1. Предмет, объект и методы биологии
Биология (от греч. bios – жизнь и logos – наука) – наука о жизни, ее формах и закономерностях развития. Термин введен в начале XIX в. Ж.-Б. Ламарком и Г. Тревиранусом (1776–1837). Это одна из сложных естественных наук. Ее сложность вытекает из характера биологических систем, способных к самостоятельному существованию, начиная с клеток прокариот и кончая экосистемами и биосферой в целом, которые превосходят сложность объектов неживой природы или технических устройств. Физика имеет дело с физическими процессами, химия – с химическими, биология – с физическими, химическими, информационными и биологическими в собственном смысле этого слова.
Объектом биологического познания выступает живая природа. Предметом биологии являются формы и закономерности функционирования и развития живых систем любого уровня.
Биология изучает многообразие вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их свойства, строение, функции, происхождение, индивидуальное развитие, эволюцию, распространение, взаимоотношения друг с другом и окружающей средой. Объекты, которые изучает биология, превосходят по сложности объекты неживой природы или технического мира. Периодическая система Д.И. Менделеева включает 118 элементов, в минералогии известно около 36 тыс. видов естественных минералов, а биологическое разнообразие доходит до 3 млн. видов, что составляет лишь 3% от числа видов, существовавших на Земле.
Методология биологии включает в себя два пути познания живого:
редукционизм – расчленение сложных биологических процессов и систем на отдельные составляющие (анализ);
интегратизм – выделение и фиксация обобщенных характеристик биологических процессов и систем (синтез).
На разных этапах развития биологии одна из этих методологических установок могла доминировать, но наиболее значимых результатов биология добивалась при их сочетании.
Основными методами биологии являются: наблюдение (позволяет описать биологические явления), сравнение (дает возможность найти общие закономерности в строении и жизнедеятельности различных организмов), эксперимент, или опыт (позволяет исследователю изучить свойства биологических объектов), моделирование (имитируются многие процессы, недоступные для непосредственного наблюдения или экспериментального воспроизведения), исторический метод (позволяет на основе данных о современном органическом мире и его прошлом познать процессы развития живой природы).
В современной биологии нашли широкое применение разнообразные математические методы и теоретические представления кибернетики. Их использование привело к появлению таких новых научных дисциплин, как биоинформатика, бионика, биокибернетика, биометрия.
Биоинформатика, используя компьютеры и математические методы, успешно изучает молекулярные компоненты клетки, извлекает информацию о структуре ДНК и белков из экспериментальных данных в исследованиях генома или протеома человека. Бионика возникла на границах между биологией и физикой, химией, кибернетикой, техническими науками. Она решает инженерные задачи, моделирует структуры организмов. Биокибернетика изучает общие закономерностей управления и трансляции информации в живых системах. Биометрия с помощью методов математической статистики планирует и обрабатывает результаты биологических исследований больших системных объектов.
Структура биологии как науки. Современная биология представляет собой разветвленный комплекс наук о живой природе. Ее структуру можно рассматривать по различным критериям.
По объектам исследования выделяются: вирусология, микробиология, ботаника, зоология, антропология. Они изучают происхождение, строение, развитие, свойства, и распространение в природе каждого отдельного вида живых организмов.
По уровню организации объектов выделяют анатомию (изучает строение тел), гистологию (изучает строение органов и ткани), цитологию (изучает клетки).
По структуре, свойствам и проявлениям индивидуальной жизни в биологии выделяют морфологию (изучает формы и строение организмов), физиологию (изучает функции живых организмов, их взаимосвязи и зависимость от внешних и внутренних условий), генетику (изучает закономерности наследственности и изменчивости организмов), биологию развития (изучает закономерности индивидуального развития организмов), эволюционное учение (исследует закономерности исторического развития органического мира), экологию (изучает взаимодействие организмов с окружающей средой).
Жизненные явления на молекулярном уровне изучает молекулярная биология; популяции и биологические особенности организмов – популяционная генетика; закономерности формирования, функционирования, взаимосвязи и развития высших структурных уровней организации жизни на Земле – биогеоценология.
Изучение состава и динамики популяции, т. е. совокупности особей одного вида, имеющих общий генофонд и населяющих определенное пространство с относительно однородными условиями обитания, на молекулярном, клеточном и организменном уровнях является предметом генетики, морфологии, фенологии, экологии.
Химические реакции и физико-химические процессы в живых организмах, а также химический состав и физическую структуру биологических систем всех уровней изучают биохимия и биофизика.
2. История развития биологии и структура биологического знания
В истории биологии выделяется два периода – донаучный и научный.
