Особенности развития современной и постнеклассической биологии

1. Биология XX и XXI веков

2. Развитие генетики и молекулярной биологии

3. Синтетическая теория эволюции

«Познание определяется тем,

что утверждается нами

как Истина»

П.А.Флоренский

1. Биология XX и XXI веков

В XX веке биология радикально изменилась, ее место, роль в системе наук, отношение биологической науки и практики. Биология постепенно становится лидером естествознания.

В биологии происходят следующие процессы, которые определяют ее как лидирующую естественную науку:

1) укрепление связи биологии с точными и гуманитарными науками;

2) развитие комплексных и междисциплинарных исследований;

3) увеличение взаимосвязи теоретического познания и практической деятельности (прежде всего с глобальными проблемами современности);

4) участие запросов практики в актуализации проблем биологического познания (непосредственным основанием научно-исследовательской деятельности в биологии все в большей степени становятся прямые практические потребности, интересы и запросы общества);

5) непосредственно программирующая роль биологии по отношению к аграрной, медицинской, экологической и другим видам практической деятельности;

6) возрастание ответственности ученых-биологов за судьбы человечества (прежде всего в связи с перспективами генной инженерии);

7) проявление гуманистического начала биологического познания, широкое внедрение ценностных подходов.

Все в большей мере становится ясно, что логика биологического познания в перспективе будет непосредственно задаваться потребностями практического преобразования природы, развития общественных отношений и интересов людей.

На пороге ХХI века биология как все естествознание вступает в новую историческую фазу своего развития на уровень постнеклассической науки. Для постнеклассической биологии характерно выдвижение на первый план междисциплинарных, комплексных и проблемно ориентированных форм исследований. В определении познавательных целей биологии чаще начинают играть решающую роль не внутринаучные цели, а внешние – цели экономического, социального, политического, культурного характера. Объектами междисциплинарных исследований становятся уникальные системы, характеризующиеся открытостью и саморазвитием. Исторически развивающиеся системы представляют собой более сложный тип объекта даже по сравнению с саморегулирующимися системами, так как с течением времени они формируют новые уровни своей организации, изменяют свою структуру, характеризуются принципиальной необратимостью процессов. Среди таких систем особое место занимают природные комплексы, в которые включен человек (объекты экологии, медико-биологические объекты, объекты биотехнологии, системы человек-машина).

2. Развитие генетики и молекулярной биологии

Развитие генетики

Вступление в XX век ознаменовалось в биологии бурным развитием генетики. Важнейшим исходным событием явилось новое открытие законов Менделя. В 1900 году законы Менделя были переоткрыты независимо сразу тремя учеными – Г. де Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э.Чермаком в Австрии.

Далее последовал ряд эмпирических открытий и построение различных теоретических моделей.

Начало XX века принято считать началом экспериментальной генетики, которая принесла множество новых эмпирических данных о наследственности и изменчивости. Выделим следующие основные открытия:

1. открытие дискретного характера наследственности;

2. обоснование представления о гене и хромосомах как носителях генов;

3. представление о линейном расположении генов;

4. доказательство существования мутаций и возможность вызывать их искусственно;

5. установление принципа чистоты гамет, законов доминирования, расщепления и сцепления признаков;

6. разработка методов гибридологического анализа;

7. разработка методов исследования процесса, связанного с нарушением сцепления генов в результате обмена участками между хромосомами и др.

Важно отметить, что все эти и другие открытия были экспериментально подтверждены, строго обоснованы.

В первой половине XX века интенсивно развивались теоретические аспекты генетики. Особенно большую роль сыграла хромосомная теория наследственности, разработанная в 1910 – 1915 гг. в трудах А.Вейсмана, Т.Моргана, А.Стертеванта, Г.Дж.Меллера и др. Первые 30 лет XX века прошли в борьбе представителей различных концепций наследственности. Так, например, против хромосомной теории наследственности выступал У.Бэтсон, который считал, что эволюция состоит не в изменениях генов под влиянием внешней среды, а в накоплении генетических утрат.

А.Вейсман (1834 – 1914) – немецкий зоолог и теоретик эволюционного учения. Основные научные работы посвящены вопросам наследственности и индивидуального развития. Автор (1887) теории наследственности и индивидуального развития (теория непрерывности «зародышевой плазмы»), предвосхитившей современное представление о хромосомах как носителях наследственности.

Т.Морган (1866 – 1945) – американский биолог и генетик. Основные научные работы посвящены вопросам хромосомной теории наследственности. С 1910 года начал изучение наследования мутаций у дрозофилы. Совместно с А.Стертевантом, Г.Дж.Меллером и К.Бриджесом экспериментально обосновал представление о материальных носителях наследственности, что привело к созданию хромосомной теории наследственности. Установил закономерности сцепления генов и кроссинговера, в результате чего был полностью выяснен цитологический механизм менделеевских законов. Это открытие послужило стимулом для разработки генетических основ теории естественного отбора. Нобелевская премия по физиологии и медицине (1933).

