|
|
Страница 38 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наукаЖизнь первично возникла в водной среде. Её выход на сушу начался с растений. В послекембрийские времена, в кайнозойскую эру современная растительность покрывала сушу. Началось это ещё в докембрии и общая продолжительность заселения растениями суши составляет миллиарды лет. Всё это время растения, начиная от их простейших предков, вырабатывали кислород и этим создали современную атмосферу. Беспозвоночные были среди первых видов животных, которые начали заселять сушу. Животная выкоразвитая жизнь на суше (выход на сушу позвоночных) возникла как переход от рыб к наземным четвероногим. Девонский период был временем расцвета рыб. В это время зародились у рыб в тупиках их эволюции те случайности, которые привели к земноводным, пресмыкающимся, птицам и млекопитающим. Избыточность в воздушной среде (высокая концентрация кислорода) разрешила наземным животным разные (в том числе весьма несовершенные) варианты органов дыхания и биохимии транспорта кислорода потоком крови внутри организма. Конечно, девонская атмосфера Земли содержала меньше кислорода, чем сегодня, но и это было существено больше, чем разрешено пределами его растворения в воде. Условия Девонского периода стимулировали запоминание случайностей, использующих атмосферный кислород – лёгочное и кожное дыхание. Разнообразие тогда видов рыб (многие из которых вымерли позднее) гарантировало разные случайные варианты дыхания. Накопленные случайности у кистепёрых и двоякодышащих рыб оказались наиболее близкими к морфологии последующих тетрапод. К сожалению, как и везде в биологии, это трактуется в литературе как целенаправленный отбор в терминах “стимулов” и подобных. Не было в этот период природных катаклизмов. Давно существовала экологическая ниша, разрешавшая более эффективную кислородную энергетику жизни. Непрерывно накапливающиеся случайности поэтому имели условия для мгновенного запоминания тех из них, которые не только могли её использовать, но и гарантировали в ней максимум способностей дальнейших превращений. Случайные монстры, а не цель, определили выход рыб на сушу как четвероногих. Преимущества для запоминания на суше случайностей, возникших в воде, остались за уродами с тяжёлыми костями. Они содержали в себе основы механики будущего скелета наземных животных. Массивность костей им мешала, но в водной среде в каких-то узких условиях выжить можно было. Для выхода на сушу парадоксально им не было необходимости в вульгарно эволюционных двоякодышащих формах. Им нужно было только случайное генетическое увеличение имеющихся у них (ограниченно полезных в воде) зачатков легких. Оно возникло как высоковероятная смертельная генетическая вариация, возможно, сопровождавшаяся потерей жабр. Возник монстр, нежизнеспособный в воде. Уроды с массивными костями выживали преимущественно на мелководье (ведь их возможности передвижения в толще воды ограничивал скелет, противоречащий оптимизирующему отбору по признакам движения в воде). Поэтому единственному монстру, родившемуся с лёгкими без жабр, надо было только успеть (в прямом смысле) высунуть голову из воды. Тупиковых ветвей такого развития, как и просто погибших особей, хватало в истории жизни. Но запоминание одной из случайностей было гарантировано тем, что монстр оставался водной формой жизни (жизни в среде с малым содержанием кислорода). Любая, совместимая с его метаболизмом, несовершенная система дыхания и кровообращения гарантировала ему в воздушной среде усвоение того ничтожного количества кислорода, которое было верхом приспособительного совершенства для его метаболизма в водной среде. Воздушная экологическая ниша тогда для животных была пустая, богатая ранее вышедшими в неё растениями-пищей. Выжившим монстрам не с кем было “бороться за существование”. Им надо было только выжить – любым, самым неоптимальным образом. Выжили преимущественно те два направления случайностей (двоякодышащие и кистепёрые), которые были названы выше. Но максимум способности дальнейших превращений остался у кистепёрых. Случайность в эволюции работает по всем направлениям, разрешённым условиями. При наличии у рыб одновременно жабр и зачатков лёгких она не могла игнорировать вариант экзотических двоякодышащих рыб. Но их экологическая ниша узкая, неустойчиво существующая. Они могут накопить случайности, позволяющие им оптимизировать выживание в лужах или около них при сезонном пересыхании водоёмов. Но, ещё раз подчеркну, эта ветвь – тупик эволюции из-за несовершенства экологической ниши. Типичный вульгаризм толкователей дарвинизма – представление о том, что двоякодышащие рыбы эволюционировали с целью приспособиться к сухопутной жизни, что и стало основой четвероногих. Выход животной жизни из воды на сушу есть скачок. Он принципиально не может содержать переходных форм в их классическом виде – последовательное накопление в ДНК таких мутаций, которые отображаются переходными организмами, запоминаемыми естественным отбором. Скачком возникает новая таксономическая градация жизни. Этот скачок, тем не менее, есть шаг постепенной эволюции, так как он произошёл путём накопления случайных тупиков равновесий, вымирания видов и особей, не превратившихся в виды. Переходные формы не есть последовательность целенаправленных микромутаций в ДНК. Они есть разнообразие случайностей в ДНК, которые остались не запомненными. Многие из них, несомненно, сохранились в “молчащих” участках ДНК современных форм жизни. В такой постановке задачи переходные формы при дарвиновском отборе ещё никто не исследовал.
