Закономерности и случайности в явлениях природы

Случайный характер эволюции

Основываясь на молекулярную биологию, генетику и другие науки, была создана синтетическая теория эволюции. Это самая крупная и значимая биологическая теория. Можно выделить следующие ее положения: 1. Единицей существования, воспроизводства, изменчивости и эволюции вида является популяция. Главное условие эволюционных изменений в популяции — способность ее членов к свободному скрещиванию.

2. Необходимым условием, предпосылкой эволюции является наследственная изменчивость отдельных особей в популяции. Изменчивость бывает двух видов. Мутационная изменчивость особей возникает в результате спонтанных или индуцированных мутаций генов в половых клетках их родителей и несет в рецессивном состоянии потенциальные новые признаки. Комбинативная изменчивость является результатом случайных комбинаций отцовских и материнских генов в половом процессе: в ходе мейоза (кроссинговер и независимое расхождение хромосом половых клеток) и при образовании зиготы в результате оплодотворении яйца сперматозоидом. Комбинативная изменчивость не создает новых генов, но в результате комбинаций внешние признаки могут сильно варьировать. Наследственная изменчивость отдельных особей ведет к возрастанию гетерозиготности генофонда популяции. В результате скрещивания гетерозиготных особей появляются гомозиготы с новым признаком, которые подлежат отбору на пригодность в данных условиях. Чем выше гетерозиготность, тем чаще возникают гомозиготы и больше предложений для отбора. Таким образом, высокая гетерозиготность — скрытый резерв эволюции.

3. Концентрация мутаций и, соответственно, гетерозигот повышается при усилении действия мутагенных факторов. Естественными мутагенами являются: ионизирующая радиация космоса, Солнца и земных недр, химические пищевые вещества (особенно свободные активные радикалы), повышенная температура, вирусы и др. Интенсивность природных мутагенных факторов меняется в определенные периоды развития Земли, обусловливая изменение темпов и масштабов эволюции. Мутации возникают также спонтанно — как обычные ошибки в ходе репликации ДНК при подготовке к делению клетки, поэтому их минимальный уровень обеспечен в любое время исторического развития.

4. Концентрация мутаций и гетерозигот в популяции организмов может случайно повышаться в результате резких колебаний численности особей. Такие колебания — популяционные волны — регулярно совершаются по экологическим причинам: при саморегуляции в пищевых цепях; при колебаниях численности популяций в лунных (месячных), сезонных (годичных), солнечных (11-летних) и других циклах; в результате природных или техногенных катаклизмов — пожаров, засух, наводнений, оледенений и т. п. В малых популяциях вероятность встречи одноименных гетерозигот и их выхода в гомозиготу резко возрастает. Такое смещение частоты гетерозигот в пользу определенных генотипов называется дрейфом генов. 5.

Случайные изменения генофонда популяции закрепляются благодаря изоляциям. Изоляция — это возникновение разнообразных препятствий к свободному скрещиванию особей внутри популяции, а также между близкими популяциями, которые еще сохраняли генетический обмен на краях своих ареалов. При возникновении изоляции размножение идет в пределах изолятов — обособленных групп, так что между ними прекращается обмен генами. Возникшие ранее изменения генотипа закрепляются в потомстве и усиливаются, что ведет к расхождению признаков особей (дивергенции) в пределах бывшей однородной популяции. Изоляции могут быть пространственные (географические, экологические) и биологические (анатомические, физиологические, поведенческие, цитогенетические и др.). Пространственные изоляции появляются в результате геологических процессов (горообразование, поднятие и опускание уровня воды и т.

п.), а биологические — как результат закрепления мутаций в пространственных изолятах. Все уже рассмотренные факторы эволюции носят случайный, не направленный характер — они повышают или понижают концентрацию разных мутаций в популяции. Сами они не создают направленный процесс эволюции. Единственный направляющий фактор эволюции — естественный отбор.

