Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Естественно-научная картина мира. Учебник
.pdf
191
8. БИОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
8.1. Структура и этапы развития биологии
Биология — это наука о живом, его строении, формах ак-
тивности, сообществах живых организмов, их распространении
и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.
Современная биологическая наука — результат длительного процесса развития. Интерес к познанию живого у человека
возник очень давно, он был связан с его важнейшими потребностями — в пище, лекарствах, одежде, жилье и т.д. Но только в
первых древних цивилизованных обществах люди стали изучать
живые организмы более тщательно, составлять перечни животных и растений, населяющих разные регионы, классифицировать их. Одним из первых биологов древности был Аристотель.
В настоящее время биология представляет собой целый
комплекс наук о живой природе. Структуру его можно рассматривать с разных точек зрения.
По объектам исследования биология подразделяется на
вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию.
По свойствам проявлениям живого в биологии выделяются: морфология — наука о строении живых организмов; физиология — наука о функционировании организмов; молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и
клеток; экология, рассматривающая образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой; генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости.
По уровню организации исследуемых живых объектов
выделяются: анатомия, изучающая макроскопическое строение
животных; гистология, изучающая строение тканей; цитология
исследующая строение живых клеток.
Эта многоплановость комплекса биологических наук обусловлена чрезвычайным многообразием живого мира. К настоящему времени биологами обнаружено и описано более 1 млн
видов животных, около полумиллиона растений, несколько сот
тысяч видов грибов, более 3 тыс. видов бактерий. Причем мир
192
живой природы исследован далеко не полностью. Число неописанных видов оценивается по меньшей мере в 1 млн.
Важнейшим инструментом дальнейшего познания этого
мира служит категория «живого», являющаяся ключевой, ис-
ходной для всей системы биологических наук.
В развитии биологии выделяют три основных этапа:
1) систематики (К. Линней);
2) эволюционный (Ч. Дарвин);
3) биологии микромира (Г. Мендель).
Каждый из них связан с изменением представлений о мире живого, самих основ биологического мышления, со сменой
биологических парадигм. Благодаря развитию современной
биологии микромира, познанию молекулярных структур живого
отчетливее стало просматриваться единство природы, органического и неорганического мира, специфика живого.
Исторически биология развивалась как описательная наука о многообразных формах и видах растительного и животного
царства. Поэтому важнейшее место в ней заняли методы ана-
лиза, систематизации и классификации огромного эмпирического материала, накопленного натуралистами. Первые классификации растений, наиболее известной из которых была система Карла Линнея (1707–1778), а также классификация
животных Жоржа Бюффона (1707–1788), носили в значительной
мере искусственный характер, поскольку не учитывали происхождения и развития живых организмов. Тем не менее они способствовали объединению всего известного биологического
знания, его анализу и исследованию причин и факторов происхождения и эволюции живых систем.
1. Без такого исследования невозможно было бы, во-
первых, перейти на новый уровень познания, когда объектами
изучения биологов стали живые структуры сначала на клеточном, а затем на молекулярном уровне.
2. Обобщение и систематизация знаний об отдельных ви-
дах и родах растений и животных требовали перехода от искусственных классификаций к естественным, где основой должен
стать принцип генезиса, происхождения новых видов, а следовательно, разработка теории эволюции. Такие попытки создания
193
естественной классификации, опирающиеся на весьма несовершенные еще принципы эволюции, предпринимались Жан Батистом Ламарком (1744–1829) и Этьеном Жоффруа Сент-Илером
(1772–1844). Не подлежит сомнению, что они послужили важной вехой на пути создания первой научной теории эволюции
видов растений и животных Чарлзом Дарвином.
3. Именно описательная, эмпирическая биология по-
служила тем фундаментом, на основе которого сформировался
целостный взгляд на многообразный, но в то же время единый
мир живых систем. Можно даже сказать, что первые представления о системах и уровнях их организации были заимствованы
из опыта изучения живой природы, и даже сейчас для иллюстраций мы часто обращаемся именно к живым системам. Ведь
прежде чем объяснить функционирование отдельных частей или
элементов живых организмов, мы должны понять жизнедеятельность единого, целостного организма, а такое понимание
первоначально достигается именно на описательном, эмпирическом уровне. Дальнейший, теоретический шаг в понимании
неизбежно связан с анализом непосредственно данной живой
системы, ее расчленением на отдельные подсистемы и элементы, изучением структуры системы, выявлением различных
структурных уровней организации живых систем.
