Эволюционная картина мира (стр. 1 )

Глава 5. Эволюционная картина мира

Образ и мысль

Иван Рабузин. Рождение мира

·  Рассмотрите репродукцию картины. Как вы думаете, о чем это произведение может поведать зрителю?

·  Попробуйте рассказать о том, как представляет происхождение мира художник? А как представляете его вы? Сравните обе версии рождения Вселенной. В чем вы согласитесь с И. Рабузиным, а что отличает ваши взгляды?

·  Вернитесь к иллюстрации, с которой начиналась первая глава, и еще раз рассмотрите ее. Сравните две репродукции. Какие предположения возникли у вас по поводу того, почему авторы учебника поместили эти иллюстрации в начале и конце учебника? Обоснуйте свое мнение и сравните его с мнениями одноклассников.

Наблюдая за природой в течение нашей жизни, может показаться, что она остается неизменной, если не считать периодически повторяющихся сезонных изменений. Однако научные исследования показывают, что в природе существует однонаправленное движение, связанное с постоянным усложнением мира. Такое движение называется эволюцией.

Согласно современным естественно-научным представлениям наша Вселенная существовала не вечно, а «родилась» около 14 млрд лет тому назад. С тех пор и до наших дней происходила постоянная эволюция, связанная с образованием все более сложных структур. И время, когда человек – результат такой эволюции, – стал настолько разумным, что начал осознавать законы природы, на самом деле лишь крохотный миг в жизни Вселенной.

В XX в. стало ясно, что человек разумный значительно ускорил развитие нашей планеты. В настоящее время эволюция Земли неразрывно связана с эволюцией цивилизации. Такое взаимосвязанное течение эволюции нашей планеты и общества было названо коэволюцией.

§ 66. Между порядком и хаосом

Урок-лекция

Две опасности не перестанут угрожать миру:

порядок и беспорядок.

П. Валери

Какие процессы в макромире являются необратимыми? Что характерно для подобных процессов? Что называют самоорганизацией? Как проявляется самоорганизация в природе?

Самоорганизация. Синергетика.

Механические колебания и волны. Звук. (Физика, 8 – 9 кл.)

Учение об эволюции органического мира. (Биология, 9 кл.).

Карл Брюллов. Последний день Помпеи

Поняв разрушимость сотворенного, ты узришь вечно неизменное.

Буддийская мудрость

Законы микромира и стрела времени. Во второй главе мы познакомили вас с основными структурами материи, составляющими наш мир. Все эти структуры, в конечном счете, можно представить как совокупность некоторых «элементарных кирпичиков» материи – частиц вещества и частиц переносчиков взаимодействия. Законы движения на уровне микромира в настоящее время достаточно хорошо изучены. Важным свойством этих законов является обратимость во времени. Это означает, что любой процесс в микромире обратим, т. е. может протекать как в прямом, так и в обратном направлении.

Казалось бы, из этого факта должна следовать обратимость всех движений во Вселенной, но на уровне макромира такой обратимости нет. В нашем мире время однонаправлено и мы не можем вернуться в прошлое. Образно говоря, существует стрела времени.

Причины появления стрелы времени связаны с вероятностью перехода системы в то или иное состояние. Так вероятность выхода сжатого газа из баллона велика, и соответствующий процесс происходит очень быстро. Обратный процесс крайне маловероятен, и для того, чтобы его наблюдать не хватит времени жизни Вселенной.

Подобное объяснение необратимости связано с хаотичностью движения микрочастиц. Оно позволяет объяснить причину необратимости многих процессов, происходящих в природе.

Тепло всегда переходит от горячего тела к холодному, но не в обратном направлении. Если мы толкнем какое-либо тело, оно придет в движение, которое прекратится через некоторое время. Обратного процесса, когда покоящееся тело самопроизвольно начинает двигаться, в природе не наблюдается. Созревшее яблоко может упасть с дерева, но невозможно даже представить обратного процесса, когда яблоко самопроизвольно подскочит с земли.

