Становление геологии, и её предмет

Наша планета является спутником Солнца – одной из 150 миллиардов звёзд, образующих нашу Галактику – «Млечный Путь». Помимо Земли, в Солнечную систему входят ещё восемь больших планет. Девять планет солнечной системы расположены по мере их удаления, от находящегося в её центре нашего светила в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

Среди них Земля занимает особое положение. Она является уникальной планетой, поскольку именно на ней зародилась жизнь, которая в результате своей долгой эволюции привела к появлению человека и формированию человеческой цивилизации.

Как место обитания людей она становилась объектом их живого интереса и пристального вниманию ещё в глубокой древности. Сначала люди одухотворяли и обожествляли Землю в своих мифологических представлениях, а затем в различных формах религиозного сознания придали ей особый статус, превратив её в центр мироздания. Лишь позднее она становится объектом научных исследований.

Первые научные представления о Земле как простом космическом объекте восходят к древним цивилизациям. Так, например, идею шарообразности Земли выдвигают и защищают древнегреческие мыслители (особенно пифагорейцы), а Аристотель (384-322 до н.э.) доказывает правомерность этой идеи при помощи круглой тени, набрасываемой на Луну Землёй во время лунных затмений. Древнегреческий астроном, последователь учения Пифагора, Аристарх Самосский (ок. 320 - ок. 250 до н.э.) высказывает мысль о том, что Земля движется вокруг Солнца, неподвижно пребывающего в центре мироздания, впервые выдвигая идею гелиоцентризма. Его младший современник Эратосфен Киренский – астроном и географ, для определения размера земного шара применяет научную методику, математический расчёт. Согласно его наблюдениям, в день летнего солнцестояния в городе Сиен (современном Асуане в Египте) Солнце в полдень стоит в зените, тогда как в Александрии оно в это же время отстоит от зенита на 1/50 часть (2%) окружности. Если расстояние от Сиен до Александрии – 5 тыс. египетских стадий (а длина этой стадии равно примерно 167,7 м.), то умножая первую величину на 50, получаем длину окружности Земли в 39425 км. Разделив это число на 2π, мы установим, что радиус Земли, по подсчётам Эратосфена, должен быть равным 6272,159 км (согласно современным измерениям он в среднем составляет 6371,032 км).

Однако эти и другие верные представления о Земле оставались до эпохи Нового времени без надлежащих обобщений и систематизации. Поэтому можно сказать, что собственная история геологии как науки берёт своё начало именно в данную эпоху, а точнее – во второй половине ХУ11 столетия. В это время появляется и сам термин «геология» (от греч. ge – Земля и греч. logos). Его ввёл в научный оборот в 1657 году норвежский учёный М.П.Эшольт.

В самостоятельную область естественнонаучного знания геология выделяется в конце ХУ111 – начале Х1Х столетия, а в ХХ столетии благодаря внедрению в геологические исследования физико-химических и математических методов, ГЕОЛОГИЯ превращается в КОМПЛЕКС НАУКИ О СОСТАВЕ, СТРОЕНИИ И ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ И ЗЕМЛИ В ЦЕЛОМ.

В настоящее время геология включает в свою структуру такие важные отрасли наук, как стратиграфия (раздел исторической геологии, изучающий последовательность формирования горных пород и их первичные пространственные взаимоотношения), тектоника, региональная геология, учение о полезных ископаемых, гидрогеология, инженерная геология, геокриология (мерзлотоведение) и др. Отметим, что дух эволюционизма, свойственный исторической геологии и её другим разделам, был внесён во второй половине Х1Х века такими учёными, как У.Смит, Ж.Кювье, А.Броньяр, Ч.Лайель, Э.Зюсс и др.

Согласно современным представлениям Земля не является строгим шаром, как считали раньше. Она несколько сплюснута у своих полюсов: её полярный радиус примерно на 20 км короче экваториального. Ввиду этого её фигуру обычно представляют как эллипсоид вращения, т.е. как геоид.

Следовательно, будучи приближённой, идеальной формой (моделью) земного шара, поверхность геоида, естественно, отличается от действительной физической поверхности Земли с её континентальными возвышениями и океаническими впадинами. Однако именно относительно его поверхности производятся измерения и определяются значения высоты и глубины соответственно этих возвышенностей и впадин. Согласно современным измерениям, установлено, что самой высокой точкой земной поверхности, возвышающейся над поверхностью геоида на 8848 м, является вершина Джомолунгма (Эверест) в Гималаях, а самой низкой её точкой оказывается Марианский впадина в Тихом океане, расположенный на глубине 11022 м ниже поверхности геоида.

Земля – это третья (поблизости от Солнца) планета Солнечной системы. Она обращается вокруг нашего светила по близкой к круговой эллиптической орбите со скоростью 29,765 км/с. Перигелий и афелий её орбиты соответственно составляют 147,1 млн. км (в начале января) и 152,1 млн. км (в начале июля). Перигелия – ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты. Афелия представляет собой наиболее отдалённую от Солнца точку орбиты планеты. Полный оборот вокруг Солнца Земля совершает за 365,24 средних солнечных суток. Наша планета также вращается вокруг собственной оси, которая наклонена относительно эклиптики на 66 градусов 33 минут и 22 секунд и совершает полный оборот вокруг своей оси за 23 часа 56 минут и 41 секунду. Площадь поверхности Земли (S) достигает 510,2 млн. км², её объём (V), масса (m) и средняя плотность () составляют соответственно 1,083 х 10¹² км³, 5976 х 10²¹ кг и 5518 кг/м³. Она обладает гравитационным, магнитным и тесно взаимодействующим с этим последним электрическим полем и имеет естественный спутник – Луну, вращающуюся вокруг Земли на расстоянии в 384400 км.

Относительно происхождения Луны имеются различные гипотезы:

1. Луна - на первоначальной стадии (не успев стать планетой) была захвачена Землёй.

2. Сначала Луна образовалась как планета, и лишь затем была захвачена Землёй.

3. Луна произошла в результате катастрофы: Прото-Земля столкнулась с Прото-Марсом, в результате чего от Земли отделился кусок вещества (на месте впадины Тихого океана, чем объясняется глобальная асимметрия двух полушарий Земли – северного и южного. Южное полушарие – впадина–океан).

Структура Земли.

Согласно современной космогонической концепции Земля образовалась около 4,7 млрд. лет назад из газово-пылевого вещества, содержащегося в протосолнечной системе. Под воздействием гравитационных сил происходило разделение её вещества, что в конечном итоге привело к образованию различных по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам оболочек-геосфер: ЯДРА (центральной сферы), МАНТИИ, ЗЕМНОЙ КОРЫ, ГИДРОСФЕРЫ и АТМОСФЕРЫ. К этим оболочкам следует добавить ещё и МАГНИТОСФЕРУ.

В направлении от атмосферы к центру Земли возрастают температура (T), давление (р) и плотность (, которые в центре земного шара достигают соответственно: 4000-5000⁰С, 3,6 х 10¹¹ Н/м² и около 12,5103 кг/м³. В химическом составе Земли преобладают железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%) и магний (12,7%). До центра Земли расстояние составляет ок. 6400 км.