6. Борьба за существование и естественный отбор — процесс, направленный на избирательное выживание и возможность оставления потомства с полезными в данных условиях признаками. Отбирающим фактором выступают условия среды, борьба за существование. Главная причина борьбы за существование — ограниченность пищевых ресурсов для молоди, при том что организмы стремятся к беспредельному размножению. Различаются: внутривидовая борьба, хотя существуют и ее ограничения — разделение территорий, отпугивающие метки, семейная и стайная взаимопомощь и др.; межвидовая борьба — при перекрытии ареалов, совпадении пищевых объектов; «борьба» с неблагоприятными условиями среды — способность выживать при появлении таких условий (похолодание, засуха и др.). Таким образом, борьба за существование есть непосредственная причина и механизм естественного отбора, или: естественный отбор — следствие борьбы за существование. Материалом для отбора является генетическая неоднородность популяций. Эффективность отбора тем выше, чем больше гетерозиготность в популяции и чем активнее идут процессы изоляции.

7. Эволюция носит приспособительный характер. Закрепляемые признаки адаптивны (имеют приспособительное значение) в данных условиях, в данное время. Адаптации относительны, так как в других условиях и в другое время они теряют смысл. Некоторые признаки могут быть нейтральными, не имеющими приспособительного значения.

Их гены находятся в хромосомах вблизи с генами полезных признаков и наследуются сцепленно с ними. 8. Расхождение признаков в популяциях — дивергенция — постепенно ведет к образованию новых биологических видов. Этот процесс называется микроэволюцией. Главное в видообразовании — прекращение скрещивания между отдельными изолятами внутри популяции или между популяциями исходного вида.

Биологический вид — это совокупность особей (популяций), обладающих наследственным сходством по морфологическим, физиологическим, генетическим и эколого-географическим признакам, способных свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство; вид — это наименьшая генетически устойчивая надорганизменная система. Видообразование, или микроэволюция, идет и в настоящее время — в так называемых сложных видах, где велика внутривидовая изменчивость и выделяются несколько подвидов или рас. 9. Наиболее радикальные мутации или их сочетания, затрагивающие ранний онтогенез и дающие значительные отклонения в организации особей, ведут к макроэволюции — возникновению таксонов выше видового ранга. Так возникали роды, семейства, отряды, классы, типы… Из наиболее крупных макроэволюционных новообразований (их называют ароморфозами) можно вспомнить возникновение проводящих сосудов или цветка у растений, развитие легких у наземных животных, формирование теплокровности у млекопитающих и птиц. В целом микрои макроэволюционные преобразования ведут к биологическому прогрессу. Признаки прогресса — возрастание приспособленности организмов к окружающей среде, ведущее к увеличению их численности и расширению ареала.

Обратные процессы характеризуются как биологический регресс, ведущий к вымиранию группы. Биологическая эволюция — это сочетание прогресса одних групп с регрессом других.

10. Эволюция организмов полностью зависит от геологической эволюции Земли. Изменения геологических условий среды происходили периодично и в целом необратимо. Часто они проявлялись в форме крупномасштабных катаклизмов. По этой причине в истории жизни отмечается изменчивость темпов эволюции, смена форм естественного отбора. В периоды быстрых изменений среды темп эволюции возрастает, идет так называемый движущий отбор — на закрепление новых признаков. В периоды относительного спокойствия среды темп эволюции снижается, а отбор приобретает стабилизирующий характер — на консервацию имеющихся признаков и отсечение всяких новообразований.

[ 5]Биологическая эволюция, как и зарождение жизни, — естественный материальный процесс развития Земли. В результате эволюции на Земле возникло следующее биоразнообразие. (рис 5.)Реальные процессы развития дают целую гамму различных механизмов эволюции.

Законы таких наук как физика, химия устанавливают определенные границы изменения состояния системы, определяют так называемые каналы, внутри которых и будут протекать эволюционные процессы. Но случайные факторы стараются вывести системы за эти границы. Смысл принципа А. Пуанкаре состоит в том, что если эволюционный поток выходит на площадь — пересечение нескольких каналов эволюции, то возникает несколько вариантов дальнейшего развития эволюционного процесса. Характер развития качественно меняется и этих вариантов столько, сколько каналов эволюции выходит на перекресток. Выбор канала непредсказуем и неопределен. Какой будет обновленная организация системы — предсказать невозможно в принципе, так как выбор канала зависит от тех случайных факторов, которые неизбежно присутствуют в момент выхода системы на перекресток каналов эволюции.Рис.