Для всех перечисленных процессов характерно то, что конечное состояние является более вероятным, более хаотическим. Вам уже известно, что мерой хаотичности является величина, называемая энтропией. Во всех перечисленных процессах энтропия возрастает. Закон возрастания энтропии, обусловленный вероятностным движением в системе многих частиц, объясняет временную необратимость процессов в макромире.

Казалось бы, в соответствии с законом возрастания энтропии наш мир постоянно стремится к хаосу, все более неупорядоченному состоянию. В соответствии с этим законом все структуры нашего мира должны постепенно разрушаться. В свое время Клаузиусом была сформулирована гипотеза о «тепловой смерти Вселенной», которая произойдет после перехода к полностью хаотическому состоянию. Однако наряду с процессами движения к хаосу и разрушению мы постоянно наблюдаем обратные процессы – процессы перехода от хаоса к порядку, процессы, казалось бы, противоречащие закону возрастания энтропии.

Синергетика – наука о самоорганизации. Наиболее наглядными из таких процессов являются процессы, происходящие в живой природе. Подожженное молнией дерево достаточно быстро сгорает. При этом на смену сложной структуре живого организма приходят гораздо менее структурированные вещества: углекислый газ, пары воды и зола (совокупность солей). Однако в природе существует и противоположный, (но не обратный во времени) процесс. Например, во время роста дерева используются вещества с относительно простой структурой (углекислый газ, вода и соли), которые образуют сложные структуры (белки, нуклеиновые кислоты и т. п.). Процесс роста дерева происходит гораздо медленнее, по сравнению с процессом его горения. В живой природе подобные (противоположные) процессы происходят постоянно.

Процессы роста также необратимы, как и процесс расширения газа. Однако природа необратимости уже не может быть объяснена переходом от порядка к хаосу. Именно поэтому на определенном этапе развития естественных наук сложилось представление, что биологические процессы не подчиняются физическим законам, более того, вообще не могут быть объяснены естественнонаучными законами, однако развитие естествознания, произошедшее в XX в., показало, что процессы возникновения и эволюции жизни могут быть объяснены при помощи естественно-научных законов.

Процессы, при которых происходит переход от неупорядоченного состояния к структурированному состоянию, были названы процессами самоорганизации. Возникла новая область научных исследований, которая была названа синергетика. (*)

Наука о самоорганизации возникла после того, как ученые обратили внимание на то, что процессы образования новых структур характерны не только для живой, но и для неживой природы. При этом процессы неживой природы удается описать на математическом языке. Следствия, вытекающие из математических уравнений, позволяют объяснить многие качественные особенности, происходящие в живой природе.

Одним из создателей нового научного направления является нобелевский лауреат по физике Илья Пригожин, изучавший неравновесные процессы нелинейной термодинамики. На основе теоретических методов нелинейной термодинамики оформилась новая междисциплинарная область знаний, для которой физик Герман Хакен (один из ученых, исследующих процессы самоорганизации) предложил название – синергетика.

Илья Пригожин (1917 – 2003). Русский физик и химик, работавший в Бельгии. Основные труды связаны с термодинамикой и статистической механикой неравновесных процессов

Синергетика – область научных исследований, целью которых является выявление общих закономерностей в процессах образования, устойчивости и разрушения упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравновесных системах различной природы.

От хаоса к порядку и обратно. Все процессы самоорганизации связаны общей закономерностью: под влиянием на некоторую систему неупорядоченного внешнего воздействия в этой системе возникают упорядоченные временные и пространственные структуры. Самый простейший пример – это наша речь. Напрягая определенные мышцы, и выдувая воздух, мы создаем звуковую волну, которая упорядочена как во времени, так и в пространстве. Аналогичные процессы происходят во многих музыкальных инструментах: флейта, орган, гармошка, скрипка. В физике такие процессы называют генерацией волн (в данном случае звуковых волн) или автоколебаниями. Люди уже достаточно давно научились генерировать не только звуковые, но электромагнитные волны (радиопередатчики, лазеры). Другими примерами образования волн являются волны на поверхности воды, или на песке в пустыне, образующиеся под воздействием неупорядоченного потока воздуха – ветра. Заметим, что при кажущейся тривиальности приведенных примеров, соответствующие процессы описываются совсем не тривиальными уравнениями.