Земное ядро представляет собой центральную геосферу с радиусом около 3500 км. Его принято делить на ВНУТРЕННЕЕ и ВНЕШНЕЕ ядра Земли.

ВНУТРЕННЕЕ ядро представляет собой сферу с радиусом порядка 1250 км, в центре которой температура приближается к 5000⁰С. В основном внутреннее ядро состоит из железа, но ввиду большого давления находится твёрдом состоянии. Предполагается, что оно является кристаллом с анизотропными (т.е. неодинаковыми) свойствами. Ученые полагают, что внутреннее ядро увеличивается в размерах (каждый год примерно на 1мм). Поверхность ядра неровная, покрытая металлическими кристаллами – дендридами, которые постоянно растут. Тепло передается от внешнего ядра к внутреннему. Внутреннее ядро будет расти, и продолжать остывать. Температура внутреннего ядра сегодня больше, чем температура на поверхности Солнца. В самом центре ядра температура составляет 12000⁰С (это жарче, чем на поверхности Солнца), а сила притяжения там отсутствует. Притяжения Земли сегодня является достаточным, чтобы удерживать океаны и атмосферу на ее поверхности.

ВНЕШНЕЕ ЯДРО, расположенное между нижней границей мантии и верхней границей ВНУТРЕННЕГО ЯДРА (примерно 2900 км от поверхности планеты). Внешнее ядро находится в жидком состоянии, хотя оно похоже больше на желе, чем на жидкость (то есть имеет достаточно большую вязкость). По мере продвижения к центру Земли вязкость увеличивается, и желе переходит в твердое кристаллическое тело. Внешнее ядро также состоит в основном из железа и его окислов. Считается, что именно железное содержание ядра Земли является источником земного магнетизма, а конвективное движение вещества внешнего ядра рассматривается в качестве причины изменения местонахождения полярных полюсов Земли, которое неоднократно случалось в ходе земной эволюции.

Металлическое вращающееся ядро Земли создает электромагнитное поле, которое защищает нас от солнечной радиации. Магнитное поле Земли разделяет поток солнечной радиации и отклоняет его от нашей планеты. На полюсах Земли сталкивается солнечный поток радиации и магнитное поле, образуя Северное сияние. На глубине 4000 км в ядре можно обнаружить колонны жидкого железа, высотой в сотни метров. В результате турбулентного движения жидкого железа в этих колоннах вырабатывается электрический ток. По мере замедления процесса вращения турбулентные потоки ослабевают, и магнитное поле тоже ослабевает. Сегодня магнитное поле Земли слабеет в среднем на 10% и это ослабление продолжается. В районе так называемой Южно-Атлантической анамалии магнитное поле поменялось на противоположное. Это свидетельствует о продолжающейся смене магнитных полюсов Земли. Магнитное поле Земли менялось за ее историю неоднократно. Скорость смены полюсов составляет 6% за 100 лет. Смена магнитных полюсов Земли опасна тем, что пока она будет происходить будет иметь место усиление радиации, что приведет к росту онкологических заболеваний, дезориентации птиц, появлению Северного сияния на всей территории Земли и др.

Со временем ядро остынет, и в нем прекратятся турбулентные потоки, исчезнет магнитное поле Земли. Земля не сможет удерживать атмосферу и океаны на своей поверхности. На Землю обрушится смертельная для всего живого радиация, метеоритный дождь и т.п. Наша планета превратится в мертвую и безжизненную.

Подобное предположение следует из установленного СЕЙСМОЛОГИЕЙ факта распространения волн землетрясений с различной скоростью по разным направлениям их перемещения.

СЕЙСМОЛОГИЯ, от греч. sesmos - землетрясение и греч. logos – наука, исследующая землетрясения и связанные с ними явления. В задачу сейсмологии входит так же изучение твёрдых оболочек Земли, при помощи исследования упругих волн, вызванных землетрясениями, взрывами и другими причинами. Волны проходят через различные материалы на планете и отклоняются от них. Они проходят по - разному через разные материалы. По прохождению волн можно охарактеризовать форму того, что находится внутри планеты.

МАНТИЯ (от греч. mantion – покрывало, плащ) Земли, расположена между верхней границей внешнего ядра и нижней границей земной коры. Мантия состоит из перидотитов: силикатов магния, силикатов железа, силикатов кальция и др.

Ее обычно делят также на две части: НИЖНЮЮ и ВЕРХНЮЮ МАНТИИ. НИЖНЯЯ МАНТИЯ имеет толщину около 2000 км, а ВЕРХНЯЯ – около 900 км. Вместе они составляют 83% объёма Земли и 67% её массы. Температура вещества мантии достигает порядка 2000-2500⁰С, поэтому ему присущи интенсивные конвективные движения. Мантия – это динамическая масса вращающейся породы, которая движется энергией ядра, своего рода электростанция планеты. Движения мантии приводят к тектоническим сдвигам, вулканизму и ряду других процессов, происходящих в земной коре. Через «столбы мантии» (образуются на глубине 2400 км от поверхности Земли) происходит прорыв вещества – извержение вулканов. «Столбы мантии» могут создавать цепи островов и тем самым разрушать сушу, но они играют важную роль в охлаждении Земли.

Между мантией Земли и земной корой проходит граница, названная в честь открывшего её в 1909 году югославского учёного поверхностью Мохоровича. Непосредственно прилегающий к данной поверхности верхний твёрдый слой мантии вместе с земной корой образует ЛИТОСФЕРУ (литосфера – от греч. lithos - камень и греч. sphаire – это верхняя твёрдая оболочка Земли). ЛИТОСФЕРА состоит из отдельных, взаимодействующих между собой плит, крупнейшими из которых являются Евроазиатская, Индо-Австралийская, Тихоокеанская, Северо-Американская, Южно-Американская, Африканская и Антарктическая. Непосредственно соприкасаясь с АСТЕНОСФЕРОЙ (это слой пониженной твёрдости, прочности и повышенной вязкости в верхней мантии, служащей неким основанием для литосферы), литосферные плиты как бы скользят по ней. Происходит перемещение этих плит (примерно на 3 см в год), проявляющееся, в частности, как дрейф континентов. Перемещаясь, литосферные плиты (толщина которых местами достигает 100 км, а по поперечнику они могут достичь нескольких тыс.км.) сталкиваются между собой. Это ведёт к разломам и трещинам в литосфере. Через них раскалённая масса астеносферы и более глубинных слоёв мантии (и даже внешнего ядра) может вырваться наружу в виде магмы (от греч. magma – тесто, месиво), вызывая все явления, связанные с вулканизмом или же просто создавая новые участки земной коры.

Вместе с тем, часть энергии трения литосферных плит превращается в колебательные движения, известные как землетрясения. Вообще эти колебания земной поверхности бывают ТРЁХ ВИДОВ: тектонические, вулканические и обвальные.

