2014-02-03
2295
Теория эволюции занимает особое место в изучении истории жизни. Она стала той объединяющей теорией, которая служит фундаментом для всей биологии. Эволюция подразумевает всеобщее постепенное развитие, упорядоченное и последовательное. Применительно к живым организмам эволюцию можно определить как "развитие сложных организмов из предшествующих более простых организмов с течением времени". Представление об эволюции ведет свое начало не от Дарвина с его книгой "Происхождение видов". Еще задолго до Дарвина попытки человека объяснить очевидное разнообразие окружающих его живых организмов парадоксальным образом привлекали его внимание к чертам структурного функционального сходства между ними. Выдвигались различные эволюционные гипотезы, чтобы объяснить это сходство и такие идеи сами "эволюционировали" по мере развития науки со времен Дарвина. История развития эволюционной теории показывает, что концепция непрерывности или постепенного развития более сложных видов из предшествующих более простых форм возникла у ряда философов и естествоиспытателей еще до формального провозглашения в начале XIX в. эволюционных гипотез. Французский биолог Ламарк в 1809 г. выдвинул гипотезу о механизме эволюции, в основе которой лежали две предпосылки: упражнение и не упражнение частей организма и наследование приобретенных признаков. Изменения среды, по его мнению, могут вести к изменению форм поведения, что вызовет необходимость использовать некоторые органы или структуры по-новому или более интенсивно (или. наоборот, перестать им пользоваться). В случае интенсивного использования эффективность и (или) величина органа будет возрастать, а при не использовании может наступить дегенерация и атрофия. Эти признаки, приобретенные индивидуумом в течении его жизни, согласно Ламарку наследуются, т.е. передаются потомкам. Взгляды Ламарка на механизм изменения ни когда не получили никакого признания. Однако Ламарк был прав, подчеркивая роль условий жизни в возникновении фенотипических изменений у данной особи. Его идея непрерывности "зародышевой плазмы" была исторически необходима, для того чтобы стало возможным признание наследования генетических особенностей при половом размножении.
Чарльз Дарвин в 1831 году отправился на корабле "Бигль" в кругосветное путешествие в качестве натуралиста. В результате многочисленных исследований во время путешествия, сопоставляя огромное количество сведений он начал понимать, что в условиях интенсивной конкуренции между членами популяции любые изменения, благоприятные для выживания в данных условиях, повышали бы способность особи размножаться и оставлять плодовитое потомство, а неблагоприятные изменения, очевидно, невыгодны, и у обладающих ими организмов шансы на успешное размножение понижались бы. Эти соображения послужили остовом для теории эволюции путем естественного отбора, сформулированный Дарвином в 1839 г. В сущности, наибольший вклад Дарвина в науку заключается не в том. что он доказал существование эволюции, а в том, что он объяснил, как она может происходить. Тем временем другой естествоиспытатель Уоллес пришел к тем же выводам о естественном отборе.
В 1858 г. Уоллес изложил свою теорию на 20 страницах и послалих Дарвину. Это стимулировало и ободрило Дарвина и в июле 1858 г. Дарвин и Уоллес выступили с докладами о своих идеяхна заседании Линнеевского общества в Лондоне.
В 1859 1. Дарвин опубликовал "Происхождение видов путем естественного отбора". Все 1850 экземпляров книг был проданы в первый день и, говорят, что по своему воздействию на человеческое мышление она уступала только Библии.
Естественный отбор. Согласно Дарвину и Уоллесу, механизмом, с помощью которого из предшествующих видов возникают новые виды, служит естественный отбор. Эта гипотеза (теория) основана на трех наблюдениях и двух выводах:
Наблюдение 1. Особи, входящие в состав популяции, обладают репродуктивным потенциалом;
Наблюдение 2. Число особей в каждой данной популяции примерно постоянно;
Вывод 1. Многим особям не удается выжить и оставить потомство. В популяции происходит борьба за Существование-Наблюдение 3, Во всех популяциях существует изменчивость;
Вывод 2. В "борьбе за существование" те особи, признаки которых наилучшим образом приспособлены к условиям жизни, обладают "репродуктивным преимуществом' и производят больше потомков, чем менее приспособленные особи. Вывод 2 содержит гипотезу о естественном отборе, которой может служить механизмом эволюции.
Современные представления об эволюции. Теория эволюции, предложенная Дарвиным и Уоллесом была расширена и разработана в свете современных данных генетики, палеонтологии, молекулярной биологии, экологии и этиологии и получила название неодарвинизма. Неодарвинизм можно определить как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически. Термин "эволюция" может означать как сам процесс, так и его результат, естественно разные аспекты неодарвинизма опираются на доказательства разного типа. Для того чтобы признать сформулированную выше неодарвинистскую эволюционную теорию, необходимо:
1) установить факт изменения форм жизни во времени (эволюция в прошлом);
2) выявить механизм, производящий эволюционные изменения (естественный отбор генов);
3) продемонстрировать эволюцию, происходящую в настоящее время (эволюция в действии).
