Биология (от греч. bios – жизнь, logos – учение) – совокупность наук о живой природе, о многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых организмов, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, о связях друг с другом и взаимодействии с обществом и неживой природой [1, с. 141].
Термин «биология» ввел в оборот Жан Батист Пьер Антуан Ламарк (1744–1829 гг.), который создал первую в истории науки целостную картину исторического развития живой природы. Свое учение он изложил в сочинениях: «Гидрогеология» (1802 г.) и «Философия зоологии» (1809 г.).
Французский ученый не отрицал широко распространенной в его время идеи божественного происхождения животных и растений, однако считал природу находящейся в процессе эволюции. По его мнению, в основе механизма эволюции лежат две предпосылки: во-первых, в живых организмах заложена врожденная способность к самосовершенствованию, а, во-вторых, причиной изменения видов является воздействие на организм внешних сил природы. Изменения во внешней среде могут изменить форму поведения, вследствие чего органы живых существ приобретают новые функции, которые передаются потомкам [5, с. 321–323].
В современной биологической науке Жан Батист Ламарк считается основоположником эволюционного подхода, хотя многие его предположения не подтвердились. В частности, оказалось, что приобретенные в результате воздействия на организм внешней среды признаки не наследуются.
Эволюционная теория, как теория постепенного преобразования видов животных и растений, последовательно была разработана Чарльзом Робертом Дарвином (1809–1882 гг.). Итоги своих научных исследований он изложил в книге: «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859 г.).
Механизмом эволюции английский биолог считал естественный отбор в борьбе за существование, в ходе которого любые изменения, благоприятные для выживания в данных условиях (ограниченность пространства, пищи, тепла, света и т.п.), повышают способность к размножению. Борьба за существование может быть межвидовой, внутривидовой и борьбой с неблагоприятными условиями внешней среды. Самой острой является внутривидовая борьба, поскольку у особей данного вида существуют одинаковые потребности. В процессе естественного отбора происходит избирательное уничтожение одних особей и размножение других, а полезные признаки, приобретенные в ходе эволюции, наследуются. Именно фактор наследственности обеспечивает устойчивость вида. Направление естественного отбора может изменяться при изменении внешних условий, когда какие-либо другие признаки оказываются важнейшими для выживания. При этом в действие вступает фактор изменчивости, определяющий появление новых видов.
Эволюция, по Дарвину, является медленным процессом, поскольку, по его мнению, «природа не терпит скачков». Однако медленная эволюция не объясняет ряд особенностей, связанных с распространенностью видов на Земном шаре. «Борьба за выживание» также является слишком упрощенным понятием о механизме эволюции. Ведь в природе можно найти примеры взаимопомощи и солидарного поведения животных.
Современные научные представления о развитии живых организмов несколько отличаются от представлений Дарвина. Так, в XX в. была установлена роль ДНК в передаче наследственной информации, а теория естественного отбора дополнена теорий мутаций. Ученые пришли к выводу, что мутации спонтанно возникают в генах, окружающая среда поощряет удачные мутации, и в результате такого отбора происходит эволюция. В конечном счете, эволюция представляет собой итог череды мутаций, носители которых либо выживают, либо гибнут [6, с. 95]. Сегодня в теорию эволюции включены данные генетики, палеонтологии, экологии, молекулярной биологии и концепции дарвинизма, поэтому она получила название «синтетическая теория эволюции». Тем не менее строгие законы эволюции до сих пор еще не сформулированы. Мы имеем дело с гипотезами, имеющими частные практические подтверждения [5, с. 331–332].
Синтетическую теорию эволюции принято разделять на две структурные части: теорию микроэволюции и теорию макроэволюции. В рамках теории микроэволюции изучаются необратимые преобразования популяций, приводящие к формированию нового вида. Популяция является совокупностью организмов (особей) одного вида с единым генофондом, занимающих определенную территорию. Все живое существует в популяциях. У каждой популяции есть количественные границы: минимальная численность, необходимая для самовоспроизводства и предельно достижимый максимум численности. Вид – это группа скрещивающихся между собой организмов, которые не могут скрещиваться с представителями других таких групп. Вид формируется только в пределах одной популяции. Реально вид существует в форме популяций.
В свою очередь, теория макроэволюции изучает происхождение надвидовых таксонов, а также направления и закономерности развития жизни на Земле в целом, включая происхождение человека. Термин «таксон» определяет общее название групп организмов. Универсальная классификация форм жизни включает в себя следующие таксоны: вид, род, семейство, отряд (порядок у растений), класс, тип (отдел у растений), царство. Наименьшей степенью обладает вид, наибольшей – царство.
