КАМЕНСКИЙ А.А.,
СОКОЛОВА Н.А.,
ТИТОВ С.А.
Ответы на вопросы по биологии
(11-й класс)
Публикуемые ответы на вопросы, предложенные Министерством
образования РФ для выпускных экзаменов в средней общеобразовательной
школе, подготовлены преподавателями биологических факультетов МГУ и
РГГУ в соответствии с требованиями, предъявляемыми на вступительных
экзаменах в вузах.
1. Раскройте сущность научных взглядов на происхождение жизни на
Земле
Ранние представления о происхождении жизни сводятся к
мифу о сотворении, который присутствует во всех религиях. На самом
раннем этапе все живое и неживое входило в состав единого комплекса
бытия. Человек жил в едином мире с животными и растениями, которые имели
свой язык и свою собственную мудрость; постичь ее человек мог с помощью
магии. К этой же области представлений относятся животные-тотемы,
которых считали членами племени. Все эти представления в той или иной
форме вошли в различные религии, в частности в христианство, которое
вобрало в себя мифы и легенды древних времен.
Первые попытки научного объяснения происхождения
жизни были сделаны в XVII в. Левенгуком, который сформулировал концепцию
спонтанного зарождения жизни. До середины XVII в. эта концепция не
подвергалась сомнению: ученые средневековья спорили лишь о том,
рассматривать самозарождение как проявление «духовного начала» или как
естественный процесс образования живых организмов.
Однако в 1661 г. Франческо Реди доказал, что в
сосудах с мясом, прикрытых кисеей, личинки мух не появляются, тогда как
в открытых сосудах мясо кишело этими личинками. На этом основании Ф.Реди
сделал вывод, что личинки появились из отложенных мухами яиц, а не «самозародились».
Несмотря на это идея самозарождения жизни сохранялась
до середины XIX в., причем подтверждением ей стали опыты Велера по
синтезу мочевины из неорганических соединений, проведенные в 1828 г.
Ученые, которые придерживались этой концепции, называли себя
«виталистами» (от лат. vita – жизнь). В 1859 г. французская
академия наук учредила премию тому, кто наконец сможет разрешить эту
проблему. Ее получил в 1862 г. Луи Пастер, который показал, что брожение
и гниение вызывают не безжизненные химические реагенты, а бактерии. Этот
факт имел огромное не только практическое, но и философское значение,
т.к. доказывал, что живое возникает только из живого, а значит, жизнь
так же вечна, как материя. Теория, основанная на этих положениях,
получила название теории биогенеза.
В то же время, в 1859 г., появилась книга Ч.Дарвина
«Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение
благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь». Сформулированные Ч.Дарвином
основные положения эволюционного учения поставили прочную преграду между
живым и неживым.
После объединения идей Дарвина и Пастера вопрос о
возникновении жизни принял вполне четкую форму: «Откуда взялся
первоначальный живой зачаток?». Исходя из невозможности возникновения
жизни из неживого, т.е. из невозможности абиогенеза, часть ученых в XIX в.
пришла к мысли об «акте первичного творения жизни», а другая – к
представлению о вечно существующих «семенах жизни», переносимых
метеоритами («космическая теория происхождения жизни»).
Однако уже тогда, в XIX в., несколько ученых
предположили, что жизнь могла возникнуть из неорганических веществ в
некоем первичном океане (Гексли, Тендаль, Геккель, Пфлюгер). Развитие
этих идей стало возможным с появлением биохимии, или, как ее сначала
называли, физиологической химии.
Первыми учеными, предложившими наиболее стройную
концепцию возникновения жизни, стали два выдающихся биохимика XX в. –
русский биохимик А.И. Опарин (1894–1980) и английский биохимик, генетик
и физиолог Джон Холдейн (1892–1964). В 1924 г. вышла книга А.И. Опарина
«Происхождение жизни», а через 5 лет появилась работа Дж.Холдейна, в
которой высказывались те же мысли.