Свидетельствами эволюции, происходящей в прошлом, служат ископаемые остатки организмов и стратиграфия. Данные о механизме эволюции получают путем экспериментальных исследований и наблюдений, касающихся естественного отбора наследуемых признаков (например, отбора по окраске раковин у Сераса) и механизма этих процессов в наше время даст изучение популяций современных организмов, например, исследования видообразования у серебристой чайки, а также результаты искусственного отбора и генной инженерии, такие как создание новых сортов пшеницы или получение моноклональных антител. Не существует пока твердо установленных законов эволюции: у нас есть лишь хорошо подкрепленные фактическими данными гипотезы, которые в совокупности составляют достаточно обоснованную теорию. Преждевременное принятие современных концепций как неких догматических истин на достигнутом сейчас уровне, равно как и любом уровне научного исследования, может подавить интеллектуальный рост и поиски истины. Некритическое принятие ряда представлений эволюционной теории служит тому примером. Некоторые из событий, приводимых в качестве доказательства эволюционной теории, могут быть воспроизведены в лаборатории, однако это не значит, что они действительно имели место в прошлом, они просто свидетельствуют о возможности таких событий. В современных научных дискуссиях об эволюции обсуждается не самый факт ее существования, а то, что она происходит путем естественного отбора случайно возникающих мутаций. Все научные объяснения, гипотезы и теории относительно истории жизни носят предварительный характер и до тех пор пока человек в своих поисках истины сохраняет объективность будут оставаться такими. Поскольку проблема эволюции занимает центральноеместо в изучении биологии, необходимо указать ее место в общей системе наших знаний о природе.
Фраза Дарвина из книги "Происхождения видов": "Есть некое величие в представлении о том, что жизнь с ее различными проявлениями Творец первоначально вдохнул всего лишь в несколько форм или даже в одну, и в то время, как наша планета продолжает вращаться подчиняясь раз и навсегда установленному закону тяготения, из такого простого начала развивалось и развивается бесконечное число прекраснейших и удивительных форм".
Механизм видообразования. Дарвин в своих исследованиях пришел к выводу о существовании у растений и животных наследственной изменчивости как при искусственном разведении, так и в природных популяциях. Он понимал, что наследственные изменения должны играть важную роль в эволюции, но не мог предложить механизм, который объяснял бы их возникновение при сохранении дискретности признаков. Лишь после того, как были вторично открыты работы Менделя о наследственности и оценено их значение для эволюционной теории, появилась возможность разрешить из этих проблем. Современное объяснение изменчивости живых организмов — это результат синтеза эволюционной теории, основанной на работах Дарвина и Уолесса и теории наследственности, на законах Менделя. Сущность изменчивости, наследственности и эволюции можно теперь объяснить с помощью данных, полученных в одной из областей биологии, известной под названием популяционной генетики. Популяция - это группа организмов, принадлежащих к одному и тому же виду и занимающих обычно четко ограниченную географическую область. Дарвина интересовало каким образом естественный отбор, действуя на уровне отдельного организма, вызывает эволюционное изменение. После вторичного открытия работ Менделя, доказавших корпускулярную природу наследственности, большое внимание при изучении изменчивости, наследственности и эволюционных изменений стали уделять генотипу. Бэтсон, который в 1905 г. ввел теории "генетика", видел задачу этой науки в "освещении явлений наследственности и изменчивости". Основу современной эволюционной теории, которую называют неодарвинизмом или синтетической теорией эволюции, составляет изучение популяционной генетики. Гены, действуя независимо или совместно с факторами среды, определяют фенотипические признаки организмов и обуславливают изменчивость в популяциях. Фенотипы, приспособленные к условиям данной среды или "экологическим рамкам", сохраняются отбором, тогда как неадаптированные фенотипы подавляются и в конце элиминируются. Естественный отбор, влияя на выживание отдельных особей с данным фенотипом, тем самым определяет судьбу их генотипа.. однако лишь общая генетическая реакция всей популяции определяет выживание данного вида, а также образование новых видов. Только те организмы, которые прежде чем погибнуть, успешно произвели потомство, вносят вклад в будущее своего вида. Для истории данного вида судьба отдельного организма не имеет существенного значения.
Генофонд слагается из всего разнообразия генов и аллелей, имеющихся в популяции, размножающейся половым путем; в каждой данной популяции состав генофонда из поколения в поколение может постоянно изменяться. Новые сочетания генов образуют уникальные генотипы, которые в своем физическом выражении, т. е. в форме фенотипов, подвергаются давлению факторов среды, производящим непрерывный отбор и определяющим, какие гены будут переданы следующему поколению. Популяция, генофонд которой непрерывно изменяется из поколения в поколение претерпевает эволюционное изменение. Статичный генофонд отражает отсутствие генетической изменчивости среди особей данного вида и отсутствие эволюционного изменения. Любой физический признак, например, окраска шерсти у мышей, определяется одним или несколькими генами. Каждый ген может существовать в нескольких различных формах, которые называют аллелями. Число организмов в данной популяции, несущих определенный аллель, определяет частоту данного аллеля (или частота гена). У человека частота доминантного аллеля определяет нормальную пигментацию кожи, волос и глаз, равна 99%. Рецессивный аллель, детерминирующий отсутствие пигментации - так называемый альбинизм - встречается с частотой 1%.
