделает вполне реальным термодинамический, или тепловой кризис.

Проблема истощения озонового слоя.
В последние годы наблюдается устойчивая тенденция снижения содержания озона в верхних слоях атмосферы. По разным оценкам, в средних и высоких широтах Северного полушария такое уменьшение составило 2 – 10 %.
Наиболее значительная потеря озона регистрируется над Антарктидой, где его содержание в озоновом слое за последние 30 лет уменьшилось на 40 – 50 %. Пространство, в пределах которого регистрируется заметное уменьшение концентрации озона, получило название «озоновой дыры» (рис. 63). В настоящее время «озоновая дыра» вышла за пределы континента и по размерам (10 млн км2) превышает площадь США.

Рис. 63. Динамика «озоновой дыры» в пределах Антарктиды
(по Н.Ф. Реймерсу, 1990 г.) (пространство без штриховки).

Меньшая по размерам «дыра» наблюдается и над Арктикой. Отмечается появление так называемых «блуждающих дыр» площадью от 10 до 100 тыс. км2 в других регионах, где потери озона достигают 20 – 40 % от нормального уровня (около 0,06 мг/м3).
Беспрецедентная аномалия озона как по уровню его дефицита, так и по размерам затронутой территории, была отмечена в России. Согласно Росгидромету, в феврале 1995 г. над всем Северным полушарием, а особенно над рядом районов Восточной Сибири вплоть до Урала зафиксировано рекордное уменьшение концентрации озона - до 40%, сохранявшееся в течение 25 суток. К середине марта в отдельных районах оно достигло 50%. Как следствие, в апреле и декабре отклонение от климатических норм составило 15 %.
Крайне опасные для человека и многих животных последствия истощения озонового экрана увеличение числа заболеваний раком кожи и катарактой глаз. Из-за уменьшения концентрации озона только на 1 % происходит увеличение интенсивности УФ-излучения у поверхности Земли на 15 %. В свою очередь, это, согласно официальным данным ООН, приводит к появлению в мире 100 тыс. новых случаев катаракты и 10 тыс. случаев рака кожи, а также вызывает снижение иммунитета как у человека, так и у животных. Помимо ухудшения здоровья, истощение озонового слоя способствует усилению «парникового эффекта», снижению урожайности, деградации почв, общему загрязнению окружающей среды. Согласно Ю.В. Новикову (1998 г.), проникновение через «озоновые дыры» солнечных рентгена- и ультрафиолетовых лучей, энергия фотонов, которых превышает энергию лучей видимого спектра в 50 - 100 раз, увеличивает число мощных лесных пожаров. В 1996 г. в России сгорело 2 млн га лесов. В чем же причина убыли озона из атмосферы? После ряда международных экспедиций в Антарктиду было установлено, что, помимо физико-географических факторов, озоновый слой разрушают техногенные загрязнители: оксиды азота NO и NO2, галогенопроизводные углеводородов (фреоны): CFC13 (фреон-11), CF2C12 (фреон-12) и другие, кипящие при комнатной температуре, высоколетучие, химически инертные соединения у поверхности Земли.
Основным антропогенным фактором, разрушающим озон, считают фреоны (хладоны), которые широко используются как газы-носители в различного рода аэрозольных баллончиках, холодильных установках и т.п.
Будучи чрезвычайно инертными в приземных слоях атмосферы, фреоны минуют тропосферу без изменений, и только в стратосфере подвергаются фотохимическому разложению с образованием высоко активных радикалов - атомов хлора. Образовавшиеся активные атомы хлора включаются в циклический процесс разрушения молекул озона.
Фреоны способны находиться в атмосфере, не разрушаясь 70 - 100 лет, поэтому они всегда достигают озонового слоя и разрушают его. При этом каждый атом хлора как катализатор способен разрушить до 100 тыс. атомов озона. До недавнего времени в мире производилось около 1,3 млн т озоноразрушающих веществ. Около 35% производимого объема приходилось на США, 40 % - на страны ЕС, 10 – 12 % - Японию, 7-10 % - Россию.
Из других техногенных причин разрушения озонового слоя называют уничтожение лесов, как основных поставщиков кислорода в атмосферу. Зарегистрировано также разрушение озона при ядерных взрывах в атмосфере, крупных пожарах и других явлениях, сопровождающихся поступлением в верхние слои атмосферы оксидов азота и некоторых углеводородов. Установлено также, что уничтожают озон полеты сверхзвуковых самолетов в стратосфере, запуски космических ракет. Только один запуск авиакосмической системы «Шаттл» приводит к потерям 10 млн т озона. 300 таких запусков в год и практически весь озон будет уничтожен.
В последние время ученые высказывают предположение о существенном вкладе природных явлений в процессы разрушения озона и возникновении «озоновых дыр». К таковым относятся, например, 11-летние циклы солнечной активности, выход озонразрушающих газов (водород, метан) из разломов земной коры, наличие своеобразных восходящих вихрей над Антарктидой, способствующих рассеиванию озона.

Кислотные дожди.
В последние 15 - 20 лет возникла сложная и трудноразрешимая экологическая проблема кислотных дождей (рН < 5,0). При сжигании различных видов топлив, а также с выбросами различных предприятий в атмосферу поступает значительное количество оксидов серы и азота. При взаимодействии их с атмосферной влагой образуются азотная и серная кислоты. К ним примешиваются органические кислоты и некоторые соединения, что в сумме дает раствор с кислой реакцией.
Согласно расчетам, доля диоксида серы в образовании кислых осадков составляет около 70%. Появлению кислых осадков способствует также СО2, из-за его постоянного присутствия в атмосфере нормальным является рН осадков 5,6. В дальнейшем кислоты выпадают на поверхность суши или водоемов в виде кислотных дождей или иных атмосферных осадков. Отмечены случаи выпадения осадков с рН 2,2 - 2,3 что соответствует кислотности уксуса.
Общее количество выбросов SO2, и NO2 в мире ежегодно составляет более 250 млн т. В пересчете на душу населения количество выбросов (кг/год): в Дании - 4, бывшем СССР - 18, Англии - 32, Польше - 55, Австрии - 8, Германии - 160, Италии - 20, Швеции - 6 (Г.В. Войткевич, В.А. Вронский, 1996 г.).
Кислые осадки особенно типичны для Скандинавских стран, а также Англии, ФРГ, Бельгии, Дании, Польши, Канады, северных районов США. Например, отдельные районы Норвегии, Финляндии, Исландии, Дании на 80 – 90% загрязняются со стороны ФРГ и Люксембурга. Для Швеции доля осадков извне близка к 70 %. В России очаги образования приходятся на Кольский полуостров, Норильск, Челябинск, Красноярск и другие районы. В наши дни в Санкт-Петербурге рН дождя колеблется от 4,8 до 3,7, в Красноярске - от 4,9 до 3,8, в Казани - от 4,8 до 3,3. В городах до 70 – 90 % загрязнений в атмосферу, в том числе и способствующих образованию кислых осадков, поставляет автотранспорт (Ю.В. Новиков, 1998 г.).
Отрицательное влияние кислых осадков разнообразно: почвы, водные экосистемы, растения, памятники архитектуры, строения и другие объекты в той или иной степени страдают от них.
Действие кислых осадков на почвы наиболее ощутимо проявляется в северных и тропических районах. Для первых это связано с тем, что подкисляются и без того кислые (подзолистые и их разновидности) почвы. Они, как правило, не содержат природных соединений, нейтрализующих кислотность (карбонат кальция, доломит и др.). Почвы в тропиках хотя и имеют нейтральную и щелочную реакцию, но также не содержат веществ - нейтрализаторов кислотности (из-за интенсивного и постоянного промывания дождями).
Поступая в почву, кислые осадки увеличивают подвижность и вымывание катионов, снижают активность редуцентов, азотофиксаторов и других организмов почвенной среды. При рН, равном 5 и ниже, в почвах резко возрастает растворимость минералов, из них высвобождается алюминий, который в свободной форме ядовит. Кислые осадки также повышают подвижность тяжелых металлов (кадмия, свинца, ртути). В ряде мест кислые осадки и продукты их действия (алюминий, тяжелые металлы, нитраты и др.) проникают в грунтовые воды, а затем в водоемы и водопроводную сеть, где также способствуют высвобождению из труб алюминия и других вредных веществ. В итоге происходит ухудшение качества питьевой воды.
Действие кислых осадков на водные экосистемы весьма многообразно. Кислые осадки, попадая в водные источники, повышают кислотность и жесткость воды. При рН ниже 6 сильно подавляется деятельность ферментов, гормонов и других биологически активных веществ, от которых зависит рост и развитие организмов. Особенно отрицательное действие, проявляется в основном на яйцеклетках и молоди.
Сейчас на Земле насчитываются многие тысячи озер, практически лишившихся своих обитателей. Почти 20 % рек и озер Швеции, Норвегии и Канады потеряли более половины обитающих в них организмов. Так, в Швеции в 14 тысячах озер уничтожены наиболее чувствительные виды, а 2200 озер фактически безжизненны. Около 1000 озер в США заметно подкислены, а более 3 тысяч имеют кислотность, неблагоприятную для многих обитателей (табл. 8).
Таблица 8
Закисление озер в мире
(по данным «XX век: последние 10 лет», 1992)

Страна
Состояние озер


Канада
Более 14 тыс. озёр сильно закислены; каждому 7-му озеру на востоке страны нанесён биологический ущерб


Норвегия
В водоёмах общей площадью 13 тыс. км2 уничтожена рыба и ещё не 20 тыс. км2 – поражена

Швеция
В 14 тыс. озёр уничтожены наиболее чувствительные к уровню кислотности виды; 2200 озёр практически безжизненны


Финляндия
8 % озёр не обладают способностью к нейтрализации кислоты. Наиболее закисленные озёра – в южной части страны

США
Около 1 тыс. подкисленных озёр и 3 тыс. практически кислотных. Исследования АООС в 1984 г. показали, что 522 озера имеют сильную кислотную среду и 964 находятся на грани этого


Действие кислых осадков и атмосферных загрязнений на леса способствует выщелачиванию из растений биогенов (особенно кальция, магния и калия), сахаров, белков, аминокислот. Кислые осадки повреждают защитные ткани, увеличивают вероятность проникновения через них патогенных бактерий и грибов, способствуют появлению вспышек численности насекомых. Такие воздействия имеют конечным результатом снижение продуктивности фитоценозов, а нередко и их массовую гибель. Накоплено много данных об отрицательном влиянии кислых осадков на растения через почву, прежде всего в результате увеличения подвижности алюминия и тяжелых металлов. Свободный алюминий повреждает молодые корни, создает очаги для проникновения в них инфекции, а также вызывает преждевременное старение деревьев (болезнь Альцгеймера).
Особенно сильно повреждаются хвойные леса, что в первую очередь связано с большой продолжительностью жизни их хвои (4 - 6 лет), обусловливающей накопление в ней относительно больших концентраций токсикантов.
Первыми признаками поражения хвойных лесов газами и кислыми осадками служат сокращение сроков жизни хвои и уменьшение ее размера. При этом наиболее сильно повреждаются леса, произрастающие в неблагоприятных условиях (на бедных почвах, в гористых местностях, в зоне туманов и т.п.). Высокой поражаемостью отличаются также бук, граб и твердолиственные виды.
Повышенной чувствительностью к загрязнению атмосферы характеризуются многие виды лишайников. В результате они обычно первыми исчезают из экосистем и поэтому являются индикаторами неблагоприятного состояния среды. Это обстоятельство часто используют экологи. Значительные площади пораженных и погибших от загрязнения атмосферы почв лесов имеются в ФРГ, Швеции, Финляндии, Австрии, Польше, Канаде, на севере США и в других районах. В ФРГ массовое поражение лесов зарегистрировано в начале 80-х годов XX века. В хвойных лесах, особенно пихтовых, повреждения отмечались у 80 - 90% деревьев, а в среднем у 10% всех видов древесных растений. В России повреждено около 1,5 - 2 млн га лесов, при этом основные очаги поражения расположены в районе Норильска, Мончегорска, Братска. Всего на Земле из-за кислотных дождей повреждены леса площадью 31 млн га.
Сейчас особое внимание уделяется поражению лесов в результате совместного действия традиционных загрязнителей (S02, NO2) и озона. Приземный озон является в основном продуктом фотохимического смога. В его присутствии интенсивно разрушается хлорофилл, причем как в результате прямого влияния, так и через ускорение расходования витамина С, который защищает хлорофилл от окисления.

Деградация водных ресурсов
Существование биосферы и человека всегда было основано на использовании воды. Человечество постоянно стремилось к увеличению водопотребления, оказывая на гидросферу огромное многообразное давление. На нынешнем этапе развития техносферы основными видами воздействий на водные ресурсы является их загрязнение, истощение и создание водохранилищ.
Под загрязнением водоемов понимают снижение их биосферных функций и экологического значения в результате поступления в них вредных веществ.
Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органолептических свойств (нарушение прозрачности, окраски, запахов, вкуса), увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, сокращении растворенного в воде кислорода воздуха, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей.
Россия обладает одним из самых высоких водных потенциалов в мире на каждого жителя России приходится свыше 30 000 м3/год воды. Однако в настоящее время из-за загрязнения или засорения около 70 % рек и озер России утратили свои качества как источника питьевого водоснабжения, в результате около половины населения потребляют загрязненную недоброкачественную воду (Государственный доклад «Вода питьевая», 1995).
Различают химические, биологические и физические загрязнители. Среди химических загрязнителей к наиболее распространенным относят нефть и нефтепродукты, СПАВ (синтетические поверхностно-активные вещества), пестициды, тяжелые металлы, диоксины и др. (табл. 9). Очень опасно загрязняют воду биологические загрязнители, например вирусы и другие болезнетворные микроорганизмы, и физические радиоактивные вещества, тепло и др.
Таблица 9
Главные загрязнители воды
Химические загрязнители
Биологические загрязнители
Физические загрязнители

Кислоты
Вирусы
Радиоактивные элементы

Щелочи
Бактерии
Взвешенные твердые
частицы


Соли
Другие болезнетворные организмы
Тепло

Нефть и нефтепродукты
Водоросли
Органолептические: цвет, запах


Пестициды
Лигнины
Шлам


Диоксины
Дрожжевые и плесневые грибки
Песок


Тяжелые металлы

Ил

Фенолы

Глина

Аммонийный и нитритный азот



СПАВ





Основными источниками загрязнения поверхностных вод являются: 1) сброс в водоемы неочищенных сточных вод;
2) смыв ядохимикатов ливневыми осадками;
3) газодымовые выбросы;
4) утечки нефти и нефтепродуктов.
Наибольший вред водоемам и водотокам причиняет выпуск в них неочищенных сточных вод промышленных, коммунально-бытовых, коллекторно-дренажных и др. Промышленные сточные воды загрязняют экосистемы самыми разнообразными компонентами (табл. 10), Государственный доклад..., 1995) в зависимости от специфики отраслей промышленности. Следует заметить, что в настоящее время объем сброса промышленных сточных вод во многие водные экосистемы не только не уменьшается, но и продолжает расти. Так, например, в 1995 г. в оз. Байкал, вместо планируемого прекращения сброса сточных вод из ЦБК (целлюлозно-бумажного комбината) и перевода их на замкнутый цикл водопотребления, было сброшено сточных вод на 21 %. больше, чем в 1994 г.
Коммунально-бытовые сточные воды в больших количествах поступают из жилых и общественных зданий, прачечных, столовых, больниц, и т. д. В сточных водах этого типа преобладают различные органические вещества, а также микроорганизмы, что может вызвать бактериальное загрязнение.
Огромное количество таких опасных загрязняющих веществ, как пестициды, аммонийный и нитратный азот, фосфор, калий и др., смываются с сельскохозяйственных территорий, включая площади, занимаемые животноводческими комплексами. По большей части они попадают в водоемы и в водотоки без какой-либо очистки, а поэтому имеют высокую концентрацию органического вещества, биогенных элементов и других загрязнителей.

Таблица 10
Приоритетные загрязнители водных экосистем по отраслям промышленности
Отрасль промышленности
Преобладающий вид загрязняющих компонентов

Нефтегазодобыча,
нефтепереработка
Нефтепродукты, СПАВ, фенолы, аммонийные соли, сульфиды

Целлюлозно-бумажный комплекс, лесная
промышленность
Сульфаты, органические вещества, лигнины, смолистые и жирные вещества, азот

Машиностроение,
металлообработка, металлургия
Тяжелые металлы, взвешенные вещества, фториды, цианиды, аммонийный азот, нефтепродукты, фенолы, смолы


Химическая
промышленность
Фенолы, нефтепродукты, СПАВ, ароматические углеводороды, неорганика

Горнодобывающая,
угольная
Флотореагенты, неорганика, фенолы, взвешенные вещества

Легкая, текстильная,
пищевая
СПАВ, нефтепродукты, органические красители, другие органические вещества


Значительную опасность представляют газо-дымовые соединения (аэрозоли, пыль и т. д.), оседающие из атмосферы на поверхность водосборных бассейнов и непосредственно на водные поверхности. Плотность выпадения, например, аммонийного азота на европейской территории России оценивается в среднем 0,3 т/км2, а серы от 0,25 до 2,0 т/км2.
Огромны масштабы нефтяного загрязнения природных вод. Миллионы тонн нефти ежегодно загрязняют морские и пресноводные экосистемы при авариях нефтеналивных судов, на нефтепромыслах в прибрежных зонах, при сбросе с судов балластных вод и т. д.
Кроме поверхностных вод постоянно загрязняются и подземные воды, в первую очередь в районах крупных промышленных центров. Загрязняющие вещества могут проникать к подземным водам различными путями: при просачивании промышленных и хозяйственно-бытовых стоков из хранилищ, прудов-накопителей, отстойников и др., по затрубному пространству неисправных скважин, через поглощающие скважины, карстовые воронки и т. д.
К естественным источникам загрязнения относят сильно минерализованные (соленые и рассолы) подземные воды или морские воды, которые могут внедряться в пресные незагрязненные воды при эксплуатации водозаборных сооружений и откачке воды из скважин.
Важно подчеркнуть, что загрязнения подземных вод не ограничиваются площадью промпредприятий, хранилищ отходов и т. д., а распространяются вниз по течению потока на расстояния до 20 - 30 км и более от источника загрязнения. Это создает реальную угрозу для питьевого водоснабжения в этих районах.
Следует также иметь в виду, что загрязнение подземных вод негативно сказывается и на экологическом состоянии поверхностных вод, атмосферы, почв, других компонентов природной среды. Например, загрязняющие вещества, находящиеся в подземных водах, могут выноситься фильтрационным потоком в поверхностные водоемы и загрязнять их.
Загрязнение водных экосистем представляет огромную опасность для всех живых организмов и, в частности, для человека.
Установлено, что под влиянием загрязняющих веществ в пресноводных экосистемах отмечается падение их устойчивости вследствие нарушения пищевой пирамиды и ломки сигнальных связей в биоценозе, микробиологического загрязнения, эвтрофирования и других крайне неблагоприятных процессов. Они снижают темпы роста гидробионтов, их плодовитость, а в ряде случаев приводят к их гибели.
Наиболее изучен процесс эвтрофирования водоемов. Этот естественный процесс, характерный для всего геологического прошлого планеты, обычно протекает очень медленно и постепенно, однако в последние десятилетия, в связи с возросшим антропогенным воздействием, скорость его развития резко увеличилась.
Ускоренная, или так называемая антропогенная эвтрофикация связана с поступлением в водоемы значительного количества биогенных веществ азота, фосфора и других элементов в виде удобрений, моющих веществ, отходов животноводства, атмосферных аэрозолей и т. д.
Антропогенное эвтрофирование весьма отрицательно влияет на пресноводные экосистемы, приводя к перестройке структуры трофических связей гидробионтов, резкому возрастанию биомассы фитопланктона благодаря массовому размножению синезеленых водорослей, вызывающих «цветение» воды, ухудшающих ее качество и условия жизни гидробионтов (к тому же выделяющих опасные не только для гидробионтов, но и для человека токсины). Возрастание массы фитопланктона сопровождается уменьшением разнообразия видов, что приводит к невосполнимой утрате генофонда, уменьшению способности экосистем к гомеостазу и саморегуляции.
Процессы антропогенной эвтрофикации охватывают многие крупные озера мира Великие Американские озера, Балатон, Ладожское, Женевское и др., а также водохранилища и речные экосистемы, в первую очередь малые реки. На этих реках, кроме катастрофически растущей биомассы синезеленых водорослей, с берегов происходит зарастание их высшей растительностью. Сами же синезеленые водоросли в результате своей жизнедеятельности производят сильнейшие токсины, представляющие опасность для гидробионтов и человека.
Помимо избытка биогенных веществ на пресноводные экосистемы губительное воздействие оказывают и другие загрязняющие вещества: тяжелые металлы (свинец, кадмий, никель и др.), фенолы, СПАВ и др. Так, например, водные организмы Байкала, приспособившиеся в процессе длительной эволюции к естественному набору химических соединений притоков озера, оказались неспособными к переработке чуждых природным водам химических соединений (нефтепродуктов, тяжелых металлов, солей и др.). В результате отмечено обеднение гидробионтов, уменьшение биомассы зоопланктона, гибель значительной части популяции байкальской нерпы и др.
Скорости поступления загрязняющих веществ в Мировой океан в последнее время резко возросли. Ежегодно в океан сбрасывается до 300 млрд м3 сточных вод, 90 % которых не подвергается предварительной очистке. Морские экосистемы подвергаются все большему антропогенному воздействию посредством химических токсикантов, которые, аккумулируясь гидробионтами по трофической цепи, приводят к гибели консументов даже высоких порядков, в том числе и наземных животных. Среди химических токсикантов наибольшую опасность для морской биоты и человека представляют нефтяные углеводороды (особенно бенз(а)пирен), пестициды и тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий и др.).
По Ю. А. Израэлю (1985), экологические последствия загрязнения морских экосистем выражаются в следующих процессах и явлениях:
нарушении устойчивости экосистем;
прогрессирующей эвтрофикации;
появлении «красных приливов»;
накоплении химических токсикантов в биоте;
снижении биологической продуктивности;
возникновении мутагенеза и канцерогенеза в морской среде;
микробиологическом загрязнении прибрежных районов моря.
До определенного предела морские экосистемы могут противостоять вредным воздействиям химических токсикантов, используя накопительную, окислительную и минерализующую функции гидробионтов. Так, например, двустворчатые моллюски способны аккумулировать один из самых токсичных пестицидов ДДТ и при благоприятных условиях выводить его из организма. (ДДТ, как известно, запрещен в России, США и некоторых других странах, тем не менее он поступает в Мировой океан в значительном количестве.) Ученые доказали и существование в водах Мирового океана интенсивных процессов биотрансформации опасного загрязнителя бенз(а)пирена, благодаря наличию в открытых и полузакрытых акваториях гетеротрофной микрофлоры. Установлено также, что микроорганизмы водоемов и донных отложений обладают достаточно развитым механизмом устойчивости к тяжелым металлам, в частности, они способны продуцировать сероводород, внеклеточные экзополимеры и другие вещества, которые, взаимодействуя с тяжелыми металлами, переводят их в менее токсичные формы.
В то же время в океан продолжают поступать все новые и новые токсичные загрязняющие вещества. Все более острый характер приобретают проблемы эвтрофирования и микробиологического загрязнения прибрежных зон океана. В связи с этим важное значение имеет определение допустимого антропогенного давления на морские экосистемы, изучение их ассимиляционной емкости как интегральной характеристики способности биогеоценоза к динамическому накоплению и удалению загрязняющих веществ.
Для здоровья человека неблагоприятные последствия при использовании загрязненной воды, а также при контакте с ней (купание, стирка, рыбная ловля и др.) проявляются либо непосредственно при питье, либо в результате биологического накопления по длинным пищевым цепям типа: вода планктон рыбы человек или вода почва растения животные человек, и др.
При непосредственном контакте человека с бактериально загрязненной водой, а также при проживании или нахождении близ водоема различные паразиты могут проникнуть в кожу и вызвать тяжелые заболевания, особенно характерные для тропиков и субтропиков. В современных условиях увеличивается опасность и таких эпидемических заболеваний как холера, брюшной тиф, дизентерия и др.
Истощение вод следует понимать как недопустимое сокращение их запасов в пределах определенной территории (для подземных вод) или уменьшение минимально допустимого стока (для поверхностных вод). И то и другое приводит к неблагоприятным экологическим последствиям, нарушает сложившиеся экологические связи в системе человек биосфера.
Практически во всех крупных промышленных городах мира, в том числе в Москве, Санкт-Петербурге, Киеве, Харькове, Донецке и других городах, где подземные воды длительное время эксплуатировались мощными водозаборами, возникли значительные депрессионные воронки (понижения) с радиусами до 20 км и более. Так, например, усиление водоотбора подземных вод в Москве привело к формированию огромной районной депрессии с глубиной до 70 - 80 м, а в отдельных районах города до 110 м и более. Все это в конечном счете приводит к значительному истощению подземных вод.
По данным Государственного водного кадастра, в 90-е годы в нашей стране в процессе работы подземных водозаборов отбиралось свыше 125 млн м3/сут воды. В результате на значительных территориях резко изменились условия взаимосвязи подземных вод с другими компонентами природной среды, нарушилось функционирование наземных экосистем. Интенсивная эксплуатация подземных вод в районах водозаборов и мощный водоотлив из шахт, карьеров приводят к изменению взаимосвязи поверхностных и подземных вод, к значительному ущербу речному стоку, к прекращению деятельности тысяч родников, многих десятков ручьев и небольших рек. Кроме того, в связи со значительным снижением уровней подземных вод наблюдаются и другие негативные изменения экологической обстановки: осушаются заболоченные территории с большим видовым разнообразием растительности, иссушаются леса, гибнет влаголюбивая растительность гигрофиты и др.
Так, например, на Айдосском водозаборе в Центральном Казахстане произошло понижение подземных вод, которое вызвало высыхание и отмирание растительности, а также резкое сокращение транспирационного расхода. Довольно быстро отмерли гигрофиты (ива, тростник, рогоз, чиевик), частично погибли даже растения с глубоко проникающей корневой системой (полынь, шиповник, жимолость татарская и др.); выросли тугайные заросли. Искусственное понижение уровня подземных вод, вызванное интенсивной откачкой, отразилось и на экологическом состоянии прилегающих к водозабору участках долины рек. Этот же антропогенный фактор приводит к ускорению времени смены сукцессионного ряда, а также к выпадению отдельных его стадий.
Длительная интенсификация подземных водозаборов в определенных геолого-гидрогеологических условиях может вызвать медленное оседание и деформации земной поверхности. Последнее негативно сказывается на состоянии экосистем, особенно прибрежных районов, где затапливаются пониженные участки и нарушается нормальное функционирование естественных сообществ организмов и всей среды обитания человека. Истощению подземных вод способствует также длительный неконтролируемый самоизлив артезианских вод из скважин.
Истощение поверхностных вод проявляется в прогрессирующем снижении их минимально допустимого стока. На территории России поверхностный сток воды распределяется крайне неравномерно. Около 90% общего годового стока с территории России выносится в Северный Ледовитый и Тихий океаны, а на бассейны внутреннего стока (Каспийское и Азовское море), где проживает свыше 65 % населения России, приходится менее 8 % общего годового стока.
Именно в этих районах наблюдается истощение поверхностных водных ресурсов и дефицит пресной воды продолжает расти. Связано это не только с неблагоприятными климатическими и гидрологическими условиями, но и с активизацией хозяйственной деятельности человека, которая приводит ко все более возрастающему загрязнению вод, снижению способности водоемов к самоочищению, истощению запасов подземных вод, а следовательно, к снижению родникового стока, подпитывающего водотоки и водоемы.
Серьезнейшая экологическая проблема восстановление водности и чистоты малых рек (т. е. рек длиной не более 100 км), наиболее уязвимого звена в речных экосистемах. Именно они оказались наиболее восприимчивыми к антропогенному воздействию. Непродуманное хозяйственное использование водных ресурсов и прилегающих земельных угодий вызвало их истощение (а нередко и исчезновение), обмеление и загрязнение.
В настоящее время состояние малых рек и озер, особенно в европейской части России, в результате резко возросшей антропогенной нагрузки на них, катастрофическое. Сток малых рек снизился более чем наполовину, качество воды неудовлетворительное. Многие из них полностью прекратили свое существование.
К очень серьезным негативным экологическим последствиям приводит и изъятие на хозяйственные цели большого количества воды из впадающих в водоемы рек. Так, уровень некогда многоводного Аральского моря начиная с 60-х гг. катастрофически понижается в связи с недопустимо высоким перезабором воды из Амударьи и Сырдарьи. Приведенные данные свидетельствуют о нарушении закона целостности биосферы, когда изменение одного звена влечет за собой сопряженное изменение всех остальных. В результате объем Аральского моря сократился более чем наполовину, уровень моря снизился на 13 м, а соленость воды (минерализация) увеличилась в 2,5 раза.
Академик Б. Н. Ласкарин по поводу трагедии Аральского моря высказался следующим образом: «Мы остановились у самого края пропасти... Арал губили, можно сказать, целенаправленно. Существовала даже некая антинаучная гипотеза, по которой Арал считался ошибкой природы. Якобы он мешал осваивать водные ресурсы Сырдарьи и Амударьи (говорили, что забирая их воду, Арал испаряет ее в воздух). Сторонники этой идеи не думали ни о рыбе, ни о том, что Арал центр оазиса».
Осушенное дно Аральского моря становится сегодня крупнейшим источником пыли и солей. В дельте Амударьи и Сырдарьи на месте гибнущих тугайных лесов и тростниковых зарослей появляются бесплодные солончаки. Трансформация фитоценозов на берегу Аральского моря и в дельтах Амударьи и Сырдарьи происходит на фоне высыхания озер, проток, болот и повсеместного снижения уровня грунтовых вод, обусловленного падением уровня моря. В целом перезабор воды из Амударьи и Сырдарьи и падение уровня моря вызвали такие экологические изменения приаральского ландшафта, которые могут быть охарактеризованы как опустынивание.
К другим весьма значительным видам воздействия человека на гидросферу, кроме истощения подземных и поверхностных вод, следует отнести создание крупных водохранилищ, коренным образом преобразующих природную среду на прилегающих территориях
Создание крупных водохранилищ, особенно равнинного типа, для аккумуляции и регулирования поверхностного стока приводит к разнонаправленным последствиям (рис. 64) в окружающей природной среде. Необходимо учитывать, что создание водохранилищ путем перегораживания русла водотоков плотинами чревато серьезными негативными последствиями для большинства гидробионтов. Из-за того, что многие нерестилища рыб оказываются отрезанными плотинами, резко ухудшается или прекращается естественное воспроизводство многих лососевых, осетровых и других проходных рыб.