А.Стертевант (1891 – 1970) – американский зоолог и генетик. Основные научные работы посвящены вопросам хромосомной теории наследственности (совместно с Т.Морганом, Г.Дж.Меллером и К.Бриджесом). Первым обосновал теорию линейного расположения генов в хромосомах, предложил метод картирования генов в хромосомах в соответствии с частотой возникновения кроссинговера между ними. Составил (1913) первую карту Х – хромосомы дрозофилы. Открыл явление супрессии и «эффект положения гена» (1925).

Г.Меллер (1890 – 1967) – американский генетик. Основные научные исследования – генетика животных, экспериментальный мутагенез. Впервые экспериментально доказал (1927) возможность искусственной индукции мутаций на модели дрозофилы под воздействием ионизирующих излучений. Совместно с А.А.Прокофьевой-Бельговской определил (1935) размеры генов у дрозофилы. Нобелевская премия по физиологии и медицине (1946).

К.Бриджес (1889 – 1938) американский биолог. Сформулировал теорию генетического баланса, с которой связано определение пола животных, установил (1916) группы сцепления у дрозофилы и связь этих групп с определенными хромосомами.

А.А.Прокофьева-Бельговская (1903 – 1984) – советский цитогенетик. Основное направление научных исследований – цитогенетика человека и животных. Впервые установила число и морфологию хромосом лосося, форели и др. рыб. Исследовала хромосомы человека в норме и патологии. Подготовила первые кадры врачей и исследователей в этой области.

Развитие молекулярной биологии

Во второй половине 40-х гг. в биологии произошло важное событие – осуществлен переход от белковой к нуклеиновой трактовке природы гена.

Предпосылки новых открытий в области биохимии:

1. в 1936 г. А.Н.Белозерский - советский биохимик (1905 – 1972) – получил из растения тимонуклеиновую кислоту, которая до тех пор выделялась только в животных организмах, что доказало тождество животных и растительных миров на молекулярном уровне.

2. в 1927 г. Н.К.Кольцов – советский биолог (1872 – 1940) – высказал мысль о том, что при размножении клеток осуществляется матричная ауторепродукция материнских молекул. Правда, Кольцов считал, что эти процессы осуществляются на белковой основе, поскольку в то время генетически свойства ДНК не были известны.

До середины 40-х гг. биохимия развивалась относительно независимо от генетики, именно потому, что наследственные свойства ДНК были не известны. Когда биология перешла от белковой к нуклеиновой трактовке природы гена, тогда биохимия и генетика стали взаимосвязаны.

В начале 40-х гг. впервые появился термин «молекулярная биология». В 1944 г. американскими биохимиками (О.Эвери и др.) было установлено, что носителем свойства наследственности является ДНК. С этого времени началось бурное развитие молекулярной биологии.

Предпосылки расшифровки структуры ДНК:

1. В 1949 – 1951 гг. Э.Чаргафф – американский биохимик сформулировал знаменитые правила, объясняющие структуры ДНК.

2. М.Уилкинс – английский биофизик провел рентгено-графические исследования ДНК. Нобелевская премия по физиологии и медицине (1962, совм. с Уотсоном и Криком)

В 1953 г.Ф.Крик и Д.Уотсон (американские ученые) расшифровали структуру ДНК, показали, что молекула ДНК состоит из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, каждая из которых выступает в качестве матрицы для синтеза новых аналогичных цепей. Именно поэтому в хромосомах клеток молекула ДНК способна к ауторепродукции. Свойство самоудвоения ДНК обеспечивает явление наследственности. Расшифровка структуры ДНК была великой революцией в молекулярной биологии и стала ключом к пониманию того, что происходит в гене при передаче наследственных признаков.

Расшифровка структуры молекулы ДНК была лишь первым шагом на пути выявления механизма наследственности и изменчивости. Далее были получены другие важнейшие результаты:

1. выяснена роль транспортной-РНК и информационной –РНК;

2. расшифрован генетический код;

3. осуществлен синтез гена;

4. теоретически решена проблема биосинтеза белка;

5. расшифрована аминокислотная последовательность многих белков и установлена пространственная структура для некоторых из них;

6. на этой основе выяснен принцип и особенности функционирования ферментативных молекул, химически синтезирован ряд ферментов;

7. получены важные результаты в плане понимания организации вирусов и фагов, характер их биосинтеза в клетке;

8. заложены основы генетической инженерии, содержанием которой является активное вмешательство человека в природу наследственности и ее изменение в соответствии с потребностями человека, общества.