ТЕКТОНИЧЕСКИЕ землетрясения связаны с тесным взаимодействием литосферных плит между собой. При достаточно сильном трении возникает волна сотрясений, которая с различной интенсивностью доходит до поверхности Земли, вызывая её колебания. Место возникновения данной волны называется ГИПОЦЕНТРОМ или иначе – очагом землетрясения, а участок земной поверхности, расположенный непосредственно над ним – ЭПИЦЕНТРОМ. Наиболее сильными и разрушительными являются тектонические землетрясения.

Менее сильными, но более продолжительными являются ВУЛКАНИЧЕСКИЕ землетрясения, происходящие в результате извержения вулканов.

И, наконец, ОБВАЛЬНЫЕ землетрясения происходят в результате больших и мощных обвалов и оползней. Из всей массы ежегодно регистрируемых современными приборами землетрясений (порядка 100 тыс.) только 10% ощущаются человеком и лишь 0,1% носят разрушительный характер.

Верхняя часть литосферы – ЗЕМНАЯ КОРА, внешняя твёрдая оболочка (сфера) Земли. Земная кора делится на КОНТИНЕНТАЛЬНУЮ и ОКЕАНИЧЕСКУЮ плиты.

КОНТИНЕНТАЛЬНАЯ плита имеет толщину порядка 30-40 км (а под горами до 70 км). Ниже уровня осадочных пород она распадается на гранитный (верхний) и базальтовый (нижний) слои, имеющие примерно одинаковую толщину.

ОКЕАНИЧЕСКАЯ плита более тонкая. Её толщина составляет около 10 км, а по своему составу она ближе к базальтовому слою континентальной плиты. Она более подвижна и постоянно обновляется. Океаническая плита опускается вниз до самого ядра.

Хотя земная кора подвержена постоянным тектоническим движениям, в её структуре выделяют не только подвижные области – ГЕОСИНКЛИНАЛИ, но и относительно спокойные участки – ПЛАТФОРМЫ.

Большая часть ГИДРОСФЕРЫ (около 63%) сосредоточена в Мировом океане, который помимо пяти (Тихого, Атлантического, Индийского, Северного Ледовитого и Южного) включает в себя все моря, проливы и заливы. Мировой океан покрывает 70,8% поверхности Земли (в Северном полушарии около 61%, а в Южном – около 81%). Средняя глубина океанов -3711 м, а средняя температура их поверхностных вод приблизительно равна 17,5⁰С. В их водах в растворённом виде находится большинство химических элементов, среди которых преобладают хлор (19,35%) и натрий (10,76%). Поэтому велика их солёность, достигающая в среднем 35 г на 1 кг воды.

Доля пресных вод в гидросфере ничтожно мала и составляет всего 0,05%. Эти воды находятся во взаимозависимости с водами Мирового океана, которая реализуется в виде водного баланса и влагооборота Земли. Под ВОДНЫМ БАЛАНСОМ понимается соотношение количества воды, выпадающей на поверхность Земли в виде осадков, и количества воды, испаряющейся с поверхности Мирового океана и суши, а под ВЛАГООБОРОТОМ – непрерывный процесс перемещения воды главным образом между атмосферой и поверхностью Земли. Сюда же включим испарения, перенос водяного пара и его конденсацию в атмосфере, выпадение осадков, их инфильтрацию и сток с суши в водоёмы.

АТМОСФЕРА (от греч. atmos – пар и греч. sphaire) Земли образует, простирающуюся более чем на 2000 км вверх от её поверхности газовую (воздушную) оболочку. Она состоит из газов, влаги и частиц пыли. Вблизи земной поверхности она содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,92% аргона и 0,03% углекислого газа. Доля же остальных газов – водорода, гелия, метана, озона и др. не превышает здесь 0,01%.

Земная атмосфера защищает от метеоритов, радиации, дает воздух для всего живого.

В атмосфере принято выделять ПЯТЬ различных СЛОЁВ: ТОПОСФЕРУ, СТРАТОСФЕРУ, МЕЗОСФЕРУ, ИОНОСФЕРУ и ЭКЗОСФЕРУ.

ТРОПОСФЕРА – это нижний слой атмосферы толщиной до 10 км у высоких широт и до 18 км у экватора.

СТРАТОСФЕРА простирается от 8-10 км над полярными областями и от 16-18 км (до 50-55 км) над экватором. Она отличается от тропосферы возрастанием температуры с высотой (от -80⁰С над высокими широтами -40⁰С над экватором до температур, близких к 0⁰С).

На высоте 20-25 км, в верхних слоях стратосферы, сосредоточена основная масса атмосферного озона - озоновый слой, простирающаяся от 10 до 50 км над поверхностью земли, он поглощает опасную для жизни коротковолновую ультрафиолетовую радиацию Солнца, предохраняя тем самым живые организмы от её вредного влияния.

МЕЗОСФЕРА (от греч.mesos – средний, промежуточный) – слой земной атмосферы, характеризующийся резким падением температуры от 0⁰С у её` нижней границы до -90⁰С у верхней.

ИОНОСФЕРА (термосфера) (от греч. thermos – тёплый, горячий) простирается до высоты 800 км и отличается резким возрастанием температуры с увеличением высоты. На высоте 100 км от поверхности температура =0⁰С, а на высоте 200-300 км она достигает 1500⁰С, а у верхней границы – до 2000⁰С.

Испытывая воздействие ультрафиолетовых лучей, солнечного и космического излучений, атомы газов ионосферы превращаются в катионы и анионы.

-катион

-анион

Происходит ИОНИЗАЦИЯ ГАЗОВ в АТМОСФЕРЕ. Газ, состоящий из ионов или содержащий их в достаточном количестве, чтобы стать электрически заряженным, называется ИОНИЗИРОВАННЫМ. Поэтому эту сферу стали называть ИОНОСФЕРОЙ.

С ионизацией газов атмосферы связано полярное или северное сияние. Проникая в атмосферу из космоса и отклоняясь под действием магнитного поля Земли в сторону высоких широт, заряженные солнечные и космические частицы могут усиливать процесс ионизации атмосферных газов до такой высокой степени, при которой начинается их свечение.

ЭКЗОСФЕРА (от греч. exo – вне, снаружи) - это верхняя часть земной атмосферы, следующая за ионосферой на высоте 800 км и простирающаяся до высоты 2000 км и более. Это наружный, сильно разряжённый слой атмосферы Земли. Здесь преобладают атомы и молекулы лёгких газов, преимущественно водорода, а температура достигает 20000С. В экзосфере атомы водорода могут освободиться от земного притяжения, покидать пределы Земли и вылетать в открытый космос. Поэтому экзосфера получила также название сферы рассеивания.

ГЕОКОРОНА - самая внешняя оболочка атмосферы Земли. Она простирается от нескольких десятков до сотен тысяч км от поверхности нашей планеты, и состоит в основном из атомарного водорода.

Наряду с атмосферой земной шар опоясывают ещё и ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ Земли, а именно: её гравитационное и тесно взаимодействующие между собой магнитное и электрическое поля.

