Биологическая картина мира
В настоящее время наиболее динамично развивающейся наукой является биология - наука о жизни и живой природе.
В структуре биологического знания сегодня насчитывается более 50 частных наук, что объясняется, главным образом, сложностью основного объекта биологических исследований - живой материи.
Основные задачи биологии — дать научное определение жизни, указать на принципиальное отличие живого от неживого, выяснить специфику биологической формы существования материи.
Жизнь очень сложна, многообразна, многокомпонентна и многофункциональна. На сегодняшний день наука не имеет достаточно точного определения жизни.
Жизнь представляет собой высшую форму существования и движения материи с двумя характерными признаками: самовоспроизведением и регулируемым обменом веществ с окружающей средой.
Фундаментальные отличия живого от неживого:
В вещественном плане: в состав живого обязательно входят биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).
В структурном плане: живое отличается от неживого клеточным строением.
В функциональном плане: для живых тел характерно воспроизводство самих себя на основе генетического кода.
К важнейшим свойствам живых систем, отличающих их от неживой (косной) природы относятся:
обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой (открытые системы);
самовоспроизведение (размножение);
сложное строение и системная организация;
активная регуляция своего состава и функций (гомеостаз);
поддержание собственной упорядоченности за счет энергии внешней среды;
подвижность;
раздражимость;
приспособляемость;
способность к росту и развитию;
молекулярная хиральность (зеркальная асимметрия).
Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Вирусы - переходная форма от неживого к живому. Это мельчайшие бесклеточные организмы, на 2 порядка мельче, чем бактерии. Вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но нет ферментов, необходимых для обмена веществ. Поэтому они могут расти и размножаться, лишь проникая в клетки организма-хозяина.
Клетка обладает всеми основными свойствами живой системы: обменом веществ и энергии (метаболизм), размножением и ростом, реактивностью и движением. Она является наименьшей структурной и функциональной единицей живого.
Клеточное строение всех организмов живой природы, сходство строения клеток и их химического состава служит доказательством единства органического мира.
Многообразие живых организмов можно расположить по уровням их сложности и специфики функционирования.
Классическими уровнями современной биологии являются:
Молекулярно- генетический (на котором решаются проблемы генетики, генной инженерии и биотехнологий).
Клеточный (отражающий особенности функционирования и специализацию клеток, внутриклеточных особенностей).
Онтогенетический (организменный) (все об отдельных особях: строение; физиология, поведение).
Популяционно-видовой (образуемый свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида).
Биосферный (биогеоценотический) (рассматривающий целостность всех живых организмов и окружающей среды, порождающий глобальную экологию планеты).
Каждый предыдущий уровень входит в последующий, образуя единое целое живой системы.
Человека всегда интересовало, как на Земле возникла жизнь и все существующее разнообразие животного и растительного мира.
Поэтому в биологии, как ни в какой другой науке, важнейшую роль играли и играют методы анализа, систематизации и классификации эмпирического материала
Как и всякая естественная наука, биология начала развиваться как описательная (феноменологическая) наука о многообразных формах, видах и взаимосвязях живого мира.
Систематика - биологическая наука о разнообразии всех существующих и вымерших организмов, о взаимоотношениях и родственных связях между их различными группами (таксонами).
Основы систематики были заложены в конце 17- первой половине 18 века в трудах Дж. Рея (1693) и К.Линнея (1735). Эволюция в биологии представляет развитие сложных организмов из предшествующих более простых. Эволюция - исторические изменения наследственных признаков организмов, необратимое историческое развитие живой природы.
Победа эволюционной идеи в 19 в. покончила в науке с верой в божественное сотворение живых существ и человека.
Первые эволюционные теории были созданы двумя великими учеными 19 века – Ж.. Б. Ламарком и Ч. Дарвином.
Подлинная революция в биологии связана с появлением в 1859 г. теории эволюции Ч. Дарвина, изложенной им в книге «Происхождение видов путем естественного отбора».
Эволюционная теория Дарвина построена на трех постулатах: изменчивости, наследственности и естественном отборе.
Именно изменчивость является первым и главным звеном эволюции.
Изменчивость — это способность организмов приобретать новые свойства и признаки.