Такая самоорганизация может показаться очень примитивной по сравнению с процессами в живых организмах. Можно, однако, привести примеры и более сложных процессов самоорганизации в неживой природе.

В телескопы хорошо видны гранулы на ровной солнечной поверхности и солнечные пятна (рис. 121).

Рис. 121. Гранулы на Солнце

Гранулы образуются в результате конвекции солнечного вещества и по виду похожи на соты. Однако гранулы непрерывно рождаются и умирают, проживая в среднем несколько минут. Искусственно образование такого рода структур было воспроизведено Бенаром при нагреве некоторых жидкостей (например, ртути), соответствующие структуры были названы ячейками Бенара (рис. 122)

Рис. 122. Ячейки Бенара

Еще одним примером являются протяженные вихри в атмосфере нашей планеты – циклоны и антициклоны (рис. 123).

Рис. 123. Фотография циклона, снятая с космического аппарата

В целом Солнце освещает Землю достаточно равномерно. Периодичность внешнего воздействия связана лишь с вращением Земли вокруг Солнца и Земли вокруг своей оси. С этим связано изменение температуры в течение суток и в течение года. Однако образование циклонов и антициклонов не связано напрямую с такой периодичностью. Существование этих вихрей во многом похоже на жизнь организмов – они рождаются, живут, передвигаясь по планете и принося нам хорошую или плохую погоду, и умирают. Заметим, что, несмотря на то, что эти процессы достаточно хорошо изучены, ученые не могут предсказать время возникновения того или иного вихря, и, соответственно, сделать долгосрочный прогноз погоды. Более того, законы синергетики говорят, что, по-видимому, такие предсказания невозможны в принципе, так как процессы образования подобных вихрей носят случайный характер и не могут быть точно предсказаны. Оказывается, законы, которым подчиняются процессы во Вселенной, едины, и подобные вихри наблюдаются и на других планетах, например, большое красное пятно на Юпитере, которое является настолько устойчивым образованием, что наблюдается уже сотни лет (рис. 124).

Рис. 124. Фотография большого красного пятна на Юпитере

Вихревые движения возникают и в потоках жидкости, движущейся с достаточно большой скоростью, соответствующее движение жидкости называется турбулентным.

Автоколебания возникают и при некоторых химических процессах. Классическим примером химической реакции этого типа является реакция Белоусова – Жаботинского – взаимодействие серной кислоты, малоновой кислоты, сульфата церия (Се) и бромида калия. В процессе этой реакции ионы Се4+, находящиеся в растворе периодически превращаются в ионы Се3+ и затем обратно. Внешне это проявляется в периодическом изменении цвета раствора. В зависимости от концентрации растворенных веществ период колебаний варьируется от 2 до 100 с.

Естественно, автоколебания присущи не только неживой природе. В живой природе они происходят как на уровне организма – биение сердца, периодическое непроизвольное сокращение мышц и т. д., так и на более высоком уровне, например на уровне биогеоценоза. Примером являются синхронные колебания популяций зайцев и рысей, наблюдавшиеся, в частности, на протяжении 100 лет в Канаде (см. рис. 5 из § 37).

До сих пор шла речь о макроструктурах, т. е. о структурах в макромире. Однако структуры наблюдаются и в мегамире. Поскольку время образования таких структур значительно превышает время существования человеческой цивилизации, мы не можем наблюдать их самообразование. Наблюдаются лишь процессы разрушения, например, взрыв сверхновой звезды, и образование на ее месте Крабовидной туманности. Тем не менее, современные гипотезы, подтвержденные расчетами в рамках соответствующих математических моделей, говорят о том, что структуры мегамира (звезды, галактики) также образовались из однородного на начальной стадии вещества Вселенной, и процесс образования таких структур продолжается и в настоящее время. О единстве законов самоорганизации можно судить по внешнему сходству циклонов и спиральных галактик (см. фотоснимки галактик из § 30).