Современная теория возникновения жизни на Земле,
называемая теорией биопоэза, была сформулирована в 1947 г. английским
ученым Дж.Берналом (1901–1971). Суть этой теории сводится к
представлениям о трех этапах возникновения жизни. На первом этапе
произошло возникновение органических молекул из неорганических, т.е.
произошел абиогенный синтез. Опарин и Холдейн предположили (а позднее, в
1953 г., Миллер подтвердил это экспериментально), что в основе
абиогенного синтеза лежало воздействие сильных электрических разрядов,
ультрафиолетового облучения и радиации на первичную атмосферу Земли,
содержавшую пары воды, метан, аммиак, углекислый газ, азот и в очень
небольшом количестве водород. В результате образовались углеродные и
азотистые соединения умеренной сложности – аминокислоты и азотистые
основания (возможно, аденин). Органических веществ, образовавшихся на
первом этапе, было очень мало, вероятность реакций между ними была
чрезвычайно мала.
На втором этапе шел процесс концентрации возникших
органических веществ. Такая концентрация могла идти за счет осаждения
органики на частицах глины или гидроокиси железа за счет образования
органическими веществами пленки на поверхности воды – такую пленку
прибивало к берегу, где концентрация органических веществ увеличивалась
в тысячи раз. Кроме того, концентрированию мог способствовать процесс
объединения однородных частиц в разбавленных растворах – закон, хорошо
известный в химии. В результате повышения концентрации вероятность
взаимодействия между органическими молекулами значительно возрастала,
что в конечном счете привело к возникновению коацерватов – молекул,
окруженных водной оболочкой; такие коацерваты объединялись, образуя
многомолекулярные комплексы, т.е. могли уже появиться полимеры.
На третьем этапе началось самовоспроизведение
органических молекул, т.е. было положено начало размножению. Вероятно,
первыми такими молекулами были ДНК и РНК.
В дальнейшем очень важным процессом было
возникновение мембран, т.е. обособление клеток. В основе этого процесса
могла лежать адсорбция растворенных в воде белковых молекул на
поверхности липидной пленки, покрывающей водоемы. В результате могли
возникать двойные липопротеидные пленки, от которых могли отрываться
пузырьки. Такие пузырьки, теоретически, могли покрываться вторым
липидно-белковым слоем, что приводило к возникновению четырехслойной
оболочки с двумя слоями белков по краям и двумя слоями липидов внутри.
Взаимная ориентация этих слоев определялась силами электрического
притяжения и гидрофобного взаимодействия. Описанный механизм образования
мембран – только один из возможных. Образование мембран привело к
возникновению систем, которые были способны к саморегуляции и
самовоспроизведению. Это и были первые живые организмы – пробионты.
Первые живые организмы, появившиеся на Земле, были
анаэробными гетеротрофами. Это были прокариотные одноклеточные
организмы, похожие на современные бактерии. Обмен веществ у них шел по
типу брожения; при этом выделялась энергия, которая запасалась в
молекулах АТФ. Эволюция первичных гетеротрофов (она длилась 1000–1500 млн
лет) шла в направлении освобождения зависимости от органических
соединений абиогенного происхождения. В этой связи чрезвычайно важным
событием оказалось возникновение бактериального фотосинтеза, который
привел к накоплению органических веществ уже биогенного происхождения.
Однако бактериальный фотосинтез был бескислородным (аноксигенным). И
лишь значительно позднее цианобактерии (синезеленые) начали выделять при
фотосинтезе кислород, который они получали в процессе фотолиза воды.
Накопление в атмосфере Земли кислорода привело к появлению
кислородно-озонового экрана, который защитил первичные живые организмы
от губительного действия ультрафиолета и создал условия для
существования аэробов.
Эволюция прокариот привела к возникновению
эукариотических клеток, т.е. клеток, имеющих оформленное ядро. Подлинное
начало жизни связано именно с возникновением такой клетки. С этого
момента начинается период органической эволюции.