Общее направление этих открытий – выработка представлений о сущности жизни, о природе ее фундаментальных черт – наследственности, изменчивости и обмена веществ.

3. Синтетическая теория эволюции (СТЭ)

Преодолением противоречий между эволюционной теорией и генетикой стало возможным с созданием синтетической теории эволюции, которая выступает основанием всей системы современной эволюционной биологии.

Эволюционная теория составляет теоретический базис всей современной биологии. Собственно, до дарвиновской теории биология как самостоятельная наука не существовала: чтобы изучать биологию, надо было получать либо медицинское, либо богословское образование.

В некоторых историко-научных моделях 1937 год был назван годом возникновения СТЭ – в этом году появилась книга украино-американского генетика и энтомолога-систематика Ф. Г. Добржанского «Genetics and the Origin of Species». Успех книги Добржанского определялся тем, что он был одновременно натуралистом и экспериментальным генетиком. Впервые было сформулировано важнейшее понятие об «изолирующих механизмах эволюции» - тех репродуктивных барьерах, которые отделяют генофонд одного вида от генофондов других видов. Он внедрил в натуралистический материал «эффект С. Райта», полагая, что микрогеографические расы возникают под воздействием случайных изменений частот генов в малых изолятах, то есть адаптивно-нейтральным путем.

В американской литературе среди создателей СТЭ чаще всего называют имена Ф. Добржанского, Дж. Хаксли, Э. Майра, Б. Ренша, Дж. Стеббинса. Это, конечно, далеко не полный список. Только из русских учёных, по меньшей мере, следовало бы назвать С.С.Четверикова, И.И. Шмальгаузена, Н.В. Тимофеева-Ресовского, Г.Ф. Гаузе, Н.П. Дубинина, А.Л. Тахтаджяна. Из британских ученых велика роль Дж.Б. Холдейна-младшего, Д. Лэка, К. Уоддингтона, Г. де-Бира. Немецкие историки среди активных создателей СТЭ называют имена Э. Баура, В. Циммермана, В. Людвига, Г. Хеберера и других.

Синтетическая теория эволюции представляет собой учение об эволюции органического мира, разработанное на основе данных современной генетики, экологии и классического дарвинизма. Термин «синтетическая» идет от названия книги известного английского эволюциониста Дж. Хаксли «Эволюция: современный синтез» (1942).

Создание синтетической теории эволюции означало образование новой системы биологического познания, которая свидетельствовала о переходе биологии с классического на современный, неклассический уровень развития.

Принципиальные положения синтетической теории эволюции были заложены работами С.С.Четверикова (1926), Г.Фишера, Н.П.Дубинина (1929 – 1932). В основе этой теории лежит представление о том, что элементарной единицей эволюции является не организм и не вид, а популяция.

Именно популяция – та реальная целостная система взаимосвязи организмов, которая обладает всеми условиями для саморазвития, прежде всего способностью наследственного изменения в системе биологических поколений. Элементарной единицей наследственности выступает ген (участок молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК, отвечающий за развитие определенных признаков организма).

Согласно учению синтетической теории эволюции, наследственное изменение популяции в каком-либо определенном направлении осуществляется под воздействием ряда эволюционных факторов (изменяющих генотипический состав популяций):

1. мутационный процесс (поставляющий элементарный эволюционный материал);

2. популяционные волны (колебания численности популяций в ту или иную сторону от средней численности входящих в нее особей);

3. изоляция (закрепляющая различия в наборе генотипов и способствующая делению исходной популяции на несколько самостоятельных);

4. естественный отбор – процесс, определяющий вероятность достижения индивидами репродуктивного возраста.

Естественный отбор, в современном понимании, выделяется как ведущий эволюционный фактор, направляющий эволюционный процесс.

Формирование синтетической теории эволюции ознаменовало переход от организмо-центрической к популяционной концепции. Это открыло качественно новый этап в развитии биологии – переход к созданию единой системы биологического знания.

Необходимо отметить, что случайный характер мутационной изменчивости не противоречит возможности существования определенной канализированности путей эволюции, возникающей как результат прошлой истории вида. Должна стать широко известной и теория номогенеза или эволюция на основе закономерностей, выдвинутая в 1922-1923 гг. Л.С. Л.С.Бергом. Его дочь Р.Л. Берг рассмотрела проблему случайности и закономерности в эволюции и пришла к заключению, что «эволюция совершается по разрешенным путям». Реальностью является и некоторая степень предсказуемости, возможность прогнозирования общих направлений эволюции.

Уверенно можно сказать, что развитие СТЭ будет продолжаться с появлением новых открытий в области эволюции.