В природе постоянно и повсеместно происходят как процессы образования новых структур (самоорганизация), так и процессы разрушения структур. Несмотря на то, что внешние проявления процессов самоорганизации существенно различаются, все они обладают схожими качественными особенностями, что позволяет описывать их одинаковыми математическими уравнениями.

○ 1. В чем сходство процессов самоорганизации в живой и неживой природе?

○ 2. Почему облака не равномерно распределены в атмосфере?

● 3. Исследования в синергетике показывают применимость законов самоорганизации для общества. Можете ли вы привести примеры самоорганизации в общественных процессах?

§ 67. Самоорганизация. Причины и условия

Урок-лекция

Жизнь создает порядок.

Порядок же бессилен создать жизнь.

А. де Сент-Экзюпери

Какими характерными свойствами обладают системы, способные к самоорганизации? Каков механизм самоорганизации?

Открытые системы. Нелинейность. Разрастание флуктуаций.

Колебательный контур. Электромагнитные колебания. Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция. (Физика, 7 – 9 кл.).

Мауриц Эшер. Предел – круг III

Земля и атом и пучина

огня и звезд – во всем согласность

подвластная первопричина

волшебная шарообоазность.

Г. Сонников

Из примеров, уже рассмотренных нами, видно, что не только «жизнь создает порядок», законы самоорганизации оказываются общими как для живой, так и для неживой природы. Однако каким же образом из бесструктурной субстанции самообразуются временные и пространственные упорядоченные структуры? Чтобы это понять, необходимо выяснить, что общего во всех системах, способных к самоорганизации.

Свойства систем, способных к самоорганизации. 1. Прежде всего, следует ответить на вопрос, не противоречит ли возникновение порядка из хаоса закону возрастания энтропии, в соответствии с которым энтро-пия – мера беспорядка – непрерывно возрастает. Обратите внимание на то, что этот закон сформулирован для замкнутых систем, т. е. для систем, не взаимодействующих каким-либо образом с окружением. Все приведенные ранее примеры относятся к открытым системам, т. е. к системам, обменивающимся с окружением энергией и веществом.

Понятно, что можно выделить замкнутую систему, в которой происходит самоорганизация. Например, представим себе изолированный от излучения звезд космический корабль, в котором произрастают растения. Очевидно, что в любой такой замкнутой системе можно выделить подсистему, в которой именно и происходит самоорганизация, и энтропия которой убывает, в то время как энтропия замкнутой системы в целом возрастает в полном соответствии со вторым началом термодинамики.

Таким образом, можно сформулировать общее правило: процессы самоорганизации происходят в открытых системах. Если самоорганизация происходит в замкнутой системе, то всегда можно выделить открытую подсистему, в которой происходит самоорганизация, в то же время в замкнутой системе в целом беспорядок возрастает.

2. Второй отличительной особенностью систем, способных к самоорганизации является неравновесное, неустойчивое состояние, в котором они находятся. Иногда упрощенно говорят, что к самоорганизации способны системы, находящиеся вдали от равновесия. Нарушение статистического равновесия вызывается внешним воздействием.

В примере с ячейками Бенара внешнее воздействие – нагревание сосуда приводит к различию температур в отдельных макроскопических областях жидкости. В электрических генераторах внешнее воздействие – напряжение, создаваемое источником, приводит к отличному от равновесного распределению электронов. То же происходит в оптических квантовых генераторах (лазерах) под воздействием внешней оптической накачки или электрического разряда, происходящего от внешнего источника.

Состояние системы далекой от равновесия является неустойчивым в отличие от состояния вблизи равновесия, и именно в силу этой неустойчивости и возникают процессы, приводящие к возникновению структур.

Самоорганизация происходит в системах, состояние которых в данный момент существенно отличается от состояния статистического равновесия.