Синтетическая теория эволюции, её основные положения:
– элементарная эволюционная структура – популяция
– элементарный наследственный материал – генофонд популяции
– элементарное явление эволюции – изменение генофонда популяции
– элементарные эволюционные факторы: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор; их эволюционное значение
– единственный направляющий фактор эволюции — естественный отбор
Иммунная система. М. Вернет - один из создателей современной теории иммунитета - определяет его как "способность распознавать вторжение чужеродного материала и мобилизовать клетки и образуемые ими вещества на более быстрое и эффективное удаление этого материала".
Антитело - молекула, синтезируемая организмом животного в ответ на присутствие чужеродного вещества, к которому эта молекула обладает высоким сродством. Все антитела - белки, называемые иммуноглобулинами. Молекула иммуноглобулина состоит из двух тяжелых цепей (Н-цепей) с молекулярной массой 50000-60000 и двух легких цепей (L- цепей) с молекулярной массой 23000. В функциональном отношении молекула антитела подразделяется на константные и вариабельные участки, причем последние действуют подобно ключу, которой подходит к определенному замку. Каждый организм способен производить тысячи видов антител различной специфичности, которые могут распознавать всевозможные виды чужеродных веществ.
Чужеродное вещество, вызывающее образование антител, называется антителом или иммуногеном. Обычно антиген представляет собой белковую или полисахаридную молекулу, находящуюся на поверхности микроорганизма или в свободном виде. У млекопитающих сформированы две системы иммунитета – клеточный и гуморальный иммунитет. Такое разделение функций иммунной системы связано с существованием двух типов лимфоцитов - Т-клеток и В-клеток. Клетки обоих типов образуются в костном мозге из клеток-предшественников. В формировании иммунологической компетентности Т-клеток решающую роль играет тимус (вилочковая) железа. Что касается В-клеток, то полагают, что аналогичное влияние на их развитие оказывают плацента или костный мозг и печень плода, клетки каждого из этих двух типов обладают колоссальной способностью "узнавать" какой-либо из миллионов существующих антигенов. Реакция антиген-антитело направлена на то, чтобы связать антиген, инактивировать его и предотвратить таким образом его вредное воздействие на организм,
Клеточный иммунитет, при взаимодействии с антигеном Т-лимфоциты, несущие на мембране рецепторы, способные распознавать этот антиген, начинают размножаться и образуют клон таких же Т-клеток. Клетки этого клона вступают в борьбу с несущими антиген микроорганизмами win вызывают отторжение чужеродной ткани. Гуморальный иммунитет. В-лимфоциты распознают антиген таким же образом, как и В-клетки, но реагируют по-иному. Размножаясь при стимуляции, они образуют клон плазменных клеток, которые синтезируют антитела и выделяют их в кровь или тканевую жидкость. Здесь антитела связываются с антигенами на поверхности бактерии и ускоряют их захват фагоцитами или присоединяются к бактериальным токсинам и нейтрализуют их.
Клетки и организмы: биотическая индивидуальность.
Гомеостаз - организм можно определить как физико-химическую систему существования в окружающей среде в стационарном состоянии. Именно эта способность живых систем сохранять стационарное состояние в условиях непрерывно меняющейся среды и обуславливает их выживание. Для обеспечения стационарного состояния у всех организмов - от морфологически самых простых до наиболее сложных - выработались разнообразные анатомические и поведенческие приспособления, служащие одной цели - сохранению постоянства внутренней среды. Впервые мысль о том, что постоянство внутренней среды обеспечивают определенные условия для жизни и размножения организмов, была высказана в 1857 г. французским физиологом Клодом Бернаром. На протяжении всей его научной деятельности К. Бернара поражала способность организмов регулировать и поддерживать в достаточно узких границах такие физиологические параметры, как температура тела или содержание в нем воды. Эго представление о саморегуляции как основе физиологической стабильности он резюмировал в виде ставшего классическим утверждения: "Постоянство внутренней среды является обязательным условием свободной жизни". К. Бернар постоянно подчеркивал различие между внешней средой, в которой живут организмы и внутренней средой, в которой находятся их отдельные клетки (у млекопитающих это тканевая, или интерстицианальная, жидкость). Он понимал как важно, чтобы внутренняя Среда оставалась неизменной. Так, например, млекопитающие способны поддерживать температуру тела, несмотря на колебания окружающей температуры. Если становится слишком холодно, животное может переместится в более теплое или более защищенное место, а если это невозможно, вступают в действие механизмы саморегуляции, которые повторяют температуру тела и препятствуют теплоотдаче. Адаптивное значение этого заключается в том, что организм как целое функционирует более эффективно, т. к. клетки, из которых он состоит, находятся в оптимальных условиях. Системы саморегуляции действуют не только на уровне организма, но и на уровне клеток. Организм является суммой составляющих его клеток, и оптимальное функционирование организма как целого зависит от оптимального функционирования образующих его частей. В 1932 г. американский физиолог Уолтер Кеннон ввел термин гомеостаза (homo oios - тот же. stasis - стояние) для определения механизмов, поддерживающих "постоянство внутренней среды", Функция гомеостатических механизмов состоит в том, что они поддерживают стабильность клеточного окружения и тем самым обеспечивают независимость организма от внешней среды - в той мере, в какой чти механизмы эффективны. Независимость от условий окружающей среды является показателем жизненного успеха, и на этом основании млекопитающих следует рассматривать как преуспевающий класс: они способны поддерживать относительно постоянный уровень активности, несмотря на колебания внешних условий. Для того чтобы обеспечить более или менее стабильную активность организма, необходима регуляция на всех уровнях — от молекулярного до популяционного. Это требует использования различных биохимических, физиологических и поведенческих механизмов, наиболее соответствующих уровню сложности и образу жизни данного вида, и во всех этих отношениях млекопитающие, очевидно, лучше вооружены, чем простейшие.