Рис. 64. Экологические последствия создания водохранилищ
Деградация земельных ресурсов
Верхняя часть литосферы, которая непосредственно выступает как минеральная основа биосферы, в настоящее время подвергается все более возрастающему антропогенному воздействию. В эпоху бурного экономического развития, когда в процесс производства вовлечена практически вся биосфера планеты, человек, по гениальному предвидению В. И. Вернадского, стал «крупнейшей геологической силой», под действием которой меняется лик Земли.
Почва один из важнейших компонентов окружающей природной среды. Все основные ее экологические функции замыкаются на одном обобщающем показателе почвенном плодородии. Отчуждая с полей основной (зерно, корнеплоды, овощи и др.) и побочный урожай (солома, листья, ботва и др.), человек размыкает частично или полностью биологический круговорот веществ, нарушает способность почвы к саморегуляции и снижает ее плодородие. Даже частичная потеря гумуса и, как следствие, снижение плодородия, не дает почве возможность выполнять в полной мере свои экологические функции, и она начинает деградировать, т. е. ухудшать свои свойства. К деградации почв (земель) ведут и другие причины, преимущественно антропогенного характера.
В наибольшей степени деградируют почвы агроэкосистем. Причина неустойчивого состояния агроэкосистем обусловлена их упрощенным фитоценозом, который не обеспечивает оптимальную саморегуляцию, постоянство структуры и продуктивности. И если у природных экосистем биологическая продуктивность обеспечивается действием естественных законов природы, то выход первичной продукции (урожая) в агроэкосистемах всецело зависит от такого субъективного фактора, как человек, уровня его агрономических знаний, технической оснащенности, социально-экономических условий и т. д., а значит, остается непостоянным.
Деградация земельных ресурсов проявляется в виде: эрозии (ветровой и водной); загрязнении; вторичном засолении и заболачивании; опустынивании; отчуждении земель для промышленного и коммунального строительства.
Эрозия почв (земель) разрушение и снос верхних наиболее плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия). Земли, подвергшиеся разрушению в процессе эрозии, называют эродированными.
К эрозионным процессам относят также промышленную эрозию (разрушение сельскохозяйственных земель при строительстве и разработке карьеров), военную эрозию (воронки, траншеи), пастбищную эрозию (при интенсивной пастьбе скота), ирригационную (разрушение почв при прокладке каналов и нарушении норм поливов) и др.
Однако настоящим бичом земледелия у нас в стране и в мире остаются водная эрозия (ей подвержены 31 % суши) и ветровая эрозия (дефляция), активно действующая на 34 % поверхности суши. В США эродировано, т. е. подвержено эрозии, 40 % всех сельскохозяйственных земель, а в засушливых районах мира еще больше 60 % от общей площади, из них 20 % сильно эродированы.
Эрозия оказывает существенное негативное влияние на состояние почвенного покрова, а во многих случаях разрушает его полностью. Падает биологическая продуктивность растений, снижаются урожаи и качество зерновых культур, хлопка, чая и др.
Ветровая эрозия (дефляция) почв. Под ветровой эрозией понимают выдувание, перенос и отложение мельчайших почвенных частиц ветром.
Интенсивность ветровой эрозии зависит от скорости ветра, устойчивости почвы, наличия растительного покрова, особенностей рельефа и от других факторов. Огромное влияние на ее развитие оказывают антропогенные факторы. Например, уничтожение растительности, нерегулируемый выпас скота, неправильное применение агротехнических мер резко активизируют эрозионные процессы.
Различают местную (повседневную) ветровую эрозию и пыльные бури. Первая проявляется в виде поземок и столбов пыли при небольших скоростях ветра.
Пыльные бури возникают при очень сильных и продолжительных ветрах. Скорость ветра достигает 20 - 30 м/с и более. Наиболее часто пыльные бури наблюдаются в засушливых районах (сухие степи, полупустыни, пустыни). Пыльные бури безвозвратно уносят самый плодородный верхний слой почв; они способны развеять за несколько часов до 500 т почвы с 1 га пашни, негативно влияют на все компоненты окружающей природной среды, загрязняют атмосферный воздух, водоемы, отрицательно влияют на здоровье человека.
В нашей стране пыльные бури неоднократно возникали в Нижнем Поволжье, на Северном Кавказе, в Башкирии и в других районах. Опустошительная пыльная буря отмечалась в апреле 1928 г., когда пострадало огромная площадь земель от Дона до Днепра. Ветер поднял более 15 млн т черноземной пыли до высоты 400 - 700 м, выдувание почвы достигло 10 - 12 см, а местами - 25 см, т. е. практически почва была унесена на ту глубину, на которую она была вспахана.
Старожилы на Северном Кавказе хорошо помнят пыльную бурю, охватившую в марте - апреле 1960 г. значительную часть Северного Кавказа, Нижнего Дона и южную Украину. На огромной территории был снесен слой плодородной почвы толщиной до 10 см, повреждены озимые, засыпаны многие оросительные каналы. Вдоль полезащитных лесонасаждений, железнодорожных насыпей образовались земляные валы высотой до 2-3 метров.
В настоящее время крупнейший источник пыли Арал. На космических снимках видны шлейфы пыли, которые тянутся в стороны от Арала на многие сотни километров. Общая масса переносимой ветром пыли в районе Арала достигает 90 млн т в год. Другой крупный пылевой очаг в России Черные земли Калмыкии.
Водная эрозия почв (земель). Под водной эрозией понимают разрушение почв под действием временных водных потоков. Различают следующие формы водной эрозии: плоскостную, струйчатую, овражную, береговую. Как и в случае ветровой эрозии, условия для проявления водной эрозии создают природные факторы, а основной причиной ее развития является производственная и иная деятельность человека. В частности, появление новой тяжелой почвообрабатывающей техники, разрушающей структуру почвы, одна из причин активизации водной эрозии в последние десятилетия. Другие негативные антропогенные факторы: уничтожение растительности и лесов, чрезмерный выпас скота, отвальная обработка почв и др.
Среди различных форм проявления водной эрозии значительный вред окружающей природной среде и в первую очередь почвам приносит овражная эрозия. Экологический ущерб от оврагов огромен. Овраги уничтожают ценные сельскохозяйственные земли, способствуют интенсивному смыву почвенного покрова, заиливают малые реки и водохранилища, создают густорасчлененный рельеф. Площадь оврагов только на территории Русской равнины составляет 5 млн га и продолжает увеличиваться. Подсчитано, что ежедневные потери почв из-за развития оврагов достигают 100 - 200 га.
Загрязнение почв. Поверхностные слои почв легко загрязняются. Большие концентрации в почве различных химических соединений токсикантов пагубно влияют на жизнедеятельность почвенных организмов. При этом теряется способность почвы к самоочищению от болезнетворных и других нежелательных микроорганизмов, что чревато тяжелыми последствиями для человека, растительного и животного мира. Например, в сильно загрязненных почвах возбудители тифа и паратифа могут сохраняться до полутора лет, тогда как в незагрязненных лишь в течение двух-трех суток.
Основные загрязнители почвы: 1) пестициды (ядохимикаты); 2) минеральные удобрения; 3) отходы и отбросы производства; 4) газо-дымовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу; 5) нефть и нефтепродукты.
В мире ежегодно производится более миллиона тонн пестицидов. Только в России используется более 100 индивидуальных пестицидов при общем годовом объеме их производства - 100 тыс. т. Наиболее загрязненными пестицидами районами являются Краснодарский край и Ростовская область (в среднем около 20 кг на 1 га). В России на одного жителя в год приходится около 1 кг пестицидов, во многих других развитых промышленных странах мира эта величина существенно выше.
В настоящее время влияние пестицидов на здоровье населения многие ученые приравнивают к воздействию на человека радиоактивных веществ. Достоверно установлено, что при применении пестицидов, наряду с некоторым увеличением урожайности, отмечается рост видового состава вредителей, ухудшаются пищевые качества и сохранность продукции, утрачивается естественное плодородие и т. д.
По мнению ученых, подавляющая часть применяемых пестицидов попадает в окружающую среду (воду, воздух), минуя виды-мишени. Пестициды вызывают глубокие изменения всей экосистемы, действуя на все живые организмы, в то время как человек использует их для уничтожения весьма ограниченного числа видов организмов. В результате наблюдается интоксикация огромного числа других биологических видов (полезных насекомых, птиц) вплоть до их исчезновения. К тому же человек старается использовать значительно больше пестицидов, чем это необходимо, и еще более усугубляет проблему.
Среди пестицидов наибольшую опасность представляют стойкие хлорорганические соединения (ДДТ, ГХБ, ГХЦГ), которые могут сохраняться в почвах в течение многих лет и даже малые их концентрации в результате биологического накопления могут стать опасными для жизни организмов. Но и в ничтожных концентрациях пестициды подавляют иммунную систему организма, а в более высоких концентрациях обладают выраженными мутагенными и канцерогенными свойствами. Попадая в организм человека, пестициды могут вызвать не только быстрый рост злокачественных новообразований, но и поражать организм генетически, что может представлять серьезную опасность для здоровья будущих поколений. Вот почему применение наиболее опасного из них - ДДТ в нашей стране и в ряде других стран запрещено.
Таким образом, можно с уверенностью констатировать, что общий экологический вред от использования загрязняющих почву пестицидов многократно превышает пользу от их применения. Воздействие пестицидов оказывается весьма негативным не только для человека, но и для всей фауны и флоры. Растительный покров оказался очень чувствительным к действию пестицидов, причем не только в зонах его применения, но и в местах, достаточно удаленных от них, из-за переноса загрязняющих веществ ветром или поверхностным стоком воды (рис. 65).
Пестициды способны проникать в растения из загрязненной почвы через корневую систему, накапливаться в биомассе и впоследствии заражать пищевую цепь. При распылении пестицидов наблюдается значительная интоксикация птиц (орнитофауны). Особенно страдают популяции певчих и перелетных дроздов, жаворонков и других воробьиных.
Работами отечественных и зарубежных исследователей неопровержимо доказано, что загрязнение почв пестицидами вызывает не только интоксикацию человека и большого числа видов животных, но и ведет к существенному нарушению воспроизводящих функций и, как следствие, к тяжелым демо-экологическим последствиям. С длительным применением пестицидов связывают также развитие резистентных (устойчивых) рас вредителей и появление новых вредных организмов, естественные враги которых были уничтожены.
Почвы загрязняются и минеральными удобрениями, если их используют в неумеренных количествах, теряют при производстве, транспортировке и хранении. Из азотных, суперфосфатных и других типов удобрений в почву в больших количествах мигрируют нитраты, сульфаты, хлориды и другие соединения. Б. Коммонер (1970) установил, что при самых благоприятных условиях из всего количества азотных удобрений, применяемых в США, поглощается растениями 80%, а в среднем по стране лишь 50%. Это приводит к нарушению биогеохимического круговорота азота, фосфора и некоторых других элементов. Экологические последствия этого нарушения в наибольшей степени проявляются в водной среде, в частности при формировании эвтрофии, которая возникает при смыве с почв избыточного количества азота, фосфора и других элементов.


Рис. 65. Движение пестицидов в биосфере. Значительная часть пестицидов не достигает обрабатываемой территории, сносится и оседает в более или менее удаленных экосистемах (по КлсШ, 1971; с изменениями)

В последнее время выявлен еще один неблагоприятный аспект неумеренного потребления минеральных удобрений и в первую очередь нитратов. Оказалось, что большое количество нитратов снижает содержание кислорода в почве, а это способствует повышенному выделению в атмосферу двух «парниковых» газов закиси азота и метана. Нитраты опасны и для человека. Так, при поступлении нитратов в человеческий организм в концентрации свыше 50 мг/л отмечается их прямое общетоксическое воздействие, в частности возникновение метгемоглобинемии вследствие биологических превращений нитратов в нитриты и другие токсичные соединения азота. Неумеренное потребление минеральных удобрений вызывает в ряде районов и нежелательное подкисление почв.
К интенсивному загрязнению почв приводят отходы и отбросы производства. В нашей стране ежегодно образуется свыше миллиарда тонн промышленных отходов, из них более 50 млн т особо токсичных. Огромные площади земель заняты свалками, золоотвалами, хвостохранилищами и др., которые интенсивно загрязняют почвы, а их способность к самоочищению, как известно, ограничена.
Огромный вред для нормального функционирования почв представляют газо-дымовые выбросы промышленных предприятий. Почва обладает способностью накапливать весьма опасные для здоровья человека загрязняющие вещества, например тяжелые металлы (табл. 11). Вблизи ртутного комбината содержание ртути в почве из-за газо-дымовых выбросов может повышаться до концентрации, в сотни раз превышающих допустимые.
Значительное количество свинца содержат почвы, находящиеся в непосредственной близости от автомобильных дорог. Результаты анализа образцов почвы, отобранных на расстоянии нескольких метров от дороги, показывают 30-кратное превышение концентрации свинца по сравнению с его содержанием (20 мкг/г) в почве незагрязненных районов.

Таблица 11
Последствия воздействия некоторых тяжелых металлов на здоровье человека
Элементы
Последствия воздействия элементов
Источники


Повышенные концентрации


Ртуть
(Нg)
Нервные расстройства (болезнь Минамата); нарушение функций желудочно-кишечного тракта, почек; изменение в хромосомах
Загрязненные почвы, поверхностные и подземные воды

Мышьяк
(Аs)
Раковые заболевания кожи, интоксикация, периферические невриты
Загрязненные почвы, протравленное зерно

Свинец
(Рb)
Разрушение костных тканей, задержка синтеза протеина в крови, нарушение нервной системы и почек
Загрязненные почвы, поверхностные и подземные воды


Медь
(Сu)
Органические изменения в тканях, распад костной ткани, гепатит
Загрязненные почвы, поверхностные и подземные воды


Кадмий
(Сd)
Цирроз печени, нарушение функций почек, протеинурия
Загрязненные почвы



По данным агрохимической службы России (1997), почти 0,4 млн га в нашей стране оказались загрязненными медью, свинцом, кадмием и др. Еще больше земель были загрязнены радионуклидами и радиоактивными изотопами в результате Чернобыльской катастрофы.
Одной из серьезных экологических проблем России становится загрязнение земель нефтью и нефтепродуктами в таких нефтедобывающих районах, как Западная Сибирь, Среднее и Нижнее Поволжье и др. Причины загрязнения аварии на магистральных и внутрипромысловых нефтепроводах, несовершенство технологии нефтедобычи, аварийные и технологические выбросы и т. д. В результате в отдельных районах Тюменской и Томской областей концентрации нефтяных углеводородов в почвах превышают фоновые значения в 150 - 250 раз. На Тюменском Севере площади оленьих пастбищ уменьшились на 12,5%, т. е. на 6 млн га, замазученными оказались 30 тыс. га. В Западной Сибири выявлено свыше 20 тыс. га, загрязненных нефтью с толщиной слоя не менее пяти сантиметров (Государственный доклад..., 1995).
Значительную угрозу для здоровья людей представляет загрязнение почв различными патогенами, которые могут проникать в организм человека следующим образом:
во-первых, через цепь: человек почва человек. Патогенные организмы выделяются зараженным человеком и через почву передаются другому, либо через выращенные на зараженной почве овощи и фрукты. Таким способом человек может заболеть холерой, бациллярной дизентерией, брюшным тифом, паратифом и др. Аналогичным путем в организм человека могут попадать и черви-паразиты;
во-вторых, через цепь: животные почва человек. Существуют ряд заболеваний животных, которые передаются человеку (лептосориаз, сибирская язва, туляремия, лихорадка Ку и др.) путем прямого контакта с почвой, загрязненной выделениями инфицированных животных;
в-третьих, через цепь: почва человек, когда патогенные организмы попадают из нее в организм человека при прямом контакте (столбняк, ботулизм, микозы и др.).
В процессе хозяйственной деятельности человек может усиливать природное засоление почв. Такое явление носит название вторичного засоления и развивается оно при неумеренном поливе орошаемых земель в засушливых районах.
Во всем мире процессам вторичного засоления и осолонцевания подверженно около 30% орошаемых земель. Площадь засоленных почв в России составляет 36 млн га (18% общей площади орошаемых земель). Засоление почв ослабляет их вклад в поддержание биологического круговорота веществ. Исчезают многие виды растительных организмов, появляются новые растения галофиты (солянка и др.). Уменьшается генофонд наземных популяций в связи с ухудшением условий жизни организмов, усиливаются миграционные процессы.
Заболачивание почв наблюдается в сильно переувлажненных районах, например, в Нечерноземной зоне России, на Западно-Сибирской низменности, в зонах вечной мерзлоты. Заболачивание почв сопровождается деградационными процессами в биоценозах, появлением признаков оглеения и накоплением на поверхности неразложившихся остатков. Заболачивание ухудшает агрономические свойства почв и снижает производительность лесов.
Одним из глобальных проявлений деградации почв, да и всей окружающей природной среды в целом, является опустынивание. По Б. Г. Розанову (1984), опустынивание это процесс необратимого изменения почвы и растительности и снижения биологической продуктивности, который в экстремальных случаях может привести к полному разрушению биосферного потенциала и превращению территории в пустыню.
Всего в мире подвержено опустыниванию более 1 млрд га практически на всех континентах. Причины и основные факторы опустынивания различны (рис. 66). Как правило, к опустыниванию приводит сочетание нескольких факторов, совместное действие которых резко ухудшает экологическую ситуацию.
На территории, подверженной опустыниванию, ухудшаются физические свойства почв, гибнет растительность, засоляются грунтовые воды, резко падает биологическая продуктивность, а следовательно, подрывается и способность экосистем восстанавливаться. «И если эрозию можно назвать недугом ландшафта, то опустынивание это его смерть» (Доклад ФАО ООН). Процесс этот получил столь широкое распространение, что явился предметом международной программы «Опустынивание». В докладе ЮНЕП (организация ООН по окружающей среде) подчеркивается, что опустынивание это результат длительного исторического процесса, в ходе которого неблагоприятные явления природы и деятельность человека, усиливая друг друга, приводят к изменению характеристик природной среды.
Опустынивание является одновременно социально-экономическим и природным процессом, оно угрожает примерно 3,2 млрд га земель, на которых проживают более 700 млн человек. Особенно опасное положение сложилось в Африке в зоне Сахеля (Сенегал, Нигерия, Буркина Фасо, Мали и др.) переходной биоклиматической зоне (шириной до 400 км) между пустыней Сахара на севере и саванной на юге.
Причина катастрофического положения в Сахеле обусловлена сочетанием двух факторов: 1) усилением воздействия человека на природные экосистемы с целью обеспечения продовольствием быстро растущего населения и 2) изменившимися метеорологическими условиями (длительными засухами). Интенсивный выпас скота приводит к чрезмерной нагрузке на пастбища и уничтожению и без того разреженной растительности с низкой естественной продуктивностью. Опустыниванию способствует также массовое выжигание прошлогодней сухой травы, особенно после периода дождей, интенсивная распашка, снижение уровня грунтовых вод и др. Выбитая растительность и сильно разрыхленные почвы создают условия для интенсивного выдувания (дефляции) поверхностного слоя земли. Изменение природных комплексов и их деградация особенно заметны в период засух.