В теории микроэволюции элементарной эволюционной структурой считается популяция. Выдающийся отечественный ученый Н.В. Тимофеев-Ресовский показал, что для возникновения эволюционных явлений требуется действие следующих факторов: мутаций, флуктуаций численности особей, изоляции популяций и естественного отбора. Генные изменения – мутации – лишь поставляют элементарный эволюционный материал, но сами по себе не обеспечивают эволюцию. Приобретенные в результате мутации свойства могут оказаться разрушительными для всех особей и в целом для популяции.
Эволюционная роль флуктуаций численности проявляется в двух направлениях. Во-первых, снижение численности приводит к увеличению близкородственных скрещиваний. Во-вторых, уменьшение разнообразия генотипов влияет на направление отбора. Флуктуации численности могут протекать в различных направлениях и не определяют русло наследственных преобразований. Изоляция популяций нарушает свободное скрещивание и закрепляет возникшие различия в наборах и численности генотипов в популяции. Изоляция имеет как территориально-географические, так и биологические причины, например, предпочтение мест питания, различие в сроках размножения. Роль естественного отбора в эволюции проявляется на уровне фенотипа в целом, а не на отдельном фенотипическом признаке. Его генетический смысл состоит в сохранении внутри популяции определенных генотипов и избирательное их участие в передаче генов следующим поколениям. Естественный отбор может проявляться в двух формах: движущий отбор и стабилизирующий отбор. Движущий естественный отбор дает направление, определяет своеобразный вектор популяции, создает новые генотипы. Стабилизирующий естественный отбор совершенствует процессы индивидуального развития особей, не меняя генотип, в результате чего определяется преобладающий в данных условиях фенотип.
В целом современная теория эволюции удовлетворительно объясняет развитие жизни на Земле. Однако многие процессы жизни на нашей планете носят катастрофический характер и не укладываются в схему постепенных изменений. Во-первых, теория эволюции не может полностью объяснить феномен зарождения жизни. Так, первичная форма жизни – бактерия – имеет две тысячи энзимов, или ферментов-катализаторов. Подсчитано, что путем случайного совпадения для выделения этих энзимов из «первичного бульона» может потребоваться от 40 до 100 млрд. лет. Однако Земля существует уже 4,6 млрд. лет. Следовательно, жизнь возникла на нашей планете исторически внезапно. Во-вторых, эволюция живого существа происходит в согласованном изменении многих его элементов, которые эволюционируют одновременно. В-третьих, эволюция, затрагивая отдельные виды и экологические ниши, в то же время не затрагивает другие виды и ниши. К примеру, в течение последних 165 млн. лет совершенно не изменились акулы [6, с. 95–96].
Около 3 млн. лет назад в Африке, в зоне Восточно-Африканского разлома, происходили катастрофические процессы геологической активности, и там возникли локальные зоны длительного воздействия на флору и фауну радона – радиоактивного газа магматического происхождения. Высокий радиоактивный фон этих мест во много раз усилил мутационные изменения, что ускорило развитие восточноафриканских приматов и, в конечном счете, привело к появлению человека. В то же время близкие к приматам виды обезьян за последние 5 млн. лет никак не изменились.
В целом естественный отбор воздействует на живых существ интегрально и комбинировано, т.е. одновременно влияет на их тело, развитие и поведение. Но, вероятно, в развитии обнаруживает себя и другая сила эволюции – самоорганизация. Самоорганизация – фундаментальное понятие синергетики, означающее упорядочивание, т.е. переход от хаоса к структурированному состоянию, происходящее спонтанно в открытых нелинейных системах. Открытость представляет собой свойство систем, проявляющееся в их способности к обмену веществом, энергией и информацией с окружающей средой, а нелинейность предполагает многовариативность путей эволюции [4, с. 639].
Таким образом, самоорганизация означает, что любые жизненные процессы происходят не за счет внутреннего воздействия, а за счет внутренних изменений самой системы. Самоорганизация может спровоцировать оптимальные изменения, но также может подвести популяцию к гибели. 30–35 тыс. лет назад предки современных европейцев, усовершенствовав орудия охоты, стали убивать так много животных, что многие их виды попросту исчезли. Около 10 тыс. лет назад предки коренных американцев охотились на мамонтов и истребили их совсем. За последующие периоды общественного развития люди перешли от охоты к земледелию, освоили ремесла, организовали торговлю, стали заниматься интеллектуальной деятельностью, создали города.