Как показывают исследования, существующие у живых организмов способы регуляции имеют много общих черт с регулирующими устройствами в неживых системах, таких как машины, И в том и в другом случае стабильность достигается благодаря определенной форме управления. Винер в 1948 г. дал науке об управлении название кибернетика (cybernor - рулевой). Кибернетика занимается в частности, общими закономерностями регулирования в живых и неживых системах. Физиологи, изучающие растения и животных, часто используют точные математические модели теории управления для объяснения механизмов действия биологических регуляторных систем; поэтому прежде чем перейти к изучению способов саморегуляции таких параметров, как температура тела, газообмен) концентрации различных веществ в крови и баланс электролитов, следует получить хотя бы общее представление о некоторых положениях теории управления.
Гистология у всех многоклеточных организмов имеются системы клеток, сходных по строению и функциям, иначе говоря ткани. Наука, изучающая ткани, гистология. Ткань можно определить как группу физически объединенных клеток и связанных с ними многоклеточных веществ, специализированную для выполнения определенной функции или нескольких функций. Эта специализация, повышающая эффективность работы всего организма в целом, вместе с тем означает, что совместная деятельность различных тканей должна быть координированной и интегрированной, потому что только таким образом может сохранить свою жизнеспособность. Различные ткани часто объединяются в более крупные функциональные единицы, именуемые органами. Внутренние органы характерны для животных; у растении их практически нет, если только не считать таковыми проводящие пучки, в организме животного органы входят в состав еще более крупных функциональных единиц, которые называют системами, в качестве примера таких систем можно назвать пищеварительную (поджелудочная железа, печень, желудок, двенадцатиперстная кишка и т. д.) или сердечно сосудистую систему (сердце и кровеносные сосуды). Все клетки данной ткани могут принадлежать к одному и тому же типу; из таких одинаковых клеток построены у растений паренхима, колленхима и кора, а у животных - плоский эпителий. В качестве тканей, содержащих клетки разных типов, можно назвать у растений ксилему и флоэму, а у животных рыхлую (ареолярную) соединительную ткань. Обычно клетки одной и той же ткани имеют и общее происхождение. Изучение структуры и функций тканей основывается главным образом на световой микроскопии с использованием различных приемов фиксации материала, его окрашивания и приготовления срезов. При установлении связи между структурой и функцией ткани важно помнить о трехмерности клеточных компонентов и об их связях друг с другом. Информация такого рода собирается "по кусочкам" путем изучения тонких срезов ткани, большей частью поперечных и продольных. Ни те. ни другие в отдельности не способны дать все необходимые сведения, но в сочетании они часто позволяют получить интересующую нас картину. Некоторые клетки, например трахеи и трахеиды. Ксилемы удастся наблюдать в целом виде, предварительно подвергнув растительные ткани мацерации; при этом мягкие ткани разрушаются и остаются более прочные пропитанные лигнином гистологические элементы ксилемы: трахеи, трахеиды и древесинные волокна, Ткани растений можно разделить на две группы в зависимости от того, входят ли в их состав клетки только одного или нескольких типов. Ткани животных подразделяются на четыре группы: эпителиальная. соединительная, мышечная и нервная.
