Биология на рубеже XX–XXI вв

К началу XXI в. биология достигла выдающихся результатов в эмпирической, теоретической и прикладных областях. Накоплен грандиозный массив новых эмпирических данных, особенно в молекулярной генетике; с помощью синтетической теории эволюции и более частных теорий удалось в основном успешно обобщить эти данные, объяснить сложные, многосторонние процессы эволюции; построить достаточно детальную биологическую картину мира. Велики и достижения прикладных биологических наук; чрезвычайно значительны открывающиеся перед ними перспективы.

Но процесс познания органического мира, конечно, еще далек от своего завершения. Нужно решить много сложных проблем, сделать немало открытий, разгадать множество тайн живого. Важнейшей вехой здесь должен стать новый синтез наук, изучающих историю живого, и наук, исследующих структурно-инвариантные аспекты живого, который, по-видимому, дополнит синтетическую теорию эволюции. В последней четверти XX в. накоплен большой массив эмпирического материала, свидетельствующего о качественном своеобразии макроэволюционных явлений, несводимости их к микроэволюции.

Так, в частности, выделена новая форма видообразования – синтезогенез, которая предполагает гибридогенное происхождение видов, слияние генофондов разных видов. Представления о многократном синтезогенезе объясняют происхождение эукариот от прокариотической клетки и происхождение фотосинтезирующих растений. Кроме того, получено много новых экспериментальных доказательств возможности макромутаций, которые придают организму признак другого таксона, более высокого ранга, и тем самым закладывают новые генетические системы. Особенно эффективна такая мутация, если она касается регуляторных генов, которые контролируют онтогенез и морфогенез. Например, начало совершенно новому виду может дать маленькая редкая мутация регулятивных генов, вызванная спонтанным удвоением отдельных участков ДНК, дупликацией генов, явлением трансдукции (переноса) генов (бактериями, вирусами, между прокариотами и эукариотами и др.), мобильными генами и др.

Согласно исследованиям последних двух–трех десятилетий, хромосомные мутации не принадлежат к редким явлениям: примерно 4–5% основных видов млекопитающих характеризуются хромосомным полиморфизмом. Хромосомные мутации сыграли важную роль и в происхождении человека. Набор хромосом человека (2n = 46) отличается от набора хромосом его ближайших антропоидных предков (2n = 48). Очевидно, в процессе антропогенеза хромосомные мутации обеспечили репродуктивную изоляцию предков человека от их ближайших родичей.

Заметим, что хромосомные перестройки (разрывы, слияния) являются не равновероятными, а происходят в некоторых «слабых местах» (на границах разных генетических блоков). Это значит, что вероятность встречи двух особей с одинаковой хромосомной мутацией не так уж мала, причем она возрастает, если данный вид оказывается под воздействием мощных мутагенных факторов, таких как вирусные пандемии, высокая естественная радиоактивность, гамма-излучение, высокая концентрация радоновых вод, солей тяжелых металлов в районах с повышенной сейсмической активностью, где к тому же за счет частых изменений ландшафта происходит изоляция популяций или их частей, в результате чего скорость видообразования резко увеличивается.

Таким образом, новый теоретический синтез в современной биологии опирается на представление о многообразии путей и форм видообразования. В природе существует и медленное, постепенное, кумулятивное (через микроэволюцию) видообразование, и прерывистое, дискретное, скачкообразное (через механизмы макроэволюции). Из этого, в частности, следует мозаичность эволюции, т.е. неравномерность темпов эволюции различных таксонов; неравномерность, независимость преобразования и эволюции органов (морфологических структур, разных молекул и др.) внутри одной системы организма. Новый теоретический синтез биологического знания еще не завершен, это дело будущего.