Наша планета, как и любое материальное тело, подчиняется закону всемирного тяготения и поэтому обладает гравитационным полем. Она также представляет собой намагниченный шар, магнитная ось которого наклонена относительно оси его вращения на 11,5 градуса, но, в отличие от оси вращения, не проходит через его центр. Отсюда следует, что магнитные полюсы Земли а) не совпадает с географическими полюсами, б) не находятся в диаметрально противоположных точках земной поверхности. На полюсах Земли значение геомагнитного поля примерно в два раза больше, чем на экваторе. А сила этого поля в Северном полушарии несколько больше, нежели в Южном полушарии.

По сравнению с гравитационным полем, магнитное поле Земли является более слабым и в известном смысле может быть локализовано. Областью его локализации выступает МАГНИТОСФЕРА.

МАГНИТОСФЕРА Земли - это околоземная среда, заполненная разряжённой плазмой (от греч. plasma - вылепленное, оформленное) - физическое вещество, пребывающее в сильно ионизированном состоянии с примерно равной концентрацией отрицательно и положительно заряженных частиц и, поэтому в целом, плазма остаётся электрически нейтральной. Подавляющая часть вещества Вселенной находится в плазменном состоянии.

Магнитосферу условно делят на две части: внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя часть - ГЕОМАГНИТНАЯ ЛОВУШКА, в которой геомагнитное поле удерживает заряженные частицы, курсирующие от одного магнитного поля к другому.

Внешняя часть магнитосферы Земли охватывает силовые линии геомагнитного поля, которые под давлением солнечных заряженных частиц вытягиваются, образуя с ночной стороны Земли сравнительно длинный магнитный хвост (шлейф).

Геологическое время.

Возраст Земли, как было уже отмечено, оценивается в 4,7 млрд лет. Это, однако, не значит, что она столько лет существует в нынешнем виде. Её современный вид и нынешнее состояние – это результат длительной, продолжавшейся миллиарды лет ЭВОЛЮЦИИ. Идея эволюции оказала революционное влияние на развитие геологического знания, стала одной из основополагающих идей современной геологии. Благодаря ней стало возможным говорить о геологическом времени и моделировать геологическое прошлое.

Для определения геологического времени были разработаны различные методы (способы). Среди них основными оказались ТРИ МЕТОДА: ЛИТОЛОГИЧЕСКИЙ, БИОСТРАТИГРАФИЧЕСКИЙ и РАДИОЛОГИЧЕСКИЙ.

ЛИТОЛОГИЧЕСКИЙ метод был предложен ещё в 1669 году датским естествоиспытателем и врачом Нильсом Стено (1638-1686). Метод состоит в том, чтобы а) рассматривать слоистую структуру осадочных пород земной поверхности в качестве своеобразной шкалы геологического времени, б) считать нижележащий слой породы старшим по сравнению с вышележащим.

БИОСТРАТИГРАФИЧЕСКИЙ метод был предложен позднее английским инженером Уильямом Смитом (1769-1839), который выдвинул идею о том, что возрасты осадочных пород могут быть сопоставлены и сравнимы между собой на основе содержащихся в них остатков ископаемых организмов. Подобным образом он составил в 1813-1815 годах первую геологическую карту Англии с разделением горных пород по их возрасту. Идея У.Смита легла в основу установления геологического времени.

Таким образом, литологический и биостратиграфический способы определения геологического времени могут устанавливать не абсолютный, а лишь относительный возраст осадочных пород в сравнительной степени «старше – моложе».

РАДИОЛОГИЧЕСКИЙ метод может дать абсолютный возраст исследуемого объекта. Этот метод был предложен в начале ХХ века французским физико-химиком Пьером Кюри (1859-1906) и английским физиком Эрнестом Резерфордом (1871-1937). Он основывается на радиоактивном распаде, известном как ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА. Согласно данной закономерности каждый радиоактивный элемент (изотоп) имеет строго определённый промежуток времени, по истечению которого его количество, изначально содержащееся в некотором веществе, уменьшается вдвое. Используя данные о периоде полураспада соответствующего радиоактивного элемента (изотопа) и его количестве, наличествующем в данное время в некотором веществе, можно вычислить абсолютный возраст этого вещества.

Для измерения геологического времени обычно пользуются одним из следующих вариантов радиологического метода: рубидий – стронциевым, ураново-свинцовым и калий-аргоновым. Дело в том, что радиоактивные элементы – рубидий и уран, а также радиоактивный изотоп калия имеют очень большие периоды полураспада, сравнимые с возрастом древних геологических пород. Так, например, калий, который содержится в большинстве геологических пород и во многих минералах, самопроизвольно распадается, обращаясь в аргон с периодом полураспада 1,28 млрд. лет.

Радиоактивный изотоп углерода (С₁₄) имеет период полураспада 5730 лет. За этот период С14 исчезает. Однако в живом организме его концентрация все время пополняется, так как живое органическое вещество усваивает углерод-14, образовавшийся в результате космического излучения. Понятно, что в момент смерти организма это усвоение радиоактивного углерода прекращается и содержание углерода-14, оставшись без пополнения, будет убывать в организме со скоростью, о которой только что шла речь.

Исходя из этого, стали применять РАДИОУГЛЕРОДНЫЙ МЕТОД как самый удобный и точный способ датировки ископаемых органических останков и археологических артефактов.

Концепции геологической истории.

Идея эволюционизма пробивала себе путь в геологию вместе с формированием различных, сменяющих друг друга геологических концепций: НЕПТУНИЗМ, ПЛУТОНИЗМ, КАТАСТРОФИЗМ (теория катастроф), УНИФОРМИЗМ, ЭВОЛЮЦИОНИЗМ, МОБИЛИЗМ и ГЛОБАЛЬНЫЙ ЭВОЛЮЦИОНИЗМ.

НЕПТУНИЗМ (от лат. Neptunus - в римской мифологии первоначально бог источников и рек, а затем стали отождествлять его с древнегреческим Посейдоном и почитать как бога морей) представляет собой популярную в концеХУ111 – началеХ1Х столетий геологическую концепцию, основанную на сформулированных немецким геологом и минерологом Абраамом Готлобом Вернером (1750-1817), считавшую происхождении всех горных пород из вод, некогда покрывавших всю Землю, из вод Мирового океана и из вод «всемирного потопа». Концепция нептунизма к началу второй четверти Х1Х столетия потеряла свою привлекательность и значимость и сошла на нет.

ПЛУТОНИЗМ (от греч. Pluton - бог подземного мира и царства мёртвых в древнегреческой мифологии), напротив, признавал изменчивость земной коры под воздействием внешних факторов (воды, организмов и т.д.) и внутренних сил (вулканов, землетрясений, тектонических движений) при ведущей роли этих последних. Наиболее полно данная концепция была представлена в работе шотландского геолога Джеймса Геттона (1726-1797) «Теория Земли».