Фотосинтез - все живое на Земле зависит от фотосинтеза - либо непосредственно, либо, как в случае животных, косвенно. Фотосинтез делает энергию и углерод доступными для живых организмов и обеспечивает выделение кислорода в атмосферу, что необходимо для всех аэробных форм жизни. А человечество зависит от фотосинтеза еще и потому, что оно использует ископаемое энергетическое топливо, которое образовалось за многие миллионы лет. По одной из последних оценок, годовая фиксация углерода (самого углерода, а не С02) в процессе фотосинтеза составляет 75-10^ кг. Из общего количества солнечной радиации, которое перехватывает наша планета, часть поглощается, отражается и рассеивается в атмосфере, и до поверхности Земли доходит лишь около половины. Из этой половины только 25% -лучей имеют длину волны, подходящую для фотосинтеза, и хотя оценки неоднозначны, кажется вероятным, что всего лишь около 0,4% таких лучей используется растениями для чистого прироста биомассы (это примерно 1% той энергии, которая доходит до растений). Именно эта ничтожная доля всей доступной энергии практически и поддерживает жизнь на Земле. Одно из потенциально возможных применений фотосинтеза - это использование его как альтернативного источника энергии вместо истощающихся природных запасов нефти и газа. сейчас делаются попытки смоделировать те первые этапы фотосинтетического процесса у растений, когда за счет энергии света (солнечного излучения) вода расщепляется на водород и кислород. Если бы это удалось, водород можно было бы сжигать как топливо, а продуктам сгорания была бы вода. Такая система могла бы существенно дополнить или даже всецело заменить ядерную и другие формы энергии. Исследование фотосинтеза иметь большое значение и для сельского хозяйства, потому что, судя по приведенным выше цифрам имеются очень большие возможности повысить эффективность сельскохозяйственных культур. Новые источники пищи получают и из микроорганизмов, тем более что водоросли и фотосинтезирующие бактерии часто бывают более урожайными, чем обычные посевы. Если их выращивать на сточных водах или промышленных отходах, можно было бы одновременно и очищать отходы, и получать пищевые продукты.
Круговорот веществ в биосфере (азота, серы, фосфора и кислорода) связан со сложными пищевыми взаимоотношениями между живыми организмами. Такие связи относятся к области экологии. Ни один круговорот не обходится без бактерий, поэтому жизнедеятельность бактерий - непременное условие существования жизни на Земле. Различные способы питания основаны на автотрофном, гетеротрофном, фотосинтетическом или хемосинтетическом способах получения органического вещества. Для продуктивного использования природных материалов человечество должно понимать к какому последствию может привести необдуманное вмешательство в круговорот веществ в биосфере.
Хемосинтез - это когда бактерии используют в качестве источника углерода СО2, но энергию получают не от Солнца, а с помощью химических реакции.
Непрерывность энергии. После создания клеточной теории (Шлейден, Шванн) Рудольф Визров расширил эту теорию провозгласив в 1855 г. "каждая клетка из клетки". Признание непрерывности живого побудило ученых второй половины XIX века заняться исследованием строения клетки и механизмов клеточного деления. Совершенствование гистологических методов и создание микроскопов с более высокой размещающей способностью позволило выявить строение ядра и в особенности заключенных в нем хромосом как структур, обеспечивающих преемственность между последовательными поколениями клеток. В 1879 г. Бовери и Флемминг описали происходящие в ядре события, в результате которых образуются две идентичные клетки, а в 1887 г. Вейсман высказал мысль о том. что при образовании гамет происходит деление иного типа. "Эти два типа деления называют соответственно митозом и мейозом, Происходящие при этом процессы почти идентичны однако они приводят к совершенно разным результатам.
Митоз - такое деление клеточного ядра, при котором образуется два дочерних ядра с наборами хромосом, идентичными наборам родительской клетки. Вслед за ядерным делением обычно сразу же происходит деление цитоплазмы на две равные части, восстановление клеточной (плазматической) мембраны и клеточной стенки (у растений) или одной только клеточной (плазматической) мембраны (у животных) и разделение возникших таким образом двух дочерних клеток. Весь этот процесс и называют клеточным делением. Миотическое деление клеток приводит к увеличению их числа, обеспечивая процессы роста, регенерации и замещения клеток у всех высших животных и растений. У одноклеточных организмов митоз служит механизмом бесполого размножения, ведущего к увеличению их численности,
Мейоз - это процесс деления клеточного ядра с образованием четырех дочерних ядер, каждое из которых содержит вдвое меньше хромосом, чем исходное ядро. Его называют также редукционным делением (лат. уменьшение). Число хромосом в клетке уменьшается с диплоидного (2n) до гаплоидного (n). Значение мейоза состоит в том, что он обеспечивает сохранение в ряду поколений постоянного числа хромосом у видов с половым размножением. Мейоз происходит только при образовании гамет у животных и при образовании спор у тех растений, которым свойственно чередование поколений. В результате получаются гаплоидные ядра, слияние которых при оплодотворении ведет к восстановлению диплоидного числа хромосом. Хромосомы играют главную роль в процессе клеточного деления, т.к. они обеспечивают передачу наследственной информация от одного поколения другому и участвуют в регуляции клеточного метаболизма.