В XX в. роль биологии в системе естествознания непрерывно возрастала. Выражением этой тенденции являются следующие процессы: укрепление связи биологии с точными и гуманитарными науками; развитие комплексных и междисциплинарных исследований; увеличение каналов взаимосвязи с теоретическим познанием и сферой практической деятельности, прежде всего с глобальными проблемами современности; явное участие запросов практики в актуализации тех или иных проблем биологического познания; непосредственно программирующая роль биологии по отношению к аграрной, медицинской, экологической и другим видам практической деятельности; возрастание ответственности ученых-биологов за судьбы человечества (прежде всего в связи с перспективами генной инженерии); проявление гуманистического начала биологического познания, широкое внедрение ценностных подходов и др. 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.

Методологические установки биологии XX в. значительно отличаются от методологических регулятивов классической биологии. Назовем основные направления, по которым произошло их размежевание.

Во-первых, качественно новое представление объекта познания. Представление о том, что «клеточкой» эволюционного процесса выступает не организм, а популяция, может рассматриваться как исходный момент в формировании системы методологических установок неклассической биологии.

Во-вторых, качественно новая гносеологическая ситуация, требующая явного указания на условия познания, на особенности субъект-объектных отношений; невозможность пренебречь ролью и позицией субъекта познания в окончательном результате биологического исследования.

В-третьих, установление диалектического единства ранее противопоставлявшихся друг другу методологических подходов. На этом пути формируются методологические установки, предполагающие:

· единство описательно-классифицирующего и объяснительно-номотетического подходов;

· единство операций расчленения, редукции к более элементарным компонентам и процессов интегрирующего воспроизводства целостной организации;

· диалектическое сочетание структурного и исторического подходов;

· понимание причинности, учитывающее диалектику необходимости и случайности, внутреннего и внешнего через единство функционально-целевого и статистически-вероятностного подходов;

· единство эмпирических исследований и процесса интенсивной теоретизации биологического знания, включающего его формализацию, математизацию, аксиоматизацию и др.

В-четвертых, в XX в. заметно преобразовывается мировоззренческая функция биологии. В начале XXI в. мировоззренческая нацеленность биологии, ориентированность ее результатов на конкретизацию наших представлений об отношении человек – мир реализуется:

1) в направлении на человека, на выявление взаимосвязей биологического и социального в человеке; определение функционирования биологического в общественном (социуме). Человек становится непосредственной исходной «точкой отсчета» биологической науки: от него, для него и на него непосредственно ориентировано познание живого;

2) в направлении на мир, на выявление закономерностей включенности живого в эволюцию Вселенной, перспектив биологического мира в развитии мира космического. Это направление раскрывается, прежде всего, через взаимосвязь биологических и астрономических наук. В XIX–XX вв. основной формой интегрирования этих двух отраслей познания выступила астробиология – поиск и исследование имеющимися в нашем распоряжении средствами (во второй половине XX в. это, прежде всего, всеволновые астрономические наблюдения и космические аппараты) неземных форм жизни.

10.5. Ноосферогенез

Под ноосферой понимается сфера взаимодействия природы и общества, в которой человеческий разум при посредстве технически оснащённой деятельности становится определяющим фактором развития. К появлению учения о ноосфере привело развитие естествознания Нового времени. Ж.Бюффон (1707 – 1778) обосновал геологическое значение человека. Д.Д.Дана (1813-1895) и Д. Ле-Конт (1823-1901) выявили эмпирическое обобщение, которое показывает, что эволюция живого вещества идёт в определённом направлении, названном процессом «цефализации». В 1922-23 гг. В. И. Вернадский, читая лекции в Париже, выдвинул тезис о биогеохимических явлениях как основе биосферы. В 1927 г. французский математик и философ Е. Леруа ввёл понятие ноосферы как современной стадии, геологически переживаемой биосферой.

Обобщив результаты исследований в отрасли геологии, палеонтологии, биологии и других естественных наук, В. И. Вернадский пришел к выводу, что «биосфера – это стойкая динамическая система, равновесие которой установилось в основных своих чертах с археозоя и неизменно действует на протяжении 1.5 – 2 милр. лет». Он доказал, что устойчивость биосферы за это время обнаруживается в постоянстве ее общей массы (около 10¹⁹ т), массы живого вещества (10¹⁸т), энергии, связанной с живым веществом (10¹⁸ ккал), и среднего химического состава всего живого.