В связи с теорией происхождения жизни часто возникает
вопрос: почему же жизнь не может возникнуть заново в наше время?
На этот вопрос существует два основных ответа:
во-первых, в настоящее время нет соответствующих условий, а во-вторых,
чрезвычайно велика вероятность уничтожения появившейся новой жизни
другими живыми существами.
Помимо изложенной выше основной и общепризнанной
теории происхождения жизни имеются и альтернативные гипотезы. Об одной
из них мы уже упоминали – это теория «космического заноса» (панспермии),
согласно которой одним из главных источников предбиологических
органических молекул является вещество комет. Эта идея основана на том
факте, что в кометах были обнаружены большие количества циана и
синильной кислоты; из их производных – цианамида или дицианамида могли
бы синтезироваться сложные органические соединения. Предполагают также,
что источником атмосферного кислорода помимо фотосинтеза могли быть и
другие процессы, например, разложение водяного пара в верхних слоях
атмосферы с последующим рассеянием водорода гравитационным полем Земли.
Для стадии полимеризации возможна такая альтернатива,
как термический синтез. Существенным моментом в теории Опарина–Холдейна
было влияние радиации, особенно ультрафиолетовых лучей, под воздействием
которых первые реакции химического синтеза могли протекать при низких
температурах. Однако синтез аминокислот и протеиноидов может быть в
принципе осуществлен обычными методами при относительно высоких
температурах – от +160 до +210 оС,
т.е. значительно выше точки кипения при современном атмосферном
давлении.
В теории происхождения жизни есть целый ряд
нерешенных вопросов. К их числу относится вопрос о роли случая в
возникновении жизни. На вопрос, необходимо или случайно возникновение
живых форм, – можно ответить так: возникновение простых органических
форм, таких как аденин, необходимо, а возникновение отдельных организмов
представляет собой случайный процесс. Основным же нерешенным вопросом
остается следующий: каким образом из ряда простых химических соединений
мог возникнуть сложный механизм воспроизведения без участия каких-то
структур, образованных ранее?
2. Охарактеризуйте сущность химической эволюции,
которая происходила на ранних этапах существования нашей планеты
Органической эволюции живых существ на Земле
предшествовала эволюция химическая. Эта эволюция была гораздо более
длительной; она шла от атома до молекулы, от молекулы до полимера, от
полимера до организма.
Химической эволюции, в свою очередь, предшествовала
звездная стадия развития доорганической природы; предполагают, что эти
события происходили около 4,5 – 6 млрд лет тому назад. В этот период
поверхность планеты была раскалена до 1000 °С, все элементы находились в
атомарном состоянии. Из-за вращательного движения Земли при постепенном
снижении температуры атомы тяжелых металлов перемещались к центру, на
поверхности оставались атомы легких элементов (азота, водорода, углерода
и др.); при взаимодействии этих элементов образовывались газы, которые
поднимались вверх.
На планетарной стадии развития доорганической природы
возникла первичная атмосфера. В этот период появились вода в виде пара,
аммиак, метан, водород, углекислый газ, т.е. были созданы условия для
начала собственно химической эволюции. При охлаждении до температуры
100 °С начался процесс конденсации. Пошли горячие ливни,
сопровождавшиеся непрерывными молниями, образовались большие водоемы. В
горячей воде растворялись газы, соли, они вступали в химические реакции,
в результате чего на первой стадии химической эволюции произошло
формирование из воды, метана и аммиака промежуточных органических
молекул, характерных для живых организмов. Главным образом это были
углеродные и азотистые соединения умеренной сложности – аминокислоты и
азотистые основания. Эти соединения входили в состав так называемого
первичного бульона. Важно понимать, что свободного кислорода в это время
на Земле не было. Он находился в связанном состоянии с такими
элементами, как железо, алюминий, кремний, в составе минералов в земной
коре. Кислород входил также в состав воды, оксида углерода (II) и оксида
углерода (IV).