Изменчивость и генетика - по праву может считаться одной из самых важных областей биологии. На протяжении тысячелетий человек пользовался генетическими методами для улучшения домашних животных и возделываемых растений, не имея представления о механизмах, лежащих в основе этих методов. судя по разнообразным археологическим данным уже 6000 лет назад люди понимали, что некоторые физические признаки могут передаваться от одного поколения другому. Отбирая определенные организмы из природных популяций и скрещивая их между собой, человек создавал улучшенные сорта растений и природы животных, обладавшие нужными ему свойствами. Однако лишь в начале XX века ученые стали осознавать в полной мере важность законов наследственности и ее механизмов. Хотя успехи микроскопии позволили установить, что наследственные признаки передаются из поколения в поколение через сперматозоиды и яйцеклетки, оставалось неясным, каким образом мельчайшие частицы протоплазмы могут нести в себе "задатки" того огромного множества признаков, из которых слагается каждый отдельный организм. Первый научный шаг вперед в изучении наследственности был сделан австрийским монахом Грегором Менделем, который в 1866 г. опубликовал статью, заложившую основы современной генетики. Мендель показал, что наследственные задатки не смешиваются” а передаются от родителей потомкам в виде дискретных (обособленных) единил. Эти единицы, представленные у особей парами, остаются дискретными и передаются последующим поколениям в мужских и женских гаметах, каждая их которых содержит по одной единице из каждой пары. В 1909 г. датский ботаник Иогансен назвал эти единицы генами, а в 1912 г. американский генетик Морган показал, что они находятся в хромосомах, С тех пор генетика достигла больших успехов в объяснении природы наследственности и на уровне организма, и на уровне гена. Основные положения учения Менделя:
1) каждый признак данного организма контролируется парой аллелей,
2) если организм содержит два различных аллеля для данного признака, то один из них (доминантный) может проявляться, полностью подавляя проявление другого (рецессивного)?
3) при мейозе каждая пара аллелей разделяется (расщепляется) и каждая гамета получает по одному из каждой пары аллелей (принцип расщепления);
4) при образовании мужских и женских гамет в каждую из них может попасть любой аллель из одной пары вместе с любым другим из другой пары (принцип независимого распределения);
5) каждый аллель передастся из поколения в поколение как дискретная не изменяющаяся единица;
6) каждый организм наследует по одному аллелю (для каждого признака) от каждой из родительских особей.
Координация и регуляция у животных. Характерная черта всего живого раздражимость или чувствительность. Всем организмам нужно определить степень внутренней координации и регуляции. Надлежащая взаимосвязь между стимулом и реакцией необходима для поддержания стационарного состояния и выживания. Животные в отличие от растений имеют две различные, но взаимосвязанные, системы координации - нервную и эндокринную. Нервная система действует очень быстро, ее эффекты четко локализированы, а в основе ее деятельности лежит электрическая и химическая передачи. Эндокринная система действует более медленно, ее эффекты носят диффузный характер, а в основе ее действия лежит химическая передача сигнала через систему кровообращения. Как полагают у большинства многоклеточных животных обе системы развивались параллельно.
Нервная система состоит из высокодифференцированных клеток, функция которых заключается в том, чтобы воспринимать сенсорную информацию, кодировать ее в форме электрических импульсов и передавать (нередко на значительные расстояния) другим дифференцированным клеткам, способным отвечать надлежащим образом. У многоклеточных животных вся информация воспринимается видоизмененными нервными клетками, носящими название рецепторов. Воспринимаемая рецепторами информация передается в конце концов эффекторным клеткам и вызывает в них реакцию, определенным образом связанную со стимулом. Связь между рецепторами и эффекторами осуществляют проводящие клетки нервной системы - нейроны. Они являются основными структурными и функциональными элементами нервной системы, и их разветвленные отростки пронизывают весь организм, образуя сложную систему связей. Сложность строения отдельных нейронов и всей нервной системы зависит от филогенетического положения животного и сильно варьирует от примитивной нервной сети кишечнополостных до сложнейшей центральной нервной системы млекопитающих. Если в первом случае нервная система выполняет чисто связующую роль, то во втором она обеспечивает также хранение информации) ее извлечение в нужный момент, переработку и интеграцию.