КАТАСТРОФИЗМ. Французского зоолога и теолога Жоржа Кювье (1769-1832) не удовлетворяли ни нептунизм, ни плутонизм, поскольку они не могли объяснить смену фаун и флор, наблюдаемых в геологических слоях. Для объяснения данного феномена Кювье в 1812 году разрабатывает свою «теорию катастроф». Согласно этой концепции в истории Земли периодически повторяются внезапные грандиозные катаклизмы (катастрофы). Он изменяют первичное горизонтальное залегание геологических пластов, форму рельефа Земли, уничтожают все живые организмы. К концу Х1Х столетия данное представление об истории Земли утратило своё значение.

УНИФОРМИЗМ в противоположность катастрофизму, (от лат. uniformis – единообразный) вводит принцип однообразности истории Земли, унифицируя, таким образом, геологические эпохи. С этих позиций прошлое Земли предстаёт в точности таким же, как и её настоящее. При дальнейшем развитии геологии униформизм был отвергнут и заменён принципом актуализма.

АКТУАЛИЗМ (от лат. actualis – фактически существующий, действительный, настоящий) как научный принцип в геологии был предложен в первой половине Х1Х века английским геологом Чарльзом Лайелем (1797-1875), который в противовес катастрофизму выдвинул идею о медленном (постепенном) и непрерывном изменении поверхности Земли под действием постоянных геологических сил. Согласно актуалистическому сравнительно-историческому методу, изучая современные геологические процессы, можно судить об аналогичных процессах далёкого прошлого.

К началу ХХ столетия позиции эволюционизма завоёвывают передовые рубежи в геологии, вытесняя оттуда нептунизм, плутонизм, катастрофизм и униформизм.

Позиции эволюционизма ещё более укрепляются за счёт гипотезы мобилизма, выдвинутой немецким физиком Альфредом Вегенером (1880-1930). Он предложил и пропагандировал гипотезу дрейфа континентов. Так Вегенер связал вместе совпадения очертаний береговых линий материков, продолжение геологических пород возрастом более 180 млн. лет за пределы континентов, совпадение направлений намагниченности предполагаемых разломов, сведения о распространении геологических видов и климатических зон. Ученый доказал, что жизнь суперконтинента длится около 100 млн. лет. Океаны, образующиеся при расколе суперконтинента, не могут существовать более 400 млн. лет. Таким образом, каждые 500 млн. лет все континенты собираются в единый массив суши.

МОБИЛИЗМ (от лат. mobilis – подвижный) – это геологическая концепция, предполагающая большие (до нескольких тысяч км) горизонтальные перемещения крупных литосферных плит. По мере накопления научных данных, мобилизм трансформируется в т.н. НОВУЮ ГЛОБАЛЬНУЮ ТЕКТОНИКУ, которая, по существу, представляет собой современный вариант гипотезы мобилизма, т.е. неомобилизм.

Неомобилизм показал несостоятельность ФИКСИЗМА – геологической гипотезы, признающей незыблемость (фиксированность) положений континентов на земной поверхности. Он ещё в большей степени укрепляет позиции геологического эволюционизма, фактически трансформируя его в концепцию глобальной эволюции Земли, согласно которой в едином процессе эволюции находятся все оболочки нашей планеты, все геосферы. Данная концепция ведёт к важным структурным изменениям в геологии, которая начинает теснее взаимодействовать с физикой, химией, биологией и некоторыми другими естественными науками. Можно сказать, что в последние десятилетия ХХ столетия геология вступила в качественно новую фазу своего развития. Современная геология уже не может решать многие вопросы, связанные с процессами, происходящими в земном ядре, магнитосфере Земли, других геосферах без привлечения и использования данных квантовой механики, квантовой электродинамики, теории элементарных частиц, неклассической химии и других отраслей современной (неклассической) науки. Это значит, что сама геология становится неклассической наукой.

ГЛОБАЛЬНЫЙ ЭВОЛЮЦИОНИЗМ - система принципов, ставших основной доминантой синтеза знаний в современной науке. Это та стержневая идея, которая пронизывает все существу­ющие специальные научные картины мира и является основой построения целостной общенаучной картины мира, центральное место в которой начинает занимать человек. … В этом случае общенаучная картина мира как глобальная исследователь­ская программа в состоянии «подсказать», какие мето­ды и принципы могут быть транслированы из одной на­уки в другую, как осуществить состыковку знаний, по­лученных в различных отраслях науки, как включить это знание в культуру на соответствующем этапе функ­ционирования научного знания. Задавая стратегию исследования саморазвивающихся объектов в рамках конкретных научных дисциплин и обеспечивая стратегию междисциплинарных исследова­ний, удельный вес которых возрастает в современной науке, общенаучная картина мира берет на себя многие функции, которые ранее выполняли специальные науч­ные картины мира. Последние же утрачивают свою прежнюю автономию, трансформируются под влиянием системно-эволюционных идей и включаются в качестве фрагмента в общенаучную картину мира, не претендуя уже на особый самостоятельный статус.

Лекция № 18. Биологические концепции.

Понятие жизни. Концепции происхождения жизни на Земле.

Биология – это совокупность наук о живой природе, изучающих строение, функции, происхождение и распространение живых организмов (как вымерших, так и ныне существующих на Земле), выявляющих взаимосвязи этих организмов друг с другом и с окружающей их природой и раскрывающих частные и общие закономерности их существования и развития (обмен веществ, наследственность, изменчивость, приспособляемость, раздражимость, размножение, рост и т.д.).

Креационизм (от лат. Creation – создание, творение). Согласно креационизму жизнь рассматривается как божественное творение. Бог как высший создатель творит весь мир, в том числе и всех живых существ, включая человека. Следовательно, жизнь имеет не естественное, а сверхъестественное, божественное происхождение. Христианские теологи утверждают, что в результате зачатия появляется только тело, а душа создается Богом из ничего и им же соединяется с телом.

В 1650 году архиепископ Ашер из г.Арма (Ирландия) вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 года до н.э. и закончил свой труд 23 октября в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, от Адама до Христа. С точки зрения математики, это логично, однако при этом получается, что Адам жил в то время, когда как показывают археологические раскопки, на Ближнем Востоке существовала хорошо развитая городская цивилизация.

Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и потому недоступный для наблюдения. Этого достаточно для того, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного исследования. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, а потому она никогда не будет в состоянии ни доказать, ни опровергнуть эту концепцию.

Витализм (от лат. Vita – жизнь, жизненный). Витализм представляет собой идеалистическое биологическое учение, в соответствии с которым жизнь и все ее проявления объясняются нематериальным, сверхъестественным, иррациональным и неизменным началом – жизненной силой, обозначаемой через такие понятия как «энтелехия», «душа», «жизненный импульс» и др. Элементы витализма можно найти еще в представлениях Платона и Аристотеля. В эпоху Возрождения врач Теофраст Парацельс (1493-1541) формирует общее положение, которое впоследствии легло в основу витализма как биологического течения. Согласно данному положению все существа рассматриваются как продукт соединения видимого земного (материального) тела и ненаблюдаемого небесного жизненного духа, названного Парацельсом «археем» (от греч. Arhaios – зачинщик). Дальше развивает идею Парацельса врач Иоганн Баптиста Ван Гельмонт (1577-1644). Он разрабатывает виталистическую концепцию природы, в основу которой в качестве исходного принципа кладет архей как жизнеформирующую силу.