Рис. 66. Основные факторы и причины развития опустынивания

Многие экологи считают, что в списке злодеяний против окружающей среды на второе место после гибели лесов можно поставить «опустынивание». На территории СНГ опустыниванию подвержено Приаралье, Прибалхашье, Черные земли в Калмыкии и Астраханской области и некоторые другие районы. Все они относятся к зонам экологического бедствия и их состояние продолжает ухудшаться.
В результате непродуманной хозяйственной деятельности на этих территориях произошли глубокие необратимые деградационные изменения природной среды и в первую очередь ее эдафической части. Это повлекло за собой резкое снижение биоразнообразия фито- и зооценозов и разрушение природных экосистем. Специалисты отмечают, что там, где по условиям рельефа, качества почвы, мощности первостоя можно было выпасать только одну овцу, выпасалось в десятки раз больше. В результате травянистые пастбища превратились в эродированные земли. Так, например, только за последние пять лет площадь подвижных песков в Калмыкии увеличилась более чем на 50 тыс. га.
Почвенный покров агроэкосистем необратимо нарушается при отчуждении земель для нужд несельскохозяйственного пользования: строительства промышленных объектов, городов, поселков, для прокладки линейно-протяженных систем (дорог, трубопроводов, линий связи), при открытой разработке месторождений полезных ископаемых и т. д. По данным ООН, в мире только при строительстве городов и дорог ежегодно безвозвратно теряется более 300 тыс. га пахотных земель. Конечно, эти потери в связи с развитием цивилизации неизбежны, однако они должны быть сокращены до минимума.
Уменьшение биоразнообразия
Нормальное состояние и функционирование биосферы, а следовательно, и стабильность окружающей природной среды невозможны без обеспечения благоприятной среды обитания для всех биотических сообществ во всем их многообразии. Утрата же биоразнообразия ставит под угрозу не только благополучие человека, но и само его существование.
Скорость уменьшения биоразнообразия, как у нас в стране, так и во всем мире, за последние 30 - 40 лет резко увеличилась. Снижение биоразнообразия отмечается на всех уровнях генетическом, видовом и экосистемном, что уже приводит к необратимым изменениям природной среды. Происходит самое значительное за последние 65 млн лет исчезновение видов растений и животных со скоростью, в пять тысяч раз превышающей естественный ход эволюции на Земле.
Антропогенные воздействия на главнейшие компоненты биотических сообществ рассмотрим в следующем порядке: растительный мир (леса и другие сообщества), животный мир.
Главенствующее значение в природе и в жизни человека имеют леса. Россия богата лесом. Более 1,2 млрд га, или 75 % от площади земельных угодий занимают леса. Ни одна страна в мире не имеет больших запасов древесины. Общая площадь лесов России составляет сегодня значительную часть всех лесов Земли. Это самые мощные легкие планеты из оставшихся.
Размещение лесов в нашей стране неравномерно, наибольшая часть всей лесопокрытой площади находится в Западной и Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Здесь сосредоточены основные площади сосны обыкновенной, ели, лиственницы, пихты, кедра сибирского, осины. Основные лесные богатства сосредоточены в Восточной Сибири (45 % лесов всей страны) и простираются от Енисея почти до Охотского моря. Этот богатейший лесной край представлен такими ценными древесными породами, как лиственница сибирская и даурская, сосна обыкновенная, кедр сибирский и др.
Леса важная составная часть окружающей природной среды. Как экологическая система лес выполняет различные функции и одновременно является незаменимым природным ресурсом (рис. 67). Многочисленные исследования как у нас в стране, так и за рубежом подтвердили исключительное значение лесов в сохранении экологического равновесия в природной среде. По мнению специалистов, значение средозащитной функции леса, т. е. сохранность генофонда флоры и фауны, на порядок выше их экономического значения как источника сырья и продуктов.
Влияние лесов на окружающую природную среду исключительно многообразно. Оно проявляется, в частности, в том, что леса:
являются основным поставщиком кислорода на планете;
непосредственно влияют на водный режим как на занятых ими, так и на прилегающих территориях и регулируют баланс воды;
снижают отрицательное воздействие засух и суховеев, сдерживают движение подвижных песков;
смягчая климат, способствуют повышению урожаев сельскохозяйственных культур;
поглощают и преобразовывают часть атмосферных химических загрязнений;
защищают почвы от водной и ветровой эрозии, селей, оползней, разрушения берегов и других неблагоприятных геологических процессов;
создают нормальные санитарно-гигиенические условия, благотворно влияют на психику человека, имеют огромное рекреационное значение.


Рис. 67. Значение леса в природе и жизни человека

Вместе с тем леса являются источником получения древесины и многих других видов ценного сырья. Из древесины производят более 30 тыс. изделий и продуктов, и потребление ее не уменьшается, а, наоборот, увеличивается.
Подчеркнем еще раз, что значение леса беспредельно. Известный русский писатель Л. М. Леонов назвал его Другом с большой буквы. Леса важное и наиболее эффективное средство поддержания естественного состояния биосферы и незаменимый фактор культурного и социального значения. Позитивная экологическая роль леса отражена в девизе Международного конгресса лесоводов (Индия): «Лес это вода, вода урожай, урожай жизнь».
По своему значению, местоположению и выполняемым функциям все леса подразделяют на три группы:
первая группа леса, выполняющие защитные экологические функции (водоохранные, полезащитные, санитарно-гигиенические, рекреационные). Эти леса строго охраняются, особенно лесопарки, городские леса, особо ценные лесные массивы, национальные природные парки. В лесах этой группы допускаются только рубки ухода за лесом и санитарные рубки деревьев;
вторая группа леса, имеющие защитное и ограниченное эксплуатационное значение. Распространены они в районах с высокой плотностью населения и развитой сетью транспортных путей. Сырьевые ресурсы лесов этой группы недостаточны, поэтому, чтобы сохранить их защитные и эксплуатационные функции, требуется строгий режим лесопользования;
третья группа эксплуатационные леса. Распространены они в многолесных районах и являются основным поставщиком древесины. Заготовка древесины должна осуществляться без изменения естественных биотопов и нарушения естественного экологического равновесия.
Принадлежность леса к той или иной группе определяет режим лесопользования, который должен вестись на строго научной основе с соблюдением основных принципов максимального сбережения природных экосистем и рационального использования лесных ресурсов.
При характеристике нынешнего состояния растительного покрова и в первую очередь лесных экосистем все чаще используется термин деградация. Леса раньше других компонентов природной среды испытали отрицательное влияние деятельности человека. Деградация лесов служит одним из проявлений глобальных изменений, происходящих на Земле, которые начались с появлением земледелия и скотоводства.
Воздействие человека на леса и вообще на весь растительный мир может быть прямым и косвенным. К прямому воздействию относятся: 1) сплошная вырубка лесов; 2) лесные пожары и выжигание растительности; 3) уничтожение лесов и растительности при создании хозяйственной инфраструктуры (затопление при создании водохранилищ, уничтожение вблизи карьеров, промышленных комплексов); 4) усиливающийся пресс туризма.
Косвенное воздействие это изменение условий обитания в результате антропогенного загрязнения воздуха, воды, применения пестицидов и минеральных удобрений. Определенное значение имеет также проникновение в растительные сообщества чуждых видов растений (интродуцентов).
В отчете ЮНЕП «О состоянии окружающей среды к 2000 году» подчеркнуто, что «сведение лесов вероятно, наиболее серьезная экологическая проблема, стоящая перед человечеством...» Сведение (гибель) лесов в списке злодеяний человека против окружающей природной среды, по А. Гору (1993), стоит на первом месте. За несколько столетий была уничтожена значительная часть всех лесных массивов на планете. На современном этапе развития производительных сил лесные экосистемы становятся еще более уязвимыми, утрачивают свои защитные функции, их потенциальные средоустойчивые возможности значительно ослабевают.
В XVII в. на Русской равнине площадь лесов достигала 5 млн км2, к 1970 г. их осталось не более 1,5 млн км2. В наши дни лес в России вырубают примерно на 2 млн га ежегодно. В то же время масштабы лесовосстановления с помощью посадок и посевов леса постоянно сокращаются. Для естественного восстановления леса после сплошной рубки требуются многие десятки лет, а для достижения климаксной фазы, т. е. высокой степени замыкания круговорота биогенов, и того больше первые сотни лет (Данилов-Данильян и др., 1994).
Аналогичное состояние, связанное с вырубкой леса, наблюдается и в других странах мира. По данным ФАО (сельскохозяйственная программа ООН), обезлесение только на засушливых землях происходит на 4 млн га в год, из которых 2,7 млн га приходится на Африку. Лес здесь рубят в основном на дрова, поскольку спрос на топливную древесину постоянно растет. Достаточно отметить, что 82% всей энергии, используемой в восьми странах Сахели (Африка), дает древесина.
В еще более опасном положении находятся вечнозеленые влажные (дождевые) тропические леса древние климаксные экосистемы. Это бесценное хранилище генетического многообразия исчезает с лица Земли примерно со скоростью 17 млн га в год. Ученые полагают, что при таких темпах влажные тропические леса, особенно в низменных равнинах, полностью исчезнут через несколько десятков лет. По данным на 1992 г., в Восточной и Западной Африке уничтожено 56 % лесов, а в отдельных районах до 70%; в Южной Америке (главным образом в бассейне Амазонки) - 37 %, в Юго-Восточной Азии 44 % от первоначальных площадей. Их выжигают ради расчистки земли под пастбища, интенсивно вырубают как источник древесного топлива, выкорчевывают при неправильном ведении системы земледелия, затапливают при строительстве гидроэлектростанций, и т. д.
Пагубное влияние на лесные экосистемы оказывают лесные пожары. Возникают они в подавляющем большинстве случаев по вине людей, как следствие неосторожного обращения с огнем. В зонах тропических лесов пожары образуются в результате сознательного выжигания лесных массивов под пастбища и других сельскохозяйственных целей. Сознательно выжигали леса и в ходе военных действий, например во время войны во Вьетнаме, Лаосе, Кампучии (1961 - 1975 гг.).
Ранее в России лесные пожары возникали в каждый засушливый год. Огромные массивы леса (около 15 млн га) горели, например, в Восточной Сибири в 1915 г. В дальнейшем в связи с развитием новых технических средств тушения пожаров и совершенствованием методов их обнаружения, площади лесных пожаров сократились. Однако и на сегодня лесные пожары представляют серьезную угрозу для лесного фонда не только России, но и всех стран мира. По данным Н. Ф. Реймерса (1990), крупнейшие лесные пожары в последние годы зарегистрированы в 1972 г. (европейская часть России) и в 1979 и 1987 гг. (Восточная Сибирь). Значительные лесные пожары наблюдались в 90-е гг. в Якутии и Магаданской области, в центральной и северо-западной части Европейской России. Только в 1997 г. зарегистрировано более 31 тыс. пожаров, охвативших более 726 тыс. га лесной площади.
Ранее уже рассматривалось весьма негативное влияние атмосферных загрязнений и в первую очередь диоксида серы на состояние лесных экосистем. В последние годы значительным фактором деградации лесов становится радиоактивное загрязнение. По подсчетам ученых, общая площадь лесов, пораженных в результате аварии на Чернобыльской АЭС, в Челябинской области и в зоне влияния ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне составила более 3,5 млн га.
Помимо лесов возросшее негативное воздействие человеческой деятельности проявляется и в отношении остального растительного ценоза (сосудистые растения, грибы, водоросли, лишайники, мохообразные и др.). Наиболее часто отрицательное воздействие человека на растительные сообщества проявляется при выкашивании, сборе лекарственных растений и ягод, стравлении скоту и других видах непосредственного использования. Множество различных видов растений гибнут при воздействии загрязняющими веществами, а также в процессе мелиоративной, строительной и сельскохозяйственной деятельности.
Масштабное антропогенное воздействие на лесные сообщества приводит к тяжелым экологическим последствиям как на зкосистемно-биосферном, так и на популяционно-видовом уровнях.
На обезлесенных территориях возникают глубокие овраги, разрушительные оползни и сели, уничтожается фотосинтезирующая фитомасса, выполняющая важные экологические функции, ухудшается газовый состав атмосферы, меняется гидрологический режим водных объектов, исчезают многие растительные и животные виды.
Сведение крупных лесных массивов, особенно влажных тропических этих своеобразных испарителей влаги, по мнению многих исследователей, неблагоприятно отражается не только на региональном, но и на биосферном уровне. Уничтожение древесно-кустарниковой растительности и травянистого покрова на пастбищах в засушливых регионах ведет к их опустыниванию.
Еще одно негативное экологическое последствие сведения лесов изменение альбедо земной поверхности. Альбедо это величина, характеризующая способность поверхности отражать падающие на нее лучи. Интегральное альбедо крон деревьев составляет 10 - 15%, травы 20 - 25, свежевыпавшего снега - до 90 %. Альбедо земной поверхности один из важных факторов, определяющих климат как в целом в мире, так и отдельных его регионов. Установлено, что серьезные изменения климата на планете могут быть вызваны изменением альбедо поверхности Земли всего лишь на несколько процентов. В настоящее время с помощью космических снимков обнаружено крупномасштабное изменение альбедо (так же как и теплового баланса) всей поверхности Земли. Ученые полагают, что это вызвано, прежде всего, уничтожением лесной растительности и развитием антропогенного опустынивания на значительной части нашей планеты.
Огромный вред состоянию естественных лесных экосистем наносят упомянутые выше лесные пожары, надолго, если не навсегда, замедляя процесс восстановления леса на сгоревших площадях. Лесные пожары ухудшают состав леса, уменьшают прирост деревьев, нарушают связи корней с почвой, усиливают буреломы, уничтожают кормовую базу диких животных, гнездовья птиц. В сильном пламени почва сжигается до такой степени, что в ней полностью нарушается влагообмен и способность к удержанию питательных веществ. Выжженная дотла территория нередко быстро заселяется различными насекомыми, что не всегда безопасно для людей из-за возможных вспышек инфекционных заболеваний.
Кроме описанных выше прямых воздействий человека на биотические сообщества важное значение имеют и косвенные, например загрязнение их промышленными выбросами.
Различные токсиканты, и в первую очередь диоксид серы, оксиды азота и углерода, озон, тяжелые металлы, весьма негативно влияют на хвойные и широколиственные деревья, а также на кустарники, полевые культуры и травы, мхи и лишайники, фруктовые и овощные культуры и цветы. В газообразном виде или в виде кислотных осадков они отрицательно действуют на важные ассимиляционные функции растений, органы дыхания животных, резко нарушают метаболизм и приводят к различным заболеваниям. Так, например, под действием озона (03) в растениях снижается не только активность транспортной системы, но и содержание хлорофилла. Прослеживается высокая корреляция между повреждением листьев и количеством адсорбированного диоксида серы (SО2). Высокие дозы SО2 или продолжительные воздействия его низких концентраций приводят к сильному ингибированию процессов фотосинтеза и снижению дыхания. Таким образом, из приведенных выше примеров следует, что такие токсиканты, как диоксид серы, озон и др., могут существенно нарушать различные биохимические и физиологические процессы и структурную организацию клеток растений и приводить к их гибели.
Крайне отрицательно на жизнедеятельности растений сказываются автомобильные выхлопные газы, содержащие 60 % всех вредных веществ в городском воздухе и среди них такие токсичные, как оксиды углерода, альдегиды, неразложившиеся углеводороды топлива, соединения свинца. Например, под их воздействием у дуба, липы, вяза уменьшается размер хлоропластов, сокращается число и размер листьев, сокращается продолжительность их жизни, уменьшается размер и плотность устьиц, общее содержание хлорофилла уменьшается в полтора-два раза (Яблоков, Остроумов, 1985).
На популяционно-видовом уровне негативное воздействие человека на биотические сообщества проявляется в утрате биологического разнообразия, в сокращении численности и исчезновении отдельных видов. По свидетельству ботаников, обеднение флоры наблюдается во всех растительных зонах и на всех, кроме Антарктиды, материках. Причем наиболее уязвимой оказывается флора островов.
Разрушение естественных природных сообществ уже вызвало исчезновение ряда растений. В недалеком будущем множество видов растений, которые сегодня сокращаются в численности, также окажутся под угрозой исчезновения. В общей сложности во всем мире нуждаются в охране 25 - 30 тыс. видов растений, или 10 % мировой флоры. Доля вымерших видов во всех странах составляет более 0,5 % общего числа видов флоры мира, а в таких регионах, как Гавайские острова, более 11 %.
В настоящее время в России более тысячи видов находятся на грани исчезновения и нуждаются в срочной охране. Из флоры России навсегда исчезли незабудочник Чекановского, волчеягодник баксанский, строгановия стрелолистная и многие другие виды растений.
Сокращение числа видов сосудистых растений, а в ряде случаев и их исчезновение ведет к изменению видового состава экосистем. По утверждению специалистов, это приводит к разрыву зволюционно сложившихся пищевых сетей и к дестабилизации экологической системы, что проявляется в ее разрушении и обедненности. Напомним, что сокращение площадей, покрытых зеленой растительностью, или ее разреживание крайне нежелательны по двум причинам: во-первых, нарушается глобальный круговорот углерода в биосфере и, во-вторых, снижается интенсивность поглощения солнечной энергии биосферой в процессе фотосинтеза.
Животный мир это совокупность всех видов и особей диких животных (млекопитающих, птиц, пресмыкающихся, земноводных, рыб, а также насекомых, моллюсков и других беспозвоночных), населяющих определенную территорию или среду и находящихся в состоянии естественной свободы.
Согласно Федеральному закону «О животном мире» (1995 г.), основные понятия, связанные с охраной и использованием животного мира, формулируются следующим образом:
объект животного мира организмы животного происхождения или их популяция;
биологическое разнообразие животного мира разнообразие объектов животного мира в рамках одного вида, между видами и в экосистемах;
устойчивое состояние животного мира существование объектов животного мира в течение неопределенно длительного времени;
устойчивое использование объектов животного мира использование объектов животного мира, которое не приводит в долгосрочной перспективе к истощению биологического разнообразия животного мира и при котором сохраняется способность животного мира к воспроизводству и устойчивому существованию.
Животный мир является неотъемлемым элементом окружающей природной среды и биологического разнообразия Земли, возобновляющимся природным ресурсом, важным регулирующим и стабилизирующим компонентом биосферы (рис. 68).
Главнейшая экологическая функция животных участие в биотическом круговороте веществ и энергии. Устойчивость экосистемы обеспечивается в первую очередь животными, как наиболее мобильным элементом.
Необходимо сознавать, что животный мир не только важный компонент естественной экологической системы и одновременно ценнейший биологический ресурс. Очень важно и то, что все виды животных образуют генетический фонд планеты, все они нужны и полезны. В природе нет пасынков, как нет и абсолютно полезных и абсолютно вредных животных. Все зависит от их численности, условий существования и от ряда других факторов. Одна из разновидностей 100 тыс. видов различных мух комнатная муха, является переносчиком ряда заразных болезней. В то же время мухи кормят огромное количество животных (мелкие птицы, жабы, пауки, ящерицы и др.). Лишь некоторые виды (клещи, грызуны-вредители и др.) подлежат строгому контролю.
Несмотря на огромную ценность животного мира, человек, овладев огнем и оружием, еще в ранние периоды своей истории качал истреблять животных (так называемый «плейстоценовый перепромысел», а сейчас, вооружившись современной техникой, развил «стремительное наступление» и на всю естественную биоту. Конечно, на Земле и в прошлом, в любые времена, по самым разным причинам происходила постоянная смена ее обитателей. Однако сейчас темпы исчезновения видов резко возросли, а в орбиту исчезающих вовлекаются все новые и новые виды, которые до этого были вполне жизнеспособны. Видные российские ученые-экологи А. В. Яблоков и С. А. Остроумов (1983) подчеркивают, что в последнее столетие темпы спонтанного возникновения видов в десятки (если не в сотни) раз ниже, чем темпы вымирания видов. Мы являемся свидетелями упрощения как отдельных экосистем, так и биосферы в целом.


Рис. 68. Значение животного мира в природе и жизни человека

Пока нет ответа на главный вопрос: каков возможный предел этого упрощения, за которым неизбежно должно последовать разрушение «систем жизнеобеспечения» биосферы.
Главные причины утраты биологического разнообразия, сокращения численности и вымирания животных следующие:
нарушение среды обитания;
чрезмерное добывание, промысел в запрещенных зонах;
интродукция (акклиматизация) чуждых видов;
прямое уничтожение с целью защиты продукции;
случайное (непреднамеренное) уничтожение;
загрязнение среды.
Нарушение среды обитания вследствие вырубки лесов, распашки степей и залежных земель, осушения болот, зарегулирования стока, создания водохранилищ и других антропогенных воздействий коренным образом меняет условия размножения диких животных, пути их миграции, что весьма негативно отражается на их численности и выживании.
Например, в 60 - 70 гг. ценой больших усилий была восстановлена калмыцкая популяция сайгака. Ее численность превысила 700 тыс. голов. В настоящее время сайгака в калмыцких степях стало значительно меньше, а его репродуктивный потенциал потерян. Причины различные: интенсивный перевыпас домашнего скота, чрезмерное увлечение проволочными изгородями, развитие сети ирригационных каналов, перерезавших естественные пути миграции животных, в результате чего сайгаки тысячами тонули в каналах на пути их передвижения.
Нечто подобное происходило в районе г. Норильска (Гетов и др., 1986). Прокладка газопровода без учета миграции оленей в тундре привела к тому, что животные стали сбиваться перед трубой в огромные стада, и ничто не могло их заставить свернуть с векового пути. В результате погибли многие тысячи животных.
Под добыванием имеется в виду как прямое преследование и нарушение структуры популяции (охота), так и любое другое, изъятие животных и растений из природной среды для различных целей.
В Российской Федерации отмечается снижение численности ряда охотничьих видов животных, что связано в первую очередь с нынешней социально-экономической ситуацией и возросшей их незаконной добычей. Чрезмерная добыча служит главной причиной сокращения и численности крупных млекопитающих (слонов, носорогов и др.) в странах Африки и Азии. Высокая стоимость слоновой кости на мировом рынке приводит к ежегодной гибели около 60 тыс. слонов в этих странах.
Однако и мелкие животные уничтожаются в невообразимых масштабах. По расчетам А. В. Яблокова и С. А. Остроумова, на птичьих рынках больших городов европейской части России ежегодно продаются не менее нескольких сотен тысяч мелких певчих птиц. Объем международной торговли дикими птицами превышает семь миллионов экземпляров, большая часть которых погибают либо в дороге, либо вскоре после прибытия.
Негативные воздействия такого фактора снижения численности как чрезмерное добывание проявляется и по отношению к другим представителям животного мира. Например, запасы восточно-балтийской трески в настоящее время находятся на таком низком уровне, которого не отмечалось за всю историю изучения этого вида на Балтике. К 1993 г. общие уловы трески снизились по сравнению с 1984 г. в 16 раз, несмотря на возрастающие промысловые усилия (Государственный доклад..., 1995).
Запасы осетровых в Каспийском и Азовском морях подорваны настолько, что, по-видимому, придется вводить запрет на их промышленный лов. Основной причиной этого является браконьерство, которое повсеместно приняло масштабы, сопоставимые с промыслом. Ожидается продолжение запрета на промысел мойвы в Баренцевом море, так как нет надежд на восстановление численности популяции, подорванной хищническим потреблением. С 1994 г. запрещен промысел в Дону азово-кубанской сельди в связи с низкой численностью популяции.
Третьей по важности причиной сокращения численности и исчезновения видов животных является интродукция (акклиматизация) чуждых видов. В литературе описаны многочисленные случаи вымирания аборигенных (коренных) видов из-за влияния на них завезенных видов животных или растений.
Есть еще больше примеров, когда местные виды из-за вторжения «пришельцев» находятся на грани исчезновения. Широко известны в нашей стране примеры негативного влияния американской норки на местный вид европейскую норку, канадского бобра на европейского, ондатры на выхухоль, и т. д.
Многие ученые считают, что лишь в обедненные антропогенные экосистемы возможно введение новых видов для сбалансирования экологической системы. Так, например, по мнению А. Г. Банникова, вполне допустима интродукция растительноядных рыб толстолобика, белого амура в искусственные каналы, где они будут препятствовать их зарастанию. В целом же опыт работы производственно-акклиматизационных станций Главрыбвода и некоторых других организаций позволяет более оптимистично смотреть на перспективы акклиматизации рыб и водных беспозвоночных, разумеется, при достаточном экологическом обосновании. Нелишне отметить, что ряд акклиматизационных работ российских ученых получили высокую оценку на мировом уровне. Это, например, беспрецедентная в истории акклиматизации трансокеаническая пересадка камчатского краба в Баренцево море, где в настоящее время сформировалась его самовоспроизводящая популяция. Так же успешно прошла акклиматизация пиленгаса в Азовском море и горбуши на европейском Севере.
Другие причины снижения численности и исчезновения животных прямое их уничтожение для защиты сельскохозяйственной продукции и промысловых объектов (гибель хищных птиц, сусликов, ластоногих, койотов и др.); случайное (непреднамеренное) уничтожение (на автомобильных дорогах, в ходе военных действий, при кошении трав, на линиях электропередач, при зарегулировании водного стока и т. д.); загрязнение среды (пестицидами, нефтью и нефтепродуктами, атмосферными загрязнителями, свинцом и другими токсикантами).
Приведем только два примера, связанных с сокращением видов животных из-за непреднамеренного воздействия человека. В результате строительства гидротехнических плотин в Русле реки Волга полностью ликвидированы нерестилища лососевых рыб (белорыбицы) и проходной сельди, а площади распространения осетровых рыб сократились до 400 га, что составляет 12 % от прежнего нерестового фонда в Волго-Ахту-бинской пойме.
В центральных областях России при ручном сенокошении гибнет 12 – 15 % полевой дичи, при использовании конных косилок 25 – 30 %, при механизированной уборке сена 30 – 40 %. В целом гибель дичи на полях при сельхозработах в семь-десять раз превышает объем ее добычи охотниками,
Многочисленные наблюдения свидетельствуют о том, что в природе, как правило, действуют одновременно несколько факторов, вызывающих гибель особей, популяций и видов в целом. При взаимодействии они могут приводить к серьезным негативным результатам даже при малой степени выраженности каждого из них.