3. Еще одна особенность способных к самоорганизации систем – большое число частиц, составляющих систему. В ряде случаев это очевидно, например макроскопические пространственные структуры содержат большое число атомов и молекул. Однако если обратиться к примеру с автоколебаниями популяций, то можно утверждать, что при малом числе особей в популяции такие автоколебания невозможны. Дело в том, что только в системах с большим числом частиц возможно возникновение флуктуаций – макроскопических неоднородностей. Именно флуктуации способствуют переходу системы из неустойчивого состояния в более упорядоченное устойчивое состояние. Примеры такого рода переходов рассматривались в предыдущем параграфе.

Самоорганизация возможна лишь в системах с большим числом частиц, составляющих систему.

4. Процессы самоорганизации описываются достаточно сложными математическими уравнениями. Особенностью таких уравнений и, соответственно систем, которые они описывают, является нелинейность. Это свойство, в частности, приводит к тому, что малые изменения в системе в какой-то момент времени могут оказать существенное влияние на дальнейшее развитие системы во времени. Именно в силу этого свойства процессы самоорганизации во многом определяются случайными факторами и не могут быть однозначно предсказаны.

Заметим, что нам привычнее и приятнее иметь дело с системами, описываемыми линейными уравнениями, и поэтому предсказуемыми в своем развитии. Например, если нам необходимо попасть мячом в какую-то точку, то при промахе мы немного изменяем скорость при следующем бросании. И наш опыт, и расчеты подтверждают, что при малом изменении начальных условий мы в этом случае получим результат, незначительно отличающийся от первоначального. В том, что это не всегда так, вы могли убедиться на опытах, описываемых в предыдущем параграфе.

Современные теории утверждают, что, строго говоря, все системы, с которыми мы имеем дело, описываются нелинейными уравнениями. Однако во многих случаях, как например, при движении брошенного мяча, систему можно приближенно описать линейными уравнениями. В случае системы, способной к самоорганизации линейное приближение оказывается неприменимым.

Эволюция систем, способных к самоорганизации, описывается нелинейными уравнениями.

Как происходит самоорганизация. Каким же образом происходят процессы самоорганизации? Строгое описание, как уже говорилось, требует применения достаточно сложного математического аппарата. Однако на качественном уровне эти процессы можно, достаточно просто объяснить. Чтобы понять причины, приводящие к самоорганизации, рассмотрим процесс возникновения электрических автоколебаний.

Простейший эксперимент можно осуществить, имея усилитель (например, магнитофон) и поднося микрофон, подключенный к входу усилителя, к громкоговорителю, подключенному к выходу усилителя. При малом усилении или большом расстоянии между микрофоном и громкоговорителем мы услышим лишь бесструктурные шумы. Эти шумы обусловлены тем, что электрический ток, проходящий через громкоговоритель, не является строго постоянным, а хаотически изменяется в малых пределах, что, в свою очередь, вызвано флуктуациями плотности электронов. Если увеличивать усиление или подносить микрофон ближе к громкоговорителю, начиная с некоторого момента, спонтанно может возникнуть гудение или свист, обусловленный автогенерацией электрического сигнала, т. е. спонтанным возникновением электромагнитных колебаний.

Что же происходит в данной системе? Замыкая выход усилителя на вход, мы создаем положительную обратную связь. Это, в свою очередь приводит к тому, что система становится нелинейной и переходит в неустойчивое состояние. Именно теперь начинают играть роль флуктуации. При малом усилении (слабой обратной связи) отклонения от линейного приближения малы и флуктуации не приводят к существенному изменению тока. При увеличении усиления (усилении обратной связи), начиная с некоторого порога изменения тока, обусловленные флуктуациями, начинают разрастаться, система выходит из первоначального состояния, и возникает генерация. Система переходит в новое устойчивое состояние, подобно тому, как палочка в опыте из предыдущего раздела переходит из неустойчивого вертикального состояния в устойчивое наклонное состояние.

Данный пример иллюстрирует процесс самоорганизации с образованием временных структур. Однако, аналогично объясняется и образование пространственных структур. Рассмотрим простейший пример с образованием ячеек Бенара.