5.Изложенная интерпретация характера эволюции делает наглядным один из общих законов самоорганизации материи — закон дивергенции, суть которого в следующем: процесс развития характеризуется непрерывным усложнением и ростом разнообразия организационных форм материи. Дивергенция в переводе с позднелатинского означает расхождение. Здесь имеется в виду расхождение признаков и свойств у первоначально близких групп организмов в процессе эволюции. Это результат обитания в разных условиях и неодинаково направленного естественного отбора. Понятие дивергенции было введено Ч.

Дарвином для объяснения многообразия сортов культурных растений, пород домашних животных и биологических видов. [ 10]Закон дивергенции характерен для всех трех форм развития материального мира: он действует в мире неживой природы, эволюции живых существ и обществе. С ростом сложности системы возрастает вероятность увеличения числа возможных путей дальнейшего развития, т. е. дивергенции. С увеличением сложности системы количество состояний, в которых могут происходить катастрофы, быстро возрастает, как и вероятность увеличения числа возможных путей дальнейшего развития.

Это означает, что процесс самоорганизации ведет к непрерывному увеличению числа организационных форм, так как вероятность появления двух развивающихся систем в одном и том же канале эволюции практически равна нулю. Для современных проблем теории эволюции чрезвычайно важно исследование соотношения случайных процессов в эволюции с направленными процессами повышения приспособляемости. Бесспорна нарастающая приспособляемость организма, но в некоторых случаях эти изменения случайны. Долгие годы мы ничего не знали о причинах изменчивости, мутациях. Возникновение молекулярной биологии, расшифровка генетического кода позволили расширить представления о мутации. Все разнообразие типов, характеризующееся чисто объективно разной сложностью организации, хорошо приспособлено к условиям своего существования. Приспособление бактерии и птицы неравноценно в отношении свободы перемены своей среды, но это не означает, что бактерии распространяются менее широко, чем птицы, и наоборот. Для жизни, а, следовательно, для адаптации наиболее важны физиологические процессы, а они эволюционируют очень мало, отличаются консерватизмом. [

10]В выборе направлений дальнейшей эволюции всегда присутствует случайность, но этот выбор контролируется отбором и приводит к повышению жизнеспособности. Если насекомое, живущее преимущественно на песчаном фоне и приобретающее светлую окраску, получает возможность переселиться в другую среду, более благоприятную в смысле питания и связанную в основном с более развитой растительностью, то оно будет быстрее замечено птицами и естественный отбор неминуемо приведет к изменению этой окраски на более благоприятную для выживания, если, конечно, вид вообще сохранится. Но какую именно окраску приобретает насекомое, зависит от случайности, так как имеется несколько возможных путей для адаптивных изменений окраски. Допустим, что, например, первый случай связан с распространением в небольшой пока популяции насекомых с зеленой окраской, цвет которой совпадает с фоном зеленой растительности. Если возникшая в этом случае мутация распространится и закрепится, то из вида постепенно исчезнут желтые особи, а зеленые в большом количестве сохранятся в каждом поколении. Но возможен и другой путь: если насекомое по своей форме сходно с теми, за которыми не охотятся птицы, например, с осой, то, возможно, что его сохранению будут способствовать мутации, вызывающие черные полосы на желтом фоне, что наблюдается у ос. Оба пути адаптивно приблизительно равноценны, и какой именно будет избран в эволюции, во многом зависит от случайности: какая мутация появится раньше. Но если уже приобретена зеленая окраска, то появление черной полосы будет только демаскировать насекомое из-за отличия от зеленых листьев.