Понятие ноосферы как этапа  развития биосферы при разумном регулировании отношений человека и природы

За относительно короткое время своего существования человечество сильно изменило биосферу. Согласно Н.Ф. Реймерсу (1992 г.), «люди искусственно и некомпенсированно снизили количество живого вещества Земли, видимо, не менее чем на 30 % и забирают в год не менее 20% продукции всей биосферы». Указанные цифры говорят о том, что антропогенное изменение биосферы зашло слишком далеко, более того, направленность антропогенного воздействия прямо противоположна направленности эволюции биосферы. По мнению А.А. Горелова (1998 г.), с появлением человека начинается нисходящая ветвь эволюции биосферы: снижаются ее биомасса, продуктивность и информированность. Как полагает Н.Ф. Реймерс, «вслед за прямым уничтожением видов следует ожидать самодеструкции живого. Этот процесс уже идет в виде массового размножения отдельных организмов, разрушающих сложившиеся экосистемы».
Что же такое человечество? Естественное ли это продолжение природы и венец ее творения или оно представляет собой инородное тело, жизнедеятельностью своей несущее гибель всем другим существам, своего рода раковая опухоль в организме природы? Такая постановка вопроса логически оправдана, ибо в биосфере нет такого вида, который фактически осознанно подрывал бы устои своего существования. Некоторые ученые формулируют вопрос и таким образом: является ли человечество этапом в эволюции материи, или материя, породив человека, заложила в нем основу уничтожения самой себя, а точнее биосферы. В свете этого приобретает особую значимость своевременное осознание человеком своих биосферных функций.
Деятельность человеческого общества, если рассмотреть ее объективно, до сих пор направлена на снижение устойчивости биосферы практически по всем направлениям. Стихийно, по сути, развиваясь, усиливая давление на биосферу, оно истребляет доставшееся ему богатство природы, отравляет и разрушает окружающую среду. Но, с другой стороны, обладая разумом, человек познает закономерности биосферных процессов и в принципе способен действовать в направлении повышения устойчивости биосферы. Полагают, что в человеке посредством присущего ему научного мышления природа познает себя и тем самым определяет перспективы своего развития, т.е. свое будущее.
С целью определения и обозначения особого этапа в истории планеты Земля, при котором именно научное познание, а не стихийные силы и неразумное поведение будет направлять развитие системы «общество-природа», француз Э. Леруа в середине 20-х годов XX века предложил термин «ноосфера» (сфера разума). Он считал, что ноосфера характеризует процесс перехода биосферы в новое эволюционное состояние, обусловленное воздействием человека. Несколько позже философ П. Тейяр де Шарден, развивая концепцию ноосферы, выделил в развитии планеты следующие, последовательно сменяющие друг друга стадии: преджизнь (предбиосфера), жизнь (биосфера) и «феномен человека», т.е. собственно ноосфера. Причем ноосфера - это своего рода обволакивающий планету пласт мыслей, она возникает и развертывается вне биосферы.
Подлинным основателем современного учения о ноосфере является В.И. Вернадский, который внес новое содержание в это понятие, указав, что ноосфера - такое же материальное образование, как и биосфера, - закономерный и неизбежный этап развития самой биосферы, этап разумного регулирования взаимоотношений человека и природы. Человек может и должен перестраивать своим трудом и интеллектом «область своей жизни», но при этом обязан сохранять те условия биосферы, которые обеспечивают ему жизнь. Будучи естественным порождением разума человека, ноосфера в своем развитии должна основываться на высшем проявлении интеллекта - научном познании.
Если согласиться с тем, что биосферная функция человека должна заключаться в поддержании целенаправленного развития биосферы, ее он может выполнить только в эпоху ноосферы. При переходе биосферы в ноосферу перед человечеством возникает огромная по масштабам и значению задача - научиться сознательно регулировать взаимоотношения общества и природы. Только целесообразная, осознанная и планомерная деятельность людей может обеспечить гармоническое развитие природы и общества, не ограниченное во времени. При этом ноогенез - этап становления ноосферы - предполагает развитие не только биосферы и общества, но и каждой отдельной личности.
М.И. Будыко, проведя анализ процесса перехода биосферы в ноосферу, связал образование последней с достижением следующих этапов: 1 человечество стало единым целым, научно-техническая революция охватила всю планету; 2 осуществилась коренная перестройка связи и обмена, ноосфера стала единым организованным целым, все части которого на различных уровнях действуют согласованно друг с другом; 3 открыты принципиально новые источники энергии (ноосфера предусматривает коренную перестройку человеком окружающей природы, ему не обойтись без колоссальных источников энергии); 4 достигнуты социальное равенство всех людей и подъем их благосостояния; 5 возможность регулировать состояние биосферы в соответствии с потребностями человеческого общества.
Анализируя трагические последствия многих деяний человечества, весьма трудно согласиться, что биосфера уже вступила в стадию разумного, а не стихийного управления. Оптимизм В.И. Вернадского был вызван бурными успехами современной ему науки, существенно опережавшей и отчасти контролировавшей развитие техники и технологии. Однако со второй половины XX века развитие фундаментальной науки, исследующей основы мироздания, начало отставать от развития прикладных ее отраслей, которые, хотя и имеют сугубо практическое значение, не способны дать целостной картины дальнейшего развития природы и общества.
Известный эколог Ю. Одум (1986 г.) считает, например, что, несмотря на огромные возможности и способности человеческого разума к управлению природными процессами, еще рано говорить о ноосфере, так как человек не может предугадать все последствия своих действий. Об этом свидетельствует множество экологических проблем, возникших на нашей планете. Поэтому ряд ученых (Ю.Н. Куражковский и др.) полагает, что ныне правильнее говорить лишь о начальной стадии формирования ноосферы (протоноосферы), которая, развиваясь в пределах техносферы, конечно, имеет принципиальное отличие от ее будущего состояния ноосферы.
Контрольные вопросы:
1.Дайте понятие экологического кризиса.
2.Опишите экологические кризисы в развитии биосферы и цивилизаций.
3.Опишите схему классификации загрязнения экологических систем.

Раздел VII. Экология и здоровье человека

Особенности роста и развития современного человека

Человека в его жизни, как и общество в целом, подстерегают самые различные опасности. Одни опасности имеют объективную природу, например природные катастрофы, другие порождены хозяйственной и военной деятельностью, третьи человек создает себе сам. Все эти виды опасности отражаются в конечном итоге на жизни, здоровье, качестве профессиональной деятельности и благосостоянии человека (рис. 69).


Рис. 69. Современный комплекс опасностей, угрожающих человеку
(по «ОБЖ». 2000, № 1)

Известно, что здоровье взрослого в основном формировалось в детстве. Согласно данным Минздрава и Госкомсанэпиднадзора России (1999 г.), лишь 14 % детей школьного возраста здоровы, 50 % имеют функциональные отклонения, 35 – 40 % хронические заболевания. Среди школьников за период обучения в 5 раз возрастает частота нарушений органов зрения, в 3 раза патология органов пищеварения и мочеполовых путей, в 5 раз нарушение осанки, в 4 раза нервно-психические расстройства. У многих школьников наблюдается дисгармоничное физическое развитие (дефицит массы тела, снижение показателей мышечной силы, емкости легких и др.), что создает проблемы с общей работоспособностью подрастающего поколения. По статистике, заболеваемость подростков за 5 лет (1992 - 1997 гг.) увеличилась на 26,3 %, причем увеличение заболеваемости отмечено по всем классам болезней.
Научно-технический прогресс (НТП) резко изменил характер со временного труда: с одной стороны, повысилась значимость человеческого фактора в реализации эффективности техники, а с другой усложнились условия труда.
Труд современных специалистов стал по преимуществу трудом операторским, с преобладанием сенсорных элементов деятельности. В физиологию труда пришли новые представления и возникли проблемы, связанные с особенностями работы специалистов. К ним относятся в первую очередь: гипокинезия как следствие недостаточной мышечной активности, характерной для значительного большинства специалистов операторского профиля; монотонна, обусловленная однообразием работы; перегрузка (недогрузка) сенсорных систем; работа при остром дефиците времени, в условиях частого переключения ритмов; деятельность в ограниченном рабочем пространстве и режиме автономного существования; длительное пребывание в вынужденной позе; работа при постоянном воздействии на организм факторов окружающей рабочей и природной среды с использованием различных видов защитной одежды и средств индивидуальной защиты.
Отметим также, что резко усилилась эмоциональная напряженность труда, которая связана с большим (или, наоборот, малым) потоком информации; большими интеллектуальными затратами, обусловленными воздействием экстремальных факторов среды обитания. Все это, естественно, не может не сказываться на здоровье (табл. 12).

Таблица 12
Группировка факторов риска по их удельному весу для здоровья

Факторы, влияющие на здоровье
Значение для здоровья, примерный удельный вес, %
Группа факторов риска

Образ жизни
49 - 53
Курение, употребление алкоголя, несбалансированное, неправильное питание, вредные условия труда, стрессовые ситуации, низкий образовательный и культурный уровень


Генетика, биология человека
18 - 22
Предрасположенность к наследственным болезням


Внешняя среда, природно-климатические условия
17 - 20
Загрязнение воздуха, почвы, резкая смена атмосферных явлений, повышенные космические и другие излучения


Здравоохранение
8 - 10
Неэффективность профилактических мероприятий, низкое качество медпомощи



Здоровье и факторы риска

«Вообще 9/10 нашего счастья основано на здоровье. При нем все становится источником наслаждения, тогда как без него решительно никакие внешние блага не могут доставить удовольствие, даже субъективные блага: качество ума, души, темперамента при болезненном состоянии ослабевают и замирают. Отнюдь не лишено основания, что мы прежде всего спрашиваем друг друга о здоровье и желаем его друг другу: оно поистине главное условие человеческого счастья». Думается, каждый из нас согласится с этими словами известного немецкого философа А. Шопенгауэра.
Согласно Уставу Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), здоровье это «состояние полного физического, душевного и социального благополучия, а не только отсутствие болезней и физических дефектов».
В настоящее время существует целый ряд определений здоровья, которые, как правило, содержат пять критериев последнего: 1) отсутствие болезни; 2) нормальное функционирование организма в системе «человек окружающая среда»; 3) полное физическое, духовное, умственное и социальное благополучие; 4) способность адаптироваться к постоянно меняющимся условиям существования в окружающей среде; 5) способность к полноценному выполнению основных социальных функций (А.С. Смирнов, 2000 г.).
Медики отмечают, что для каждого человека важна сиюминутная оценка здоровья и прогноз на предстоящую жизнь. Поэтому должна рассматриваться не величина здоровья, как таковая, а его «мощность», т.е. количество здоровья на данном отрезке времени.
С целью оценки структуры здоровья специалисты используют показатели физического развития, для оценки функции показатели физической и умственной подготовленности, адаптационные резервы оценивают по целому ряду биохимических и иммунологическим показателям (рис. 70).

Рис. 70. Оценка мощности здоровья

Показатели болезненности, т.е. негативной компоненты, могут складываться с положительной компонентой, давая алгебраическую сумму мощности здоровья индивида.
Получить цельное представление о здоровье человека невозможно, если не принимать во внимание влияния на него психических и биологических процессов, происходящих в повседневной жизни. Ни одна болезнь не ограничена только телом или только психикой. Так как человек, в отличие от остальных представителей животного мира, наделен разумом, он обладает физическим (биологическим) и духовным здоровьем.
Таким образом, духовное и физическое здоровье это две неотъемлемые части человеческого здоровья; они должны постоянно находиться в гармоническом единстве. В таком случае обеспечивается высокий уровень здоровья (вспомните известное высказывание «в здоровом теле здоровый дух»). Физическое здоровье это здоровье нашего тела, духовное здоровье это здоровье нашего разума.
Кроме индивидуального здоровья следует выделять общественное, профессиональное и здоровье населения страны.
Показателям общественного здоровья являются: 1) заболеваемость (распространенность тех или иных болезней, особенно инфекционных); 2) смертность и ее последствия (прогнозируемая средняя продолжительность жизни), нетрудоспособность (стойкая, временная), частота отклонений от нормы тех биологических параметров, которые способствуют увеличению риска развития основных хронических заболеваний (например, повышенное артериальное давление, избыточная масса тела, и др.).
Под профессиональным здоровьем понимают способность человека сохранять защитные и компенсаторные свойства, которые обеспечивают его работоспособность в условиях осуществления профессиональной деятельности. Мощность профессионального здоровья четко связана с биологическим возрастом представителей только тех профессий, которые требуют высокого физического и умственного напряжения (летчики, космонавты, операторы, диспетчеры, военнослужащие и т.д.).

Элементы экологии внутренней среды человека
Внутри каждого организма существует особая среда, которая образована кровью, лимфой и другими растворами. Очевидно, что жизнедеятельность организма, его взаимоотношения с внешней средой неразрывно связаны и с внутренним его состоянием.
Раздел науки, который изучает взаимоотношения организма с компонентами его внутренней среды, называется эндоэкологией.
Важнейшие явления, которые происходят во внутренней среде организма, независимо от его сложности, определяются (по Ю.Н. Куражковскому) рядом эндоэкологических законов.
1. Состояние каждого организма обусловлено совокупностью его генотипа, фенотипа и динамики внешней и внутренней среды.
Отметим, что генотип это совокупность всех генов организма, а фенотип совокупность всех признаков организма, начиная с внешних и кончая особенностями строения и функционирования клеток и органов. При этом фенотип формируется под влиянием генотипа и внешней среды. Реальное состояние организма непрерывно изменяется под влиянием воздействий как окружающей, так и внутренней среды.
В динамике внутренней среды организма сочетаются пять видов движения: а) избирательно поглощаемый поток веществ, энергии и информации; б) возрастные поступательные изменения; в) многоступенчатые колебательные изменения; г) действие импульсов центральной нервной системы; д) реакции на случайные воздействия внешней среды.
Диапазон рациональных реакций внутренней среды организма на внешние воздействия обусловлен эволюционным опытом вида.
Например, при поражении организма ионизирующей радиацией последствия, как правило, весьма серьезны: организм просто не имеет эволюционного опыта борьбы с ней. Подобное положение возникает и при воздействиях на организм ряда новых искусственно полученных химических веществ. Контакт с ними (при достаточно высокой концентрации) вызывает сбой в иммунной защите организма.
4. По мере старения организма жизненные функции последнего ослабляются вследствие постепенного накопления в его внутренней среде посторонних химических веществ. Иначе говоря, накапливаются помехи в системах передачи веществ, энергии и информации.
Это обусловлено тем, что ни одно поглощаемое (с пищей или водой) вещество не усваивается на 100 % и не выводится без остатка. Например, при чрезмерном приеме антибиотиков их остатки, накапливаясь в клетках кишечника, приводят к изменению внутренней среды кишечника и постепенной замене нормальных для кишечника бактерий аномальными, но зато приспособленными к измененным условиям среды.
5. Внутренняя среда организма находится в системе подвижных обоюдосторонних связей с воздействующими на нее органами.
Указанные взаимосвязи служат своеобразными рычагами управления внутренней средой организма, которые основываются на следующих положениях:
а) центральная нервная система (ЦНС) выполняет главную программно-регулирующую функцию во внутренней среде организма, причем автоматически, вне нашего сознания;
б) универсальным регулятором всех внутренних процессов организма является движение; его универсальный вид, приводящий в действие большинство мышц тела, является ходьба;
в) согласно Б.И. Есипенко (1974 г.), кишечнику принадлежит ведущая роль в изменении направлений движения потоков веществ во внутренней среде организма (рис. 71). При этом он выполняет две основные функции: 1) пищеварение и последующее питание всех клеток тела и 2) выделение значительно большего числа ненужных для организма веществ, нежели выводят почки. Токсины, например, выводятся только через кишечник. Важно подчеркнуть, что яды преимущественно выделяются в самой верхней части кишечника и при медленном движении пищевых масс большая их часть вновь всасывается в кровь, вредно сказываясь на здоровье человека. Именно поэтому регулярные промывания кишечника оказывают лечебное и даже омолаживающее действие.

Загрязненная внешняя среда, окружающие предметы



Рис. 71. Основные пути поступления и выведения вредных веществ из организма
(по Мамедову Н.М., Суравегиной И.Т., 1996 г.).

Отметим, что атмосферный путь поступления токсичных веществ в организм человека является ведущим, так как в течение суток он пропускает через легкие почти 15 кг воздуха, потребляет около 2,5 кг воды и 1,5 кг пищи. Кроме того, при ингаляции химические вещества поглощаются организмом наиболее интенсивно.
Так, свинец, поступающий с воздухом, адсорбируется кровью приблизительно на 60 %, тогда как поступающий с водой - на 10 %, а с пищей на 5 %. Считается, что загрязнением атмосферы обусловлено до 30 % общих заболеваний населения промышленных центров. При этом автомобильный транспорт является причиной 10 – 25% заболеваний.
Трансформирующие агенты биосферы

К таковым специалисты относят некоторые физические факторы, элементы и соединения, способные вызывать существенные преобразования биологических объектов. Уровень воздействия таких трансформеров определяется биологическими особенностями, возрастом пораженного организма, действующей концентрацией, длительностью воздействия, а также экологической обстановкой, сложившейся на время воздействия.
Согласно академику Н.П. Дубинину, главными из возможных преобразований организмов являются: 1) онкогенез, или развитие злокачественных образований; 2) тератогенез (пороки индивидуального развития, а также уродства); 3) мутационный процесс в гаметах или соматических клетках; 4) ингибирование (замедление) или стимулирование биологической продуктивности; 5) некроз (омертвение) тканей; 6) токсикоз. Эти изменения могут возникать по отдельности или в различных сочетаниях друг с другом.
Канцерогенные вещества. Среди физических факторов и химических веществ, поступающих в биосферу как загрязнители, наиболее опасными являются канцерогены, которые способны вызывать в живых организмах злокачественные новообразования (рак).
К физическим канцерогенным факторам внешней среды относят УФ-лучи в больших дозах, рентгеновские лучи, радиоактивные изотопы и другие виды радиоактивного загрязнения природной среды.
Наиболее сильным химическим канцерогеном ныне признается бенз(а)пирен. Это соединение образуется при сгорании угля, нефти, сланцев в отопительных системах промышленного и бытового назначения, а также в процессах перегонки указанных топлив. С дымовыми газами канцероген в конце концов поступает в биосферу. Образуются канцерогены и в питьевой воде, если она подверглась чрезмерному хлорированию.
Тератогенные эффекты. Согласно Э.И. Слепяну (1975 г.), все случаи тератогенеза вследствие воздействия загрязнителей среды могут быть объединены в три группы: 1) не связанные с изменением генотипа организма; 2) связанные с изменением генотипа какой-либо части клеток организма; 3) связанные с изменением генотипа организма в целом.
Подчеркнем, что в принципе тератогенным может быть любой естественный фактор, если интенсивность его воздействия оказывается больше оптимальной.
Эмбриотропное действие загрязнителей. Неудачное использование в США и некоторых других странах препарата талидомида для снятия неприятных ощущений у беременных женщин, но вместо этого приведшего к аномалиям развития эмбрионов, усилило внимание к проблеме эмбриотропных последствий загрязнения окружающей среды.
Среди физических факторов, вызывающих нарушение развития плода, на первое место претендуют ионизирующие излучения. При этом дозы, применяемые при рентгенодиагностике, часто оказываются эмбриотропным и у детей, матери которых неоднократно облучались во время беременности, и у которых наблюдались злокачественные опухоли и другие аномалии.
Негативно сказываются на развитие плода и неионизирующие электромагнитные излучения диапазонов радиочастот (сверхвысокочастотный нагрев в промышленности, радиолокационные станции, телевизионные центры). Статистический анализ состояния новорожденных в местностях, расположенных вокруг крупных аэропортов (Япония), подтвердил отрицательное воздействие шума на развитие плода. Ряд специалистов отмечают эмбриотропное действие вибрации, а также отрицательные последствия комплексного действия вибрации, шума, ускорения, кислородного голодания на развитие плода у стюардесс.
Укажем также, что способность ряда продуктов и химических веществ (алкоголь, табак, свинец, ртуть и др.) нарушать процессы развития плода ныне не вызывает никаких сомнений.