В настоящее время на нашей планете существует около 50 млн. видов животных и растений. Однако с момента появления жизни на Земле животный и растительный миры имели приблизительно 50 млрд. видов. Отсюда следует, что из всех когда-либо существовавших видов уцелел лишь один из тысячи, т.е. к настоящему времени 99,9% видов погибли. При этом истребления, связанные со становлением человечества, составили всего лишь 5%, остальные виды живых организмов погибли сами.
Оптимальная продолжительность жизни отдельно взятого вида составляет 4 млн. лет, а у млекопитающих – только 1 млн. лет. На протяжении нескольких миллионов лет каждый вид формируется, множится и процветает, а затем вымирает. В среднем за всю историю жизни на планете в день погибало по одному виду. Что же приводит виды к исчезновению с регулярностью в 4 млн. лет?
По мнению профессора Ф.Н. Рянского, главным фактором этого процесса является геологическая активность Земли. Так, за последние 50 тыс. лет тропические леса резко сократились. Вследствие этого в дождевых экваториальных лесах постепенно уменьшилось разнообразие, стала исчезать неповторимая флора и фауна. 10 тыс. лет назад ледники доходили до территории нынешнего Нью-Йорка, а теперь отступили далеко на север. Виды живут, развиваются и исчезают в очень изменчивой окружающей среде. Этим, по-видимому, объясняется 90% всех случаев их вымирания. Но с крупными животными (например, динозаврами) дело обстоит гораздо сложнее. Возможно, что эти животные вымирают не из-за неспособности адаптироваться к изменившимся условиям жизни, а из-за собственного поведения. Не только окружающая среда, но и сами сложные живые существа способны меняться и не всегда в лучшую для них сторону. В одних случаях их поведение может так быстро изменить окружающую среду, что приведет этих животных к исчезновению. В других случаях животные перестают приспосабливаться к переменам в окружающей среде и тоже быстро гибнут [6, с. 97].
Идеям Жана Батиста Ламарка и Чарльза Дарвина о непрерывном эволюционном развитии живой природы противостоит теория катастроф, выдвинутая Жоржем Кювье (1769–1832 гг.). Производя раскопки в Альпах, он установил, что останки животных прошлых эпох не похожи на нынешних. Кости ихтиозавров и плезиозавров находятся в древних слоях, поэтому искать их в более поздних отложениях бесполезно, а кости ламантинов и тюленей не стоит искать рядом с останками ихтиозавров. В своем трактате «Рассуждения о переворотах на поверхности Земного шара» (1812 г.) французский палеонтолог высказал предположение о том, что не только различные катастрофы, перемещавшие слои нашей планеты, постепенно выдвинули из глубины моря различные части континентов и уменьшили бассейны морей, но и сами бассейны перемещались с одних мест на другие.
Кювье много сделал в области семантики животных, сравнительной анатомии и палеонтологии. Ему принадлежит принцип «корреляции частей организма», в соответствии с которым строение любого органа закономерно соотносится со строением всех других органов и организма в целом. Руководствуясь этим принципом и имея в наличии какую-либо часть животного, ученый воссоздавал облик всего живого существа.
Исследуя ископаемых животных, Кювье установил связь между их строением и палеонтологическими периодами. Он заметил, что при переходе от древних к более поздним геологическим пластам строение ископаемых животных усложняется. Эти усложнения естествоиспытатель связал с катастрофическими переменами в окружающей среде. Поскольку среди морских образований встречаются пласты, заполненные останками сухопутных и пресноводных животных и растений, рассуждал он, то части суши периодически затоплялись. Разрывы и изломы, наблюдаемые в древнейших пластах Земли, свидетельствуют о действиях внезапных и грандиозных явлений природы. Ссылаясь на отсутствие переходных форм живых существ, Кювье пришел к выводу, что биологические виды сами по себе неизменны, а исчезнувшие виды были столь же постоянны, как и современные. В 1786 г. он первым заявил о вымирании видов.
Первопричиной глобальных вымираний Жорж Кювье считал морские потопы, но эта гипотеза современными биологами и геологами не подтвердилась. Океан наступает не спеша, отвоевывая у суши по миллиметру в год. К такому темпу растительный и животный мир успевает приспособиться, и быстрого массового вымирания не происходит. Локальные наводнения, т.е. быстрые затопления суши, были в прошлом неоднократно, но на очень ограниченном пространстве; всю планету они никогда не охватывали и большого урона обитателям суши не наносили.
