2. Учебно-методическое пособие Лекционный курс биология как наука. Методы научного познания
Биология (от греч. биос – жизнь, логос – наука) – наука о жизни. Современная биология располагает огромным фактическим материалом, овладение которым является необходимым условием научного познания мира. Достижения биологических наук широко применяют в медицине и сельском хозяйстве. Многие биологические принципы и положения используют в технике; они являются основой ряда производств пищевой, легкой, микробиологической и других отраслей промышленности. Только на основе биологических исследований возможно решение глобальных, проблем современного человечества – повышения продуктивности сельского хозяйства, рационального использования и возобновления биологических ресурсов, охраны природы и окружающей среды. Биологические науки лежат в основе возможности сохранения биосферы Земли с оптимальных условий для жизни людей на планете.
Познание жизни на различных уровнях ее организации, изучение различных свойств организмов и объектов живого, а также разнообразие используемых методов позволяют выделить большое количество биологических дисциплин: молекулярную биологию, цитологию, гистологию, томию, физиологию, зоологию, ботанику, эмбриологию, генетику, эволюционное учение, экологию, биохимию, биофизику и др.
Глава 1. Жизнь. Ее возникновение на земле. Свойства и уровни организации
1.1. Происхождение жизни на Земле
В глубокой древности и в наши дни людей волнует вопрос происхождения жизни. На протяжении тысячелетий они верили в возможность самопроизвольного зарождения жизни, считая его обычным способом появления живых существ из неживой материи. По мнению многих ученых средневековья, рыбы могли зарождаться из ила, черви – из почвы, мыши – из тряпок, мухи – из гнилого мяса. В XVII в. итальянский ученый Ф. Реди экспериментально показал невозможность самозарождения живого. В нескольких стеклянных сосудах он поместил кусочки мяса. Часть из них он оставил открытыми, а часть прикрыл кисеей. Личинки мух появились только в открытых сосудах, в закрытых их не было.
Окончательно версия о постоянном самозарождении живых организмов была опровергнута в середине XIX в. Л. Пастером. Он поместил простерилизованный бульон в колбу с длинным узким горлышком S-образной формы. Проходили месяцы, а содержимое колбы оставалось стерильным.
Эти и другие сходные опыты убедительно показывали, что в современную эпоху живые организмы любого размера происходят от других живых организмов. Таким образом, возникал вопрос о происхождении первых живых организмов.
Согласно теории креационизма, земная жизнь была создана в прошлом сверхъестественным существом. Представления о Божественном сотворении мира придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений.
Не исключено, конечно, что жизнь возникла вовсе не на Земле, а занесена с других планет. Согласно гипотезе вечности жизни, завоевавшей популярность в XIX в., жизнь могла распространяться от одной галактики к другой в виде спор микроорганизмов, растений.
Отрицание факта самозарождения жизни в настоящее время не противоречит представлениям о принципиальной возможности развития жизни в прошлом из неорганической материи. На определенной стадии развития неорганической природы жизнь может возникнуть как результат естественных процессов.
В 20-е годы XX в. русский ученый А.И.Опарин и англичанин Дж. Холден высказали предположение о самопроизвольном зарождении жизни из неорганической материи.
Ученые считают, что Солнце и планеты Солнечной системы образовались примерно 4,5 млрд. лет назад из диффузного газопылевого облака, конденсировавшегося под действием сил гравитации. Первичная атмосфера Земли состояла, вероятно, главным образом из водяных паров, Н2 и СО2 с небольшой примесью других газов (NH3, СН4, СО, Н2S) при почти полном отсутствии О2 (практически весь кислород, содержащийся в атмосфере в настоящее время, является продуктом фотосинтеза). Предполагают, что эта восстановленная атмосфера Земли стала местом абиогенного синтеза простейших органических соединений (мономеров), предшественников биологических макромолекул живого вещества и ряда других органических соединений.
Образование мономеров из газов, присутствующих в первичной атмосфере Земли, можно воспроизвести и изучить в лабораторных условиях (рис. 1). Возможными источниками энергии для образования органических веществ без участия живых организмов, видимо, являлись электрические разряды, ультрафиолетовое излучение, радиоактивные частицы, космические лучи, теплота от интенсивной вулканической деятельности. В отсутствие кислорода, который мог бы их разрушить, а также живых организмов, которые использовали бы их в качестве пищи, абиогенно образовавшиеся органические вещества накапливались в Мировом океане, возникшем по мере охлаждения поверхности Земли вследствие конденсации водяных паров и выпадения осадков.
Рис. 1. Опыт, имитирующий условия первичной атмосферы: через пары воды и смесь газов (NH3, CH4, H2) пропускают электрический разряд; органические вещества накапливаются в ловушке.
Следующим шагом было образование более крупных полимеров из малых органических мономеров, опять же без участия живых организмов. Американский ученый С. Фокс в результате нагревания смеси сухих аминокислот получил полипептиды различной длины. Они были названы протеиноидами, т.е. белковообразными веществами. Так же были получены полинуклеотиды при нагревании смеси нуклеотидов в присутствии фосфатов. Видимо, на первобытной Земле образование таких протеиноидов и полинуклеотидов со случайной последовательностью аминокислот или нуклеотидов могло происходить при испарении воды в водоемах, остававшихся после отлива. Если полимер образовался, он способен влиять на образование других полимеров. Некоторые протеиноиды способны, подобно ферментам, катализировать определенные химические реакции: именно эта способность, наверное, была главной чертой, определившей их последующую эволюцию.
Полинуклеотиды, способствующие синтезу определенных полипептидов, должны были получить большее преимущество в эволюционном процессе. Возникновение белкового синтеза, контролируемого нуклеиновыми кислотами, несомненно явилось наиболее важным этапом возникновения жизни на Земле.
Эволюционное развитие столь сложного механизма еще недостаточно выяснено. Между нуклеиновыми кислотами и белками постепенно сформировалась своеобразная специализация. Белки стали обеспечивать синтез новых нуклеиновых кислот, новых белков и других веществ, перераспределять энергию, необходимую для протекания биосинтетических реакций и пр., т.е. осуществлять фенотипическое выражение генетической информации, а нуклеиновые кислоты обеспечивали этот процесс необходимой информацией.
В дальнейшем роль первичного носителя генетической информации перешла к ДНК. Двухцепочечное строение ДНК обеспечивает большую стабильность хранимой генетической информации, а также и функционирование механизма репарации. За РНК закрепилась роль «посредника»: она переносит информацию от ДНК к белку. Все ныне существующие живые организмы (вирусы, прокариоты и эукариоты) характеризуются именно таким направлением потока информации.
Взаимодействие различных по особенностям агрегатов молекул со средой, различающейся содержанием в ней свободных молекул, могло создать необходимые условия для естественного отбора. Под его действием системы, оказавшиеся более удачными по своим свойствам, а также способные к более точному размножению, стали преобладать над другими. Наряду с возникновением контролируемого нуклеиновыми кислотами белкового синтеза образование наружной мембраны следует считать другим важным событием в эволюции жизни. Полагают, что формирование первых клеток произошло тогда, когда молекулы липидов в водной среде случайно образовали мембранные структуры, заключавшие в себе смесь самовоспроизводящихся молекул: нуклеиновых кислот и белков.