8.2. Постулаты биологии
Сущность биологии выявляется наглядно, если начинать
ее рассмотрение с постулатов. Такой подход к изложению биологии обусловлен влиянием физики и математики. Два первых
постулата связаны с наследственностью, а два других — с эволюцией. Сформулируем эти постулаты последовательно, один
за другим.
Постулат 1. Все живые организмы должны быть единством фенотипа и программы для его построения (генотипа),
передающегося по наследству из поколения в поколение.
Фенотип — совокупность всех внешних и внутренних
структур и функций особи, развивающаяся как один из возмож-
194
ных вариантов реализации индивидуального развития данной
особи в определенных условиях.
Генотип — генетическая (наследственная) конституция
организма, совокупность всех его генов. В современной генетике рассматривается не как механический набор независимо
функционирующих генов, а как единая система, в которой каждый ген может находиться в сложном взаимодействии с остальными генами.
Первый постулат объединяет равновесия различных
структурных уровней. С одной стороны, это уровень генов, которые могут быть связаны с единичными материальными точками; с другой стороны, живой организм, взаимодействующий с
окружающей средой, входящей в биосферу, т.е. принадлежащий
структурному уровню живого вещества. Здесь уместно отметить, что в земных условиях основу фенотипа составляют белки,
а основу генотипа — нуклеиновые кислоты. Первый постулат
един для всего живого. Жизнь на основе только одного генотипа
и только одного фенотипа невозможна.
Постулат 2. «Наследственные молекулы» синтезируются матричным путем. В качестве матрицы, на которой
строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения.
Второй постулат можно рассматривать как способ сохранения равновесия и передачи его по наследству. Другими
словами, речь в нем идет о некотором каркасе, необходимом для
существования динамического равновесия.
Наиболее важные следствия второго постулата — то, что
фенотип беднее генотипа, и то, что способность к самовоспроизведению на основе матричного принципа может считаться
наиболее общим свойством живого. Упорядоченность организма обеспечивается программой, закодированной в длинных нитевидных молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК)
или рибонуклеиновой кислоты (РНК — у некоторых вирусов).
«Порядок» организма возникает не из ничего и не сам по себе, а
формируется из порядка получаемой от родителей программы.
Постулат 3. В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате многих причин
195
изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно
эти изменения оказываются приспособительными.
Постулат 4. Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипов многократно усиливаются и подвергаются отбору условиями внешней среды.
8.3. Основные определения понятия «жизнь»
Современная биология при описании живого идет по пути
перечисления основных свойств живых организмов. При этом
подчеркивается, что только совокупность данных свойств
может дать представление о специфике жизни.
К числу свойств живого обычно относят следующие.
1. Живые организмы характеризуются сложной, упо-
рядоченной структурой. Уровень их организации значительно
выше, чем в неживых системах.
2. Живые организмы получают энергию из окружаю-
щей среды, используя ее на поддержание своей высокой
упорядоченности. Большая часть организмов прямо или кос-
венно использует солнечную энергию.
3. Живые организмы активно реагируют на окружаю-
щую среду. Если толкнуть камень, то он пассивно сдвигается с
места. Если толкнуть животное, оно отреагирует активно: убежит, нападет или изменит форму. Способность реагировать на
внешние раздражения — универсальное свойство всех живых
существ, как растений, так и животных.
4. Живые организмы не только изменяются, но и
усложняются. Так, у растения или животного появляются но-
вые ветви или новые органы, отличающиеся по своему химическому составу от породивших их структур.
5. Все живое размножается. Эта способность к само-
воспроизведению — самая поразительная способность живых
организмов. Причем потомство и похоже, и в то же время чемто отличается от родителей. В этом проявляется действие механизмов наследственности и изменчивости, определяющих эволюцию всех видов живой природы.