Деградация генофонда человечества
Общие понятия. Мутация (по Н.Ф. Реймерсу, 1990 г.) резкое наследственное изменение организмов, меняющее, их морфологические и/или физиолого-поведенческие признаки. Связано с изменением числа и структуры хромосом, с изменением структуры отдельного гена или их группы.
Ген единица наследственной (генетической) информации, способная к воспроизведению и расположенная в определенном участке данной хромосомы; ген обеспечивает преемственность в поколениях того или иного признака или свойства того или иного организма.
Генофонд совокупность всех генов данной популяции, группы популяций или вида в целом.
Генетика наука о законах наследственности и изменчивости организмов. Основными разделами генетики в зависимости от объекта исследования являются: генетика человека, генетика животных, генетика растений, генетика микроорганизмов и вирусов; в зависимости от уровня исследования: генетика популяций, цитогенетика, молекулярная генетика.
Мутагенез (по И.И. Дедю, 1989 г.) - процесс возникновения мутаций под воздействием мутагенных факторов (чаще всего внешней среды - физических, химических, реже - биологических).
Ныне много делается для анализа характера и степени нарушений, вызванных в биосфере; к сожалению гораздо меньше исследований посвящено изучению того, как эти изменения влияют на биологические особенности человека и других организмов. Особенно это касается генетических последствий загрязнений, хотя они могут оказать определяющее влияние на судьбу человечества в целом. Мутагены среды способны проникать в клетки и поражать их генетическую программу (вызывать мутации). В том случае, когда поражение затрагивает ДНК, которая находится в зародышевых клетках человека, гибнут эмбрионы или рождаются младенцы, имеющие наследственные дефекты. Мутации в клетках тела организма (соматических клетках) вызывают рак, поражения иммунной системы, уменьшают продолжительность жизни.
Рассматривая совокупность нарушений в генетической информации человека, которые подрывают наследственное здоровье населения, академик Н.П. Дубинин сформулировал следующие основные вопросы: 1). Каков уровень генетического груза, который «давит» на людей? 2). Какова зависимость объема генетического груза от роста экологической напряженности в среде?
На эти вопросы до сих пор нет точных ответов, однако некоторые статистически подтвержденные факты требуют обсуждения и, естественно, осмысления.
У человека частота мутаций на ген/поколение составляет в среднем 5·10-5. Всего в половых клетках человека имеется порядка 100000 генов. Слияние сперматозоида и яйцеклетки, как известно, приводит к оплодотворению последней. Следовательно, каждая клетка человека в среднем получает 10 новых генных мутаций, таким образом, давление мутаций на каждое поколение людей весьма велико.
Исследования последних лет показали, что у человека существенную роль играют так называемые доминантные мутации, которые проявляются у всех особей, получивших эти мутации. Установлено, что в каждом поколении 50 % оплодотворенных яйцеклеток или погибают, или возникшие из них организмы не оставляют потомства: 10 % гибнут на ранних стадиях плода; в 20 % случаев беременность прерывается спонтанными абортами (причиной таких абортов в половине случаев служат мутации хромосом, в половине доминантные генные летальные мутации); около 10 % новорожденных получают тот или иной компонент генетического груза, проявляющийся в виде отклонений от нормального развития; 10 % браков оказываются бесплодными из-за дефектов воспроизводственной системы одного из супругов. Все это дает основание ученым считать, что рост числа мутаций под влиянием мутагенов среды скажется катастрофически на развитии человечества. Утверждается, что удвоение объема естественных мутаций недопустимо для человечества, поскольку через 2 - 3 поколения приведет к его вырождению.
Генетический груз во многих семьях наиболее явно проявляется при рождении детей с разного рода генетическими отклонениями в виде физических и психических дефектов. Ныне в России таких детей рождается 10 %, т.е. среди миллиона детей сто тысяч рождается с разными отклонениями от нормального развития.
Воздействие генетического груза на экономику, трудовые и оборонные ресурсы очень велико. Только содержание больных синдромом Дауна и фенилкетонурией, которых в московские дома для инвалидов в период с 1964 по 1979 г. поступило 75680 человек, обошлось государству в миллиард рублей (в ценах того времени).
В соответствии с вышеизложенным Н.П. Дубинин делает очень важный вывод о необходимости организации государственной службы генетического мониторинга, призванной реально определить объем и рост генетического груза в соответствии со степенями экологического напряжения и разработать рекомендации по недопущению появления факторов, ведущих к его возрастанию.
Экологический СПИД человечества. Возможности адаптационного механизма человека и человеческой популяции в целом почти неограничены. Однако если скорость изменения существенных параметров ОПС (Vопс) окажется больше максимально возможной скорости адаптации популяции (Vaп), то система, согласно академику Ю.М. Горскому, станет уязвимой. Человечество ныне оказалось перед фактом, что Voпc > Vaп, отсюда и невозможность для отдельного человека, вернее его внутренних механизмов и систем жизнеобеспечения, приспособиться к лавинообразной трансформации внешней среды. При этом специалисты в области генетики указывают на необходимость учета еще двух моментов, которые обусловлены спецификой наследственного аппарата: 1) патологические сдвиги в иммунной системе не только могут передаваться по наследству, но при неблагоприятных условиях имеют тенденцию к накоплению; 2) мужская особь вследствие особенностей механизма адаптации будет больше страдать от экологического прессинга.
ВОЗ (по данным 80-х годов) установила, что здоровье человека на 20 % зависит от его наследственности, на 20 % от состояния ОПС, на 50 % от образа жизни и на 10 % от медицины. Из-за лавинообразного нарастания последствий экологического прессинга в ряде регионов России специалисты ожидают, что к 2005 г. роль экологических факторов возрастет до 40 %, до 30 % увеличится действие генетического фактора за счет негативного изменения генетического аппарата. Все это уменьшит до 25 % возможности поддержания здоровья за счет оптимального образа жизни и до 5% снизит роль медицины. Признается, что если повреждение генетического аппарата у новорожденных достигнет 10%, то неизбежно начнется вырождение нации. Ныне по экспертным оценкам этот предел в некоторых зонах экологического бедствия России уже превышен в 2 - 4 раза.
Как известно, СПИД (синдром приобретенного иммунного дефицита) вызывается вирусом ВИЧ. Если оценивать это явление с информационных позиций, то СПИД можно рассматривать как снижение эффективности иммунной системы человеческого организма. Исследования показали, что деградация ОПС вызывает угнетение и даже разрушение последней. Отсюда, по Ю.М. Горскому, нет принципиальной разницы, вызывается ли подавление иммунной системы вирусом ВИЧ или экологическим прессингом. Это дало ему возможность сформулировать понятие экологического синдрома приобретенного иммунного дефицита (ЭСПИД).
Лавинообразный технократический прогресс вызывает лавинообразную глобальную деградацию природы, а это в свою очередь способствует лавинообразному снижению иммунного статуса популяции. Интеграция всех этих процессов ведет к снижению интеллекта популяции, возрастанию степени дебильности, уменьшению численности популяции и замедлению темпов прогресса.
Итак, можно сделать вывод, что наиболее хрупкими в условиях экологических кризисов и катастроф оказываются иммунная система и интеллектуальный статус человека. Это обстоятельство, если не принять надлежащих мер, способно приблизить начало гибели цивилизации.

Вредные привычки и среда обитания
Курение, алкоголизм и наркомания, сопровождают человечество сотни, если не тысячи лет. Их бурное развитие в XX веке подтолкнуло многих ученых к выводу, что в этих явлениях заметную роль сыграло и резкое ухудшение качества природной среды. Дело в том, что многие искусственные загрязнители среды обитания, преодолев защитные барьеры организма, сумели достичь «святая святых», самого драгоценного, что связано с эволюцией живой материи, - генетической программы человека. Возникающие при этом мутации вызывают сбой в системе идентификации (опознавания) опасных веществ (по принципу «свой - чужой»). В результате человек уже на клеточно-молекулярном уровне становится беззащитным перед «пришельцами», уровень его защищенности падает и, по-видимому, это приобретенное качество он передает потомству. Тем самым круг замыкается, и потомство рассчитывается за грехи отцов.
Курение. Согласно данным Министерства здравоохранения Китая, в стране ежегодно умирают от болезней, вызванных курением, до 2 млн человек, а в целом более 3 млн человек. Это число может увеличиться в предстоящую четверть века в 3 раза. Содержащийся в табаке никотин относится к ядам, вызывающим сначала привыкание, а затем болезненное влечение - токсикоманию. Истинная зависимость от табака возникает у одной трети курильщиков.
В табачном дыме более 400 компонентов, 40 из них имеют канцерогенный эффект. Особенно опасен радиоактивный полоний-210: он накапливается в бронхах и легких, а также в печени и почках (рис. 72).

Рис. 72. Действие компонентов табачного дыма на организм человека

Известно, что для жителей крупных городов, где воздух отличается большой загрязненностью, вероятность рака легких, вызываемого курением, примерно на 20 - 30% выше, чем для сельских жителей.
При сгорании табака выделяется оксид углерода, обладающий свойством связывать дыхательный пигмент крови - гемоглобин, образуя карбооксигемоглобин, не способный переносить кислород к тканям. Таким образом, органы дыхания первыми оказываются под ударом табака. Установлена связь между курением и частотой поражения раком губы, языка, гортани, трахеи. Табачный дым поражает центральную нервную систему, железы внутренней секреции, снижает половую функцию (особенно в сочетании с алкоголем). В организме курильщика наступает С-гиповитаминоз, сопровождающийся раздражительностью, нарушением сна, частыми простудными заболеваниями.
Особенно пагубно курение влияет на организм женщины. Если она курит в период беременности, повышается вероятность выкидыша, снижается вес плода, могут произойти преждевременные роды. Это неудивительно, ведь ребенок, находящийся в утробе матери, тоже «курит», т.е. получает с кровью вредные вещества, содержащиеся в табачном дыме. В одном литре грудного молока курящей женщины может быть 0,5 мг никотина, в то время как смертельная доза составляет 1 мг на 1 кг веса ребенка.
В последнее время в табачном дыме обнаружен кадмий: в одной сигарете содержится примерно 2 мг кадмия. У тех, кто выкуривает пачку сигарет в день, содержание этого тяжелого металла, одного из самых опасных токсикантов среды (он токсичнее свинца), в почках и печени в два раза больше, чем у некурящих. Принятие внутрь дозы кадмия в 30 - 40 мг уже может оказаться смертельной. Кадмий из организма человека выводится крайне медленно (0,1 % в сутки), поэтому, накапливаясь, он способствует хроническому отравлению. Курильщик не только сам вдыхает вредные вещества, но и загрязняет воздух, подвергая опасности других людей. Установлено, что люди, находящиеся в одном помещении с курящими (их называют пассивными курильщиками), вдыхают даже больше вредных веществ, чем они сами.
Ныне во многих развитых странах мира развернулась широкая кампания по борьбе с курением: активным и пассивным. В том же Китае в 71 городе запрещено курить в общественных учреждениях. Жесткие санкции ожидают курильщиков в США, Англии, Германии, Японии. Там всячески воспитывают культ здорового образа жизни, полностью исключающий курение.
К сожалению, в России мы видим иную картину, причем, что представляет наибольшую опасность для общества, неуклонно увеличивается процент курящих женщин, особенно молодых.
Ученые подсчитали, что курение вместе с алкоголизмом и дорожно-транспортными происшествиями составило почти треть причин смерти людей в возрасте от 16 до 60 лет в странах бывших республиках Советского Союза.
Алкоголизм. Это болезнь, и болезнь коварная. В ее развитии различают три стадии.
Начальная стадия характеризуется появлением влечения к алкоголю, его употребление становится систематическим. Средняя стадия характеризуется нарастающим влечением к алкоголю, изменением характера опьянения, потерей контроля над количеством выпитого, появлением состояния похмелья. На этой стадии отмечаются нарушения психики, изменения во внутренних органах и нервной системе. Последней стадии присуще снижение устойчивости к принимаемым дозам алкоголя, развитие запойного пьянства. Возникают тяжелые нервно-психологические нарушения, глубокие изменения со стороны внутренних органов. Когда появляется психическая зависимость от алкоголя, человек часто еще не считает себя больным. Однако, вслед за психической зависимостью наступает физическая: алкоголь включается в процессы обмена веществ, отсутствие его приводит к тягостному заболеванию - похмелью, которое характеризуется дрожанием рук, тяжелым сном с кошмарами, неприятными ощущениями со стороны внутренних органов. Человеку становится не под силу творческая деятельность. Резко ослабевает воля - человек не может руководить своими поступками, попадает под чужое влияние. Эмоции огрубляются, наступает эмоциональное оскудение и деградация личности.
Многократно поглощаемое спиртное накапливается в крови и разносится по всему организму, достигая каждой клетки. Алкоголь нарушает проницаемость клеточных мембран, угнетает биологически активные соединения, понижает усвоение тканями кислорода, тем самым резко ухудшаются условия внутренней среды организма.
Наиболее чувствительны к алкоголю нервные клетки и сосуды мозга. У выпившего краснеет лицо, зрачки глаз расширяются. При этом резко нарушаются их регулирующие возможности, кровоснабжение мозга начинает терять свой ритм. Систематический прием алкоголя снижает активность иммунной системы, поэтому алкоголики чаще и тяжелее болеют. У них в полтора раза чаще встречаются заболевания органов дыхания, 45 – 70 % страдающих алкоголизмом имеют нарушения со стороны желудочно-кишечного тракта. Спиртное обжигает слизистую оболочку рта, пищевода, кишечника. Затем возникает воспаление слизистой оболочки этих органов. Печень - первый барьер, где происходит переработка алкоголя. В связи с этим у алкоголиков развивается тяжелое поражение печени - алкогольный гепатит, цирроз печени.
Примерно у трети людей, употребляющих алкоголь, снижается половая функция, наступает алкогольная импотенция. У женщин под влиянием алкоголя снижается способность к деторождению.
В молодости алкоголизм протекает в более тяжелой форме и труднее поддается лечению. Лучший способ избежать алкоголизма - трезвый образ жизни. А непременное условие лечения - абсолютный отказ от употребления алкоголя, как во время лечения, так и после выздоровления.
Таким образом, алкоголизм - серьезное заболевание, обусловленное пристрастием к употреблению спиртных напитков. Приобщение к алкоголю зачастую происходит под влиянием пьющих членов семьи, приятелей. Преступность, агрессивность поведения, пагубное влияние на потомство - вот социальные последствия алкоголизма.
Наркомания. По определению ВОЗ, «наркомания является состоянием периодической или хронической интоксикации, вредной для человека и общества, вызванной употреблением наркотика (естественного или синтетического происхождения)».
Условия, при которых человека следует считать наркоманом, таковы: 1) непреодолимое влечение к яду; 2) нарастающая толерантность увеличение дозы; 3) невозможность воздержаться, так как психически и физически человек настолько зависит от наркотика и его действия, что внезапное прекращение приема вызывает физически тяжелое, а психологически подчас невыносимое состояние («ломку»).
Государственные меры контроля и борьбы с такими «классическими» наркотиками, как опий, морфин, кокаин, гашиш, довольно жестки. Это привело к более широкому применению других токсикоманических средств. К ним относятся различные химические, биологические, лекарственные вещества, которые, однако, также вызывают привыкание и зависимость. Привыкание к таким сильнодействующим наркотическим средствам, как морфин, кокаин, героин и другие, обычно сочетается с пристрастием, т.е. непреодолимым стремлением больного прибегнуть к новому приему этих препаратов. При повторном введении таких веществ в организм у больного возникает временное улучшение самочувствия. Но это ощущение быстро улетучивается, и наступает в буквальном смысле страшное похмелье.
Потребность в наркотиках не проходит и даже не уменьшается. Мало того, она возрастает: возникает психическая и всевозрастающая зависимость от наркотика. Длительное употребление наркотических препаратов приводит к общему истощению, ослаблению организма, нарушениям деятельности желудочно-кишечного тракта, снижению и угасанию половой функции, ослаблению умственной деятельности, утрате способности к труду, общей слабости, раздражительности. Примерно в 15 % всех случаев наркомании устанавливается наличие психических расстройств. Кроме того, у значительного числа наркоманов налицо выраженные психопатические черты характера.
До последнего времени не выявлена единая причина развития наркомании. Можно выделить биологические, психологические, социологические факторы. И прежде всего личностные особенности.
Наиболее часты случаи наркомании среди лиц эмоционально неустойчивых или истерических. Для них характерны раздражительность, агрессивность, конфликтные отношения с окружающими. Эти лица и прибегают к поиску средств, облегчающих их состояние, снимающих тягостные ощущения. Склонны к приему наркотических средств личности с психастеническими чертами, невротики.
Велика роль отрицательных социально-культурных воздействий. К ним можно отнести безыдейность, неразвитость духовных потребностей. Это связано с неумением занять свой досуг, потребность расслабиться, разрядиться, утвердить себя в малой группе.
Имеют значение низкая профессиональная квалификация, низкий уровень образования как самого лица, приобщающегося к наркотику, так и его семьи. Подвержены наркотизму лица с затрудненной социальной адаптацией, педагогически и социально запущенные, легко поддающиеся отрицательному влиянию.
К факторам, способствующим началу приема наркотиков относятся: а) доступность наркотиков и их скрытая реклама; б) одобрительное отношение со стороны друзей к приему наркотических препаратов; в) обилие информации о действии препарата и источниках их получения; г) рост числа неблагополучных семей; д) неблагоприятная окружающая среда, действие некоторых мутагенов.
У наркомании есть опасная черта, связанная с тем, что это болезнь коллективная. Если наркоман попадает в какую-нибудь компанию, он может пристрастить к зелью и других. Специалисты считают, что закоренелый наркоман до своей гибели успевает заразить 15 - 20 человек.
Закладывается это пристрастие в подростковом возрасте, для которого характерны негативное отношение к словесному воздействию и отрицание принятых критериев, авторитетов. В этот период чрезвычайно возрастает значение микросреды, чувство возрастного коллективизма. Влияние «своей группы», стремление не отстать от сверстников, определенная мода, любопытство и зачастую сильное желание получить удовольствие, вкусить запретный плод, скука, под воздействием которой подросток или юноша готов пойти на любое безрассудство, вот главнейшие причины приобщения молодых людей к наркотикам.
У взрослых наркоманов причина болезни кроется в нежелании изменить образ жизни, избежать трудностей, т.е. в потребности уменьшения напряженности.
Действие наркотиков во многом зависит от дозы. Она различна в разных участках мозга. Эффект разных наркотиков также неравнозначен Употребление легкого наркотика неизбежно заканчивается переходом к «тяжелым» (например, героину). Согласно статистике, время от начала приема наркотиков до смерти (при отсутствии клинического лечения) не превышает 10 - 15 лет. Поэтому старых наркоманов не бывает.
Основным правилом лечения наркоманий и токсикоманий является госпитализация независимо от того, находится ли больной в состоянии острого отравления или психоза. Профилактика и борьба с наркоманией требуют постоянных усилий педагогов, психиатров, наркологов, врачей общемедицинской сети, мировой общественности работников МВД и, естественно, органов власти.
Следует понять, что наркомания это страшный и коварный враг человечества. Если мы не справимся с ней, нет надежды остановить безудержное распространение по всему миру СПИДа, современной чумы цивилизации, ибо основные разносчики ВИЧ-инфекции наркоманы. Носителями ВИЧ-инфекции являются, по последним данным, около 100 млн жителей планеты, а уже умерло от СПИДа более 10 млн человек.
Здоровый образ жизни граждан как основа устойчивого развития общества

По данным государственной статистики, в России с 1992 г. на метилась пугающая тенденция к сокращению численности населения которая сохранилась и до настоящего времени (рис. 73).

Рис. 73. Рождаемость и смертность населения России (по данным Госкомстата РФ)

Основная причина такого положения - естественная убыль населения, которая обусловлена превышением смертных случаев над числом родившихся. Так, численность населения страны к 2000 г. составила около 146 млн человек и по сравнению с концом 1992 г. сократилась почти на 3 млн человек. Из республик бывшего Союза аналогичная тенденция характерна только для Украины. В Послании Президента РФ Федеральному Собранию (июль 2000 г.) отмечалось, что если сохранится указанная тенденция, то к 2025 г. Россия потеряет более 20 млн человек. Эта цифра сопоставима с потерями Советского Союза во второй мировой войне.
Крайне низкой является и продолжительность жизни населения современной России. В 1994 г. она составила для мужчин 57,7 лет, для женщин - 71,3 и имеет тенденцию снижаться и дальше. При этом все чаще умирают люди работоспособного возраста. Для сравнения: средняя продолжительность жизни жителей США и Англии - 75 лет, Канады, Швеции и Японии - соответственно 76, 78, 79 лет.
Между тем лучшие умы России всегда связывали перспективы ее процветания с ростом численности народонаселения в сочетании с развитием его высоких духовных и созидательных качеств. В частности, Д.И. Менделеев, основываясь на демографических показателях начала XX века, определял вероятную (и желательную) численность народонаселения Российской империи в 2000 г. как 594 млн человек.
Нет нужды доказывать, что здоровье общества складывается в конечном результате из здоровья его граждан. Поэтому в настоящее время крайне важным стало обучение основам здорового образа жизни (ЗОЖ) и следование ему.
Здоровый образ жизни (по A.M. Смирнову, 2000 г.) это индивидуальная система поведения человека, обеспечивающая ему физическое, душевное и социальное благополучие в реальной окружающей среде (природной, техногенной и социальной) и активное долголетие.
Антиподом ему выступает так называемый рискованный образ жизни, при котором человек своим поведением, потаканием вредным привычкам наносит ущерб самому дорогому, что у него есть, - своему здоровью, а потом расходует невозобновимые жизненные силы на компенсацию полученного вреда. Отсюда ускоренное изнашивание организма, увеличение вероятности заболеваний и, как следствие, сокращение продолжительности жизни. При таком поведении, образно говоря, человек первую половину жизни делает все, чтобы подорвать свое здоровье, а вторую - чтобы его вернуть, т.е. «работает на аптеку».
Причины обострения экологических проблем
Современная экология также интенсивно изучает проблемы взаимодействия человека и биосферы, т.е. ноосферу. Вообще в связи с усилившимся воздействием человека на природу в 1920-е гг. экология приобрела особое значение как научная основа рационального природопользования и охраны окружающей среды.
Но, к сожалению, экологическая обстановка и в России, и во всем мире такова, что следует всерьез задуматься о выживании людей. Загрязнение окружающей среды уже оказывает существенное влияние на показатели смертности, на здоровье людей и животных, а главное на состояние генофонда человечества. С каждым годом возникает все большее число отрицательных генных мутаций, растут детская заболеваемость и патологии беременных, а также число выкидышей, досрочных родов, младенческих смертей, и одна из причин этих явлений - деградация окружающей среды. Проблемы окружающей среды и использования природных ресурсов состоят из комплекса государственных, международных и общественных мероприятий, реализация которых находится в прямой зависимости от социально-экономического строя различных государств и их технических возможностей. К сожалению, далеко не все государства и промышленные производители задумываются об экологических проблемах. Необходимо особо выделить три важных аспекта этих проблем:
технико-экономический, связанный с угрозой истощения природных ресурсов;
экологический в узком смысле этого слова, т.е. связанный с биологическим равновесием человеческого общества и природы при глобальном загрязнении окружающей среды;
социально-политический, поскольку проблемы экологии разрешимы не просто в рамках отдельных регионов и даже стран, но в глобальном масштабе, охватывающем человечество в целом.
Сегодня мы имеем дело с расточительным использованием природных ресурсов. До последнего времени представление о безграничности природных богатств порождало их нерациональное использование, а также примиренческое отношение к фактам загрязнения окружающей среды. Вопросы охраны природы считались второстепенными. Многие производители и даже государственные деятели до сих пор считают приоритетными ближайшие хозяйственные, экономические и прочие цели. Решение долговременных задач сохранения биосферы при этом отступает на второй план.
Ухудшению экологической ситуации способствуют:
- недостаточность знаний об экологических системах, о границах их устойчивого функционирования (способности выдержать нагрузку); неумение прогнозировать изменения окружающей среды и их влияние на здоровье человека;
- ведомственная и узкопрофессиональная ограниченность в решении экономических, инженерно-технических вопросов, недооценка мер предупреждения деградации и защиты природной среды и природохозяйственных объектов;
- недостаточное внимание, уделяемое разработке технологических схем безотходных производств, а также экономическим исследованиям, направленным на выработку критериев развития производства с целью сохранения равновесия окружающей среды;
- неподготовленность производства: не все предприятия оборудованы очистными сооружениями, а имеющиеся сооружения маломощны и недостаточно эффективны;
- низкая квалификация кадров, работающих на очистных сооружениях;
- определенная психологическая неподготовленность и инертность мышления персонала.
В перспективе ожидается не ослабление, а усиление антропогенного давления на природу. Многие ученые говорят об экологическом кризисе. Чтобы этого не случилось, необходимо перейти к рациональному типу природопользования. Сегодня основной стратегической линией в научной и хозяйственной деятельности людей должна стать формула бережного, рационального использования природных ресурсов и сохранения того, что сейчас есть.
Рациональное природопользование обязывает рассматривать природные (экологические) процессы и хозяйственную деятельность человека как единую биоэкономическую систему «производство – окружающая среда». Таким образом, проблема управления общественным производством должна перерасти в несравнимо более сложную проблему управления биоэкономической системой. В связи с этим должны быть разработаны принципы охраны природы и рационального природопользования, которые включают в себя совокупность международных, государственных, региональных, административных, политических и общественных мероприятий, направленных на рациональное использование, воспроизводство и сохранение природных ресурсов Земли и экономную эксплуатацию природных ресурсов в интересах существующих и будущих поколений людей.
Принципы охраны природы и рационального природопользования

Традиционный ведомственный подход к освоению месторождений, отсутствие экономических стимулов и незаинтересованность предприятий в рациональном использовании ресурсов недр во многих случаях сформировали производства с фактически незавершенным технологическим циклом, когда непрофильные ценные компоненты сырья переводятся в отходы производства, а эти отходы наносят значительный вред окружающей среде. Большой ущерб природе наносится от стремления предприятий к выборочной обработке лучших участков месторождений, что приводит не только к оскудению недр, но и к накоплению запасов полезных ископаемых худшего качества и потере их промышленного значения. Неудовлетворительно используется при добыче нефтяной газ, который в огромных количествах попросту сжигается. Так, в России ежегодно в факелах сжигается более 10 млрд м3 природного газа. Положение дел в области охраны недр и горной экологии находится на грани резкого ухудшения.
Дабы сохранить природу и избежать экологического кризиса, необходимо перейти к комплексному и рациональному использованию природных ресурсов.
Комплексное использование природных ресурсов это одновременная добыча не только основных, но и сопутствующих полезных ископаемых, а также переработка отходов горного производства. Такая возможность закладывается на этапе геологических изысканий и проектирования предприятий горнодобывающих отраслей промышленности. Комплексное использование сырья дает возможность получать около 40 элементов в виде металлов высокой чистоты и химических соединений и организовать промышленное производство многих необходимых видов продукции.
Комплексное использование природных ресурсов сейчас развивается по следующим направлениям:
комплексное использование конкретного месторождения;
полное извлечение всех содержащихся полезных ископаемых при добыче и переработке;
утилизация отходов горного производства, повторное использование запасов месторождений отходов и сопутствующих минеральных ресурсов;
разработка и внедрение безотходных технологий.
Рациональный подход к природопользованию опирается на два фундаментальных принципа: наиболее полное использование природного ресурса (возможное, например, при комплексной добыче полезных ископаемых) и доведение неиспользованных отходов производства до такого состояния, при котором они безвредны для природы и могут быть ассимилированы экологическими системами.
Рациональный подход к природопользованию определил разработку и внедрение мало- и безотходных технологий. По мере развития современного производства с его масштабностью и темпами роста такие технологии становятся все более актуальными. Скорейшее их расширение и внедрение на всех предприятиях в ряде стран рассматривается как стратегическое направление рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.
Безотходная технология представляет собой такой метод производства продукции, при котором все сырье и энергия используются наиболее рационально и комплексно в цикле «сырьевые ресурсы производство потребление вторичные ресурсы», и любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования. Конечно, безотходная технология не означает производства совсем без отходов, такого производства нет и вряд ли оно появится, но при безотходном производстве не нарушается нормальное функционирование природных систем.
Комплексное и рациональное использование природных ресурсов способствуют сохранению окружающей среды. Современная практика использования природных ресурсов выработала следующие принципы охраны природы, методы защиты биосферы и способы создания безотходных производств:
- исключение попадания вредных выбросов и отходов в окружающую среду;
- применение во всех отраслях народного хозяйства безотходных технологий и замкнутых циклов водопотребления;
- комплексное использование минеральных ресурсов;
- полная оценка геологических условий в промышленном строительстве;
- улучшение условий жизни людей во всех регионах страны за счет сохранения и улучшения окружающей среды, к главным компонентам которой относятся чистые воздух и вода, солнечный свет и умеренная температура, а также красота и величие природы, влияющие на психологический настрой человека.
Если все эти принципы будут соблюдаться, то у человечества есть шанс быть здоровым и сохранить красоту планеты Земля.