Вместе с тем если раньше появилась отпугивающая птиц окраска, то замена желтых полос на зеленые только приведет к потере адаптации. Если в разных частях популяции возникли обе формы, и они способны комбинироваться и опять создавать неадаптированную черно-зеленую форму, то начнется борьба между этими двумя по отдельности полезными мутациями. Причем если адаптивное значение обеих мутаций примерно одинаково, то более многочисленные мутации вытесняют малочисленную. Такое вытеснение может произойти и тогда, когда имеется некоторое неравенство и может быть вытеснена даже более полезная мутация. В любом случае естественный отбор действует в сторону повышения приспособляемости по сравнению с исходной формой, но каким именно образом произойдет это повышение приспособляемости зависит от случайности. В системе общей направленности эволюция сохраняет адаптивный характер, т. е. повышение адаптации все равно произойдет, но конечный результат может быть даже хуже, чем был бы при ином направлении. Случайные процессы идут в русле постоянного повышения в каждый данный момент адаптации под влиянием естественного отбора, принимая лишь форму случайного выбора именно того, а не иного конкретного направления повышения адаптации. [ 8]Может быть и так, что случайный выбор за счет более раннего возникновения одной из потенциально возможных мутаций приведет в тому, что мутация с лучшими адаптивными свойствами, но возникшая позднее, будет вытеснена менее благоприятной, так что здесь огромное значение имеет и фактор времени. Таким образом, все достигнутое за период эволюции не обязательно является наилучшим из возможного. В истории эволюции бывают тупики и вымирания. Эволюция теоретического знания, выдвижение новых научных гипотез, сформулированных в рамках имеющихся теорий или знаменующих переход к новой теории, — процесс, который не является полностью рациональным во всех его звеньях, так как:

значительная часть его протекает в области под сознательного;

включает случайные шаги. Присутствие элементов случайности в творческом процессе, мышлении не исключает применения научных методов, не обесценивает их, а лишь заставляет систематически использовать случайность для управления этим процессом. Представление о конструктивной роли случайности в эволюции научного знания, особенно на этапах перехода от одних научных парадигм к другим, хорошо согласуется с динамикой самоорганизующихся систем, что привело к пониманию общих механизмов спонтанного образования высокоупорядоченных структур из менее упорядоченных. [7]Заключение

В данной работе были выполнены следующие задачи: рассмотрены закономерные и случайные явления в природе. На основе проделанной работы можно сделать следующие выводы:

На уровне организма можно проследить как закономерные явления, так и случайные. Закономерные явления заключаются в процессах размножения и развития организмов, в основе которых лежит краткая формула: ДНК РНК белок. Случайные явления выражаются в случайном характере возникновения мутаций, а также в случайности оплодотворения клеток. На популяционно-видовом уровне также наблюдаются оба этих явления. Закономерность заключается в том, что все организмы связаны переносом вещества и энергии, через них и через внешнюю среду совершается глобальный круговорот материи на Земле. Случайность выражается в том, что образование новых видов начинается в популяциях, насыщенных постоянно возникающими мутациями, которые при свободном скрещивании приводят к изменениям генотипов и фенотипов. Наиболее ярко явления случайности и закономерности в природе можно увидеть в эволюционных процессах. С одной стороны, характер эволюции случаен, так как в его основе лежит мутация. Но при этом он закономерно направлен борьбой за существование и естественным отбором.

Список литературы

Анисимов А. П. Концепция современного естествознания. Биология. Владивосток, 2000. — 114 с. Голубев А. В. Общая экология и охрана окружающей среды: учеб. пособие. М., 2005.

— 235 с. Основы экологии: учебник / под ред. В. В. Маврищева. М.: Высшая школа, 2005. -

420 с. Расницын А. П. Избранные труды по эволюционной биологии. М.: Т-во научн. изд., 2005.

— 347 с. Северцов А. С. Теория эволюции. М.: ВЛАДОС, 2005. — 380 с. Суханов А. Д., Голубева О. Н. Концепции современного естествознания. М.: АГАР, 2000. -

234 с. Хорошавина С. Г. Концепции современного естествознания. Курс лекций. Ростов Н / Д: Феникс, 2002. — 348 с. Чайковский Ю. В. О природе случайности. М, 2004.

— 280 с. Ченцов Ю. С.

Введение

в клеточную биологию. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. — 495 с. Яблоков А. В., Юсуфов А. Г. Эволюционное учение. М.: Высшая школа, 2006.

— 310 с.