196
6. Генетический материал определяет направление
развития организма. Сходство потомства с родителями обу-
словлено еще одной замечательной особенностью живых организмов — передавать потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Эта
информация содержится в генах — единицах наследственности,
мельчайших внутриклеточных структурах. Вот почему потомки
похожи на родителей. Однако эта информация в процессе передачи несколько видоизменяется, искажается. В связи с этим потомки не только похожи на родителей, но и отличаются от них.
7. Живые организмы хорошо приспособлены к среде
обитания и соответствуют своему образу жизни. Строение
крота, рыбы, лягушки, дождевого червя полностью соответствует условиям, в которых они живут.
Из совокупности этих признаков вытекает следующее
обобщенное определение сущности живого:
Жизнь есть форма существования сложных, открытых
систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению.
Важнейшими функциональными веществами этих систем
являются белки и нуклеиновые кислоты.
8.4. Структурные уровни живого
Структурный, или системный, анализ обнаруживает, что
мир живого чрезвычайно многообразен, имеет сложную структуру. На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни, или подсистемы, живого мира. Наиболее распространенным является выделение на основе критерия масштабности следующих уровней организации живого.
1. Биосферный — включающий всю совокупность живых
организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.
На этом уровне биологической наукой решается такая, в частности, проблема, как изменение концентрации углекислого газа
в атмосфере. Используя этот подход, ученые выяснили, что в
последнее время концентрация углекислого газа возрастает ежегодно на 0,4 %, создавая опасность глобального повышения
197
температуры, возникновения так называемого парникового
эффекта.
2. Уровень биогеоценозов выражает следующую ступень
структуры живого, состоящую из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих
единый природный комплекс, экосистему. Рациональное использование природы невозможно без знания структуры и
функционирования биогеоценозов, или экосистем.
3. Популяционно-видовой уровень образуется свободно
скрещивающимися между собой особями одного и того же вида.
Его изучение важно для выявления факторов, влияющих на численность популяций. А затем на этой основе можно будет поддерживать оптимальную численность популяций. Этот уровень
также чрезвычайно важен для исследования путей исторического развития живого, его эволюции.
4. Организменный и органно-тканевый уровни отра-
жают признаки отдельных особей, их строение, физиологию,
поведение, а также строение и функции органов и тканей живых
существ.
5. Клеточный и субклеточный уровни отражают про-
цессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.
6. Молекулярный уровень составляет предмет молеку-
лярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии.
Разделение живой материи на уровни является, конечно,
весьма условным. Решение конкретных биологических проблем,
таких, как регуляция численности вида, опирается на данные о
всех уровнях живого. Но все биологи согласны в том, что в мире
живого существуют ступенчатые уровни, своего рода иерархии.
Представление о них наглядно отражает системный подход в
изучении природы, который помогает глубже понять ее. Фундаментальной же основой живого мира является клетка. Ее исследование помогает уяснить специфику всего живого.
Существуют четыре основных уровня организации живого:
1) молекулярно-генетический;
198
2) онтогенетический;
3) популяционно-видовой;
4) биогеноценотический.
Связь между этими структурными уровнями осуществляется благодаря обмену энергией и веществом. Популяционновидовой и биогеноценотический уровни целесообразнее рассматривать в связи с проблемами теории эволюции, поэтому в
данном разделе мы рассмотрим два первых из перечисленных
уровней.
При исследовании молекулярно-генетического уровня
наиболее интересно взглянуть на работу генетического кода, на
мутации, различия между бесполым и половым размножением.
Важнейшей феноменологической теорией этого уровня служат
законы наследственности Г. Менделя.
Изучение онтогенетического уровня следует начинать с
клетки, поскольку именно клетка является минимальной самостоятельной живой системой. В ее функционировании наиболее
важными, на наш взгляд, являются: обеспечение отдельными
химическими соединениями устойчивого существования живого, функции клетки, процессы обмена веществ в живом организме.
8.5. Молекулярно-генетический уровень
биологических структур
Представление о структурных уровнях организации жи-
вых систем сформировалось под влиянием открытия клеточной
теории строения живых тел. В середине XIX в. клетка рассматривалась как последняя единица живой материи, наподобие
атома неорганических тел. Из клеток благодаря соответствующему принципу упорядоченности мыслились построенными все
живые системы различного уровня организованности. Такие
идеи высказывал, например, один из создателей клеточной теории Маттиас Шлейден (1804–1881). Другой выдающийся биолог
Эрнст Геккель (1834–1919) шел дальше и выдвинул гипотезу,
согласно которой протоплазма клетки также обладает определенной структурой и состоит из субмикроскопических частей.