Дарвин выделил две формы изменчивости:
– определенную (адаптивная модификация). Это способность всех особей одного и того же вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (климат, почву); не передается по наследству
– неопределенную (мутация). Ее характер опосредованно связан с изменениями внешних условий, передается по наследству.
Наследственность — это свойство организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом.
Естественный отбор - является результатом борьбы за существование и означает выживание и успешное размножение наиболее приспособленных организмов.
Сущность эволюционного процесса состоит в непрерывном приспособлении живых организмов к разнообразным условиям окружающей среды и в появлении все более сложно устроенных организмов.
Возникновение генетики.
В 1865 году были опубликованы результаты работ чешского исследователя аббата Грегора Менделя по гибридизации сортов гороха, где были открыты важнейшие законы наследственности.
Ген – единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака, представляет собой участок молекулы ДНК.
Хромосомы – это структурные элементы ядра клетки, которые состоят из молекулы ДНК и белков, содержат набор генов с заключенной в них наследственной информацией.
В 1944 году американскими биохимиками (О. Эвери и др.) было установлено, что носителем свойства наследственности является ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)
С этого времени началось быстрое развитие молекулярной биологии
Молекулярная биология - наука, исследующая основные проявления жизни на молекулярном уровне.
Молекулярная биология исследует, каким образом и в какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, превращение энергии в живых клетках и другие явления обусловлены структурой и свойствами биологически важных молекул (главным образом белков и нуклеиновых кислот).
В 1953 году была расшифрована структура ДНК (Ф. Крик, Д. Уотсон).
Рис.
Двойная спираль ДНК
Биологическая роль ДНК заключается в хранении и воспроизведении генетической информации, а РНК (рибонуклеиновая кислота) в ее реализации.
ДНК и РНК снабжают новый организм информацией о том, как он должен быть устроен и как ему функционировать.
Свойство удвоения (репликации) ДНК обеспечивает явление наследственности.
Генетический код – это свойственная живым организмам единая система «записи» наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов. Единицей генетического кода является триплет нуклеотидов.
Универсальность генетического кода - у всех организмов на Земле одни и те же триплеты нуклеотидов кодируют одни и те же аминокислоты
Геном — совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данной животной или растительной клетки.
Генотип - совокупность всех генов, которые содержатся в молекулах ДНК данного организма. Он представляет собой систему, контролирующую развитие, строение и жизнедеятельность организма.
Геном – характеристика вида. Генотип - характеристика индивидуума.
Фенотип - совокупность всех признаков организма. Фенотип представляет собой результат взаимодействия генотипа и окружающей среды.
Генофонд - совокупность генов данной популяции, группы особей или вида.
Число генов в организме человека составляет 20000-25000, а весь геном — это более 3 млрд. нуклеотидных пар (по результатам проекта «Геном человека»).
Мутации - это изменения последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК. Мутации – это чрезвычайно редкое явление неточной передачи генетической информации, когда хромосомы новой клетки или гены оказываются не вполне подобными старым.
Современная (синтетическая) теория эволюции представляет собой синтез генетики и дарвинизма. Она появилась к концу 20-х гг. XX в и рассматривает популяцию как элементарную структуру эволюции.
Популяция – совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.
Наследственное изменение популяции в каком-либо определенном направлении осуществляется под воздействием таких эволюционных факторов, как мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор.
Онтогенез – совокупность преобразований, происходящих в организме от зарождения до конца жизни, т. е. индивидуальное развитие организма.
Таким образом, в синтетической теории эволюции на первый план выступает не онтогенез, а развитие популяций.
Биоценоз - совокупность совместно обитающих популяций разных видов живых организмов.
Автотрофы - организмы, способные самостоятельно синтезировать органическое вещество из неорганических соединений.
Гетеротрофы - организмы, использующие для питания органические вещества, произведенные другими организмами.
Автотрофные растения и микроорганизмы представляют жизненную среду для гетеротрофов. Складывается биогеоценотический комплекс, который может существовать веками.
Биосфера - пространство, включающее околоземную атмосферу и наружную оболочку Земли, освоенное живыми организмами и находящееся под влиянием их жизнедеятельности. Живая природа и среда ее обитания.
Концепции происхождения жизни
Возникновение жизни на Земле и её биосферы одна из основных проблем современного естествознания.