Конечности, перья, зубы и подобное – вторично. Первично, глобально важно для выживания выживающих использование преимуществ высокой концентрации кислорода. Это задаёт направление отбора тех случайностей, которые создают: максимизацию поверхности газообмена с атмосферой; сопоставимость интенсивности переноса кислорода системой кровообращения с пределом его поглощения лёгкими. Первая из этих задач в виде максимизации поверхности газообмена в легких приводит к принципиальному (и для человека-инженера, казалось бы, неустранимому) тупику. Совместить большую поверхность для газообмена с минимумом объёма легких как органа можно, если легкие будут состоять из множества мелких пузырьков, омываемых кровью снаружи и заполняемых воздухом изнутри. Хорошо известно, что легкие именно так и устроены, а эти пузырьки называются альвеолы (рис. 3.9). Например, у человека их суммарная поверхность порядка 100 м2, что в 50 раз больше поверхности его тела. Для того, чтобы наполнить альвеолы воздухом, нужно совершить работу против сил поверхностного натяжения. Количество альвеол у взрослого человека до 300 миллионов. Диаметр их у млекопитающих не больше 0,75 мм. Элементарные расчёты показывают, что тренированный спортсмен должен был бы умереть от истощения в результате нескольких вздохов. Однако здоровые люди дышат, не задумываясь над этим. Причина в том, что биохимия переноса кровью кислорода связана с выделением на поверхности альвеол специфических веществ – сурфактантов. Они образуют плёнку, толщина которой 7-8 нм. Поверхностное натяжение сурфактантной плёнки различно на стадии наполнения альвеол и когда воздух из них нужно выбросить,. Это описывает петля гистерезиса для сил поверхностного натяжения, изображённая на рис. 3.10 [85]. Как видно из этого рисунка, основная часть процесса сокращения альвеол при выдохе происходит при повышенном поверхностном натяжении. Завершает выдох снижение поверхностного натяжения практически при постоянном объеме альвеол. Это возможно потому, что плёнка сурфактанта собирается в складки, уходящие вглубь морфологически сложного слоя, дополняющего наружную плёнку. Он примыкает изнутри к поверхности альвеолы. Почти вертикальный ход кривой процесса на заключительной стадии выдоха отражает образование этих складок.