При нагревании жидкости возникает перепад температур между нижними и верхними слоями жидкости. Нагреваемая жидкость расширяется, ее плотность уменьшается, и нагретые молекулы устремляются вверх. Возникают хаотические потоки – флуктуации движения жидкости. Пока разность температур нижнего и верхнего уровней жидкости невелика, жидкость находится в устойчивом состоянии, и эти флуктуации не приводят к макроскопическому изменению структуры жидкости. Процесс передачи тепла от нижних слоев к верхним происходит в основном посредством теплопроводности. При достижении определенного порога (определенной разности температур между верхними и нижними слоями) бесструктурное состояние жидкости становится неустойчивым, флуктуации разрастаются, и в жидкости образуются цилиндрические ячейки. В центральной области цилиндра жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней – опускается (рис. 125). В поверхностном слое жидкость растекается от центра к краям, в придонном – от границ цилиндров к центру. В результате в жидкости образуются упорядоченные конвекционные потоки.

Рис. 125. Конвекционные потоки в ячейках Бенара. Пунктиром обозначены ячейки, сплошной линией – конвекционные потоки

Объяснение механизма самоорганизации, конечно же, не может предсказать какие-либо количественные характеристики образующихся структур, например частоту генерации или форму и размеры ячеек Бенара. Математическое описание подобных процессов является непростой задачей. Однако качественные особенности механизмов самоорганизации можно сформулировать достаточно просто.

Возникновение структур в системе происходит, когда нелинейные эффекты, определяющие эволюцию и обусловленные внешним воздействием на систему, становятся достаточными для разрастания флуктуаций, присущих таким системам. В результате разрастания флуктуаций система переходит из неустойчивого бесструктурного состояния в устойчивое структурированное состояние.

Образование структур всегда связано со случайными процессами, поэтому при самоорганизации, как правило, происходит спонтанное понижение симметрии, а также имеют место бифуркации.

Рассмотрим биологический процесс – морфогенез. Морфогенез – это возникновение тканей и органов, создание всей сложной структуры организма в процессе его эмбрионального развития. Так же, как и в эволюции физических систем, в развитии зародыша возникают последовательные нарушения симметрии. Исходная яйцеклетка в первом приближении имеет форму шара. Эта симметрия сохраняется на стадии бластулы, когда клетки, возникающие в результате деления, еще не специализированы. Далее сферическая симметрия нарушается и сохраняется лишь аксиальная (цилиндрическая) симметрия. На стадии гаструлы нарушается и эта симметрия – образуется сагитальная плоскость, отделяющая брюшную сторону от спинной. Клетки дифференцируются, и появляется три типа тканей: эндодерма, эктодерма и мезодерма. Затем процесс роста и дифференцирования продолжается.

Нарушения симметрии в ходе развития зародыша возникают спонтанно в результате неустойчивости симметричного состояния. При этом появление новой формы и дифференцирование сопровождают друг друга. Экспериментальные наблюдения показали, что развитие организма происходит как бы скачками. Этапы быстрых превращений, зарождения новой фазы сменяются плавными стадиями. Возникновению новой фазы предшествует разметка – появление своего рода предвестника новой формы. Перед разметкой распределение ряда веществ вдоль тела зародыша становится нерегулярным. Этот этап завершается образованием упорядоченной формы, распределение веществ становится плавным и одинаковым для всей выборки особей.

Таким образом, в ходе морфогенеза реализуется определенная последовательность бифуркаций, развитие происходит через фазы неустойчивостей. Именно в это время изменение управляющих (определяющих эволюцию) параметров, т. е. химических свойств окружающей среды, может эффективно воздействовать на формирование зародыша, искажая его нормальное развитие. Здесь существенную опасность представляют вещества, активно влияющие на биохимические процессы при морфогенезе. Известным примером таких веществ является талиомид, который некоторое время применялся как снотворное и привел к многочисленным случаям уродства детей.