Многие ученые и мыслители прошлого не могли удовлетвориться ни креационизмом, ни витализмом, поскольку полагали, что жизнь по своей сущности и происхождению представляет собой естественное, а не сверхъестественное явление.

Самопроизвольное (спонтанное) зарождение жизни. Эта концепция идет еще от Аристотеля. Согласно этой концепции живое в своих простейших формах самопроизвольно появляется (само собой зарождается) в такой материальной среде, как гниющая субстанция (гниющая земля, разлагающиеся продукты – мясо, овощи, фрукты и т.д.). Аристотель полагал, что определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине, гниющем мясе и т.п.

Ван Гельмонт (1577-1644) описал эксперимент, в котором он якобы за три недели создал мышей. Для этого он использовал грязную рубашку, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мышей ванн Гельмонт считал человеческий пот.

В защиту идеи самозарождения жизни выступали Парацельс, Гарвей, Коперник, Галилей, Декарт и др.

В 1668 году флорентийский врач Франческо Реди (1626-1697)провел следующий эксперимент, который заставил его отречься от концепции самозарождения жизни и сформулировать принцип, согласно которому живое может возникать только из живого. «Убежденность была бы тщетной, если бы ее нельзя было подтвердить экспериментом. Поэтому в середине июля я взял четыре больших сосуда с широким горлом, поместил в один из них змею, в другой – немного рыбы, в третий – угрей из Арно, в четвертый – кусок молочной телятины, плотно закрыл их и запечатал. Затем я поместил тоже самое в четыре других сосуда, оставив их открытыми… Вскоре мясо и рыба в незапечатанных сосудах зачервили; можно было видеть как мухи свободно залетают в сосуды и вылетают из них. Но в запечатанных сосудах я не видел ни одного червяка, хотя прошло много дней, после того как в них была положена дохлая рыба» (Реди).

Принцип Реди впоследствии лег в основу биогенеза, согласно которому между живой и неживой природой существует непроходимая грань и поэтому живое может происходить только от живого. Следовательно, концепция биогенеза фактически постулировала идею вечности жизни.

В конце 17 века появились первые микроскопические исследования Антона ванн Левенгука (1632-1723). Его микроскопические исследования подтверждали принцип Реди.

В 1765 году Ладзаро Спалланцани (1729-1799) провел следующий опыт. Он подверг мясные и овощные отвары кипячению в течение нескольких часов и сразу же их запечатал, после чего снял с огня. Исследовав жидкости через несколько дней, он не обнаружил в них никаких признаков жизни. Их этого факта Спалланцани сделал вывод, что высокая температура уничтожила все формы живых существ и что без них ничто живое уже не могло возникнуть.

В 1860 году французский ученый-микробиолог Луи Пастер (1822-1895) экспериментально доказал несостоятельность концепции спонтанного самозарождения жизни. Он поставил серию опытов, в которых убедительно показал, что в достаточно надежно изолированном от внешней среды стерильно чистом растворе жизнь не возникает и возникать не может. Следовательно, в питательной среде живые организмы могут появляться только из их яиц, личинок или каких-нибудь иных зародышей, заранее попавших туда каким-то образом. Данный факт был использован для трансформации принципа Реди в принцип Реди-Пастера.

Однако, опыты Пастера не преследовали цели отвечать на вопрос об источнике жизни вообще и о том, существует ли на самом деле пропасть между живой и неживой материей.

В 1865 году немецкий ученый Г.Рихтер выдвигает концепцию «панспермии», где он возрождает идею о вечности жизни и ее повсеместной распространенности во Вселенной. Согласно панспермии (от греч. Pan – все, всякий и греч. Sperma –семя) жизнь не зарождалась на Земле, а была занесена на нашу планету из космоса.

Представители этой гипотезы полагают, что зародыши простейших организмов могли попасть на Землю вместе с метеоритами и другими космическими объектами, или же их споры под действием давления света могли достичь Земли и таким образом положить начало биологической эволюции, в результате которой появляется наблюдаемое сегодня многообразие живой природы. Теория панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных частях вселенной. При изучении материала метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» - такие вещества как цианогены, синильная кислота и ряд органических соединений и объектов, напоминающих примитивные формы жизни.

В защиту концепции панспермии выступили такие крупные ученые как немецкий физик Герман Гельмгольц (1821-1894), шведский физик и химик Сванте Аррениус (1859-1927) и др. Однако, после открытия космических излучений и установления губительного для живых организмов действия радиации подавляющее большинство ученых стали скептически смотреть на гипотезу панспермии, и она утратила свое значение. Теорию панспермии нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.

Теориястационарного состояния (или теория этернизма) созданная в 1880 году немецким ученым В.Прейером (1841-1897), исходит из идеи вечности жизни. Согласно данной концепции Земля и жизнь на нашей планете никогда не зарождались, а существовали всегда. При этом утверждается, что ни сама Земля, ни жизнь на ней не претерпевали никаких изменений, а всегда существовали в том неизменном виде, в котором мы их наблюдаем сегодня. Виды также никогда не возникали, они существовали всегда. У каждого вида есть лишь две возможности – либо изменение численности, либо вымирание. Наличие или отсутствие определенных ископаемых останков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида. В качестве примера можно взять кистеперую рыбу – латимерию. По палеонтологическим данным, кистеперые рыбы вымерли 70 млн. лет назад. Однако относительно недавно в районе Мадагаскара были обнаружены живые представители кистеперых.

Внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте сторонники этой теории объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в благоприятные для обитания места. Большая часть доводов этой теории связана со значением разрывов в палеонтологической летописи.

Однако гипотеза стационарного состояния в корне противоречит данным современной астрономии, которые указывают на конечное время существования любых звёзд и, соответственно, планетных систем вокруг звёзд. По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца и Солнечной системы исчисляется ~4,6 млрд. лет. Поэтому эта гипотеза обычно не рассматривается академической наукой.

Среди критиков идеи вечности жизни был Ф.Энгельс (1820-1895), полагавший, что предположение о вечности белка и вечности первичных форм жизни недопустимо, так как оно противоречит принципу развития. Энгельс определял жизнькак способ существования белковых тел. Он высказывал мысль о происхождении жизни из неорганической природы путем естественного химического синтеза. Энгельс считал, что положившие начало биологической эволюции, простейшие белковые тела при благоприятных условиях синтезируются из неорганических веществ.

Теория биохимической эволюции А.И.Опарина.