Стойкость биосферы Вернадский связывал с тем обстоятельством, что «функции жизни в биосфере — биогеохимические функции — неизменные на протяжении геологического времени, и ни одна из них не появилась снова с ходом геологического времени». Все функции живых организмов в биосфере (образование газов, окислительные и обновленные процессы, концентрация химических элементов и т. п.) не могут выполняться организмами какого-либо одного вида, а лишь их комплексом. Отсюда вытекает чрезвычайно важное положение, разработанное Вернадским: биосфера Земли сформировалась с самого начала как сложная система с большим количеством видов организмов, каждый из которых выполнял свою роль в общей системе. Без этого биосфера вообще не могла бы существовать. Отсюда следует, что любая трактовка ноосферогенеза может подразумевать только качественное изменение отношений человека с биосферой, но не качественное изменение самой биосферы, ни, тем более, её «отмену».

Вернадскому принадлежит открытие основного закона биосферы: «Количество живого вещества является планетной константой со времен архейской эры, то есть за все геологическое время». На протяжении этого периода живой мир морфологически изменился неузнаваемо, но такие изменения заметно не повлияли ни на количество живого вещества, ни на его средний валовой состав. Дело здесь в том, как считает Вернадский, что «в сложной организованности биосферы происходили в границах живого вещества лишь перегруппирования химических элементов, а не коренные изменения их состава и количества».

Постоянно подчеркивая, что его позиция – это позиция натуралиста, В.И. Вернадский говорил о биосфере как о «естественном теле», как о «монолите», вбирающем в себя всю совокупность живого вещества планеты. Очевидно, что и человек, как живое существо, включен в биосферу, понимаемую в качестве природно-биологического образования. В таком случае антропогенные факторы эволюции биосферы становятся в один ряд с другими природными параметрами.

Вместе с тем В. И. Вернадский говорил о том, что понятие «естественного тела» изменяет свое содержание в зависимости от контекста. В этом отношении существенно, что «начало» ноосферы отсчитывается с того, условно говоря, момента, когда появился разум. «С появлением на нашей планете одаренного разумом живого существа, - писал Вернадский, - планета переходит в новую стадию своей истории. Биосфера переходит в ноосферу». Выработанная в социальной среде научная мысль создаёт в биосфере новую геологическую силу. Биосфера переходит тем самым в новое эволюционное состояние.

Научная мысль как проявление живого вещества по существу не может быть обратимым явлением, утверждает В. И. Вернадский. Рост научной мысли, тесно связанный с ростом заселения человеком биосферы, должен ограничиваться чуждой живому веществу средой и оказывать на неё давление, поскольку он связан с возрастающим количеством живого вещества, прямо или косвенно участвующего в научной работе. Этот рост и связанное с ним давление постоянно увеличиваются благодаря тому, что в них резко проявляется действие массы создаваемых технических средств, экспансия которых в ноосфере подчиняется тем же законам, что и размножение живого вещества, то есть, выражается в геометрических прогрессиях.

Кроме этого формирование ноосферы, согласно В. И. Вернадскому, определяется следующими условиями и предпосылками:

1. Человечество стало единым целым. Ход мировой истории охватил весь земной шар, включив в единый процесс различные культурные области, некогда существовавшие изолированно.

2. Преобразование средств связи и обмена сделало регулярным и систематическим обмен веществом, энергией и информацией между различными элементами ноосферы.

3. Овладение новыми источниками энергии дало человеку возможность коренного преобразования окружающей среды.

4. Растёт благосостояние народных масс, трудом и разумом которых создаётся ноосфера.

5. Осознаны равенство всех людей и важность исключения войн из жизни общества.