Основные концепции происхождения жизни на земле: 1) креационизм (лат. creation "сотворение") жизнь была создана Творцом в определенное время;
2) концепция стационарного состояния (жизнь существовала всегда);
3) панспермия (жизнь была занесена на Землю из Космоса);
4) абиогенез - самопроизвольное зарождение. Согласно этой теории жизнь возникала и возникает неоднократно из неживого вещества. Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Аристотель, которого часто называют основателем биологии, развивая более ранние высказывания Эмпедокла об эволюции живого, придерживался теории самопроизвольного зарождения жизни.
5) биогенез - все живое происходит только от живого. Принцип «Живое возникает только из живого» получил в науке название Принципа Реди. Так складывалась концепция биогенеза, согласно которой жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. В середине 19-го века Л. Пастер окончательно опроверг теорию самопроизвольного зарождения и доказал справедливость теории биогенеза.
6) биохимической эволюции (преобладающая в наше время модель). Жизнь возникла самопроизвольно из неживого вещества в специфических условиях древней Земли в результате процессов, подчиняющимся физическим и химическим законам.
Следует подчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения, является то, что согласно теории эволюции жизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны!
высокая температура, порядка 400 °С;
атмосфера, состоящая из водяных паров, СО2, СН4, NH3;
присутствие сернистых соединений (вулканическая активность);
высокая электрическая активность атмосферы;
ультрафиолетовое излучение Солнца, которое беспрепятственно достигало нижних слоев атмосферы и поверхности Земли, поскольку озоновый слой еще не сформировался.
Большинство ученых придерживается мнения, что на Земле химическая эволюция привела к спонтанному зарождению жизни в интервале времени между 4,5 и 3,8 млрд. лет назад. Последнюю гипотезу в 20-е годы XX века высказали русский ученый А.И. Опарин и англичанин Дж. Холдейн. Она и легла в основу современных представлений о возникновении жизни на Земле.
Гипотеза академика А. И. Опарина о возникновении жизни на Земле (1924 г.) опирается на представление о постепенном усложнении химической структуры и морфологического облика предшественников жизни (пробионтов) на пути к живым организмам.
В процессе возникновения жизни на Земле различают несколько основных этапов:
Химическая эволюция:
абиогенный синтез низкомолекулярных органических соединений из неорганических
синтез биополимеров, близких к нуклеиновым кислотам и белкам;
образование коацерватов (фазово-обособленных систем органических соединений, отделенных от внешней среды мембранами), способных обмениваться веществом и энергией с окружающей средой. Поглощение коацерватами металлов привело к образованию ферментов, ускоряющих биохимические процессы;
образование пробионтов (предшественников жизни). Выработка в ходе эволюции у коацерватов процессов саморегуляции, самовоспроизведения и способности осуществлять важнейшие жизненные функции - расти и подвергаться естественному отбору.
Биологическая эволюция
Возникновение прокариотных организмов из пробионтов
совершенствование строения и функций клетки (эукариоты, многоклеточные организмы и т.д.)
Наиболее трудная часть проблемы возникновения жизни – переход от биополимеров к первым живым существам. В результате взаимодействия нуклеиновых кислот и белков, возникновения мембран с избирательной проницаемостью, образуются пробионты, способные к самовоспроизведению. В эволюционном отношении пробионты были предшественниками прокариот (безъядерных одноклеточных организмов).
Собственно биологическая эволюция начинается с образования клеточной организации и в дальнейшем идет по пути совершенствования строения и функций клетки, образования многоклеточной организации, разделения живого на царства растений, животных, грибов с последующей их дифференциацией на виды.
Развитие жизни на земле
Катархей - геологическая эра Земли от ее образования до зарождения жизни (4,6 -3,5 млрд лет назад).
Архей – самая древняя геологическая эра, выделяемая в геохронологии Земли (3,5–2,6 млрд. лет назад).
Ко времени архея относится возникновение первых прокариот (бактерий и сине-зеленых водорослей) – организмов, которые в отличие от эукариот не обладают оформленным клеточным ядром и типичным хромосомным аппаратом (наследственная информация реализуется и передается через ДНК).