Участие в лёгочном дыхании сурфактатного механизма характерно не только для всех млекопитающих, но и для большинства эволюционно продвинутых позвоночных – птиц, рептилий. У земноводных он представлен в меньшей степени. Очевидно, что при переходе от рыб к земноводным не мог скачком возникнуть сложный и совершенный сурфактантный механизм работы легких. Однако, как многократно подчёркнуто выше, водные формы жизни существовали при уровне метаболизма, требующем мало кислорода. “Рыбью” потребность в кислороде (из-за высокой его концентрации в атмосфере) могли обеспечить несовершенные механизмы лёгочного дыхания. Поэтому дальше могло действовать обычное дарвиновское накопление случайностей. Существование отдельных видов земноводных без сурфактантного механизма дыхания даёт пример того, что этот механизм появился как результат отбора из генетических случайностей их видов с уже существующим лёгочным дыханием. Его усовершенствование в комплексе эволюционных и скачкообразных изменений лёгких есть одна из причин возникновения сложных видов животных. Сурфактантный механизм создаёт совершенство сочетания механики и биохимии поглощения кислорода в газообменнике легких. По мере оптимизации лёгких на первый план выходит производительность системы транспорта энергии внутри организмов – переноса кислорода кровью – вторая важнейшая проблема для работы естественного отбора со случайностями при переходе животных на сущу. В основе системы кровообращения (пояснено в главе VI) изменение валентности атомов переходных металлов – меди или железа – как составляющих сложных органических макромолекул. Атомы меди определяют существование “голубой крови” у некоторых рыб. Переход в богатую кислородом воздушную среду выбраковывает кровь, использующую медь. Итог этого отбора есть белок гемоглобин и специализированные клетки на его основе – эритроциты. Интенсивное поступление кислорода в организм и его эффективный транспорт внутри него есть причина существования теплокровные животные, которые менее зависимы от окружающей среды. Изменения скелета или увеличение поверхностей конечностей за счёт перепонок или перьев не привели бы к птицам, если бы лёгкие не могли поставлять организму необходимое для полёта количество кислорода. Высокая эффективность легких и системы кровообращения есть первичная причина существования мозга человека – количество потребляемого им кислорода настолько велико, что при несовершенных лёгких его рост был бы запрещён энергетикой организма. Неслучайны нарицательные выражения – “птичий ум”, “куриные мозги” – и полёт, и большой мозг обеспечить кислородом далеко не просто. Энергоёмкость полёта к тому же запрещает повышение веса птиц. В частности, это ограничивает рост их мозга. Механическая задача перекачки крови для обеспечения транспорта кислорода также содержит особенности. Сердце как специализированный центральный насос системы кровообращения возникло на поздних стадиях эволюции жизни. Активный транспорт всех видов крови первично обеспечивался за счёт сокращений поверхности сосудов и давления окружающих их тканевых мышц. Эти механизмы транспорта крови эволюция не могла и не должна была отбраковывать. Однако в современной биологии подсчёты того, что мощности сердца недостаточно для транспорта крови (например, у человека) и обоснования участия в этом скелетной мускулатуры многими воспринимаются как “ересь”. Несомненно, что активные процессы транспорта крови обязательно должны работать в капиллярных сосудах. Есть исследователи, обоснованно пытающиеся найти критерии смерти организма в необратимых сбоях активного капиллярного кровообращения. Анализ последствий дарвиновского отбора в первую очередь должен учитывать возможности энергетических систем организмов – дыхания и кровообращения. Например, динозавры вымерли, как теперь ясно, от “ядерной зимы”, возникшей при столкновении Земли с астероидом 65 миллионов лет назад. Однако ответ на вопрос о том, могла бы или нет эволюция превратить их в разумные существа, не в последнюю очередь, требует анализа возможностей эволюции их легких и системы кровообращения в сторону более высокой эффективности. Первые теплокровные млекопитающие были малых размеров – выжившие выживающие. Генетические задатки их легких и системы кровообращения позволили им увеличивать размеры тела. Интенсивный кислородный обмен определил совершенство и богатство видов млекопитающих. В частности, он определил возврат в воду как среду обитания отдельных видов млекопитающих, возникших на суше. По принципиальным биохимическим особенностям, по своим ключевым параметрам водные и сухопутные млекопитающие остаются подобными. В их филогенезе (истории эволюции) водная среда была. В их ДНК сохранились связанные с этим генетические комплексы, некоторые из которых даже работают