Мы упростим само понимание эволюции, если будем считать, что только находимся на пороге ноосферогенеза, что «ноосфера» - это чуть ли не то самое светлое будущее человечества, которое совсем недавно обозначалось словом «коммунизм». Не точнее ли говорить о современности как о качественно новой ступени развития ноосферы, сохранив ту «начальную» точку отсчета ее эволюции, когда с появлением цивилизации на Земле биосфера стала природно-социальной системой.

Все процессы, происходящие на Земле и существенные для человека и цивилизации, суть процессы преобразования свободной энергии. Земля – открытая система, и земная жизнь обязана своим существованием потоку свободной энергии солнечно-космической природы, пронизывающему нашу планету. Сама хозяйственная деятельность человека – одна из реализаций этого потока, и все наши технологические ухищрения в конечном счете подчиняются закономерностям термодинамики открытых систем. Потоком свободной энергии можно управлять, либо увеличивая поток энергии, либо уменьшая поток энтропии. Первую задачу выполняют новые энергетические технологии, вторую – новые информационные технологии.

В результате человеческой деятельности на планете происходят изменения: теплеет климат, уменьшается количество стратосферного озона, сокращаются площади лесов, загрязняются атмосфера, гидросфера и почвы, увеличивается площадь пустынь, исчезают виды растений и животных. Влияние на состояние экосистем оказывает интенсивное сжигание ископаемого топлива.

Всё это в конечном счете приводит к незамкнутости биотического круговорота. Нарушаются главные закономерности, лежащие в основе длительного существования жизни: относительная замкнутость круговорота, локализация уничтожения вредных отходов, экономия материальных ресурсов. Разумная по своим намерениям деятельность людей в масштабе биосферы в большинстве случаев оказывается разрушительной. Может ли всё это представлять угрозу для существования биосферы?

Биосфера включает нижний слой атмосферы, верхний слой литосферы, гидросферу и совокупность обитающих здесь живых организмов (биоту). Устойчивость биосферы, то есть её способность возвращаться в исходное состояние после любых возмущающих воздействий, очень велика. Биосфера существует уже около 4 миллиардов лет, и за это время её эволюция не прерывалась. Это следует из того, что все живые организмы от вируса до человека имеют один и тот же генетический код, записанный в молекуле ДНК, а их белки построены из 20 аминокислот, одинаковых у всех организмов. Только за последние 600 миллионов лет отмечено шесть крупных катастроф, в результате которых происходило вымирание почти 70% видов. Но биосфера всегда восстанавливалась.

Биота прошла огромный путь эволюции от простейших организмов до животных и растений и достигла видового разнообразия, которое оценивается как ~ 10 миллионов видов животных, растений и микроорганизмов. Состояние биоты определяется в основном физико-химическими характеристиками окружающей среды. Мы называем их совокупность климатом. Основная климатическая характеристика – температура у поверхности Земли. Её изменения за всё время эволюции биосферы составили всего от 10⁰ до 20⁰С.

За 4 миллиарда лет концентрация СО₂ в атмосфере уменьшилась в 100 - 1000 раз, что отрицательно повлияло на питание растений. Накопление кислорода привело к полному вытеснению анаэробных организмов, создавших, по сути, кислородную атмосферу. С 1800 г. по настоящий период концентрация СО₂ в атмосфере увеличилась с 280 до 360 млн.. моль/м³(в миллионных долях от полной концентрации атмосферных частиц). Это важнейший показатель для биосферы, так как СО₂, во-первых, парниковый газ, который вместе с водяным паром определяет парниковый эффект, а следовательно и климат, и, во-вторых, он – основная пища растений. При этом увеличивалась и скорость накопления углерода в атмосфере. Но ещё быстрее увеличивалась скорость выброса углерода в атмосферу при сжигании ископаемого топлива и производстве цемента. Из этих данных следует:

1. Рост содержания СО₂ в атмосфере вызван антропогенными выбросами.

2. Биота забирала из атмосферы в процессе фотосинтеза не только весь углерод, выделенный ею же в атмосферу в процессах дыхания и разложения – около 100 млрд. т. в год, - но и около половины углерода, содержащегося в антропогенных выбросах, в последние годы до 2/3.