Биоритмология: узловые годы жизни человека

Биоритмология – раздел биологии, изучающий условия возникновения, природу, закономерности и знание биологических ритмов, а также проблему связи биоритмов человека с космическими и земными факторами, некоторые закономерности в процессе жизни людей.
Биоритмология разрабатывает законы осуществления периодически повторяющихся биологических процессов и поведения различных биологических систем во времени; она тесно связана с физиологией, биохимией, биофизикой, экологией и другими естественными науками. Биоритмологический подход оказывается плодотворным как для фундаментальных биологических исследований, так и для объяснения различных проявлений деятельности людей. Сегодня эта наука переживает стремительный подъем.
Круг вопросов, изучаемых биоритмологией, достаточно серьезен и имеет вполне практическую пользу не только с точки зрения медицины и биологии, но и с производственной точки зрения. С помощью данной науки разрабатывают оптимальные режимы труда и отдыха специалистов различных направлений, производят оценку количества дней отдыха за определенный период работы, определяют меры допустимого смещения суточного цикла сна и бодрствования.
Идеи о ритмичном характере процессов в природе и в организме человека выдвигались в трудах античных философов (Гераклит, Платон, Аристотель и др.), в Средние века и эпоху Возрождения (Ф. Бэкон, Т. Браге, И. Кеплер и др.). Первое научное исследование биологических ритмов сделал французский астроном Ж. Ж. де Меран (1729), обнаруживший суточную периодичность движения листьев у растений. В XIX в. биологические ритмы были зарегистрированы также у животных и человека. Многие наблюдения заставляют предполагать, что биоритмы организованы иерархически: существование одних циклов необходимо для нормального протекания других, но все еще остаются неясными механизмы взаимодействия между различными биоритмами. Эти поиски и связанные с ними идеи находят отражение во многих специальных книгах по биоритмологии.
Один из наиболее интересных вопросов биоритмологии связан с узловыми годами жизни, т.е. годами психологической перестройки человека, отличающимися неустойчивостью психики. Такими годами в жизни каждого человека независимо от пола являются: 6 - 7, 12 - 13, 18 - 19, 25 - 26, 31 - 33, 37 - 38, 43 - 44, 47, 49, 53, 57, 61, 64. С этими годами связаны особые периоды жизни человека, отличающиеся друг от друга по содержанию, но схожие усилением психологической жизни и обостренной чувствительностью организма.
В 6 - 7 лет человек созревает как индивидуум - существо, узнавшее себя среди мира, но не являющееся частью мира. В этот период все интересы человека обращены на себя. А как часть мира человек созревает в 12 - 13 лет. Именно в этот период у него рождается интерес к внешним предметам и стремление познать их или подчинить себе. Новый поворот к внутреннему миру происходит у человека в 18 - 19 лет, но в этот период он не просто замыкается на самом себе, а осознает свои связи с другими людьми. Человек созревает как член общества, именно в этот период появляются понятия о долге, осознаются определенные моральные принципы и формируются первые душевные привязанности.
В 25 - 26 лет расцветает индивидуальность человеке, в полной мере проявляется его личностное мировоззрение. Этот период - вершина творческого расцвета. Как правило, если творчество пробуждается раньше, оно является подражательным, без принципиальной новизны. А если творчество в полной мере развивается позже, то оно обычно развивает идеи, зародившиеся именно в этот период.
В 32 - 33 года человек созревает как деятель. Это вершина сил и творческого размаха, в этот период проявляется сама суть человека. 37 - 38 лет - вторая вершина проявления своих сил. По силе и мощи этот период может не уступать предыдущему, но, как правило, человек в это время уже четко знает, чего хочет, его эмоциональная жизнь определилась и устоялась.
43 - 44, 47, 49 лет, 53 года - начало и продолжение духовного перелома. Творчество еще интенсивно, сил еще хватает, человек пользуется запасенной ранее энергией и опытом, но практически не приобретает ничего нового, наступает некоторая стагнация, характеризующаяся кризисными явлениями в состоянии здоровья и смятением в душе. Это очень сложный период, который может привести к упадку, но может способствовать и духовному перелому, который делает человека еще сильнее и лучше и обращает его к новым идеям и сферам деятельности во втором цикле жизни, который начинается в 45 - 55 лет.
57 лет, 61, 64 года - осмысление прошедшей жизни: время пожинания плодов, обретения гармонии с жизнью, единения с близкими, года, когда ярко осознается связь поколений и осуществляется передача собственного жизненного опыта потомкам.
Таким образом, с помощью биоритмологии можно целенаправленно и оптимально планировать события своей жизни на довольно длительный период, а зная узловые точки жизни, - искать способы борьбы с неустойчивостью психики и понимать процессы, происходящие в нашей душе, что не позволит сломаться и потерять себя.
Адаптация организмов к окружающей среде в процессе эволюционного развития шла в направлении как совершенствования их структурной организации, так и согласования во времени и пространстве деятельности различных функциональных систем. Исключительная стабильность периодичности изменения освещенности, температуры, влажности, геомагнитного поля и других параметров окружающей среды, обусловленных движением Земли и Луны вокруг Солнца, позволила живым системам в процессе эволюции выработать стабильные и устойчивые к внешним воздействиям временные программы, проявлением которых служат биоритмы.
Полагают, что такие ритмы, обозначаемые иногда как экологические, или адаптивные (такие, как суточные, приливные, лунные и годовые), закреплены в генетической структуре. В искусственных условиях (например, при непрерывном освещении или темноте) периоды таких ритмов отклоняются от периодов соответствующих ритмов окружающей среды, проявляя тем самым свой собственный период.
Для обозначения ритмов, которые синхронны с ритмами среды, употребляют термины циркадианный (околосуточный), циркатидальный (околоприливный), циркалунарный (окололунный), циркааннуальный (окологодовой).
Для описания ритма используют следующие параметры: период или частоту (количество колебаний в единицу времени), амплитуду - максимальное отклонение от средней, фазу - положительную или отрицательную, акрофазу - время максимального отклонения.
Нарушение временной упорядоченности ритмов биологической системы обозначают термином десинхроноз. Изучение механизмов возникновения десинхроноза имеет большое значение при организации режимов труда и отдыха у представителей различных специальностей, при проведении профилактических мероприятий с целью охраны здоровья.
Десинхроноз может возникать как результат фазового рассогласования между ритмами биологической системы и теми периодическими изменениями в окружающей среде, которые для организма выступают как датчики времени (внешний десинхроноз), либо вследствие нарушения координации между ритмами в самой системе.
Внешний десинхроноз можно наблюдать у лиц, совершивших перелет через 4 - 5 часовых поясов, у космонавтов во время космических полетов, при смене дневного режима работы на ночной. Выраженность десинхроноза зависит от индивидуальных особенностей, возраста, характера датчиков времени. Синхронизация ритмов организма с новыми датчиками времени происходит постепенно с приблизительной скоростью 1 - 2 часа в сутки и быстрее протекает у лиц моложе 30 лет. При перелете в западном направлении перестройка ритмов протекает в среднем быстрее, чем при перелетах в восточном направлении.
Внешний десинхроноз, как правило, ведет к развитию внутреннего. Внутренний десинхроноз (выраженный или компенсированный) можно наблюдать также как следствие стрессовой реакции. Считают, что нарушение временной упорядоченности функций усугубляет течение болезни и является неблагоприятным прогностическим признаком. Существует мнение, что внутренний десинхроноз может выступать как причина патологического состояния (особенно в психиатрии).
Среднепериодные биоритмы
Биологические ритмы (биоритмы) это циклические колебания интенсивности и характера биологических процессов и явлений. Они наблюдаются почти у всех животных и растений, как одноклеточных, так и многоклеточных, и, естественно, у человека. Одни биоритмы (биение сердца, частота дыхания и т.д.) относительно самостоятельны, другие зависят от изменений окружающей среды и способствуют приспосабливаемости организма к циклическим изменениям этой среды (суточным, сезонным и др.).
Цель изучения биоритмов оптимизация жизнедеятельности человека. Выделяют короткопериодные и среднепериодные биологические ритмы. Среднепериодные биоритмы это биоритмы с месячным периодом колебаний. Со среднепериодными ритмами тесно связана теория критических дней, появившаяся в 1980-х гг. и особенно пропагандируемая швейцарским бизнесменом Дж. Гомменом, который издавал соответствующие книги, выступал по радио и телевидению, предсказывал «хорошие» и «плохие» дни для государственных деятелей, писателей, актеров и космонавтов и даже открыл фирму, которая занималась вычислением биоритмов для всех желающих.
Суть теории критических дней заключается в том, что в организме человека постоянно протекают три независимых друг от друга совершенно разных цикла:
физический с периодом 23 дня;
эмоциональный с периодом 28 дней;
интеллектуальный с периодом 33 дня.
В каждом их этих трех циклов первая половина цикла является благоприятной для человека, вторая нет.
Первая половина физического цикла (11,5 дня) - самое подходящее время для занятий спортом, любым делом, требующим напряжения физических сил, а вот в течение же следующих 11,5 дней человек легче устает, так как снижаются тонус и выносливость организма, поэтому на данную фазу не стоит планировать какие-то физические работы.
В положительной фазе эмоционального цикла (первые 14 дней) людям присущи бодрость, веселье и оптимизм, а в неблагоприятной фазе люди отличаются плохим настроением, пессимизмом, поэтому им лучше не принимать каких-то судьбоносных решений.
Во время первой половины интеллектуального цикла (16,5 дня) возникает особый творческий настрой, человеку легче дается учеба, повышается эффективность умственного труда, да и вообще всякое интеллектуальное занятие приносит лучшие результаты, чем во второй половине данного цикла.
Однако самыми опасными днями считаются не дни вторых фаз циклов, а самые неприятные «критические дни», когда кривая каждого цикла, представленная в виде синусоиды, проходит через «нулевую точку» или, иными словами, положительная часть цикла сменяется отрицательной, а затем отрицательная положительной. В эти дни человек должен быть особенно осторожен, ему стоит избегать ситуаций, которые заведомо могут принести неприятности.
Знание среднепериодных биоритмов, таким образом, по мнению Дж. Гоммена и его последователей, открывает перед человеком возможности реализовывать себя самым наилучшим образом, с наибольшей эффективностью для общества и наивысшей выгодой для себя и своих близких. Кстати сказать, по данным одного французского еженедельника, 7 млн американцев и 9 млн японцев планируют свою жизнь с учетом биоритмов, используя для их расчета компьютеры.
Однако многие ученые не признают правильности этой гипотезы. В частности, сомнения вызывает постулат об абсолютной неизменности и одновременном запуске всех ритмов. Установлено, что в процессе индивидуального развития функции организма созревают и угасают с возрастом не одновременно. Реальный вид кривой биоритмов очень далек от идеальной синусоиды, которой характеризуют расчетные ритмы. На фоне полного здоровья даже в зрелом организме биоритмы способны изменяться. Так, ритм биения сердца меняется на протяжении суток в зависимости от уровня обмена веществ, ритм температуры искажается при заболевании, менструальный цикл у здоровых женщин может варьировать в пределах шести дней и т.п. Кроме того, по данным физиологов, физическая, эмоциональная и интеллектуальная форма активности человека столь тесно связаны, что их искусственное разделение не представляется возможным.
Короткопериодные биоритмы
Короткопериодные биоритмы это биоритмы с суточным или менее чем суточным периодом колебаний, это так называемые суточно-солнечные и ультрадианные ритмы.
Основным суточно-солнечным циклом является чередование сна и бодрствования, которые неразрывно связаны и зависят один от другого. Если человек крепко и глубоко спит, он может решать днем сложные задачи, выполнять ответственейшее дело, напряженно работать. Человек, который плохо спал, практически не способен выполнять важные задачи и активно бодрствовать, его внимание рассредоточено, он делает много ошибок.
В результате длительных исследований ученые выделили две основные фазы сна: медленный и быстрый сон, в которых характерны значительные различия в биоэлектрической активности мозга, записываемой в виде электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Во время медленного сна на ЭЭГ появляются медленные волны большой амплитуды, а быстрому сну свойственны быстрые ритмы с меньшей амплитудой. Но различия между фазами наблюдаются не только в картине ЭЭГ: во время медленного сна дыхание и пульс становится реже, расслабляются мышцы, уменьшается двигательная активность человека. В фазе быстрого сна частота дыхания, ритм работы сердца возрастают, двигательная активность увеличивается, за закрытыми веками видны движения глазного яблока. Именно в этот момент люди видят сновидения. Ночной сон человека обязательно начинается с фазы медленного сна, а заканчивается быстрой. Таким образом, пробуждение человека возможно только в стадии быстрого сна. Обычно ночной сон состоит из строгого чередования 4 - 6 завершенных циклов, из которых каждый начинается с медленного сна и заканчивается быстрым, т.е. за одну ночь человек переживает 4 - 6 периодов медленного сна и столько же периодов быстрого сна, который особенно важен для состояния психики человека.
Длительность каждого полного цикла, состоящего из одного медленного и одного быстрого сна, в норме составляет от 60 до 90 мин. Но если в начале ночи быстрый сон длится лишь несколько минут, то к утру его продолжительность составляет примерно полчаса. При этом организму для отдыха необходимо именно сочетание циклов, характеризующихся разной продолжительностью фаз сна. Именно поэтому сон в дневное время, как правило, не дает того освежающего эффекта, как ночной.
В течение дня мозг накапливает колоссальную информацию, дальнейшее освоение которой просто невозможно без определенного перерыва. Ее необходимо отобрать, перераспределить и составить программы на будущее. По мнению отдельных ученых, именно во время сна активно перерабатывается полученная за день информация, при этом психика человека защищается от вредных воздействий. Так, в фазе медленного сна происходит непосредственная обработка информации, полученной в течение дня, а в фазе быстрого сна, которая характеризуется сновидениями и включением фантастических нереальных компонентов, осуществляется защита от внешних раздражений, а также психическая деятельность по стабилизации эмоционально-психического состояния.
Быстрый сон играет значительную роль в процессе обучения и запоминания различной информации. Чем длиннее у человека фазы быстрого сна, тем лучше его способности к запоминанию, постижению новых знаний и осмыслению полученной информации.
Несомненно, сон является очень важным процессом в жизни человека, но к сожалению, он пока еще мало изучен.
То же самое можно сказать об ультрадианных ритмах жизни человека, т.е. ритмах с периодом меньше суток, хотя в последнее время им уделяется все большее внимание в биоритмологии. Типичный пример ультрадианной ритмики - повторение через каждые 90 мин быстрых движений глаз во сне и сходные повторы состояния некоторых функций организма во время бодрствования, например наступление сонливости в течение 3 - 5 мин через каждые 90 мин.
Таким образом, изучение ритмической организации функций оказывается важным диагностическим методом; использование структуры ритмов при назначении хронотерапии – эффективным лечебным воздействием, а поддержание правильной ритмической организации функций – фактором, важным для здоровья и профилактики заболеваний.
Как применить эти знания на практике? Ритмов много, какие из них надо поддерживать? Существует правило, согласно которому ритмы с большим периодом регулируют ритмы с меньшим периодом, поэтому для регуляции ритмов сердца, дыхания, температуры тела, биохимических показателей и т.д. достаточно отрегулировать три ритма «сон - бодрствование», «работа - отдых» и ритм питания.
Физиологические особенности психики человека, основные эмоции
Психика (от греч. psychikos - душевный) это свойство высокоорганизованной материи, являющееся особой формой отражения субъектом объективной реальности. Все явления душевной деятельности человека, или, иначе говоря, психики, являются побудителями и регуляторами поведения с самыми серьезными последствиями.
Психика и психическое отражение действительности это продукт активной деятельности субъекта (человека), но в то же время она выполняет функцию ориентации, управления человеком в мире и в обществе, через нее осуществляется духовная взаимосвязь человека и окружающей его среды.
Психикой у человека управляет высший отдел центральной нервной системы - головной мозг. Это было выявлено выдающимися русскими физиологами И.М. Сеченовым и И.П. Павловым, которые открыли и научно обосновали закономерности физиологических изменений, которые происходят в мозгу при возникновении психических процессов. Таким образом, физиология и психика человека взаимосвязаны и взаимозависимы на протяжении всей жизни.
Психика каждого отдельного человека очень сложна, многомерна, изменчива и весьма индивидуальна, на нее оказывают влияния и гены, и самые разнообразные события и факторы биографии, и процесс воспитания, и явления, происходящие в обществе, и результаты взаимодействия с другими людьми, и проявления неживой природы, например, погода или давление. Мы до конца не знаем, что происходит даже в нашей собственной психике, не говоря уже о психике других людей, их групп и всего общества. Можно отслеживать лишь какие-то закономерности, связи между факторами внешней среды и психикой человека, наблюдать влияние различных событий и явлений на психику и таким образом прогнозировать поведение человека в той или иной ситуации, его ответ на внешние возбудители. При этом следует понимать, что в зависимости от множества специфических черт индивидуума его реакции могут отличаться от реакций другого человека, и порой предугадать их очень непросто. А иногда реакция настолько отлична от реакции большинства людей, что говорят о психических отклонениях и заболеваниях.
Австрийский психолог 3. Фрейд (18561939) разработал теорию и методы психоанализа. Фрейд изучал взаимосвязь физиологии и психологии человека на всем его жизненном пути и пытался решить задачи соответствующей информационно-психологической поддержки человека.
В отечественной психологии выделяют следующие периоды развития (онтогенеза) психики человека:
младенческий (от рождения до 1 года);
преддошкольный (2 - 3 года);
дошкольный (от 3 до 6 лет);
младший школьный (6 - 10 лет);
подростковый (11 -16 лет);
первый период юности (16 - 17 лет);
второй период юности (18 - 22 года);
первый период зрелости (22 - 35 лет);
второй период зрелости (35 - 60 лет);
пожилой возраст (60 - 75 лет);
старческий возраст (от 75 лет).