Идея возникновения жизни на Земле путем химического синтеза из неорганической природы легла в основу выдвинутой в 1922 году советским биохимиком А.И.Опариным (1894-1980) гипотезы. В данной гипотезе предполагается, что под воздействием электрических разрядов, ультрафиолетовых лучей, тепловой энергии и прочих естественных факторов в первичной атмосфере и гидросфере нашей планеты из неорганических веществ были синтезированы простейшие органические соединения, которые положили начало эволюции углеводородов. Эта эволюция привела к появлению сложных высокомолекулярных органических соединений (аминокислот, нуклеотидов и их полимеров), которые в свою очередь способствовали образованию в «первичном бульоне» земной гидросферы (мировом океане) «коацерватных капель». Коацерватные капли (от лат.coacervatus – накопленный) представляют собой высокомолекулярные органические соединения, которые имеют сложные внутренние структуры, позволяющие им определенным образом реагировать на изменения внешней среды. Эти капли представляют тот рубеж, где химическая эволюция вплотную подводит к эволюции биологической, начинает в нее перерастать.

Что же касается самой биологической эволюции, то она начинается с простейших анаэробных форм жизни и лишь впоследствии, по мере насыщения первичной земной атмосферы свободным кислородом, она приводит к возникновению аэробов.

Анаэробы – простейшая биологическая форма, существующая без свободного кислорода (воздуха).

Аэробы – это организмы, которые могут существовать только при наличии свободного молекулярного кислорода.

Жизнь, согласно Опарину, материальна по своей природе; это особая, качественно отличная от неорганического мира форма движения материи. При этом ее возникновение «не является какой-то счастливой случайностью, а представляет собой вполне закономерное событие, неотъемлемую составную часть общей эволюции Вселенной».

В 1953 году американский ученый Стэнли Миллер (1930-2007) провел ряд опытов и показал, что при помощи электрических разрядов, пропущенных чрез газовую смесь водорода, аммиака и метана можно из данной смеси получить сложные органические соединения, такие как сахара (рибоза), жирные кислоты или аминокислоты (аденин). Позднее в лабораторных условиях были искусственно синтезированы высокомолекулярные органические вещества из исходных низкомолекулярных соединений.

Теория Опарина завоевала широкое признание, но она оставляет нерешенными проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам (коацервантным каплям). Предполагалось, что коацерванты способны к самовоспроизведению и перестройке. Самое трудное для этой теории – объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению.

Итак, жизнь возникла тогда, когда начал действовать механизм репликации (т.е. механизм копирования генетического материала). Любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других сложных органических соединений – это еще не живой организм.

Предположим, что при каких-то исключительно благоприятных обстоятельствах где-то на Земле возникла «пра-ДНК», которая и послужила началом всему живому на Земле. Но даже современная ДНК сама по себе является совершенно беспомощной. Она может функционировать только при наличии белков-ферментов, которых должно быть более 100 и которые тоже должны были как-то случайно возникнуть. Верить во все это – значит верить в чудо.

Один из основоположников современной молекулярной биологии проф. Крик на Бюраканском симпозиуме в сентябре 1971 г. Сказал «Мы не видим пути от первичного бульона до естественного отбора. Можно прийти к выводу, что происхождение жизни – чудо, но это свидетельствует только о нашем незнании».

К важнейшим существенным признакам живого необходимо отнести следующее:

1. Обмен веществ, энергии и информации.

2. Раздражимость. Живой организм соответствующим образом реагирует на любые воздействия окружающей среды, видоизменяя при этом свое состояние или свою деятельность. Реакция организма отличается активностью, избирательностью и целенаправленностью.

3. Гомеостазис. Живой организм характеризуется динамическим постоянством состава и свойств своей внутренней среды (постоянство температуры тела, кровяного давления, содержания глюкозы в крови и др.), которого он достигает при помощи сложных приспособительных реакций.

4. Способность к размножению (репродуктивность). Живому организму имманентна присуща способность к воспроизведению себе подобных. Именно она обеспечивает непрерывность и преемственность жизни. Основные способы репродуктивности живого: бесполый и половой.

5. Рост. Живой организм способен к постоянному самообновлению и росту.

6. Изменчивость и развитие. Количественные изменения отдельной особи как правило ведут к ее различным качественным изменениям, в результате которых появляются новые биологические формы (виды, подвиды и т.д.).

7. Движение в пространстве. Живой организм меняет свое местонахождение в пространстве для того, чтобы обеспечить себе необходимые для своей жизнедеятельности условия.

8. Приспособляемость. Живой организм вынужден перестраивать свое строение, свои функции, чтобы они лучше соответствовали условиям окружающей среды.

9. Наследственность. Живой организм повторяет в ряду поколений характерные для его предков признаки. Эти признаки передаются ему через материальные единицы наследственности – гены, которые локализованы в специфических структурах ядра клетки – хромосомах.

10. Основной биогенетический закон. В своем индивидуальном развитии, т.е. в онтогенезе живой организм в сжатой форме и общих чертах повторяет основные этапы исторического развития мира организмов (органического мира) – филогенеза.

Онтогенез обозначает индивидуальное развитие организма, то есть всю совокупность претерпеваемых им изменений и преобразований от момента зарождения до смерти.

Филогенез выражает историческое развитие мира организмов, их видов, родов, семейств, отрядов, классов, типов, царств и надцарств.

Данная закономерность была сформулирована в 1866 году немецким биологом-эволюционистом – Эрнстом Геккелем.

11. Естественный отбор и борьба за существование. Живой организм должен в жестокой конкуренции доказать свою биологическую состоятельность и жизнеспособность. В противном случае его ждет неминуемая гибель.

Все перечисленные выше признаки в своей совокупности представляют сущность жизни как уникального явления на нашей планете. Поэтому можно определить жизнь как способ существования белковых тел и аминокислот, который характеризуется всеми вышеуказанными признаками.

Лекция № 19. Становление и развитие генетики.

Как уже говорилось, дарвинизм рассматривал наследственность как второстепенный вспомогательный, эволюционный фактор, хотя исследования австрийского аббата и естествоиспытателя Георга Иоганна Менделя (1822-1884) были проведены при жизни Дарвина. Исследования Менделя оставались незамеченными всем научным сообществом того времени.

Идеи Менделя положили начало науке генетике. Результаты исследований Менделя были обобщены в виде трех законов наследственности в работе «Опыты над растительными гибридами» (1866). Обобщая результаты опытов по скрещиванию гороха, Мендель установил три следующих закона распределения в потомстве признаков, наследуемых у родителей:

а) закон единообразия гибридов первого поколения (F₁);

б) закон расщепления гибридов второго поколения (F₂) и

в) закон независимого комбинирования (расщепления).

Согласно первому закону, из двух альтернативных родительских признаков при скрещивании в гибридах первого поколения проявляется только один из них. Так, при скрещивании гороха с желтыми семенами и гороха с зелеными семенами все гибриды первого поколения оказываются с желтыми семенами. Родительский признаки, преобладающий у гибридов–потомков, Мендель назвал доминантным (от лат. dominas - господствующий), а противоположный ему, не проявляющийся в потомстве признак – рецессивным (от лат. recessus – отступление).

