«Концепции современного естествознания»

2014/2015 Учебный год

Лекция 14

Фундаментальные свойства живой материи

14.1 Биология как естественная наука

Жизнь на Земле как природное явление изу­чается комплексом естественнонаучных дис­циплин, объединенных названием биология. Предметом биологии является огромное мно­гообразие вымерших и ныне населяющих Зем­лю живых существ, их строение и функции, происхождение, распространение и развитие, связи друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает общие и частные за­кономерности, присущие живой материи во всех ее проявлениях и свойствах. Человек, его анатомическое строение, физиология, поведе­ние, конечно, тоже изучаются биологически­ми науками. Однако специфические вопросы, связанные с отражением внешнего мира в соз­нании человека, с человеческой субъективно­стью, относятся к гуманитарным наукам.

Выделяют три этапа развития биологии.

1 этап – натуралистический или этап систематики. Еще Аристотель (384-322 до н.э.) предпринял первую попытку классификации растений и животных. Основоположником научной классификации живых организмов стал шведский естествоиспытатель и врач Карл Линней (1707-1778), создатель единой системы растительного и животного мира, обобщившей и в значительной степени упорядочившей биологические знания всего предыдущего периода. Одной из главных заслуг Линнея стало определение понятия биологического вида, внедрение в активное употребление биноминальной (бинарной) номенклатуры (род + вид).

2 этап – физико-химический, на котором жизнь изучалась на клеточном и молекулярно-генетическом уровне. Следует упомянуть таких ученых, как Луи Пастер (1822-1895), открывшем микробную сущность инфекций и Теодор Шванн (1810-1882), разработавшим клеточную теорию строения живых организмов.

3 этап – этап эволюционной биологии. Следует отметить создателя первого учения об эволюции Жана Батиста Ламарка (1744-1829), Чарльз Дарвин (1809-1882) разработал эволюционную теорию происхождения видов. В своей теории, первое развёрнутое изложение которой было опубликовано в 1859 году в книге «Происхождение видов» (полное название: «Происхождение видов путём естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь»), основной движущей силой эволюции Дарвин назвал естественный отбор и неопределённую изменчивость. Грегор Мендель (1822-1884) стал первооткрывателем законов наследственности. Август Вейсман (1834-1914) и Томас Морган (1866-1945) разработали хромосомную теорию наследственности.

До настоящего времени описано примерно две трети существующих видов, а именно: около 2 000 000 видов животных, 320 000 видов растений, 200 000 видов грибов и 10 000 видов бактерий.

В основе биологических процессов лежат физико-химические закономерности. Нет ни одного биологического явления, которое бы противоречило фундаментальным законам фи­зики и химии. Материальная основа жизни — это прежде всего взаимодействие электрически заряженных частиц, образующих атомы и молекулы ве­щества. Влияние остальных фундаментальных взаимодей­ствий — сильного, слабого и гравитационного — в биологи­ческих процессах несравнимо меньше, чем электромагнит­ного.

И все же считать биологию одним из разделов химии или физики, где изучаются белки и нуклеиновые кисло­ты, нельзя, так как на биологическом уровне организа­ции материи появляются новые закономерности, кото­рых просто не могло быть на более низком иерархиче­ском уровне.

Долгое время биология была в основном эмпирической областью естествознания, занимающейся наблюдением, систематизацией, классификацией объектов и явлений живой природы, установлением феноменологических за­кономерностей в этой области. Первые систематические попытки познания законов живой природы были сдела­ны еще в античные времена (Аристотель, Гиппократ). Ре­волюцией в биологии стало изобретение микроскопа. С его помощью Р. Гук в 1668 г. открыл клеточное строение рас­тений, А.Левенгук в 1672 г. впервые наблюдал мир мик­роскопических организмов, в том числе бактерий. Одним из главных достижений XVIII века в биологии стало созда­ние К. Линнеем в 1735 г. системы классификации расте­ний и животных. Этой системой пользуются до сих пор. XIX век ознаменовался новыми великими открытиями: клеточная теория Т. Шванна (1839), законы наследствен­ности Г. Менделя (1865) и, наконец, эволюционное уче­ние Ч. Дарвина (1859).

Несмотря на эти достижения, биологи всегда «с зави­стью» смотрели на физику с ее фундаментальными теоре­тическими законами и огромным эвристическим потен­циалом. А возможна ли вообще теоретическая биология? Этот вопрос особенно остро встал во второй половине XX века после выдающихся открытий в области биофизики, био­химии, генетики, молекулярной биологии. Некоторые ученые отвечают на него отрицательно, считая, что в био­логии нет «абсолютных явлений», все клетки и другие структуры уникальны, а любое явление — лишь звено в эволюционной, цепи изменяющихся форм, однозначно моделировать которую невозможно.

Однако все больше и больше исследователей придер­живается другого мнения: теоретической биологии еще нет, но она возможна. Просто мы еще не знаем всех прин­ципов, которые лежат в ее фундаменте. Чрезвычайная сложность биологических объектов не позволяет описать явление, именуемое «жизнь», короче, чем при его непо­средственном наблюдении. Другими словами, пока неяс­но, как построить абстрактную модель жизни. Тем не ме­нее движение в направлении создания теоретической био­логии в последнее время ускорилось.

А что думают о биологии, в том числе теоретической, физики и химики? И те, и другие всегда старались вклю­чить специфическое поведение живых объектов в сферу своих интересов. У химиков достижения на этом пути оказались более значительными. В 1953 г. Ф. Крик и Дж. Уотсон предложили модель структуры ДНК (двой­ную спираль), что сразу объяснило многие ее свойства и биологические функции. С этой модели фактически на­чалась молекулярная генетика. Многочисленные откры­тия в области каталитической химии прояснили функции различных белков в процессе функционирования живых структур. Ученые-биохимики научились целенаправлен­но манипулировать на уровне клеточных компонентов, вмешиваясь в «святая святых» биологических объектов — генетический аппарат. Именно в биологию текут сейчас огромные финансовые потоки, особенно в богатых, разви­тых странах. А в средствах массовой информации говорят о биологии как науке XXI века.

Серьезные достижения принес XX век и в область био­физики. Среди наиболее ярких открытий можно назвать установление физических механизмов слуха и зрения, ионных механизмов возбуждения и торможения нервных клеток и др. Однако основное внимание физиков XX в. было направлено на выяснение того, какие биологические процессы могут быть сведены к физиче­ским, а какие — нет.

Как будет показано ниже, живое отличается от косно­го (неживого) способностью активно поддерживать свой фантастический пространственно-временной порядок, активно «сопротивляться» внешним и внутренним фак­торам, стремящимся разрушить этот порядок, перевести его в беспорядок, как того требует второе начало термо­динамики. Некоторым даже стало казаться, что высокий порядок живых систем «противоречит» законам физи­ки. Поэтому так важны оказались примеры поведения физических объектов, которые могли самопроизвольно образовывать высокоупорядоченные структуры. Для это­го такие системы должны активно взаимодействовать со своим окружением, находиться далеко от состояния теп­лового равновесия, нелинейно реагировать на внешние и внутренние воздействия. Хрестоматийными примерами таких объектов являются конвективные ячейки Бенара, автоволны и т. п. Родилось целое направление в науке, которое изучает особенности самоорганизующихся сис­тем в физике, химии, биологии и других естественных и гуманитарных науках. Это направление называется синергетикой.