Тема 7. Концептуальные основы современной биологии

Современная биология (от греч. bios-жизнь и logos-учение) представляет собой совокупность наук о живой природе.

Основные направления биологических исследований:

1. Изучение закономерностей строения и жизнедеятельности животных, растений и микроорганизмов. Изучение экосистем: зоология, ботаника, физиология животных и человека, этология, физиология растений, биологическая химия, общая микробиология, экология и биоценология, гидробиология.

2. Изучение строения и жизнедеятельности клетки и тканей, наследственности и индивидуального развития организмов: цитология, физиология клетки, биофизика, генетика, аналитическая и экспериментальная эмбриология, цитоэмбриология растений, индивидуальное развитие растений.

3. Изучение закономерностей исторического развития организмов: эволюционная теория, эволюционная палеонтология, эволюционная морфология животных, эволюционная гистология, эволюционная биологическая химия, проблема возникновения жизни на Земле.

4. Новейшие направления биологических исследований: молекулярная биология, молекулярная генетика, вирусология, проблемы биологического развития, изучение биосферы и вопросы воспроизводства и охраны животного и растительного мира, космическая биология, применение математических методов, принципов кибернетики и синергетики в биологии.

Аксиомы биологии.

1. Все живые организмы представляют собой единство фенотипа и генотипа – программы для его построения, передающейся из поколения в поколение (Д. Нейман, Н. Винер).

2. «Наследственные молекулы» синтезируются матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения (Н.К. Кольцов (1872-1940)).

3. В процессе передачи из поколения в поколение генетических программ в результате многих причин они изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными.

4. Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипов многократно усиливаются и подвергаются отбору условиями внешней среды (Н.В.Тимофеев-Ресовский (1900-1981)).

В настоящее время биология существует одновременно в трех ипостасях: традиционная (натуралистическая) биология, физико-химическая биология, эволюционная биология. Эти научные направления различаются по содержанию объекта научных исследований, но объединены одной целью – познание живой природы. Поэтому основная задача биологической науки – это интеграция биологического знания под эгидой общей теории.

Жизнь – это высшая из природных форм движения материи, характеризующаяся самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.

Свойства живого: сложная упорядоченная структура; способность к изменению и усложнению; способность к самовоспроизведению на основе генетического кода; высокая приспособляемость к внешней среде; получение энергии из внешней среды и использование ее на поддержание собственной упорядоченности; активная реакция на внешнюю среду; способность сохранять и передавать информацию; молекулярная хиральность (молекулярная диссиметрия).

Основные концепции происхождения жизни.

1. Креационизм: жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время.

2. Теория стационарного состояния: жизнь существовала всегда.

3. Теория самопроизвольного зарождения: жизнь возникала неоднократно из неживого вещества.

4. Панспермия: жизнь занесена на нашу планету извне.

5. Теория биохимической эволюции: жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. Этапы биохимической эволюции.

5.1 синтез низкомолекулярных органических соединений из газов первичной атмосферы;

5.2 полимеризация мономеров с образованием цепей белков и нуклеиновых кислот;

5.3 образование фазово-обособленных систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами;

5.4 возникновение простейших клеток, обладающих свойствами живого, в том числе репродуктивным аппаратом, гарантирующим передачу дочерним клеткам всех химических и метаболических свойств родительских клеток.

Первые три этапа относят к периоду химической эволюции, с четвертого начинается биологическая эволюция. Представления о химической эволюции подтверждены рядом экспериментов. Начало этим работам было положено в 1953 г. С. Миллером и Г. Юри, которые при воздействии искрового заряда на газовую смесь из метана, аммиака и паров воды получили набор малых органических молекул, впервые показав возможность абиогенного синтеза органических соединений в системах, имитирующих предположительный состав первичной земной атмосферы.

Структурные уровни организации живой материи.

1. Молекулярный уровень: представлен молекулами органических веществ – белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, находящихся в клетках и получивших название биологических молекул. На этом уровне исследуется роль этих биологических соединений в росте и развитии организмов, хранении и передаче наследственной информации, обмене веществ и превращении энергии в живых клетках.

2. Клеточный уровень: представлен клетками. Клетка – основная структурная и функциональная единица живых организмов, элементарная живая система. На этом уровне изучаются вопросы морфологической организации клетки, специализации клеток в ходе развития, функции клеточной мембраны, механизмы деления клеток.