Производя скрещивание гибридов первого поколения, Мендель обнаружил, что среди их потомков появляется особь с ранее не проявившимся (рецессивным) признаком. Это означало, что в гибридах первого поколения рецессивный признак не исчезает совсем, а просто переходит в скрытую фазу своего существования и при первой же возможности может проявиться вновь. Данный факт привел Менделя к выводу о существовании в половых клетках организма постоянных дискретных единиц наследственности. Эти постоянные дискретные единицы наследственности в 1909 году были названы датским биологом Вильгельмом Иогансеном (1857-1927) генами (от греч. – genos – происхождение). В 1903 году Иогансен вводит понятие генотип (от греч. – genos и греч. typos – отпечаток, форма, образец) для обозначения всех генов организма и свойств (признаков) последнего.

Мендель показал, что в гаметах (половых клетках) присутствует только один наследственный фактор, тогда как в клетках гибридных растениях таких факторов два. Позднее в 1926 году Иогансен предложил обозначать каждый из таких факторов термином аллель (от греч. allelon – взаимно).

Под аллелем стали понимать один из пары (или нескольких) генов, определяющих варианты развития одного и того же признака.

Иначе говоря, под аллелем понимают различные формы (модификации) одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках гомологичных (парных) хромосом.

В нормальной диплоидной клетке (клетке с двумя гомологичными наборами хромосом; диплоидными являются все клетки, кроме половых) может присутствовать не более двух аллелей одновременно. Если в зиготе (оплодотворенной клетке) соединяются два одинаковых аллеля, то оплодотворенная яйцеклетка называется гомозиготой. При объединении в зиготе двух различных аллелей она будет гетерозиготной. Термины «гомозигота» и «гетерозигота» введены в 1902 году английским биологом Уильямом Бетсоном (1861- 1926), который, кстати, ввел и сам термин «генетика».

Мендель ввел буквенные обозначения альтернативных наследственных факторов. Фактор, ответственный за доминантный признак через прописную латинскую букву (например, «А»), а фактор, отвечающий за рецессивный признак – через строчную букву (например, «а»). Далее были введены обозначения: «Р» - родители, «F» - потомки, «Х» - скрещивание и др.

Второй закон Менделя констатирует расщепление как закономерность распределения среди гибридов F₂ (особей второго поколения) особей с доминантными и рецессивными признаками. Подвергая особи F₁ скрещиванию, Мендель установил, что среди их потомков (гибридов F₂) появляются особи с обоими альтернативными признаками. Мендель выводит закон расщепления, согласно которому при скрещивании двух гетерозиготных (гибридных) особей, различающихся между собой одной парой альтернативных признаков, в их потомстве происходит расщепление в отношении 3:1 по фенотипу и 1:2:1 по генотипу.

Данную закономерность можно продемонстрировать следующим образом. Среди гибридов F₂ мы имеем по фенотипу 3 особи с доминантным (желтым) признаком (АА, Аа, Аа) и 1 особь с рецессивным (зеленым) признаком (аа), а по генотипу – 1 особь с парой одинаковых генов, определяющих доминантный признак (АА), 2 особи с парой альтернативных генов (Аа) и 1 особь с парой одинаковых генов, определяющих рецессивный признак (аа).

В последующих гибридных поколениях доля гибридных форм от поколения к поколению уменьшается, а доля особей с нерасщепляющимися признаками, наоборот, возрастает.

Третий закон Менделя сформулирован на основе опытов по скрещиванию дигибридных (отличающихся двумя различными признаками) особей. Все особи F₁ являются единообразными, а в дигибридах F₂ происходит расщепление в определенном соотношении и случайная перекомбинация признаков исходных форм. Так, например, при скрещивании сорта гороха с желтыми и гладкими семенами (АА ВВ) и другого сорта гороха, имеющего зеленые морщинистые семена (аа вв) в F₁ и F₂ получается следующее потомство. Потомство F₁ является единообразным как по фенотипу (все особи обладают желтой окраской и круглой гладкой формой), так и по генотипу (каждая особь содержит весь набор родительских генов). Потомство F₂ разнообразно и его особи распределяются следующим образом: происходит расщепление по генотипу в отношении 1:2:2:4:1:2:1:2:1, а по фенотипу в отношении 9:3:3:1.

Мендель формулирует третье правило передачи признаков по наследству, согласно которому различные родительские гены наследуются потомством независимо друг от друга.

Из трех правил Менделя вытекает общая закономерность, согласно которой при увеличении числа признаков (пар генов) родителей на n, число их гамет увеличивается на 2ⁿ, количество комбинаций между признаками увеличивается на 4ⁿ, число генотипов увеличивается на 3ⁿ и число фенотипов – на 2ⁿ.

Три закона Менделя в дальнейшем получают существенное дополнение в виде закона Харди-Вайенберга. Согласно закону Харди-Вайенберга (1908 год), популяция при свободном случайном скрещивании не меняет свою генетическую структуру, а стало быть, пребывает в состоянии генетического равновесия вследствие постоянства частоты появления генотипов. Этот закон справедлив только для не встречающейся в природе идеальной, не подвергающейся воздействию отбора, мутации и др. факторов популяции.

Что же касается реально существующих в природе популяций, то они подвержены влиянию эволюционной изменчивости. Под изменчивостью понимается способность организмов изменяться под влиянием как наследственных, так и ненаследственных факторов. Различают наследственную изменчивость и ненаследственную изменчивость – модификационную.

Модификационная изменчивость суть изменения, происходящие под воздействием внешних условий и не влияющие на характер генотипа. Она носит обратимый характер и выполняет адаптивную функцию.

Изменчивость, вызываемая наследственными факторами имеет ряд форм: онтологическая изменчивость, комбинативная изменчивость, коррелятивная изменчивость и мутационная изменчивость.

Онтологическая изменчивость – последовательные изменения признаков особи в процессе ее индивидуального развития, в ходе которого реализуется полученная ею от родителей наследственная информация.

Комбинативная изменчивость – изменения, возникающие в результате перекомбинации признаков родительских форм (третий закон Менделя – закон независимого комбинирования).

Коррелятивная изменчивость – это относительные изменения признаков, при которых один из них меняется вместе с преобразованием других. Например, при возрастании живой массы коров возрастает удой, а при возрастании удоя уменьшается жиромолочность.

Мутационная изменчивость – это внезапные изменения отдельных признаков или их комплексов, имеющие своим источником воздействие мутогенных факторов на наследственный аппарат клетки.

Мутации бывают спонтанными, вызванными естественными факторами без вмешательства человека в процесс мутагенеза, и индуцированными, т.е. искусственно инициированными человеком.

Мутации классифицируют по фенотипу и по генотипу.

По фенотипу мутации разделяют на гипоморфные, аморфные, антиморфные и неоморфные.

Гипоморфные мутации. Это состояние, при котором проявление признака, контролируемого патологическим геном, ослаблено по сравнению с признаком, контролируемым нормальным геном. К таким мутациям относятся, например, многочисленные мутации синтеза пигментов.

Аморфные мутации. Это состояние, при котором признак, контролируемый патологическим геном, не проявляется, так как патологический ген не активен по сравнению с нормальным геном. К таким мутациям относится ген альбинизма.

Антиморфные мутации. В этом случае значение признака, контролируемого патологическим геном, противоположно значению признака, контролируемого нормальным геном. К таким мутац