Самое крупное наводнение случилось 6 млн. лет назад на территории Средиземноморья. К тому времени из-за изоляции от Индийского и Атлантического океанов Средиземное море пересохло, превратившись в обширную и неглубокую котловину. Дно ее постепенно заполнилось трехкилометровым слоем гипса и соли, образованным в процессе испарения морской воды, а в теплых рассолах неглубоких озер, сохранившихся в некоторых местах, могли выжить только особые бактерии – галоархеи. Этот этап в истории региона называют Мессинским кризисом. 5,33 млн. лет назад воды Атлантического океана начали проникать по тектоническим трещинам через западный борт котловины. Вода проточила в породах довольно широкое русло – нынешний Гибралтарский пролив – и хлынула в сухую, засоленную низменность. Наполнение Средиземного моря происходило очень быстро, всего 15–20 тыс. лет, в течение которых в нем поселились обычные морские организмы [3, с. 78, 85].
Долгое время глобальные катастрофы, которые могли влиять на эволюцию земной жизни, мало интересовали ученых. Биологам и геологам важнее было понять поступательное и непрерывное изменение видов. Лишь в середине XX столетия, когда установили, что массовые вымирания совпадают по времени с катастрофическими событиями, такими как вспышки вулканизма и падение метеоритов, их стали изучать целенаправленно.
Глобальные катастрофы происходили на Земле довольно часто. Теория эволюции базируется на данных палеонтологии – науки, занимающейся изучением сохранившихся останков живых существ. В палеонтологии используется геохронологическая шкала времени, принятая в 1881 г. в Болонье на Международном геологическом конгрессе, которая отражает основные даты в истории нашей планеты [5, с. 323–324].
Наиболее древняя часть истории Земли называется криптозоем. Она охватывает интервал от 570 до 3800 млн. лет назад. В этот период органическая жизнь находилась в скрытом состоянии. Следующая часть, протяженностью в 570 млн. лет, называется фанерозоем. Фанерозой разделен на три эры: палеозой (эра «древней жизни»), мезозой (эра «промежуточной жизни») и кайнозой (эра «новой жизни). Эры делятся на периоды.
Первые живые организмы появились на Земле примерно 3,5 млрд. лет назад. Это были простейшие существа – микроорганизмы. Для кембрийского периода характерны организмы более высокой сложности. Жизнь развивалась в основном в морях и была представлена примитивными ракообразными, моллюсками, кораллами. Морские позвоночные животные – щитковые рыбы, морские звезды и др. – появились 450 млн. лет назад. Жизнь, бурно развивавшаяся в морях в ордовикский период, 440 млн. лет назад стала угасать из-за наступившего оледенения. В силуре и девоне жизнь впервые вышла на сушу.
К существенным изменениям в облике планеты привело обогащение растительного покрова Земли деревьями и кустарниками, дающими семена, которое произошло примерно 360–385 млн. лет назад. Считается, что сотни тысяч лет назад было достаточно, чтобы обширные леса покрыли оголенные до того скалы, пески и земли всех континентов.
Самое массовое за всю историю нашей планеты вымирание живых существ произошло 251 млн. лет назад, в конце палеозойской эры. Свыше 90% морских и 70% наземных видов навсегда исчезли с лица Земли – остались лишь самые мелкие и примитивные. В Мировом океане прекратилось образование рифов, до тех пор распространенных по всем морям, а на суше – накопление угля, так как исчезли покрывавшие ее пышные леса из древовидных плаунов, папоротников и разнообразных древних голосеменных. Уцелели некоторые наземные амфибии, а также рептилии, например, протерозухии – предки динозавров, цинодонты – зверообразные ящеры, предки млекопитающих, и листрозавры – их отдаленные родственники. Это были животные небольшого размера, которым на поддержание активности требовалось меньше энергетических затрат, а значит, они потребляли меньше кислорода.
Среди морских животных катастрофу пережили также самые мелкие фораминиферы, брахиоподы, двустворки, поскольку им требовалось меньше пищи и кислорода. Наземная флора пострадала не меньше, чем фауна, – содержащие хлор выделения вулканов разрушали озоновый слой, жесткое ультрафиолетовое излучение калечило еще не проросшие споры, сернокислые дожди выжигали листву, а последние соки из отмирающих деревьев высасывали расплодившиеся грибы. Былой уровень биоразнообразия на Земле восстановился только 60 млн. лет спустя, к середине юрского периода [3, с. 83–84]. Ученые ищут причины этих процессов в состоянии самой биосферы и вне ее.
Так, по мнению профессора В.А. Соломатина, растительный и животный миры этого периода погибли из-за нехватки кислорода, которая возникла при разложении мертвой органики, оставленной океаном при отступлении от материка. Отходы жизнедеятельности лесных массивов уносились в море. Образовывались огромные плантации водорослей, которые, отмирая, падали на дно. Процесс их разложения поглощал кислород, находящийся в воде. Обитатели океанов стали задыхаться, морское дно опустело. В результате пермский период закончился грандиозным катаклизмом [5, с. 325].