На второй стадии шла полимеризация молекул, приведшая
к решающему событию – возникновению динамической структуры, которую мы
называем жизнью. На этой стадии под влиянием мощного ультрафиолетового
излучения из смеси газов могли сначала образоваться промежуточные
соединения, такие как цианистый водород, формальдегид, муравьиная
кислота и др. Затем в результате химической эволюции эти соединения
образовали биологические мономеры. На этом закончился первый этап
биопоэза.
Возможность такого рода событий была показана в
1953 г. в опытах Миллера и Юри. Эти ученые подавали смесь метана,
аммиака и водорода в специальные сосуды и пропускали через эту смесь
мощный искровой разряд, который заменял ультрафиолетовое излучение. В
результате длительного непрерывного пропускания разряда в водной фазе
образовались различные органические соединения, среди которых были
обнаружены биологические мономеры: мочевина, молочная кислота, несколько
разных аминокислот. Позднее эти опыты были повторены с использованием
других видов энергии, в частности радиационного излучения.
Образовавшиеся биологические мономеры частично
разрушались, частично вступали в химические реакции с другими мономерами
с образованием биополимеров. Это была вторая стадия биопоэза,
результатом которой было образование, скорее всего, молекул РНК.
Предполагают, что именно эти молекулы были первыми биополимерами на
Земле. В дальнейшем могли возникнуть первые молекулы ДНК и белки,
обладающие ферментативной активностью. Наличие таких биополимеров
позволяло образовывать системы с обратной связью. Системы такого вида
уже обладают некоторыми признаками жизни, но еще не могут быть отнесены
к собственно живым организмам.
На третьей стадии шло развитие организмов и
становление их внутренней организации: происходил переход от простой
метаболизирующей среды, лишенной специфических границ и внутренних
различий, к организму, обособившемуся от окружающей неживой природы.
Гипотетическим, но очень важным этапом на этом пути являются эобионты
(или пробионты), некие предбиологические образования, возникшие из
коллоидов, за которыми следуют более сложные компоненты живой материи –
клеточные органеллы.
3. Назовите и охарактеризуйте уровни организации живой
материи. Раскройте взаимосвязи различных уровней организации живой
материи
Под уровнем организации живой материи понимают то
функциональное место, которое данная биологическая структура занимает в
общей системе организации мира.
Обычно выделяют следующие уровни организации живой
материи: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой,
биогенетический и биосферный.
Молекулярный уровень организации подразумевает,
что любая живая система состоит из биологических макромолекул:
нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов и др. органических
соединений. С молекулярного уровня начинаются основные процессы
жизнедеятельности (обмен веществ и энергии, передача наследственной
информации и т.д.).
Термин клеточный уровень означает, что
структурной и функциональной единицей всех живых организмов является
клетка. К неклеточной форме жизни относят вирусы, которые могут
размножаться только внутри клеток, т.е. существование этой формы жизни
также зависит от клеток.
На организменном уровне возникают
взаимосвязанные системы органов, специализированных для выполнения
различных функций. Единицей организменного уровня является особь,
которая рассматривается как живая система от момента ее зарождения до
смерти, т.е. в процессе онтогенеза.
Следующий – популяционно-видовой уровень – это
уже совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим
местом обитания. В такой совокупности создается популяция – это уже
надорганизменная система. В популяции происходят элементарные
эволюционные процессы.
Биогеоценотический уровень организации – это
эволюционно сложившаяся, пространственно ограниченная, длительно
самоподдерживающаяся, однородная природная система функционально
взаимосвязанного комплекса живых организмов и окружающей среды. Такая
система характеризуется относительно самостоятельным обменом веществ и
особым типом использования потока солнечной энергии. Живыми компонентами
биогеоценоза служат автотрофные организмы – продуценты (зеленые растения
и хемосинтетики) и гетеротрофные организмы (животные, грибы, многие
бактерии, вирусы). Среди гетеротрофов различают следующие экологические
компоненты – консументы (растительноядные животные, хищники,
паразитические растения) и разлагающие органику редуценты (бактерии и
грибы). Неживыми компонентами являются солнечная энергия, атмосфера,
вода в свободном и связанном виде и субстраты (почва, грунт водоемов,
для планктона – вода, для аэропланктона – воздух).