Развитие психики человека можно привязать и к его основной функции - труду, в связи с этим можно выделить такие этапы психологического развития человека, как подготовка к труду и сознательному планированию, проектированию профессионального жизненного пути (выбор профессии); профессиональная подготовка, адаптация к профессиональной общности и работе после окончания учебного заведения; этап органичной включенности в профессиональное сообщество и обретение признания в выбранной трудовой деятельности.
В жизни человека огромную роль играют эмоции.
Эмоции [от лат. етоtsео - потрясаю, волную] это субъективные реакции человека и животных на воздействие внутренних и внешних раздражителей, проявляющиеся в виде удовольствия или неудовольствия, радости, страха и пр.
Эмоции сопровождают практически любые проявления жизнедеятельности организма. В форме непосредственного переживания они отражают значимость (смысл) тех или иных явлений и ситуаций для конкретного человека. Эмоции служат одним из главных механизмов внутренней регуляции психической деятельности и поведения, они обеспечивают активность человека по преобразованию внешнего мира и регуляции своего поведения, а также являются мотивами деятельности.
Эмоции неразрывно связаны с физиологией человека на протяжении всей его жизни. Они отражают его отношение к значимым для него объектам, обеспечивают селективность восприятия, т.е. выборочность. Из бесчисленного количества объектов среды, влияющих на человека, только некоторые имеют для него большое значение, именно они выделяются и усиливаются эмоциями, а другие объекты, не имеющие никакого значения, не окрашиваются эмоциональными переживаниями и как бы затушевываются.
Эмоции возникли в процессе эволюции как средство, при помощи которого живые существа определяют биологическую значимость состояний организма и внешних воздействий. Эмоции целесообразны, необходимы и являются одним из древних механизмов приспособления. Они мобилизуют организм на достижение желаемого или на отражение угрозы. Они рождаются в подсознательной сфере психики человека, являясь неотъемлемой ее частью, и оттуда мгновенно запускают механизмы приспособительных реакций организма. Эмоциональные реакции субъективны, весьма индивидуальны для каждого человека.
Эмоции многообразны: их столько, сколько различных ситуаций, в которых может оказаться человек, так как в разной ситуации каждый проявляет какую-то особенную чувствительную реакцию, и иногда они весьма отличаются у различных людей несмотря на идентичность самой ситуации. Однако можно выделить десять основных, фундаментальных эмоций. Это интерес, радость, удивление (положительное или отрицательное), горе, гнев, отвращение (омерзение), презрение (пренебрежение), испуг (страх), стыд и вина (раскаяние). Все эмоции можно объединить в четыре группы:
выражающие удовольствие (приятное переживание, например радость);
выражающие неудовольствие (неприятное переживание, например горе);
выражающие двойственное отношение (амбивалентное, например удивление);
выражающие неопределенное отношение к действительности (например, интерес).
Физиологической основой простейших эмоций является деятельность нервных центров, которые находятся в нижних отделах головного мозга, в подкорке. И.П. Павлов писал, что подкорковые центры, являясь центрами сложных безусловных рефлексов пищевых, защитных и других, вместе с тем являются и физиологической основой элементарных эмоций. Последние исследования головного мозга и психики человека показали, что основа физиологического механизма эмоций заложена в активной деятельности механизмов мозга и центров, находящихся в таламусе, гипоталамусе, лимбической системе и подкорковых узлах.
Помимо эмоций человек переживает и высшие чувства: моральные, интеллектуальные и эстетические. Моральные чувства возникают при оценке поступков людей, анализе условий жизни и при совершении поступков, которым можно дать нравственную оценку. Важнейшим моральным чувством является чувство долга, в его основе лежит переживание общественных интересов и необходимости их выполнения. К моральным чувствам относятся также доброжелательность к людям, сочувствие, негодование. Очень важное моральное чувство - любовь, объединяющая людей. Проявлением любви является забота о ближнем.
Все чувства и эмоции связаны с психологическим и физиологическим состояниями человека и определяются этими состояниями.
Как уже упоминалось, ученые выделяют 10 основных эмоций: интерес, радость, удивление, горе, гнев, отвращение, презрение, страх, стыд и вину. Интерес психическое состояние, которое возникает в ответ на какие-то явления, события и других людей и является реальной причиной помыслов, идей, мотивов поведения, социальных действий и свершений. Интерес в целом неопределенная эмоция, он не выражает положительного или отрицательного переживания, но вслед за интересом следуют другие эмоции, которые уже отражают отношение индивида к явлениям, событиям и людям, вызвавшим интерес.
Радость - положительная эмоция, психическое состояние, которое испытывает человек во время соприкосновения с прекрасным, с тем, что ему нравится, дорого и близко. Различают два вида радости: внутреннее глубокое состояние радости и ее внешнюю форму, выражающуюся смехом и живыми действиями веселость. Радость способствует благоприятному физиологическому состоянию организма, при радости у человека легкое дыхание, бодрость, уверенность в себе. Чаще радость вызывается различными объектами внешнего мира: от произведений искусства до объектов природы, отношений в коллективе и удач близких и родных людей, но также радость может вызываться и со стоянием внутреннего мира, например, ходом собственных мыслей. Интенсивность радости зависит от особенностей объекта, вызывающего эту эмоцию, и личностных особенностей человека.
Эмоциями, противоположными по своему содержанию радости, являются горе, а также печаль, грусть и скорбь. Это эмоции, которые характеризуется угнетенным состоянием, чувством морального дискомфорта и даже страданием. При этих эмоциях наблюдаются слабость мышц, бледность, замедление движений и речи, отсутствие аппетита. Они вызываются безуспешной деятельностью личности, потерей близких людей, разлукой с ними, событиями, которые личность расценивает как препятствие для осуществления своих целей и ожиданий. Если человек долго пребывает в данных эмоциональных состояниях, то это чревато депрессиями и даже серьезными психическими заболеваниями.
Страх - психическое состояние, которое испытывает человек во время реальной или мнимой опасности. Это состояние характеризуется широким диапазоном эмоций - от легкого испуга до ужаса. Как правило, страх вызывает у человека депрессию, беспокойство, желание избежать опасной ситуации, иногда затормаживаются двигательные реакции, особенно это проявляется в период ожидания опасности. Бывают и обратные реакции страха - повышение двигательной активности, паника, необдуманные и алогичные поступки. Под влиянием страха у человека изменяется сердцебиение, начинают дрожать мускулы, иногда повышается напряжение в тех органах, с деятельностью которых связано внимание, например, в глазах.
Близкая к страху эмоция это гнев, который возникает вследствие различных отрицательных раздражителей, как моральных (например, нанесение оскорбления), так и физических (например, получение удара). Однако между гневом и страхом есть существенное различие. В то время как чувство страха всецело связано со страданием, чувство гнева представляет собой смешанное чувство, часто связанное со стремлением причинить страдание другому. Гнев повышает тонус мышц, активность органов дыхания и кровообращения, но в то же время способствует ослаблению волевого и умственного контроля над сознанием и поведением человека, именно поэтому нельзя принимать решения в состоянии гнева.
Удивление - психологическое состояние, которое испытывает человек, сталкиваясь с чем-нибудь неожиданным и странным, непонятным ему. Удивление могут вызывать как отрицательные, так и положительные события и явления, и оно соответственно бывает либо отрицательным, либо положительным. При отрицательном удивлении человек испытывает примерно то же, что и при горе, а при положительном - то же, что свойственно испытывать при радости.
Отвращение - резкая неприязнь к чему-либо или кому-либо, соединенная с брезгливостью. Оно возникает, если события, явления и люди не отвечают нашим представлениям о хорошем, правильном, красивом, не соответствуют нашим моральным принципам. Отвращение часто возникает вместе с гневом, но обладает собственными мотивационными признаками и переживается иначе. Например, при отвращении человек не столько хочет причинить страдание другому, сколько прервать контакт с явлением или человеком, вызвавшим эту эмоцию.
Презрение это психологическое состояние, которое вызывается признанием каких-либо явлений, событий и людей недостойными, не заслуживающими уважения, подлыми, низкими, ничтожными. Презрение человек может испытывать и к самому себе. Эта эмоция также часто сопутствует гневу или отвращению, а иногда они проявляются одновременно. Гнев, отвращение и презрение даже называют «враждебной триадой». Выражение презрения часто сопровождается мимикой: человек выпрямляется, слегка откидывает голову назад и смотрит на объект презрения как будто сверху вниз, презрение может выражаться также «презрительной» усмешкой.
Стыд - сильное смущение от сознания совершения предосудительного поступка или попадания в унизительную ситуацию, в результате чего человек чувствует себя опозоренным, обесчещенным. Стыд вызывает желание спрятаться, исчезнуть. При стыде все сознание человека сфокусировано на этом чувстве или положении, в котором он оказался. Человеку кажется, что он стал объектом презрения, насмешек, гнева, от чего он теряет присутствие духа, говорит нелепые вещи, заикается, гримасничает, становится неуклюжим. Внешним выражением стыда может быть опускание головы или частое мигание, расфокусировка взгляда, покраснение лица. Стыд в принципе является отрицательной эмоцией, но часто способствует сохранению самоуважения.
Вина это эмоция, возникающая при нарушениях морального, этического или религиозного характера в ситуациях, когда субъект чувствует личную ответственность. Вина является сложным психологическим феноменом, тесно связанным с таким моральным качеством, как совесть. Вину часто рассматривают как двухкомпонентную эмоцию. Первый компонент - оценочная реакция человека, раскаяние. В ее основе лежит негативное отношение к себе, самообвинение, связанное с осознанием совершенного проступка. А признание своей провинности и неправоты порождает второй компонент - реакцию мучительных и стойких переживаний, преследующих человека: угрызения совести, сожаление о совершенном, неловкость, стыд перед тем, кого обидел, страх потери. Правда, возможно и раскаяние без эмоциональной реакции, формальное, возникшее как рассудочный вывод.
В противоположность стыду, вина не зависит от реального или предполагаемого отношения окружающих к про ступку. Переживание вины вызывается самоосуждением, сопровождается раскаянием и снижением самооценки.
Эмоциональные реакции. Стресс и здоровье человека.
Эмоциональные реакции это переживания человека, вызванные внезапными раздражителями и вызывающие какие-либо эмоции.
Как правило, эмоциональные реакции длятся не долго. Кратковременная, но интенсивная эмоциональная реакция называется аффектом. Состояние аффекта быстро овладевает человеком, протекает очень бурно и значительно изменяет жизнедеятельность организма во время переживания. Например, в состоянии аффекта человек может упасть в обморок или застыть в неподвижной позе (ступор).
Различают физиологический и патологический аффекты. Физиологический аффект возникает в ответ на сильный раздражитель, который внезапно вызывает потрясение, но при этом человек способен руководить своей деятельностью.
Патологический аффект возникает после сравнительно слабого раздражителя (например, незначительного оскорбления), иногда вообще без какого-либо внешнего возбуждения, но характеризуется значительным двигательным и речевым возбуждением человека, который теряет способность саморегуляции. При патологическом аффекте нарушаются лексические связи между словами, не осознается смысл и масштаб производимых действий, а после аффекта человек чувствует истощение, засыпает и часто полностью забывает совершенное в состоянии аффекта.
Эмоциональное состояние (настроение) - переживание тех или иных чувств и эмоций, которые в течение определенного времени влияют на психические процессы и поведение человека. Основной источник эмоционального состояния - удовлетворенность или неудовлетворенность человека ходом своей жизни, социальным положением и другими обстоятельствами, оказывающими долговременное влияние на его жизнь. Если человек удовлетворен этими обстоятельствами, то он чаще испытывает радость, веселье, доброжелателен к людям, сочувствует им. Неудовлетворенный человек обычно озлоблен, недоволен, подавлен; он чаще испытывает отчаяние, безразличие, чувство угнетенности, которые являются началом серьезных психических расстройств, депрессии. Среди болезненных изменений эмоционального состояния выделяют постоянную раздражительность, инфантилизм, постоянный беспричинный гнев, несдерживание эмоций. При болезненных изменениях эмоциональных состояний наблюдается также раздвоение мимических реакций, например глаза плачут, а губы улыбаются.
При достаточно долгом пребывании в отрицательном эмоциональном состоянии могут развиться на только расстройства, но и психические заболевания, например, маниакально-депрессивный психоз.
Эмоциональный стресс это эмоциональное состояние, которое вызывается ситуациями сверхсильного физического и умственного напряжения, возникающего, например, при угрозе жизни, при переживании сильного страха.
Стресс характеризуется необходимостью принимать быстрые и ответственные решения. Однако не все люди способны мобилизоваться и принять их: в стрессе поведение многих людей становится дезорганизационным, наблюдаются беспорядочные движения, отрывистая несвязная речь либо, наоборот, общая заторможенность, пассивность, бездеятельность. Такое изменение поведения - своеобразная защита организма от сверхсильного раздражения, и только решительные и уравновешенные люди способны спокойно пережить действие сильных раздражителей, при этом регулируя и контролируя свое поведение в стрессовой ситуации. Однако частые стрессовые ситуации могут изменить и их психические свойства, даже люди с крепкой психикой становятся восприимчивыми к негативным воздействиям стрессовых факторов, если стрессы повторяются очень часто либо раздражители очень сильны. Силу стрессового раздражения определяет не только объективная величина фактора (интенсивность физической и умственной напряженности, реальность угрозы жизни и т.д.), но и психическое состояние человека. Так, если человек уверен, что он способен контролировать стрессовую ситуацию (например, может по своему усмотрению снизить физическое или умственное напряжение, уйти из жизнеопасной ситуации), то воздействие стрессового фактора снижается, а на людей с неустойчивой, слабой психикой, не уверенных в том, что они смогут контролировать ситуацию, стрессовый фактор всегда будет воздействовать сильнее.
Частые и сильные стрессы способны привести к значительным нарушениям психической деятельности и здоровья человека, например, вызывать такие состояния, когда человек не может выйти из ситуации стресса, чувствует некую обреченность и вместе с тем постоянную усталость, угнетенность, недовольство жизнью. Стресс может даже привести к смерти, которая носит психогенный характер, когда люди настолько пугаются и впадают в панику, что, не выдерживая напряжения, умирают.
Стрессовые факторы часто становятся причиной язвенной болезни. Возникновение заболевания связано с тем, что действие стрессового фактора совпадает с циклом секреции пищеварительной системы и усиливает выделение соляной кислоты. Если ее выделяется слишком много, это приводит к раздражению, а затем и к воспалению слизистой оболочки желудка и двенадцатиперстной кишки, а, следовательно, и к язве. И чем дольше по времени действие стрессового фактора, чем чаще бывают стрессы, тем более вероятно развитие язвенной болезни.
Под влиянием стресса могут возникнуть и такие заболевания, как сердечная астения, приступы бронхиальной астмы, гипертония и др.
Биоэтика и её сущность
Биоэтика это новая наука, которая сформировалась в конце 1960-х начале 1970-х гг. Под биологической этикой понимается применение понятий и норм общечеловеческой морали к сфере экспериментальной и теоретической деятельности в биологии, а также в ходе практического применения ее результатов.
Ее возникновение обусловлено прежде всего достижениями генетики, медицины и ее техническим перевооружением.
В современном мире успешно развиваются такие направления медицины, как генная инженерия, трансплантация органов, биотехнология и т.д. В наши дни медикам под силу долгое время поддерживать в жизнеспособном состоянии больных, страдающих от различных тяжелых заболеваний, в том числе утративших способность передвигаться. Эти успехи, с одной стороны, способствуют продлению жизни, корректируют наследственные недостатки и болезни, последствия различных травм и заболеваний, позволяют бороться с тяжелыми хроническими недугами, но, с другой стороны, обострили старые и вызвали новые моральные проблемы, с которыми сталкивается врач при общении с пациентом, его родственниками и даже с целым обществом.
Этические аспекты медицины являются серьезной проблемой современной цивилизации. Например, продлять или не продлять жизнь пациенту, страдающему неизлечимым заболеванием, утратившему способность ходить и даже жить без медицинских аппаратов, тем более, когда сам больной просит о смерти? Пересаживать или не пересаживать органы умерших людей? Кому в первую очередь давать органы, предназначенные для трансплантации: детям, старикам, зрелым людям, находящимся на пике своих возможностей в расцвете лет? Проблем, о которых идет речь, великое множество, они возникли как неизбежность и часто не имеют однозначного решения.
Одна из основных проблем, которую рассматривает биоэтика, это проблема генной инженерии: допустимо ли с точки зрения моральных норм хирургическое вмешательство в генотип человека? Генная инженерия открывает широкие просторы и множество путей решения проблем медицины, генетики, сельского хозяйства, с ее помощью можно целенаправленно манипулировать генетическим материалом в целях создания новых или реконструкции старых генотипов. Актуальность генной инженерии человека проявляется в необходимости лечения больных с наследственными болезнями, обусловленными геномом. Имеющиеся в этой области достижения показывают перспективность генной терапии наследственных болезней. Заболевания на генном уровне все чаще обусловлены развитием цивилизации. В настоящее время человечество пока не склонно отказаться от определенной части техники и технологий, несущих не только комфорт и материальные блага, но и деградацию естественной среды обитания людей, поэтому в ближайшей перспективе сохранятся побочные явления научно-технического прогресса, отрицательно влияющие на организм человека, справиться с которыми отчасти под силу именно генной инженерии.
Однако тут возникает законный вопрос о социально-этической стороне генной инженерии и генной терапии человека. Мы вмешиваемся в процесс эволюции и пытаемся искусственно влиять на природу, но где гарантии того, что генная терапия не будет использована во вред человеку, как это произошло со многими открытиями в области физики, химии и других наук? Иными словами, человечество столкнулось с дилеммой: затормозить прогресс или дать миру новые источники тревог. К тому же, по мнению многих ученых и видных общественных деятелей, вмешательство в геном человека это покушение на свободное развитие личности, в связи с этим они выступают за приостановление исследований в области генной инженерии человека, тем самым, допуская возможность ограничения процесса познания вообще. Но ведь само познание, научные исследования не несут в себе ни добра, ни зла. Главное, в чьих руках они находятся, важно, чтобы в использовании достижений действовал этический кодекс ученого не навредить здоровью человека, не нанести вреда личности, и именно за это борется биоэтика.
Основные принципы биоэтики:
Принцип единства жизни и этики, их глубокое соответствие и взаимообусловленность. Следует постоянно учитывать этические нормы как в науке, так и на практике;
Признание жизни в качестве высшей категории среди всех этических ценностей, принцип «благоговения перед жизнью»;
Принцип гармонизации системы «человек - биосфера», выдвигающий в качестве самой актуальной задачи современности налаживание оптимальных взаимоотношений между человеком и природой.
На основе этих принципов и создается будущий свод правил и норм биологической этики.
Вопросы для повторения:
Биология в XXI веке
Развитие волновой генетики
Открытия, сделанные в квантовой механике, оказали плодотворное воздействие на биологию, в рамках которой была разработана концепция волновой генетики. Суть ее в том, что гены – не только вещественные структуры, но и волновые матрицы, по которым, как по шаблонам, строится организм.
Взаимная передача информации между клетками происходит не только химическим путем, но и с помощью физических полей – электромагнитными и акустическими волнами и трехмерными голограммами, читаемыми лазерным хромосомным светом и излучающими этот свет, который трансформируется в радиоволны и передает наследственную информацию в пространстве организма.
В результате многочисленных фундаментальных исследований В.П. Казначеева в 60 – е годы XX в. по так называемому зеркальному цитопатическому эффекту, выражающемуся в том, что живые клетки, разделенные кварцевым стеклом, не пропускающим ни единой молекулы вещества, тем не менее обмениваются информацией, было подтверждено существование волнового знакового канала между клетками биосистем.
Китайский исследователь Цзян Каньчжен провел серию генетических экспериментов. Он исходил из того, что ДНК – генетический материал существует в 2 формах:
- пассивной – в виде ДНК – сохраняет генетический код и обеспечивает стабильность организма;
- активной – в виде электромагнитного поля – в состоянии его изменить путем воздействия на него биоэлектрическими сигналами.
Китайский ученый сконструировал аппаратуру, которая была способна учитывать, передавать на расстояние и вводить волновые супергенетические сигналы с биосистемы – донора в организм – акцептор.
В результате он вывел немыслимые гибриды, «запрещенные» официальной генетикой, которая оперирует понятиями только вещественных генов. Так появились на свет животные и растительные химеры: куро – утки; кукуруза, из початков которой росли пшеничные колосья и т.д. Он считал, что носителями полевой геноинформации являются свервысокочастотные электромагнитные излучения, используемые в его аппаратуре, однако теоретического обоснования он дать не смог.
Теорию волновой генетики также подтверждают феноменальные случаи, когда беременные женщины, посетившие концерт звезд эстрады, в итоге рожали детей, генетически сходных с исполнителями, которые во время концерта оказали на них сильное впечатление. Также известны случаи, когда рождаются дети, имеющие генетическое сходство не только с биологическим отцом, но и мужчиной, который сильно запомнился матери, в том числе и в далеком прошлом.
В настоящее время перед учеными возникает проблема теоретического обоснования модели волнового генома, физико-математического и теоретико-биологического осмысления работы хромосомы ДНК в полевом и вещественном измерении.
Становление физико-химической биологии и генетики в XX в. открывает невиданные перспективы перед развитием биологии в XXI в.

Перспективные направления развития биологии

молекулярная биология и генетика вместе с такими прикладными областями исследований, как биотехнология и генная инженерия;
экология, связывающая биологию с естественными науками. изучающими биосферу (геохимия, биогеохимия, геофизика, география, геология и гидрогеология), техническими и гуманитарными науками ( экономикой, правом, социологией)
биология человека и медицина по таким направлениям как :
антропология;
психология;
нейрофизиология;
эндокринология;
фармакология;
иммунология;
онкология;
геронтология
продолжение традиционных биологических исследований, направленных на описание мира живой природы, понимание энергетического и информационного обмена между живыми организмами, поведения животных и т. д.;
информационная биология.

Предметом информационной биологии является исследование биологических систем на 3 уровнях организации:
молекулярно-генетическом;
организменном и популяционном
экосистемном с использованием современных компьютерных программ и вычислительной техники.

К числу важнейших задач информационной биологии относятся:
создание компьютерных баз данных для хранения экспериментальной информации о структуре и функции биологических объектов на всех уровнях их иерархии, начиная с молекулярно-генетического, включая организменный и заканчивая популяционным;
разработка алгоритмов и пакетов программ для анализа информации, накапливаемой в перечисленных выше базах данных;
разработка теоретических и компьютерных методов анализа геномов и изучение их информационного содержания, а также изучение механизмов хранения, реализации и передачи наследственной информации, закодированной в геномах;
создание компьютерных технологий моделирования молекулярно-генетических систем и процессов, в том числе фундаментальных: репликации, транскрипции и т. д.;
создание математических моделей функционирования клеток и целых организмов на основе информации, записанной в их геномах;
создание математических моделей воспроизведения, функционирования и эволюции популяций и экосистем.
Из перечисленных направлений перспективных исследований биология, несомненно, становится одной из важнейших наук XXI в., которая окажет огромное влияние и на развитие гуманитарных наук, в частности этики, права, экономики, социологии, а также таких областей духовной культуры, как религия, философия и политика.