Среди внешних причин вымирания ученые также называют катастрофу, вызванную мощными вулканическими излияниями на территории Восточной и отчасти Западной Сибири. Это было кратковременное по геологическому масштабу событие, сильно повлиявшее на биосферу. Его следы запечатлены в виде обширнейшей толщи базальтов, мощностью несколько километров, называемых Сибирскими траппами [3, с. 82].
Последняя в истории Земли глобальная катастрофа произошла 65,5 млн. лет назад. Согласно гипотезе лауреата Нобелевской премии американского физика Луиса Альвареса, выдвинутой им в 1980 г., причиной катастрофы стал гигантский метеорит, упавший на нашу планету. Метеорит имел в длину около 10 км., он врезался в Землю со скоростью 20 км. в секунду и оставил котлован глубиной 20 км. Место падения этого небесного тела – северный берег полуострова Юкотан в Мексике. Об этом свидетельствует расположенный там кратер Чиксулуб, время появления которого примерно совпадает с данным событием. Произошел чудовищный взрыв, сопровождавшийся выбросом энергии, в 10000 раз превышающий все нынешние ядерные запасы землян. В результате мощного катаклизма в атмосферу было выброшено 100 млрд. тонн серы, воздух наполнился сернистыми соединениями, а леса охватили гигантские пожары.
Большая часть живших тогда обитателей мезозоя погибла от ударной и тепловой волн, ядовитых выбросов, кислотных дождей, ураганов и цунами. Поднявшиеся в атмосферу облака пыли и клубы дыма на долгие месяцы окутали планету. Они отражали солнечные лучи; в результате началось резкое похолодание, и растительность, оставленная без света и тепла, стала гибнуть. Затем произошло массовое вымирание лишенных пищи животных. С этой катастрофой связывают гибель 35% видов обитателей океанов, а также всех крупных рептилий: морских ящеров, динозавров и птерозавров и др. [5, с. 325].
В неокатастрофизме – так теперь называется обновленная теория Жоржа Кювье – очень много предположений, до сих пор не имеющих достоверных эмпирических доказательств. Если существование эпох мощного вулканизма, которые оставили заметные следы в земной коре, не подлежит сомнению, то доказать падение астероида и установить время его взрыва не так уж просто. Кроме того, чрезвычайно сложно понять, каким образом последствия катастрофы привели к вымиранию видов. Нет и ответа на вопрос, почему некоторые крупные катаклизмы (например, базальтовые излияния на территории Южной Америки и Африки 130 млн. лет назад) не привели к массовому исчезновению живых организмов. Не для всех мощных катастроф в истории Земли, приведших к гибели животных и растений, (их насчитывается шесть) удалось отыскать биологические, геологические, космические и т.п. причины [3, с. 84–85].
При каждой глобальной катастрофе наряду с поверженными видами находились и победители, впоследствии заполнявшие собой освободившееся жизненное пространство. Но ни один вид не был причастен ни к самой катастрофе, ни к выживанию других видов. Современный экологический кризис протекает на фоне резкого качественного изменения биосферы, являющегося результатом техногенного характера развития общества. Не так давно появились первые признаки перерастания экологического кризиса в экологическую катастрофу: разрушение озонового слоя в верхних слоях атмосферы, возрастающее обезвоживание материковых территорий планеты, утрата климатической стабильности, истощение минеральных ресурсов и нефтегазовых месторождений, уменьшение способности природных комплексов поглощать и нейтрализовать отходы производственной деятельности людей [2, с. 376–377, 382–383]. Грозящая Земле глобальная катастрофа, если она произойдет, вероятно, будет связана не с влиянием внешних космических сил или внутренних процессов в земной коре и биосфере, а с деятельностью разумного существа – человека.
Литература:
1. Биология // Советский энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. – 4-е изд. – М., 1988. – С. 141.
2. Гирусов Э.В. Философия глобальной экологии // Философия естественных наук / Под общ. ред. С.А. Лебедева. – М., 2006. – С. 374–432.
3. Журавлев А. Эхо древних катастроф // Вокруг света. – 2009. – № 1. – С. 76–85.
4. Лесков Л.В. Современная научная картина мира // Философия науки / Под ред. С.А. Лебедева. – М., 2004. – С. 583–642.
5. Соломатин В.А. История науки. – М., 2003. – 352 с.
6. Социальная и этническая экология: региональный компонент / Под ред. Ф.Н. Рянского. – Нижневартовск; Тюмень, 2003. – 637 с.