Центральная нервная система (ЦНС) развивается из впячивающейся внутрь складки этодермы (), лежащей непосредственно над эмбриональной хордой. При смыкании краев этой складки образуется полая спинная нервная трубка, проходящая по всей дичине тела. В процессе дальнейшего развития нервная трубка дифференцируется, формируя расширенный передави конец - головноймозг, идлинный цилиндрический спинной мозг На всем своем протяжении ЦНС покрыта тремя мозговыми оболочками и заключена в защитную костную капсулу, состоящую из черепа и позвоночника. Снаружи мозг покрыт прочной твердой мозговой оболочкой (dura mater), которая сращена с надкостницей черепа и позвоночника. Непосредственно к ткани мозга прилегает мягкая мозговая оболочка (pia mater). Между твердой и мягкой оболочками находится паутинная оболочка (ага chnoidea), образующая сеть из перекладин соединительной ткани, благодаря которым между мягкой и паутинной оболочками образуется подпаутинное пространство, заполненное спинномозговой (цереброспинальной) жидкостью. Большая часть спинномозговой жидкости содержится в центральном канале спинного мозга, а в головном мозге она заполняет четыре расширенных участка - мозговых желудочка. Спинномозговая жидкость омывает мозг снаружи и изнутри, и с ней соприкасаются кровеносные сосуды, обеспечивающие снабжение нервных тканей питательными веществами и кислородом, удаление продуктов обмена. В крыше мозга находятся передние и задние сосудистые сплетения, клетки которых выделяют спинномозговую жидкость и осуществляют связь между жидкостью, находящейся внутри мозга и снаружи. Объем спинномозговой жидкое та составляет около 100 мл помимо питательной и выделительной функций она выполняет также опорную функцию и защищает нервные клетки от механических ударов о твердую поверхность. Ресничные клетки, выстилающие полость желудочков и центрального канала, поддерживают непрерывную циркуляцию спинномозговой жидкости. В функции ЦНС входят координация, интеграция и регуляция почти всех видов нервной активности. При этом ЦНС работает в тесном контакте с периферической нервной системой Высшие формы нервной деятельности, свойственные высокоорганизованным животным - память и интеллектуальные функции - связаны, возможно, с увеличенными размерами определенных участков головного мозга.
Эффекторы (эндокринная система) - это дифференцированная структура (клетка, ткань, орган или система органов), осуществляющая специфическую реакцию в ответ на стимулы, поступающие из нервной системы. Наиболее распространенными и важными являются те эффекторы, которые участвуют в движении и секреции. Организмы, отвечающие на внешние стимулы двигательной активностью могут в зависимости от их строения и образа жизни использовать амебоидальное движение или локомоцию с помощью ресничек, жгутиков или мышц. У многоклеточных организмов в реакции на внешние стимулы могут участвовать все виды движения. Это может быть. например, амебоидальное движение лейкоцитов, проходящих через стенки капилляров к месту инфекции в тканях; усиленное движение ресничек трахеи при инфекции в легких; активация жгутиков у сперматозоидов под влиянием влагалища; рефлекторное сокращение пищевода при поступлении в него пищевого комка. Ответом на другие стимулы, как внешние так и внутренние, является секреция экзокринных или эндокринных желез. В качестве примера реакции со стороны экзокринных желез может служить слезоотделение при попадании в глаз частичек пыли, выделение поджелудочного сока при попадании кислой пищи в двенадцатиперстную кишку или усиленное образование синовиальной жидкости при повреждении сустава. Эндокринные железы тоже отвечают на разнообразные стимулы. Примеры: секреция инсулина при повышении уровня глюкозы в крови; выделение хронического гонадотропина стенками матки в начале беременности после имплантации бластоцисты; повышение секреции тироксина при длительном воздействии холода.
Эндокринная система. Эндокринная и нервная системы действуют координировано, поддерживая постоянство внутренней Среды организма. Нервная система передает сигналы в виде нервных импульсов, а эндокринная используется для этого вещества, переносимые кровью. При очевидном различим в механизме передачи информации общим для обеих систем является высвобождение химических веществ в качестве средств коммуникации между клетками. Как полагают, обе системы возникли и развивались одновременно -параллельно, по мере того как межклеточные связи усложнялись вместе с увеличением размеров и сложности организма. Главная роль обеих систем состоит в регулировании, интеграции и координации важнейших форм жизнедеятельности. Железа - это структура, выделяющая специфические вещества. В организме имеются железы двух типов - экзокринные и эндокринные. Эндокринные железы секретируют гормоны (от греч. hormao - двигаю, побуждаю) - специфические химические соединения, которые образуются в каком-то одном участке тела, поступают в кровеносное русло и доставляются с кровью к удаленным органам, тканям или группам клеток, где они проявляют свое регулирующее действие.
Этология - изучение поведения. Поведение можно определить как направленные вовне действия организма в ответ на стимулы, возникающие в той или иной ситуации. Эти действия каким-то образом изменяют взаимоотношения организма с окружающей средой и имеют адаптивное значение - способствуют сохранению вида. Все живые существа обладают различными формами, которые зависят от способности отвечать на стимулы. Реакции могут быть самыми различными от таких относительно простых, как рост стебля растения по направлению света, до таких сложных форм поведения, как защита территории, ухаживание и спаривание у птиц и млекопитающих. Существуют три главных подхода к изучению поведения животных: виталистический, механистический и этологический.
Виталистический подход — объяснение поведения животных лишь на основе тех действий, которые можно наблюдать и пытаться связать эти действия С изменениями в окружающей среде. Полностью отрицается возможность изучения животных вне их природной среды обитания, этот подход коренится в традициях "естественной истории'', и с его помощью получено очень много ценных сведений, однако их нельзя считать вполне научными, т.к. это лишь описания прошлых событий, которые нельзя проверить экспериментальным путем.