199
Таким образом, в живой системе можно выделить новый структурный уровень организации. Эти идеи, далеко опережающие
научные знания своей эпохи, встречали явное сопротивление, с
одной стороны, последователей редукционизма, стремившихся
свести процессы жизнедеятельности к совокупности определенных химических реакций, а с другой — защитников витализма, которые пытались объяснить специфику живых организмов наличием в них особой «жизненной силы» (от лат.
vitalis — жизненный).
В первую очередь ученые исследовали структуру белков и
выяснили, что они построены из 20 аминокислот, которые соединены длинными полипептидными связями, или цепями. Хотя
в состав белков человеческого организма входят все 20 аминокислот, но совершенно обязательны для него только 9 из них.
Остальные, по-видимому, вырабатываются самим организмом.
Характерная особенность аминокислот, содержащихся
не только в человеческом организме, но и в других живых системах (животных, растениях и даже вирусах), состоит в том,
что все они являются левовращающими плоскость поляри-
зации изомерами, хотя в принципе существуют аминокислоты
и правого вращения. Обе формы таких изомеров почти одинаковы между собой и различаются только пространственной конфигурацией, и поэтому каждая из молекул аминокислот является зеркальным отображением другой. Впервые это явление открыл выдающийся французский ученый Луи Пастер (1822–
1895), исследуя строение веществ биологического происхождения. Он обнаружил, что такие вещества способны отклонять поляризованный луч и поэтому являются оптически активными, вследствие чего были впоследствии названы оптическими
изомерами. В отличие от этого у молекул неорганических веществ эта способность отсутствует, и построены они совершенно симметрично.
На основе своих опытов Л. Пастер высказал мысль, что
важнейшим свойством всей живой материи является их молекулярная асимметричность, подобная асимметричности левой и
правой рук. Опираясь на эту аналогию, в современной науке это
свойство называют молекулярной хиральностью. Интересно
200
заметить, что если бы человек вдруг превратился в свое зеркальное отображение, то его организм функционировал бы нормально до тех пор, пока он не стал бы употреблять пищу растительного или животного происхождения, которую он не смог бы
переварить.
На вопрос, почему именно живая природа выбрала белковые молекулы, построенные из аминокислот левого вращения,
до сих пор нет убедительного ответа. Сам Л. Пастер считал, что
поскольку живое возникает из неживого, то необходимым предварительным условием для этого процесса должно стать превращение симметричных неорганических молекул в асимметричные. По его предположению, такое превращение могло быть
вызвано различными космическими факторами, в частности,
геомагнитными колебаниями, вращением Земли, электрическими разрядами и т.п. Попытки экспериментально проверить эту
гипотезу не увенчались успехом. Поэтому высказывались предположения и о чисто случайном характере возникновения первых живых молекулярных систем, образованных из аминокислот левого вращения. В дальнейшем эта особенность могла быть
передана по наследству и закрепиться как неотъемлемое свойство всех живых систем.
Видимо, именно естественный отбор привел к хиральной
(от греч. chira — рука) чистоте белков и нуклеиновых кислот, их
несовместимости со своими зеркальными отображениями. Белки построены только из аминокислот, поляризующих свет влево, нуклеиновые кислоты состоят из сахаров, поляризующих
свет вправо. По некоторым расчетам для перехода биологических полимеров к хиральной чистоте потребовалось порядка
1 млн лет [47]. Это обстоятельство в известной степени объясняет, почему в лабораторных условиях до сих пор не удалось
получить непосредственно из неживого живое вещество. В лабораторных условиях вряд ли возможно создание тех условий
естественного отбора, которые существовали в многовековую
эпоху ранней эволюции Земли.
Наряду с изучением структуры белка в последние полвека
особенно интенсивно изучались механизмы наследственности и
воспроизводства живых систем. Особенно остро этот вопрос
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]