3. Организменный уровень: может быть представлен как одноклеточными так и многоклеточными организмами. Организм – отдельное живое существо, относительно самостоятельно взаимодействующее со средой обитания. На этом уровне изучается организм как целое, со свойственными ему механизмами согласованного функционирования его органов в процессе жизнедеятельности, его адаптации и поведение в различных экологических условиях.

4. Популяционно-видовой уровень: представлен популяциями видов. Популяция-совокупность особей одного вида, обладающих общим генофондом и занимающих определенную территорию. Виды существуют в форме популяций. На этом уровне изучаются факторы, влияющие на динамику численности особей и возрастного состава популяций, проблемы сохранения исчезающих видов, действие факторов микроэволюции и т.д.

5. Экосистемный уровень: представлен системой популяций разных видов в их взаимосвязи между собой и окружающей средой. Экосистема – совокупность живых организмов и среды обитания, связанных между собой обменом веществ, энергии и информации. На этом уровне изучаются взаимоотношения организмов и среды, условия, определяющие продуктивность экосистем, их устойчивость, а также влияние на них деятельности человека.

6. Биосферный уровень: высшая форма организации живой материи, объединяющая все экосистемы планеты. Биосфера – оболочка Земли, развивающаяся под воздействием живых организмов. В биосфере происходят глобальные биогеохимические циклы (круговороты веществ и потоки энергии). Изучение механизмов их протекания, а также влияния на них деятельности человека в настоящее время имеет первостепенное значение для предотвращения глобального экологического кризиса.

Другим ключевым понятием биологической картины мира является понятие «эволюции».

История развития эволюционных идей.

1. От античной натурфилософии до эпохи Возрождения.

- сбор сведение об органическом мире;

- попытки описания и формальной классификации животных и растений;

- господство наивно-трансформистских представлений о происхождении органического многообразия форм (Эмпедокл, Анаксимен, Аристотель);

- господство представлений о божественном творении всего живого (креационизм) в Средние века.

2. Начинается с эпохи Возрождения.

- усиление интереса к естественным наукам;

- систематизация накопленного материала и построение первых таксономических классификаций;

- на смену трансформистским представлениям пришла метафизическая концепция неизменности видов;

- большой вклад в создание системы природы внес К. Линней (1707-1778): описал более 8000 видов растений, установил единообразную терминологию и порядок описания видов. В основу своей классификации он положил принцип иерархичности, т.е. соподчиненности таксонов (таксономических единиц): самый крупный таксон – класс, самый мелкий – вид.

- На данном этапе развитие эволюционных идей характеризуется формированием исторического подхода к объяснению целесообразности живого;

3.1. Концепция развития Ж.Б. Ламарка (1744-1829):

- основные положения изложены в труде «Философия зоологии» (1809);

- Ламаркизм – первая целостная эволюционная концепция, тесно связанная с развитием трансформизма в истории эволюционного учения;

- основные положения: организмы изменчивы; виды и другие таксономические категории условны и постепенно преобразуются в новые виды; общая тенденция исторических изменений организмов – постепенное совершенствование их организации (градация), движущей силой которой является изначальное (заложенное Творцом) стремление природы к прогрессу; организмам присуща изначальная способность целесообразно реагировать на изменения внешних условий; изменения организмов, приобретенные в течение жизни в ответ на изменения условий, наследуются;

- в теории Ж.Б. Ламарка впервые объединены идея изменяемости видов и идея прогрессивной эволюции, но не было найдено объяснения механизмов эволюционного процесса;

- для ламаркизма, в целом, характерны два признака: телеологизм как присущее организмам стремление к совершенствованию и организмоцентризм как признание организма в качестве элементарной единицы эволюции.

3.2. Теория катастроф Ж. Кювье (1769-1832).

- Используя палеонтологическую летопись Земли, Кювье истолковывал ископаемые останки как результаты «катастроф» в ее истории, порождающих новые виды.

3.3. Эволюционная теория Ч. Дарвина (1809-1882).

- основные положения теории Дарвина были изложены в работе «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» (1869);

- разработал стройную и развернутую теорию эволюции. Движущими силами эволюции он считал наследственную изменчивость и естественный отбор, а в качестве элементарной единицы эволюции - вид;

- перестроил идеалы и нормы биологического объяснения.