Биосферный уровень организации – это совокупность
всех биогеоценозов. Биосфера – это система, которая охватывает все
явления жизни на Земле. На этом уровне происходит круговорот веществ и
превращение энергии. В биосфере различают такие уровни: аэробиосфера –
она охватывает нижнюю часть атмосферы, гидробиосфера – это вся
гидросфера, террабиосфера – это поверхность суши и литобиосфера –
верхние слои литосферы. Над и под собственно биосферой (эубиосферой)
лежат слои, в которые живая материя попадает случайно, – это
парабиосфера и метабиосфера. Далее находятся слои, куда живое не может
попасть даже случайно, – это апобиосфера и абиосфера. Общая толща
эубиосферы оценивается в 12–17 км (в глубь литосферы до 2–3 км, иногда
до 5–6 км, до дна Мирового океана — 11 км и над поверхностью Земли до
6–7 км).
Биосфера – это самая крупная экологическая
система Земли. Для этого уровня организации живой материи характерен
большой круг биотического обмена веществ. В процессе эволюции в биосфере
происходила смена одних групп организмов другими, но соотношения
продуцентов, консументов и редуцентов оставалось практически одинаковым.
Существенное влияние на биосферный уровень
организации живой материи оказывает антропогенный фактор. В процессе
жизнедеятельности человека накапливаются ксенобиотики, т.е. чужеродные
для организмов химические вещества, не входящие в естественный
биотический круговорот (например, пестициды, минеральные удобрения,
препараты бытовой химии, химические лекарственные средства,
радиоактивные вещества и т.д.). Попадая в среду обитания живых
организмов, ксенобиотики могут вызвать гибель организмов, изменить
наследственность, снизить иммунитет, нарушить обмен веществ. Эти влияния
в конечном счете сказываются и на биосферном уровне организации живой
материи.
Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом
Э.Зюссом в 1875 г., а учение о биосфере как об активной оболочке Земли,
в которой осуществляется совместная деятельность всех живых организмов,
создал русский ученый академик В.И. Вернадский.
При ответе на вопрос о взаимной связи различных
уровней организации живой материи следует иметь в виду, что каждый
уровень организации обусловлен группой системообразующих факторов, т.е.
факторов, оказывающихся ведущими в формировании данной системы
(например, вода – системообразующий фактор в формировании водных
экосистем). Но, по сути, всегда имеется группа взаимосвязанных
системообразующих факторов (в отношении воды – это температура,
соленость, осмотическое давление воды). Объединяющим фактором в пределах
каждого уровня организации является обмен веществ и энергии, характерный
для этого уровня. Однако несмотря на специфичность каждого из уровней
организации, все они взаимосвязаны и подчиняются общим закономерностям
существования живой материи. Каждый последующий уровень организации
является следствием предыдущего (например, клеточный уровень организации
вытекает из молекулярного уровня). Фактором, объединяющим все уровни
организации в единое целое – биосферу, – является биотический обмен
веществ.
4. Укажите основные свойства живого. Раскройте их
значение для эволюции. Чем обусловлена высокая устойчивость живых
систем?
По современным представлениям живые земные тела –
это открытые саморегулирующиеся системы, способные к самовоспроизведению
и построенные из биополимеров. Такие тела обладают способностью к
авторегуляции, относительным постоянством химического состава и
представляют собой открытые системы, т.е. системы, которые находятся в
состоянии динамического равновесия с внешней средой.
К основным свойствам живых организмов следует отнести
единство химического состава. В состав живых организмов входят те же
химические элементы, что и в объекты неживой природы, но соотношение
элементов разное. В живых организмах 98% химического состава приходится
на углерод, кислород, азот и водород.