· 1. В § 66 приведены примеры возникновения различных структур в процессах самоорганизации. Попробуйте объяснить, какие флуктуации приводят при своем разрастании к образованию тех или иных структур.

· 2. Основной естественно-научной гипотезой, объясняющей возникновение жизни на Земле, является возникновение жизни в результате самоорганизации. Земля находится далеко от Солнца и других планет. Почему ее нельзя считать замкнутой системой?

· 3. В описанном в данном параграфе примере автогенерации частота возникающего звукового колебания может быть произвольной. Реальные генераторы конструируют так, что они производят колебания нужной частоты. Предложите конструктивные элементы, при помощи которых можно добиться нужной частоты.

§ 68. Самовоспроизведение живых организмов

Урок-лекция

Nullum vivum ex ovo!

Omne vivum e vivo.

(Нет живого не из яйца!

Все живое от живого.)

Л. Окен

Каковы способы самовоспроизведения живых организмов? В чем заключаются преимущества полового размножения перед бесполым? Какие формы бесполого и полового размножения существуют в природе? Как формируются гаметы? Как чередуются поколения в жизненных циклах?

Бесполое размножение. Половое размножение. Мейоз. Гаметы. Зигота. Споры. Жизненный цикл.

Жизненные циклы растений и животных, размножение, генетика, наследственность и изменчивость, митоз. (§§ 32, 35 и Биология, 7 – 9 кл.).

Сальвадор Дали. Мадонна (фрагмент)

Чудо жить – необъяснимо!

А. Вознесенский

Процессы самоорганизации в биологических системах представляет собой развитие любого организма, как открытой неравновесной системы, его жизненный цикл, в ходе которого могут сменяться не только разные стадии (личинки и взрослые особи), но и разные поколения (бесполое и половое). Рассмотрим многообразие этих процессов и биологические механизмы, лежащие в их основе.

Самовоспроизведение живых организмов как процесс самоорганизации. Как уже отмечалось, способность воспроизводить себе подобных (размножение) является одним из главных свойств живых организмов. Оно обеспечивается благодаря репликации ДНК, позволяющей дублировать генетическую информацию. Размножение же организмов, как таковое, может быть бесполым и половым. При бесполом размножении новая особь образуется из одной клетки или группы клеток материнского организма. При половом размножении новая особь развивается из зиготы – клетки, которая образуется при слиянии двух специализированных половых клеток. Они носят название гамет и продуцируются родительскими особями. Поскольку при формировании зиготы сливаются и ядра гамет, то число хромосом, соответственно, удваивается. В ходе развития половых клеток наблюдается близкий митозу процесс – мейоз, который обеспечивает уменьшение (редукцию) числа хромосом в гаметах.

В соматических клетках высших растений и животных каждая хромосома представлена в двух экземплярах. Такие пары хромосом называют гомологичными. В ходе мейоза образующиеся гаметы получают по одинарному (гаплоидному) набору хромосом, а при слиянии ядер двух гамет в зиготе двойной (диплоидный) набор хромосом восстанавливается. Однако в каждой паре гомологичных хромосом в зиготе одна хромосома будет от одного родительского организма, а другая – от второго. Поэтому развивающийся из зиготы организм будет обладать новым сочетанием различных признаков и свойств, отличных от тех, которыми обладали его родители. Таким образом, обеспечивается комбинативная форма наследственной изменчивости организмов, которая служит существенным фактором эволюции, обеспечивая приспособление видов к меняющимся условиям среды. В этом, собственно, и заключается смысл полового размножения и его преимущество перед бесполым размножением. Не удивительно, что половое размножение возникло на ранних этапах эволюции (еще у протистов) и служит доминирующей формой размножения высших многоклеточных организмов.