4. Неоламаркизм – первое крупное антидарвинистское учение, возникшее в конце XIX веке; в дальнейшем – совокупность различных эволюционных концепций, основанных на отдельных положениях ламаркизма.

4.1. Ортоламаркизм (Э.Коп, Г. Осборн, Л.С. Берг, Т. Эймер и др.).

- декларирует направленность эволюции, обусловленную внутренними изначальными свойствами организмов;

- в сущности, представляет собой автогенетическую концепцию, рассматривающую эволюцию как процесс развертывания предсуществующих задатков, который носит целенаправленных характер и происходит на основе изначальных внутренних потенциальных возможностей.

4.2. Механоламаркизм (Г. Спенсер, Э. Геккель, Ф. Вейденрейх и др.).

- объясняет эволюционные преобразования организмов их изначальной способностью целесообразно реагировать изменениями структур и функций на изменения внешней среды (эктогенез);

- основан на признании так называемой адекватной соматической индукции, сводящейся к утверждению, что адаптивные модификации являются эволюционными новообразованиями и наследуются. Эктогенез противопоставляется автогенезу.

4.3. Психоламаркизм (А. Вагнер, А. Паули и др.).

- рассматривает в качестве причин эволюции сознательные волевые акты организмов. Последние присущи не только животным, но и составляющим их клеткам;

- эволюция предстает как постепенное усиление роли сознания в развитии от примитивных существ до разумных форм жизни, что развивало учение о панпсихизме (всеобщей одушевленности).

5. Антидарвинизм конца XIX-начала ХХ века.

5.1. Телеогенез (Карл Бэр).

- телеологическая концепция эволюции близка ортоламаркизму, так как исходит из идеи Ламарка о внутреннем стремлении живых организмов к прогрессу.

5.2. Сальтационизм (А. Зюсс, А. Келликер).

- сальтационизм является модификацией телеогенеза;

- на начальном этапе зарождения жизни возник весь план будущего развития, а влияние внешних условий определяло лишь частные моменты эволюции;

- эволюционные события происходят в результате скачкообразных изменений, прежде всего преобразований эмбриогенеза (сальтаций, или макромутаций).

5.3. Генетический антидарвинизм (Г. де Фриз (мутационизм), Л. Кено (преадаптационизм), И. Лотси (гибридогенез)).

- мутационная изменчивость отождествлялась с эволюционными преобразованиями, что исключало необходимость процесса отбора как главной причины эволюции (Г. де Фриз);

- приспособление возникает не в результате отбора, а в результате единичной мутации, случайно оказавшейся полезной (Л. Кено);

- эволюция посредством гибридизации основана на представлении о постоянстве генов. Согласно И. Лотси, комбинативная изменчивость – единственная причина эволюции.

6. Эволюционные теории первой половины ХХ века.

6.1. Кризис эволюционного учения в начале ХХ века. Связан со столкновением новых данных, методов и обобщений генетики не только с доктринами ламаркизма, но и с основными принципами дарвинизма.

6.2. Преодоление генетического антидарвинизма (20-30-е гг).

- создание ряда новых направлений генетики и экологии, подготовивших научные основы синтеза этих отраслей биологии с дарвинизмом, основанном на учении о популяциях и естественном отборе;

- новыми направлениями стали: экспериментальная систематика (микросистематика), генэкология и геногеография, исследование «малых мутаций», экспериментальные и математические методы исследования борьбы за существование и естественного отбора, генетика популяций, эволюционная цитогенетика, учение об отдаленной гибридизации и полиплоидии.

6.3. Создание синтетической теории эволюции (30-40-е гг.).

План семинара

1. Структура и особенности современной биологии. Проблема интеграции биологических знаний.

2. Понятие «живого». Отличие живого от неживого. Концепции происхождения жизни.

3. Система органического мира, иерархия, уровни.

4. Клетка как сложная самоорганизующаяся система.

5. Понятие эволюции. История развития эволюционных идей.

Примерные вопросы для повторения и самопроверки

1. Дайте определение жизни с различных позиций.

2. Какими свойствами обладает живое?

3. Какие методы использует биология?

4. Каков физический смысл аксиом биологии?