Механистический подход — экспериментальный и основан на изучении той или иной формы поведения в лаборатории в контролируемых условиях. Ему можно поставить в упрек искусственность условий эксперимента, характера поведенческих реакций и интерпретации результатов. Однако этот метод, основоположником которого был И.П. Павлов, широко применяется в зоопсихологии.
Этологический подход — это наиболее современный подход к изучению поведения животных, включающий оба описанных выше метода. Сторонники этого направления пытаются объяснить поведенческие реакции, наблюдаемые в естественных условиях, связывая их с определенными стимулами. Основоположники этологии — Лоренц, фон Фриш и Гинберген.
Изучая поведение животных, необходимо соблюдать величайшую осторожность при интерпретации результатов наблюдений во избежание субъективности. Следует, например, остерегаться ставить себя на место животного (антропоцентризм), интерпретировать наблюдения с точки зрения человеческого опыта (антропоморфизм) или объяснять причину наблюдаемого явления, исходя из заданности его результата (телеология). В самом широком плане поведение можно подразделить на два типа — врожденное и приобретенное, но между ними нет четкой границы, и большинство поведенческих реакций высших организмов несомненно содержит элементы того и другого типа.
Врожденное поведение. Врожденные формы поведения составляют не одну какую-то четко ограниченную категорию, а скорее разнородную совокупность реакций, наследуемых вместе со специфическими нервными или цитоплазматическими связями у многоклеточных и бесклеточных организмов соответственно. Благодаря существованию этих "встроенных" связей данный стимул всегда будет вызывать одну и ту же реакцию. Эти формы поведения развивались и совершенствовались на протяжении многих поколений путем отбора, и главное их приспособительное значение состоит в том, что они способствуют выживанию вида. Другая важная особенность врожденного поведения то, что оно обеспечивает экономное использование нервных путей у многоклеточных организмов, так как не предъявляет слишком больших требований к высшим отделам нервной системы. Существует градация сложности врожденных поведенческих реакций, отражающая сложность нервных путей, участвующих в их осуществлении. К врожденным формам поведения относятся ориентация, таксисы, кинемы, простые рефлексы и инстинкты. Последние могут быть чрезвычайно сложными и включают биологические ритмы, территориальное поведение, ухаживание, спаривание, агрессию, альтруизм, социальную иерархию и социальную организацию. У растений все формы поведения являются врожденными.
Приобретенное поведение связано с научением. Научение – это адаптивное изменение индивидуального поведения в результате предшествующего опыта. Устойчивость вновь приобретенных форм поведения зависит от памяти, хранящей полученную в прошлом информацию. У человека запоминание, например, для сдачи экзамена, может быть кратковременным, тогда как навыки координированной двигательной активности (совершение туалета, езда на велосипеде или плавание) сохраняются в течении всей жизни, способность к научению обычно ассоциируется у нас с поведением позвоночных, прежде всего.млекопитающих. Однако она обнаружена у всех животных, за исключением простейших, у которых нервная система отсутствует или организация ее весьма примитивна. Психологи пытаются установить общие "законы научения", но до сих пор все эти попытки были неудачными. По-видимому, научение представляет собой индивидуальный процесс и осуществляется у разных видов и разных обстоятельствах по-разному.
Память — это способность хранить и извлекать информацию о прошлом опыте, и научение без памяти невозможно. Прошлый опыт, включающий стимулы и реакции, фиксируется в виде "следов памяти" или энграмм, а т.к. способность к научению у млекопитающих пропорциональна величине больших полушарий, очевидно, что именно они служат местом образования и хранения энграмм. Природа энграмм неизвестна, о ней существуют лишь гипотезы, основанные на противоречивых данных. Эти гипотезы можно разделить на две главные группы: согласно одной из них в основе памяти лежат изменения и структуре нейронов и их организации в ЦНС, а согласно другой - стойкие изменения в биохимии мозга. Гистологические исследования ткани головного мозга указывает на существование замкнутых нейронных цепей, что позволило выдвинуть представление о ревербирующих цепях как элементах энграмм. Согласно этому представлению ревербирующие цепи позволяют возбуждению циркулировать по кругу, сохраняя таким образом информацию. Кажется однако сомнительным, чтобы такая активность могла продолжаться сколько-нибудь долго, и эксперименты показывают, что память обладает емкостью и прочностью, чего можно было бы достичь с помощью одного только этого механизма. Полагают, что такие цепи могут играть роль в кратковременной памяти, т.е. в хранении информации в пределах нескольких минут. После сотрясения мозга память на предшествующие ему события может ослабевать или исчезать; кратковременная память постепенно ухудшается также в процессе старения. Долговременная память более прочна, и поэтому полагают, что в ее основе лежат какие-то стойкие изменения в ткани головного мозга.