на начальных стадиях их онтогенеза (роста индивидуума), но потом элиминируются (например, жабры в процессе внутриутробного развития). Для действия дарвиновского отбора в них заложены исходные генетические “заготовки”. Жабры могут после исторического перерыва начинать работать в ДНК, которая филогенетически стала новой, более сложной. Они могут воспроизводиться с помощью отбора как запомненные случайные отклонения. Но тождественности с прошлым результатом их работы быть не может из-за возникших изменений внутренних условий организмов. В частности, водные млекопитающие не могут сохранить у себя жабры, несмотря на то, что они есть у них генетически и реально вырастают в процессе онтогенеза, а потом атрофируются. Причина физическая – неустранимо низкая концентрация кислорода, растворённого в воде. Для метаболизма млекопитающих необходимо намного больше кислорода, чем для рыб. При низкой концентрации кислорода в воде необходимая для этого гипертрофированная масса жабр несовместима с размерами и морфологией других органов млекопитающих. “Ихтиандр” законами физики категорически запрещён. Даже в технических устройствах – подводных лодках – инженеры не используют растворённый в воде кислород как потенциальный источник жизнеобеспечения. Водную экологическую нишу отличает более высокий коэффициент теплопередачи, чем в воздухе. Млекопитающие – теплокровны. Опять действует закон куба и квадрата, но по отношению к тепловому балансу организма. Количество тепла, отданного во внешнюю среду, зависит от поверхности тела. Его производство – от объёма тела. Поверхность растёт как квадрат линейного размера тела, а объём – быстрее, пропорционален его кубу. Баланс тепла в организме легче сохранить, если размеры организмов велики. Киты, дельфины, тюлени и другие водные млекопитающие поэтому не просто велики, а даже огромны по отношению ко многим сухопутным. Исключения из этого в виде бобров, куниц, морских котиков только подтверждают это правило, так как они имеют уникальный мех, защищающий их организмы от переохлаждения, несмотря на относительно малые размеры тел. В повышенных потерях тепла в водной среде заключена ещё одна причина невозможности для водных млекопитающих вернуться к жабрам и стать полностью водными животными. Водная среда не в состоянии обеспечить теплокровный организм кислородом в таком количестве, которого требует поддержание температуры тела. Генетические возможности вернуть жабры есть, но отбор, зависящий от внешних условий – запрещает это. В результате в системе дыхания и кровообращения водных млекопитающих накапливаются гротескные “уродства”. Болезнь, шок в виде спазма главных сосудов тела при резком охлаждении в воде, который отбраковывается смертью у сухопутных млекопитающих, для дельфинов становится важнейшим приспособительным признаком, так как позволяет под водой снабжать кислородом только мозг. Большие размеры организма делают время его охлаждения достаточно большим, несмотря на ограничения в снабжении кислородом и соответственно в производстве тепла. Спазм сосудов, приводящий к снабжению кислородом под водой только мозга, для них увеличивает совмес-тимое с выживанием время пребывания под водой. Склонность к ожирению есть распространённое (нередко генетически заданное) нарушение гормонального баланса у млекопитающих. На суше хищники выбраковывают носителей таких генов. В воде, опять-таки по соображениям теплообмена, ожирение становится ведущим положительным признаком при отборе. Атрофия рук и ног есть врождённый дефект, который не столь уж редко встречается у новорожденных млекопитающих. На суше выбраковка таких дефектных генов неизбежна. В воде этот дефект становится важнейшим положительным морфологическим признаком. Регресс совершенства части из признаков наземных млекопитающих получает статус генетической основы их существования в воде. Принципиально новое в процессе эволюции жизни возникает не как установление равновесия со старой экологической нишей. Оно есть, как правило, скачок, заданный в новых условиях с помощью запоминания на основе принципа максимума производства энтропии-информации. Возврат наземных млекопитающих в водную среду такого скачка не содержит. Хотя водные и наземные млекопитающие многим кажутся существенно различными, этот переход есть регрессивный эволюционный естественный отбор в условиях существенного изменения условий, отвечающих равновесию с окружающей средой. Определение – регрессивный – в данном случае означает возврат в старую экологическую нишу. Биологически результат отбора всегда есть прогрессивная эволюция, так как он реализует способность к превращениям. Категория: Библиотека » Философия Другие новости по теме: --- Код для вставки на сайт или в блог: Код для вставки в форум (BBCode): Прямая ссылка на эту публикацию:
|
|