Глоссарий

Автотрофы – организмы, синтезирующее за счет энергии фотосинтеза или хемосинтеза из неорганических веществ все необходимые для жизни органические вещества.
Адаптация – процесс приспособления организма (или любой другой системы) к изменяющимся условиям существования.
Акклиматизация – приспособление живых организмов к новым условиям существования, к новым биоценозам.
Аминокислоты – класс органических соединений, содержащих карбоксильные и аминогруппы; обладают свойствами кислот и оснований.
Амфибии – (земноводные) класс позвоночных животных (саламандры, тритоны, жабы, лягушки и т.п.)
Анафаза – третья стадия клеточного деления, следующая за метафазой; характеризуется расхождением хромосом к полюсам клетки.
Аномалия – отклонения от нормы, от общей закономерности, неправильность, например аномалия развития.
Антибиотики – биологического происхождения, подавляющие рост бактерий и других микроорганизмов, а также вирусов и клеток; применяются в медицине.
Антисептики – химические вещества, вызывающие гибель микробов; применяются в хирургии при лечении ран, для дезинфекции.
Артерия – кровеносный сосуд, несущий кровь от сердца к органам и тканям.
Аутогенный – возникающий в самом организме; например, аутогенная тренировка – воздействие на свое физическое и психическое состояние при помощи самовнушения.
Бактерии – группа микроскопических, преимущественно одноклеточных организмов, обладающих клеточной стенкой, но не имеющих оформленного ядра.
Белки – высокомолекулярные органические вещества, построенные из остатков аминокислот; составляют основу процессов жизнедеятельности всех организмов.
Бентос – совокупность организмов, обитающих на грунте или в грунте дна водоемов.
Био - первая составная часть сложных слов, обозначающая «жизнь», «связанный с жизнью», например биохимия.
Биология – совокупность наук о живой природе, изучающих сущность, происхождение, развитие и многообразие жизни и занимающихся поиском рациональных методов охраны и преобразования живой природы в соответствии с потребностями человека.
Бионика – направление кибернетики изучающее структуру и жизнедеятельность организмов с целью использования открытых закономерностей и обнаруженных свойств для решения инженерных задач и построения технических систем, приближающихся по своим характеристикам к живым организмам.
Биополимеры – высокомолекулярные соединения – белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, а также их производные.
Биоритмы – биологические ритмы – циклические (суточные, сезонные и др.) колебания интенсивности и характера тех или иных биологических процессов и явлений, дающие организмам возможнось приспосабливаться к циклическим изменениям окружающей среды.
Биосфера – область распространения жизни на Земле, включающая верхнюю часть твердой оболочки Земли, гидросферу и нижнюю часть атмосферы.
Биота – исторически сложившаяся совокупность растений и животных, объеденных общей областью распространения.
Биотехнология – совокупность промышленных методов, использующих живые организмы и биологические процессы для производства ценных продуктов.
Биофизика – наука, изучающая физические и физико-химические процессы в живых организмах, а также структуру биологических систем на всех уровнях их организации.
Биохимия – наука, изучающая химический состав организмов, их структуру, свойства, локализацию, а также присущие живой материи химические процессы.
Биогеоценоз – однородный участок земной поверхности с определенным составом живых (биоценоз) и косных (приземной слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.) компонентов и динамическим взаимодействием между ними (обменом веществ и энергии).
Биоценоз – совокупность растений, животных и микроорганизмов, населяющих некоторый участок суши или водоема и характеризующихся определенными отношениями между собой и приспособленностью к условиям окружающей среды.
Ботаника – наука о растениях, изучающая закономерности их внешнего и внутреннего строения, систематику, особенности распространения, взаимоотношения со средой, структуру растительного покрова.
Вещество живое – совокупность живых организмов биосферы, численно выраженная в элементарном химическом составе, массе и энергии.
Вещество косное – материя, образующая биосферу и не входящая в состав живого вещества.
Вирус – возбудитель инфекционных заболеваний растений, животных и человека, размножающийся только внутри живых клеток.
Гармония – согласованность, стройность в сочетании чего-либо.
Ген – материальный носитель наследственности, единица наследственности (генетической) информации, способная к воспроизведению и расположенная в определенном участке хромосомы; обеспечивает преемственность в поколениях того или иного признака или свойства организма.
Генетика – наука о законах наследственности и изменчивости организмов.
Генный – прил. от сл. ген ; генная инженерия - создание с помощью генетических и биохимических методов новых, не существующих в природе сочетаний генов.
Гетеротрофы – организмы, которые используют для своего питания готовые органические вещества; к ним относятся человек, все животные, некоторые растения, большинство бактерий, грибы и др.
Гидро - первая составная часть сложных слов, обозначающая «относящийся к воде, водным пространствам»; например, гидробиология.
Гипер - приставка, обозначающая «превышение»; например, гипертония.
Гипертония – 1) повышение напряженности (тонуса) тканей и органов (например, кровеносных сосудов); 2) повышения кровяного давления.
Гипо.. – приставка, обозначающая «нахождение ниже чего-либо», а также «понижение против нормы» ; например, гипотония.
Гипогликемия – уменьшение содержания сахара в крови ниже 80-70 мг %.
Гипотония – 1) понижения напряженности тканей и органов (например, кровеносных сосудов); 2) понижение кровеносного давления.
Гормоны – биологически активное вещество, вырабатываемое железами внутренней секреции, выделяемое непосредственно в кровь и участвующее в регуляции функций организма.
Гравитация – всемирное тяготение.
Дистрофия – расстройство питательных тканей, органов или организма в целом при нарушении обмена веществ.
Доминанта – главенствующая идея, основной признак, важнейшая составная часть чего-либо.
Естествознание – совокупность наук о природе.
Зигота – клетка, образующаяся в результате слияния двух половых клеток в процессе оплодотворения у животных и растений; из зиготы развивается новая особь.
Зоо - первая составная часть сложных слов, обозначающая «относящийся к животным, к животному миру»; например, зоология.
Зоология – наука, изучающая животный мир, строение и жизнедеятельность животных, их распространение, связь со средой обитания, закономерности индивидуального и исторического развития.
Иммунитет – невосприимчивость организма по отношению к возбудителям болезней или определенным ядам.
Иммунодефицит – снижение или отсутствие иммунитета вследствие дефекта иммунной системы организма; синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД) – вирусное заболевание, приводящее к ослаблению защитных сил организма в результате поражения иммунной системы, передающееся половым путем или через кровь.
Инстинкт – врожденная форма поведения, свойственная данному виду животных, представляющая собой сложную цепь безусловных рефлексов, вызываемых определенными внешними и внутренними раздражителями.
Интеллект – ум, рассудок, разум; мыслительная способность человека; искусственный интеллект – название кибернетических систем, моделирующих некоторые стороны интеллектуальной деятельности человека.
Кислоты нуклеиновые – высокомолекулярные органические соединения, образованные остатками нуклеотидов; присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению и передаче генетической информации.
Кишечнополостные – тип низкоорганизованных беспозвоночных животных, в том числе морские (одиночные и колониальные), сидячие (полипы), свободноплавающие (медузы).
Клетка – элементарная живая система, основа строения и жизнедеятельности всех животных и растений; клетки существуют в составе многоклеточных организмов, а также как самостоятельные организмы (например, простейшие бактерии).
Клетчатка – полисахарид, образованный остатками глюкозы; главная составная часть клеточных стенок растений, обусловливающая механическую прочность и эластичность растительных тканей; другое название – целлюлоза.
Код генетический – передающаяся из поколения в поколение наследственная информация, состоящая в последовательном расположении ее материальных носителей (генов).
Консументы – организмы, являющиеся в пищевой цепи потребителями органического вещества, т.е. все гетеротрофные организмы; к консументам первого порядка относятся все растительноядные животные, к косументам второго порядка – хищники.
Концепция – определенный способ понимания, трактовки каких-либо явлений, основная точка зрения, руководящая идея для их освещения; ведущий замысел, конструктивный принцип различных видов деятельности.
Лейкоциты (белые кровяные клетки) – бесцветные клетки крови животных и человека (в отличие от красных кровяных клеток – эритроцитов), способные перерабатывать микроорганизмы и вырабатывать антитела.
Мануальный – произведенный с помощью рук.
Метафаза – вторая стадия клеточного деления, следующая за профазой; характеризуется движением хромосом к центру клетки и разъединением сестринских хромосом.
Микроорганизмы – общее название мельчайших организмов растительного и животного происхождения, видимых лишь в микроскоп.
Митоз – способ деления клеток, обеспечивающий тождественное распределение генетического материала между дочерними клетками и преемственность хромосом в ряду клеточных поколений.
Митохондрии – органоиды животных и растительных клеток, в которых протекают окислительно-восстановительные реакции, обеспечивающие клетки энергией.
Мозг – центральный отдел нервной системы животных и человека; состоит из нервной ткани: серого вещества (скопление главным образом нервных клеток) и белого вещества (скопление главным образом нервных волокон).
Мономеры – вещество, состоящее из молекул, способных реагировать между собой или молекулами других веществ с образованием полимера.
Мутация – внезапно возникающее естественное или искусственно вызываемое стойкое изменение наследственных структур.
Нейрон – нервная клетка, состоящая из тела и отходящих от него отростков – относительно коротких дендритов и длинного аксона; основная структурная и функциональная единица нервной системы.
Нейстон – совокупность организмов, обитающих у поверхностной пленки воды (сверху или снизу от нее) пресных и морских водоемов.
Неомобилизм – перемещение материковых плит в современную эпоху.
Ноосфера – состояние биосферы в современную эпоху; характеризуется существенным влиянием на геологическую историю Земли человеческого разума.
Нуклеиды – составная часть нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений.
Нутриенты – вещества, которые входят в состав пищи человека и животных и которые усваиваются организмами для построения клеток и накопления энергии.
Органеллы – «органы» простейших, выполняющие различные функции: двигательные, сократительные, рецепторные, нападения, защиты, пищеварительные, секреторные.
Органоиды – постоянные специализированные структуры в клетках животных и растений.
Пептиды – органические вещества, состоящие из остатков аминокислот, соединенных связью аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой (пептидной связью).
Пигмент – окрашенные химические соединения; подразделяются на органические и неорганические; на практике применяются в виде тонких порошков для крашения пластмасс, резины, химических волокон, изготовления красок.
Планктон – совокупность организмов, обитающих в толще воды и переносящихся водными течениями.
Пластиды – цитоплазматические органеллы растительных клеток, нередко содержат пигменты, обусловливающие окраску пластид.
Популяция – совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.
Полисомы – соединение нескольких рибосом; другое название – полирибосомы.
Продуценты – организмы, способные к фото- и хемосинтезу и являющиеся в пищевой цепи первым звеном, созидателем органических веществ из неорганических, то есть все автотрофы.
Прокариоты – организмы, не обладающие оформленными клеточными ядрами и типичным хромосомным аппаратом.
Протоплазма – содержимое живой клетки; состоит из клеточной мембраны, цитоплазмы и ядра, но не включает внешнюю клеточную оболочку.
Профаза – первая стадия деления клетки; характеризуется конденсацией и спирализацией хромосом, разрушением ядерной оболочки и формированием аппарата клеточного деления.
Психика – свойства мозг отражать действительность в виде ощущений, восприятий, представлений, мыслей, чувств, воли и т.п.
Психология – наука, изучающая формы и закономерности психической деятельности.
Расы – исторически сложившиеся группы человечества, характеризующиеся общими наследственными признаками (цветом кожи, глаз, волос, формой черепа, ростом и др.), общностью происхождения и областью расселения; современное человечество подразделяют на три расы: негроидную, европеоидную и монголоидную.
Реакция – 1) действие, возникающее в ответ на то или иное воздействие; 2) ответ организма на внешние или внутренние раздражения.
Редуценты – организмы, разлагающие мертвое органическое вещество и превращающие его в неорганические вещества, которые в состоянии усваивать другие организмы – продуценты; в пищевой цепи относятся к консументам.
Рибосомы – внутриклеточные частицы, состоящие из рибонуклеиновых кислот (РНК) и белков; участвуют в биосинтезе белка.
Сапрофиты – растения и микроорганизмы, питающиеся органическим веществом отмерших организмов; главным образом бактерии и грибы.
Селекция – выведение новых и улучшение существующих сортов растений или пород животных.
Синергетика – наука о самоорганизации физических, биологических и социальных систем.
Система – 1) множество закономерно связанных друг с другом элементов (предметов, явлений, взглядов, идей, принципов и т.д.), представляющее собой определенное целостное образование, единство; 2) совокупность сооружений, машин, механизмов, служащих единой цели; 3) совокупность тканей, органов, их частей, представляющих собой определенное единство и связанных общей функцией (например, нервная система); 4) сложное техническое устройство, конструкция.
Телофаза – последняя стадия деления клетки, следующая за анафазой; на этой стадии вокруг каждой из групп хромосом, собравшихся у полюсов, образуется ядерная оболочка, возникают ядрышки, тело клетки разделяется.
Точка бифуркаций – состояние системы, после которого возможно некоторое множество вариантов ее дальнейшего развития.
Фаза – 1) момент, отдельная стадия в развитии какого-либо явления или процесса в природе или в обществе; 2) определенный момент в каком-либо периодическом астрономическом явлении (например, фазы Луны); 3) физическая величина, характеризующая состояние колебательного процесса в определенный момент времени.
Ферменты – биологические катализаторы, присутствующие во всех живых клетках; осуществляют превращения веществ в организме, направляя и регулируя обмен веществ.
Физиология – наука о жизнедеятельности организмов, процессах, протекающих в их системах, органах, тканях, клетках и их функциях.
Флуктуации – случайные отклонения от средних значений наблюдаемых физических величин, характеризующих систему из большого числа частиц; вызываются тепловым движением частиц системы.
Фотосинтез – превращение зелеными растениями и микроорганизмами лучевой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ.
Фреоны – техническое название группы углеродов, применяемых в качестве хладагентов.
Хаос – полный беспорядок, неразбериха.
Хемосинтез – процесс образования некоторыми бактериями органических веществ из двуокиси углерода за счет энергии, полученной при окислении неорганических соединений.
Хлоропласты – внутриклеточные органоиды растительных клеток, в которых осуществляется фотосинтез.
Хроматида – одна из двух нуклеопротеидных нитей, которые образуются при удвоении хромосом в процессе клеточного деления.
Хромосомы – структурные элементы клеточного ядра, содержащие гены.
Центромера – участок хромосомы, удерживающий вместе две ее нити (хроматиды); во время деления клетки направляет движение хромосом к полюсам клетки.
Цитология – наука о строении, развитии и функциях животных и растительных клеток.
Цитоплазма – внеядерная часть протоплазмы животных и растительных клеток; состоит из гиалоплазмы, органоидов и других включений.
Эволюция – 1) процесс изменения, развития; 2) одна из форм движения, развития в природе и обществе – непрерывное, постепенное количественное изменение, в отличие от революции – коренного, качественного изменения.
Экология – 1) наука, изучающая взаимоотношения животных, растений, микроорганизмов между собой и окружающей средой; 2) состояние окружающей среды и населяющих ее организмов (экология человека, социальная экология).
Экосистема – единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания (атмосфера, почва, водоем и т.п.), в котором живые и косные компоненты связаны между собой обменом веществ и энергии.
Эмбриологи – наука, изучающая зародышевое развитие организмов.
Эндоплазматическая сеть – клеточный органоид, представляющий собой систему канальцев, пузырьков и «цистерн», отграниченных мембранами.
Эндосперм – запасающая ткань семени растений, в котором откладываются питательные вещества, необходимые для развития зародыша.
Эукариоты – организмы, обладающие клетками с оформленными ядрами, ограниченными от цитоплазмы ядерными оболочками; к эукариотам относятся все животные и большинство растений.
Ядро клетки – жизненно необходимая часть растительных и животных клеток; управляет синтезом белков и через них всеми физиологическими процессами в клетке.
Ядрышко – плотное тельце внутри ядра клетки; состоит в основном из рибонуклеопротеидов; участвует в образовании рибосом.


Именной указатель

АРХИМЕД (ок . 287-212 до н. э.), древнегреческий ученый математик и механик, основоположник теоретической механики и гидростатики. Родом из Сиракуз (Сицилия).
АРИСТОТЕЛЬ (384-322 до н . э.), древнегреческий философ. Основоположник формальной логики, создатель силлогистики.
БЕРНАЛ (Bernal) Джон Десмонд (1901-1971) , английский физик и общественный деятель. Труды по рентгеноструктурному анализу; исследования структуры металлов, белков, гормонов, вирусов, жидкостей.
БЮФФОН (Buffon) Жорж Луи Леклерк (1707-88) , французский естествоиспытатель
БУДЫКО Михаил Иванович (р . 1920), российский геофизик. Труды по климатологии, биоклиматологии, экологии, тепловому балансу земной поверхности.
ВОЛЬКЕНШТЕЙН Михаил Владимирович (1912-92) , российский физикохимик и биофизик. Труды по молекулярной спектроскопии, физике молекул и макромолекул, молекулярной биофизике.
ВИРХОВ (Virchow) Рудольф (1821-1902) , немецкий патолог. Выдвинул теорию целлюлярной патологии, согласно которой патологический процесс - сумма нарушений жизнедеятельности отдельных клеток. Описал патоморфологию и объяснил патогенез основных общепатологических процессов.
ВАВИЛОВ Николай Иванович (1887-1943) , российский биолог, генетик, основоположник современного учения о биологических основах селекции и учения о центрах происхождения культурных растений.
ВЕРНАДСКИЙ Владимир Иванович (1863-1945) , российский естествоиспытатель, мыслитель и общественный деятель. Основоположник комплекса современных наук о Земле - геохимии, биогеохимии, радиогеологии, гидрогеологии и др.
ВИЛЬЯМС Василий Робертович (1863-1939) , российский почвовед. Труды по вопросам агрономического почвоведения.
ВИНОГРАДОВ Александр Павлович (1895-1975) , российский геохимик. Труды по проблемам гео-, биогео- и космохимии; разрабатывал вопросы формирования земных оболочек (зонное плавление), химической эволюции Земли, геохимии изотопов и др.
ГУК (Хук) (Hooke) Роберт (1635-1703) , английский естествоиспытатель, разносторонний ученый и экспериментатор, архитектор.
ГЕРАКЛИТ Эфесский (кон . 6 - нач. 5 вв. до н. э.), древнегреческий философ, представитель ионийской школы.
ГИППОКРАТ (ок . 460 - ок. 370 до н. э.), древнегреческий врач, реформатор античной медицины, материалист.
ГЕККЕЛЬ (Haeckel) Эрнст (1834-1919) , немецкий биолог-эволюционист, представитель естественнонаучного материализма, сторонник и пропагандист учения Ч. Дарвина.
ГЕРАСИМОВ Иннокентий Петрович (1905-85) , российский географ и почвовед. Труды по географии почв, геоморфологии, палео- и физической географии.
ГОР (Gor) Алберт (р . 1948), государственный деятель США.
ДАРВИН (Darwin) Чарлз Роберт (1809-1882) , английский естествоиспытатель, создатель дарвинизма. Основной труд "Происхождение видов путем естественного отбора" (1859).
ДЕМОКРИТ (ок . 470 или 460 до н. э. - умер в глубокой старости), из г. Абдера (Фракия), древнегреческий философ, один из основателей античной атомистики. По Демокриту, существуют только атомы и пустота.
ДУБИНИН Никита Петрович (р . 1906), российский генетик. Исследовал эффект положения гена, вопросы генетики популяций. Труды по эволюционной, радиационной и космической генетике
ЗЮСС (Sues ) Эдуард (1831-1914) , австрийский геолог. В главном труде "Лик Земли" (тома 1-3, 1883-1909) дал сводку многих региональных исследований, обобщил представления о строении и развитии земной коры на основе контракционной гипотезы.
ИВАНОВСКИЙ Дмитрий Иосифович (1864-1920) , российский физиолог растений и микробиолог, один из основоположников вирусологии.
КРИК (Crick) Фрэнсис Харри Комптон (р . 1916), английский биофизик и генетик. В 1953 совместно с Дж. Уотсоном создал модель структуры ДНК (двойную спираль), что позволило объяснить многие ее свойства и биологические функции и положило начало молекулярной генетике.
КЮВЬЕ (Cuvier) Жорж (1769-1832) , французский зоолог, один из реформаторов сравнительной анатомии, палеонтологии и систематики животных.
КОРРЕНС (Correns) Карл Эрих (1864-1933) , немецкий ботаник. Основополагающие работы по генетике пола, цитоплазматической наследственности.
ЛАМАРК (Lamarck) Жан Батист (1744-1829) , французский естествоиспытатель, предшественник Ч. Дарвина. Создал учение об эволюции живой природы (ламаркизм). Основоположник зоопсихологии. Ввел (1802) термин "биология".
ЛЕВИТСКИЙ Григорий Андреевич (1878-1942) , российский ботаник и цитолог. Труды по строению и развитию митохондрий, морфологии и эволюции хромосом, кариосистематике, применению цитологии в селекции.
ЛАМЕТРИ (Lamettrie , La Mettrie) Жюльен Офре де (1709-51), французский философ, врач.
ЛАЙЕЛЬ (Лайелл) (Lyell) Чарлз (1797-1875) , английский естествоиспытатель, один из основополжников актуализма в геологии.
ЛИБИХ (Liebig) Юстус (1803-73) , немецкий химик, основатель научной школы, один из создателей агрохимии. Открыл (1823) изомерию.
ЛИННЕЙ Карл (1707-78) , шведский естествоиспытатель, создатель системы растительного и животного мира.
ЛЕОНОВ Леонид Максимович (1899-1994) , русский писатель.
ЛЕРУА (Le Roy) Эдуар (1870-1954) , французский ученый и философ, представитель католического модернизма. Занимался математикой, палеонтологией и антропологией.
МЕНДЕЛЕЕВ Дмитрий Иванович (1834-1907) , российский химик, разносторонний ученый, педагог. Открыл (1869) периодический закон химических элементов.
МИШЕР (Miescher) Иоганн Фридрих (1844-1895) , швейцарский врач, первооткрыватель ДНК. Выделил (1868) из ядер лейкоцитов, полученных из гноя, вещество, названное им нуклеином.
МЕНДЕЛЬ (Mendel) Грегор Иоганн (1822-84) , австрийский естествоиспытатель, монах, основоположник учения о наследственности (менделизм).
МЮЛЛЕР Фриц (1821-97) , немецкий зоолог. Труды по эмбриологии и экологии беспозвоночных, в т. ч. по мимикрии.
ОПАРИН Александр Иванович (1894-1980) , российский биохимик. Выдвинул гипотезу возникновения жизни на Земле (1922).
ПАСТЕР (Pasteur) Луи (1822-95) , французский ученый, основоположник современной микробиологии и иммунологии. Открыл природу брожения.
ПОЛЯНСКИЙ Юрий (Георгий) Иванович (р . 1904), российский биолог. Труды по морфологии, систематике и физиологии простейших, паразитологии, теоретическим проблемам эволюции.
ПИФАГОР Самосский (6 в. до н. э.), древнегреческий философ, религиозный и политический деятель, основатель пифагореизма, математик.
ПРИГОЖИН (Prigogine) Илья Романович (р . 1917), бельгийский физик и физикохимик, один из основоположников термодинамики неравновесных процессов.
РЕЙМЕРС Федор Эдуардович (1904-88) , российский физиолог растений. Труды по росту и развитию сельскохозяйственных растений, повышению всхожести их семян в Сибири.
СМИТ (Smith) Адам (1723-90) , шотландский экономист и философ, один из крупнейших представителей классической политэкономии.
УИЛКИНС Морис (р . 1916), английский биофизик. Впервые получил высококачественные рентгенограммы молекулы ДНК, чем содействовал установлению ее структуры.
УОЛЛЕС (Wallace) Алфред Рассел (1823-1913) , английский естествоиспытатель, один из основоположников зоогеографии.
ХОЛДЕЙН (Haldane) , английский ученый Джон Скотт (1860-1936), физиолог.
ЧЕК (Cech) Томас Роберт (р . 1947), американский молекулярный биолог. Основные исследования по механизмам передачи генетической информации.
ЧЕРМАК Эрих (1871-1962), австрийский ученый, генетик,
ШЛЕЙДЕН (Schleiden) Маттиас Якоб (1804-81) , немецкий ботаник, основоположник онтогенетического метода в ботанике.
ШВАНН (Schwann) Теодор (1810-82) , немецкий биолог, основоположник клеточной теории.
ШОПЕНГАУЭР (Schopenhauer) Артур (1788-1860) , немецкий философ, представитель волюнтаризма.
ЭНГЕЛЬС (Engels) Фридрих (1820-95) , мыслитель и общественный деятель, один из основоположников марксизма. "Диалектика природы" (1873-82, опубликована 1925).
ЭМПЕДОКЛ из Агригента (ок . 490 - ок. 430 до н. э.), древнегреческий философ, поэт, врач, политический деятель.
ЮРИ (Urey) Гарольд Клейтон (1893-1981) , американский физик и физикохимик. Открыл дейтерий (1932). Труды по химии и разделению изотопов; гео- и космохимии, астрофизике; проблемам возникновения жизни.
УОТСОН Джеймс Дьюи (р . 1928), американский биохимик. В 1953 совместно с Ф. Криком создал модель пространственной структуры ДНК (двойную спираль), что позволило объяснить многие ее свойства и биологические функции.
ЧАРГАФФ (Chargaff) Эрвин (р . 1905), американский биохимик. По происхождению австриец, с 1928 в США. Труды по химии нуклеиновых кислот. Установил соотношение пуриновых и пиримидиновых оснований в молекулах ДНК. Показал видовую специфичность ДНК.
МАЛЬТУС (Malthus) Томас Роберт (1766-1834) , английский экономист, основоположник мальтузианства.
ДЖЕННИНГС (Jennings) Герберт Спенсер (1868-1947) , американский биолог. Труды по генетике популяций и экологии животных.
ДЕ ФРИЗ (Де Фрис) Хуго (1848-1935) , нидерландский ботаник, один из основателей учения об изменчивости и эволюции. Провел первые систематические исследования мутационного процесса. Разработал концепцию эволюции посредством мутаций (мутационная теория де Фриза). Одновременно с К. Э. Корренсом и Э. Чермаком-Зейзенеггом вторично открыл законы Менделя (1900).
АКИМОВА Татьяна Акимовна, российский экономист, доктор экономических наук, профессор.
ХАСКИН Владлен Владимирович, российский биолог, доктор биологических наук, профессор.
ЯБЛОКОВ Алексей Владимирович (р . 1933), российский биолог. Исследования морских млекопитающих. Работы по теории эволюции, популяционной биологии, научная и общественная деятельность по охране живой природы, защите окружающей среды.
ИЗРАЭЛЬ Юрий Антониевич (р . 1930), геофизик, академик РАН (1994). Основные труды по физике атмосферы, геофизическим аспектам экологии.
ГОРЕЛОВ Анатолий Алексеевич – ведущий научный сотрудник Института философии РАН, доктор философских наук, автор книг по проблемам экологи, естествознания, философии, культуры.
Ролло Мэй ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]  [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ])  известный [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. В своих произведениях подвергает тщательному рассмотрению основные проблемы человеческой экзистенции: [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], ответственность и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], творчества, вина и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], любовь и насилие.
Розалинд Франклин ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Rosalind Franklin) ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]  [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ])  английский биофизик и учёный-рентгенограф, занималась изучением структуры [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
Франческо Реди (1626-1697, Италия) Поэт, литератор, историк, знаток различных областей естествознания, экспериментатор. Интересны две работы – "Опыты о размножении насекомых" (1668 г.) и "Наблюдения над животными, живущими в живых же животных" (1684 г.); обе они непосредственно связаны с обсуждением возможности [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
Миллер, Дейтон Кларенс ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Miller, Dayton Clarence) (13 марта 1866  22 февраля 1941)  американский физик, акустик, пионер в использовании рентгеновских лучей, сторонник теории эфира и абсолютного пространства, отрицатель теории относительности Эйнштейна.
Дени
· Дидро
· ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Denis Diderot; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]) [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]-[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], основавший [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
Хакен Герман (Hermann Haken, род. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] 1927 г.) немецкий физик-теоретик, основатель [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Изучал физику и математику в университетах Галле и Эрлангена, получив степени доктора философии и доктора естественных наук. С 1960 г. по 1995 г. являлся профессором [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Ведет исследования в Центре по изучению сложных систем в университе Флориды (Бока Рэтон, США). Основатель и редактор [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] серии по синергетике.
Юджин Одум ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Eugene Pleasants Odum) ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ][ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ])  известный американский эколог и зоолог, автор классического труда «Экология», который до сих пор являются лучшим в мире трудом по теории экологии.
Борис Николаевич Ласкорин (1915-1997) с 1952 года до конца жизни работал во ФГУП "ВНИИХТ" над созданием технологий комплексной переработки радиоактивных и редкометаллических руд с получением чистых химических соединений для нужд оборонной промышленности и атомной энергетики.
Ба
·рри Ко
·ммонер (род. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ])  американский [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Приобрёл известность как противник [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Написал несколько книг об опасности подобных испытаний для [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Земли.
Андрей Григорьевич Банников ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] - [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]) - советский и российский биолог, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], профессор, специалист в области охраны природы, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] и эколог.
Куражковский Юрий Николаевич; родился 15 января 1923 г, доктор географических наук, профессор.
Слепян Эрик Иосифович; родился 23 июня 1931 г., доктор биологических наук, профессор; академик РАЕН, Российской экологической академии.

Содержание
































































































































































































































13PAGE 15


13PAGE 1434415



СИНЕ-ЗЕЛЕНЫЕ ВОДОРОСЛИ

БАКТЕРИИ

ГРИБЫ

ЖИВОТНЫЕ

РАСТЕНИЯ

ЭУКАРИОТЫ

ПРОКАРИОТЫ

ВИРУСЫ

ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ





БелокРисунок 7Рисунок 7Рисунок 11Рисунок 13Рисунок 14

Приложенные файлы

  • doc 8490471
    Размер файла: 9 MB Загрузок: 0