Следующее свойство – это обмен веществ и энергии.
Живые системы используют внешние источники энергии (свет, пищу и др.).
Через живые системы проходят потоки веществ и энергии, поэтому они и
называются открытыми. Обмен веществ состоит из двух взаимосвязанных
процессов – ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция – это процесс
синтеза органических веществ в организме, а диссимиляция – процесс
распада сложных органических веществ с выделением энергии, которая идет
на реакции биосинтеза. Именно обмен веществ и обеспечивает относительное
постоянство химического состава организма.
Еще одно свойство живых организмов – это способность
к самовоспроизведению. Благодаря этой способности не прекращается
существование вида. В основе самовоспроизведения лежит образование новых
молекул и структур на основе информации, заложенной в ДНК.
С этим свойством живого тесно связано явление
наследственности, которое представляет собой способность организма
передавать свои признаки и свойства, а также особенности развития
следующим поколениям. В основе наследственности лежит относительное
постоянство строения молекул ДНК.
Свойство, противоположное наследственности, –
изменчивость, т.е. способность организмов приобретать новые признаки и
свойства. В основе наследственной изменчивости лежат изменения молекул
ДНК. Именно изменчивость создает материал для отбора наиболее
приспособленных к данным условиям существования особей. В конечном счете
это приводит к появлению новых видов живых организмов.
Любому живому организму свойственна также способность
к росту и развитию. В результате развития возникает новое качественное
состояние живой материи. Развитие живой материи может быть
индивидуальным и историческим. Процесс индивидуального развития
подразумевает развитие особи от зиготы до смерти, т.е. онтогенез.
Историческое развитие (филогенез) сопровождается появлением новых видов;
в результате исторического развития возникло все разнообразие живых
организмов.
Еще одно общее свойство всех живых организмов – это
раздражимость. Это свойство связано с передачей информации из внешней
среды биологической системе. Благодаря этому свойству живые организмы
способны избирательно реагировать на меняющиеся условия окружающей
среды.
И наконец, всеобщим свойством живой материи является
дискретность, т.е. прерывистость. Любая биологическая система состоит из
отдельных взаимодействующих частей, которые вместе образуют
структурно-функциональное единство.
Из перечисленных выше основных свойств живого
принципиально важное значение для эволюционного процесса имеют
наследственность и изменчивость. Движущими силами (или факторами)
эволюции органического мира являются борьба за существование и
естественный отбор на основе наследственной изменчивости.
Наследственная, или генотипическая, изменчивость может быть мутационной,
т.е. связанной с изменениями в генах и хромосомах (ее причиной является
воздействие мутагенных факторов), комбинативной, т.е. связанной с
появлением новых комбинаций генов (она возникает стихийно в рамках
популяций) или соотносительной (коррелятивной; она возникает в
результате способности генов влиять на формирование не одного, а двух и
более признаков. Именно генотипическая изменчивость является основой
эволюционного процесса. На основе наследственной изменчивости и
происходит естественный отбор. В природе этот отбор происходит в
результате гибели части особей популяции, которая наступает вследствие
борьбы за существование, т.е. естественный отбор – это не выбор части
особей, а выживание наиболее приспособленных.
В процессе естественного отбора происходят
приспособления организмов к условиям жизни, имеющие относительный
характер. В результате этого отбора не только адаптивно меняются
признаки организмов, но и возникают новые подвиды и виды.
В результате взаимодействия факторов эволюционного процесса
формируется адаптация, т.е. возникает комплекс морфофизиологических,
поведенческих и информационных особенностей особей, популяций или видов,
который обеспечивает успех в конкуренции и устойчивость к воздействиям
факторов окружающей абиотической среды. Эволюционная адаптация приводит
к появлению практически необратимых генетически закрепленных форм
приспособления. Появление этих форм обусловлено естественным отбором;
такие формы устойчивы во времени и пространстве ареала популяции или
вида.
Продолжение следует
|