Первый период развития органического мира на Земле (архей) характеризуется тем, что первичные живые организмы были анаэробными (жили без кислорода) и гетеротрофными, т.е. питались и воспроизводились за счет "органического бульона", возникшего из неорганических систем.
Переход к фотосинтезу и автотрофному питанию был великим революционным переворотом в эволюции живого (около 3 млрд. лет назад).
Он завершился примерно 1,8 млрд. лет назад (протерозой) и привел к важным преобразованиям на Земле. Образуется почва. В атмосфере снижается содержание метана, аммиака, водорода, начинается накопление углекислого газа и кислорода. Первичная атмосфера Земли сменилась вторичной, кислородной; возник озоновый слой, который сократил воздействие ультрафиолетовых лучей, а значит и прекратил производство нового "органического бульона"; изменился состав морской воды, он стал менее кислотным. Таким образом, современные условия на Земле в значительной мере были созданы жизнедеятельностью организмов.
Протерозой - огромный по продолжительности этап исторического развития Земли (2,6 млрд. – 570 млн. лет назад).
В древнейшей протерозойской эре истории Земли реализуется начальный этап возникновения биосферы. Достоверных сведений о биосфере этой эры практически нет. Представляется, что в те времена могли существовать лишь самые примитивные формы жизни.
Протерозой (с греч. «первичная жизнь») – геологическая эра, в которой на смену одноклеточным и колониальным формам пришли многоклеточные. Конец протерозоя иногда называют «веком медуз» – очень распространенных в это время представителей кишечнополостных.
Палеозой (от греч. «древняя жизнь») – геологическая эра (570–230 млн. лет). В палеозое произошло завоевание суши многоклеточными растениями и животными.
Мезозой (с греч. «средняя жизнь») – это геологическая эра (230 – 67 млн. лет)
Мезозойская эра характеризуется появлением многочисленных видов крупных и гигантских животных, особенно рептилий и пресмыкающихся.
Мезозой справедливо называют эрой пресмыкающихся.
Геологическая эра, в которую мы живем, называется кайнозой .
Кайнозой (от греч. «новая жизнь») – это эра (67 млн. лет – наше время) расцвета цветковых растений, насекомых, птиц и млекопитающих.
Происхождение человека
Homo Sapiens – человек разумный относится к отряду приматов, подотряду человекообразных обезьян, семейству – людей.
Первые приматы появились около 70 млн. лет назад, первые человекообразные обезьяны – 34 млн. лет назад.
Сравнение ДНК человека и животных позволяет установить степень родства их организмов. Оказалось, что ДНК гориллы и шимпанзе отличается от человеческого меньше, чем на 3%, тогда как отличия от низших обезьян превышают 10%.
В настоящее время большинство специалистов считает, что ближайшим предшественником человека являются австралопитеки – прямоходящие млекопитающие. Костные остатки австралопитеков, возраст которых составляет от 5 до 2,5 млн. лет, впервые были обнаружены в 1924 г. в Южной Африке. Австралопитеки изготавливали каменные орудия труда, возможно, даже пользовались огнем, но ни речи, ни социальной структуры у них не было – это тупиковая ветвь эволюции.
В Африке найдены останки «человека умелого» — зинджантропа, жившего 2 млн лет назад. Он обладал уже такими человеческими признаками, как прямохождение и заметная развитость кисти руки. При этом название «умелый» ему дано за умение изготовить и применить первобытные каменные орудия труда. Далее развитие современного человека прослеживается более определенно: питекантроп (1,9-0,65 млн лет назад); синантроп (400 тыс. лет назад), неандерталец, появившийся по разным данным от 200 до 150 тыс. лет назад, и, наконец, кроманьонец, наш непосредственный предок, возникший от 200 до 40 тысяч лет назад.
Таким образом, последовательность наших предков:
человек умелый(Номо habilis»)
человек прямоходящий (Номо erectus)
питекантроп
синантроп
человек разумный (Номо sapiens)
неандерталец (тупиковая ветвь),
кроманьонец,
Необходимо отметить, что антропогенез не следует представлять в виде линейного процесса. Следует иметь в виду, что эволюция осуществляется в процессе постоянного возникновения новых ответвлений (бифуркаций), большая часть которых очень быстро исчезает. В каждый период времени существует множество параллельных эволюционных линий, происходящих от общего предка.