Мейоз состоит из двух следующих друг за другом делений клетки
(рис. 126). В интерфазе, предшествующей первому делению, как и в интерфазе митоза (§ 31),

Рис.126. Мейоз

происходит удвоение хромосом, причем обе копии остаются тесно связанными друг с другом. Профаза же первого мейотического деления (профаза I) существенно отличается от профазы митоза. В это время происходит тесное смыкание (конъюгация) гомологичных хромосом (не будем забывать, что каждая из них уже представлена двумя копиями). При этом возможен перекрест хромосом (кроссинговер), когда гомологичные хромосомы обмениваются участками. В метафазе I удвоенные гомологичные хромосомы располагаются друг против друга в экваториальной плоскости клетки, образуя метафазную пластинку. В анафазе I каждая пара гомологичных хромосом перемещается к разным полюсам клетки, вслед за чем, в телофазе I образуется ядерная оболочка и делится цитоплазма. Затем следует непродолжительная интерфаза, во время которой хромосомы уже не удваиваются. Второе мейотическое деление принципиально не отличается от митоза. Удвоенные еще в первой интерфазе хромосомы выстраиваются в метафазную пластинку и хромосомы каждой пары расходятся в анафазе II к разным полюсам. В результате разделения цитоплазмы в телофазе II образуется две клетки с гаплоидным набором хромосом. Общий итог двух делений мейоза – 4 гаплоидные клетки. Заметим, что мейоз (так же как и митоз) может проходить и без деления цитоплазмы клетки.

Бесполое размножение. Бесполое размножение характерно для всех микроорганизмов и протистов. У одноклеточных эукариот оно осуществляется несколькими способами, чаще всего благодаря делению клеток надвое (рис. 127).

Рис.127. Деление надвое инфузории туфельки: 1 – генеративное ядро; 2 – вегетативное ядро

Кроме того, бактерии и паразитические простейшие (например, споровики) могут образовывать споры, которые представляют собой особые клетки, окруженные плотной оболочкой, устойчивой к внешним воздействиям. Споры формируются в результате клеточных делений и служат для распространения образующихся новых особей или для переживания неблагоприятных условий.

У многоклеточных организмов бесполое размножение чаще всего встречается в форме вегетативного размножения и спорообразования. При вегетативном размножении новая особь образуется из части (группы клеток) материнского организма. У водорослей, грибов и беспозвоночных достаточно часто встречается почкование, при котором новая особь появляется на теле материнской в результате интенсивного размножения ее соматических клеток на определенном участке тела – зоне почкования (рис. 128). Разнообразные формы вегетативного размножения характерны и для высших растений: при помощи клубней, ползучих побегов, корневищ, луковиц и т. п.

Рис. 128. Размножение гидры: а – почкующаяся гидра; б – половозрелая гидра с семенниками; в – половозрелая гидра с яйцами

Всем видам растительных организмов, грибам и многим простейшим присуще так же и спорообразование. При этом образуются одноклеточные особи (споры), которые покидают материнский организм, рассеиваются в пространстве и дают затем начало новому организму.

У водных организмов споры, как правило, обладают жгутиками и подвижны. Это так называемые зооспоры, которые характерны для многих протистов (все водоросли, фораминиферы и др.). Споры наземных организмов (грибы и растения) заключены в толстую оболочку и рассеиваются пассивно. У высших растений в процессе формирования спор приходит мейоз и поэтому споры всегда гаплоидны.

Половое размножение. Известны две формы полового размножения – конъюгация и копуляция. Конъюгация известна у бактерий. При этом две бактерии соединяются тонким мостиком, по которому часть генетического материала (копия участка ДНК нуклеоида бактерии) передается от одной бактериальной клетки (донора) к другой (акцептору). Среди эукариот конъюгация встречается только у инфузорий. Две особи обмениваются гаплоидными ядрами, которые сливаются с имеющимися у них так же гаплоидными ядрами. Получается одно ядро с диплоидным набором хромосом.

Легко заметить, что при конъюгации размножения, как такового, нет. Поэтому в этом случае лучше говорить о половом процессе, поскольку имеет место обмен генетическим материалом между партнерами, но увеличения числа особей нет. При этом у бактерий обмен односторонний (от клетки-донора к клетке-акцептору) и неполный (переносится только участок нуклеоида). Это начальный этап формирования полового процесса в ходе эволюции.