3. Раз увеличивался сток СО₂ из атмосферы в биоту, значит, либо увеличивалась глобальная биомасса, либо увеличивалась её продуктивность. Но как это возможно, если уменьшалась площадь лесов. Следовательно, или увеличивалась биомасса других экосистем и масса корней, или увеличилась продуктивность ряда растений.

Таким образом, эти данные не дают оснований утверждать, что биосфера теряет устойчивость.Но основания для беспокойства есть, так как увеличение содержания СО₂ и других парниковых газов в атмосфере приводит к потеплению климата. Быстрое расходование ископаемого топлива приведёт к истощению его запасов в исторически короткие сроки: нефти и газа - через 60-80 лет, угля - через 1000-3000 лет. Внушают тревогу данные об ухудшении состояния тропических лесов. По данным Международного комитета ООН по изменению климата температура к 2050 году повысится на 1.5⁰-2.5⁰. При этом уровень океана повысится на 35-55 см. Пострадают прибрежные районы многих стран. Общее количество осадков увеличится на 3-15%, но распределятся они неравномерно. Поэтому увеличится площадь пустынь и все климатические зоны сдвинутся от экватора к полюсам примерно на 500 км.

Перед обществом стоит грандиозная задача: включение человеческой деятельности в биотический круговорот планеты, что, собственно, и означает ноогенез человечества. В основе его разработка методов и способов сознательного регулирования обмена веществ между человеком и биосферой с целью сохранения биотического круговорота и многообразия биосферы. Конфликт между человеком и биосферой, естественно, не может быть решён путём возврата человечества к полудикому состоянию, и техносфера не в состоянии заменить биосферу. Он может быть решён в направлении дальнейшего научного и технологического прорыва, который даст возможность разработать необходимые способы и методы сохранения биосферы.

Антропоцентрическое мышление и биосферное мышление – два кардинально различающихся типа мировоззрения. Это касается:

1. характера проблем – методологических, исследовательских, хозяйственно-промышленных и т. д.;

2. множества людей – от отдельных личностей, групп людей, объединенных по социальной, религиозной, национальной или иной принадлежности, до населения стран, материков и человечества в целом;

3. размера территории, подвергающейся антропогенному воздействию – от десятков – сотен квадратных метров, частей ландшафта до обширных регионов, витасферы и биосферы в целом.

Одним из главных признаков различия двух мировоззрений является отношение к времени. При антропоцентрическом подходе, как правило, ограничиваются оценками и прогнозами краткосрочными – максимум ближайшее десятилетие, в то время как при биосферном основу должны составлять долгосрочные оценки и прогнозы – минимум десятилетия и столетия. Антропоцентризм делает акцент на судьбах ныне живущих людей и их сиюминутных интересах, в крайнем случае – их детей и уж совсем абстрактно – внуков. В то время как биосферное мышление будет охватывать череду поколений и действительно приобретет, таким образом, право говорить о судьбе человечества.

Антропоцентризм локализует анализ воздействий на природные комплексы в пространстве. При биосферном подходе сознается важность возможного «расползания» эффектов на обширные территории. Антропоцентрический подход, реализуемый в каком-то промышленном проекте, предъявляет своим противникам требование: «Докажите, что этот проект будет в каком-то отношении вредным». Биосферный подход требует аргументов в пользу того, что наличествующее состояния природы не будет ухудшено. В конечном итоге антропоцентризм формулирует целевую функцию, как «было бы лучше человеку сегодня, а там видно будет», биосферное мышление - «не может быть человеку лучше, если не исключено ухудшение природных комплексов».

Опыт показывает, что антропоцентрический подход довольствуется остаточным принципом финансирования фундаментальных исследований, являющихся, по словам В. И. Вернадского, основой формирования биосферного мышления: «Основной геологической силой, создающей ноосферу, является рост научного знания».