Донаучные представления человека о сущности живого зафиксированы в магии, мифологии, религии, обыденном опыте. В рамках античной философии заложены основы рационального изучения живого мира. Так, в трудах Аристотеля, Теофраста, Диоскорида обоснованы принципы классификации животных и растений, описаны растительные лекарственные вещества. Римский ученый Плиний Старший в труде «Естественная история» систематизировал знания о живой природе того времени.
Важный вклад в развитие знания о жизни внесли арабские средневековые ученые. В области зоологии Аль-Джахиз высказал идею об эволюции и пищевых цепях. Аль-Динавари описал фазы роста и развития более 637 видов растений. Авиценна в труде «Канон врачебной науки» ввел понятие о клинических исследованиях и фармакологии. Ибн Зухр, положил начало экспериментальной хирургии с использованием животных.
В эпоху Возрождения и Нового времени возрастает интерес к естественной истории и физиологии. Формируется эмпирическая основа биологических знаний, чему в значительной степени способствовало изобретение микроскопа. О. Брунфельс, Л. Фукс положили начало ботанике. О. Брунфельс в книге «Живые изображения трав» составил гербарий и описал немецкую флору. Л. Фукс представил в алфавитном порядке ботанические термины около 400 видов растений. Развитие анатомии, основанной на вскрытии человеческих тел, связывают с именем Андреаса Везалия и его книгой «De humani corporis fabrica». Английский врач У. Гарвей, производя опыты над животными, открыл венозные клапаны и малый круг кровообращения, показал изоляцию правого и левого желудочков сердца. Я. Сваммердам и М. Мальпиги описали внутреннее строение многих беспозвоночных животных.
Научный период в развитии биологии начинается в XVIII веке. В нем выделяется три основных этапа: систематики, эволюционный и микробиологии.
Этап систематики представляют биологи XVIII века – Ж.-Л. Бюффон (Франция) и К. Линней (Швеция). Ж.-Л. Бюффон в 36-томной «Естественной истории» изложил одну из первых концепций трансформизма – изменчивости и происхождения одних организмов от других под воздействием изменений окружающей среды. К. Линней классифицировал известный на тот период эмпирический материал биологии и разделил царства растений и животных на иерархически соподчиненные таксоны – классы, отряды, роды и виды. Каждому таксону было дано название, состоящее из двух слов – родового и видового обозначений.
Переход к эволюционному этапу произошел на рубеже XVIII и XIX вв. Первые эволюционные теории создали ученые XIX века – Ж.-Б. Ламарк и Ч. Дарвин. Ж.-Б. Ламарк разделил всех животных на группы – позвоночных и беспозвоночных, а последних, в свою очередь, – на 10 классов (в отличие от К. Линнея, предложившего два класса). Эти классы Ламарк распределил по порядку увеличения присущего им «стремления к совершенству», отвечающего уровню их организации. Само «живое», по Ламарку, возникло от неживого по воле Творца, но далее развивалось на основе строгих причинных зависимостей.
В 1809 г. вышла книга Ламарка «Философия зоологии», в которой была изложена первая целостная теория эволюции органического мира. Он выделил два общих направления в эволюции – развитие по вертикали и развитие по горизонтали. Восходящее развитие идет от простейших форм жизни ко все более сложным с одновременным формированием у организмов приспособлений в зависимости от изменений внешней среды. Так в биологию впервые вошла идея о роли среды, как важного фактора эволюции. Повышение общего уровня организации живой природы Ламарк назвал градацией. Движущей силой градации ученый считал «стремление природы к прогрессу и совершенствованию», заложенное в нее Творцом. Развитие живых организмов имеет закономерный характер: 1) активно используемый орган успешно развивается, а ненужный исчезает; 2) изменения, приобретенные организмами при активном использовании одних органов и неиспользовании других, сохраняются у потомства.
Роль среды в эволюции организмов по-разному трактуется учеными-эволюционистами. Сторонники эктогенеза (от греч. ektos – вне, снаружи и genesis – возникновение, образование) рассматривают эволюцию как процесс прямого приспособления организмов к среде и простого суммирования приобретенных под ее влиянием изменений. Представители автогенеза объясняют эволюцию живой природы как процесс, не зависимый от внешних условий, направляемый и регулируемый внутренними нематериальными факторами («принципом совершенствования», «силой роста»).
Ч. Дарвин создал учение об эволюции, названное дарвинизмом. В основном труде «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859) он обобщил результаты собственных наблюдений и достижения современной ему биологии и селекционной практики. На этой основе он вскрыл основные факторы эволюции органического мира. В книге «Происхождение человека и половой отбор» (1871) ученый выдвинул гипотезу о естественном происхождении человека в результате эволюции.
В основе эволюции живой природы, по мнению Ч. Дарвина, лежат свойства наследственности, изменчивости и естественный отбор. Наследственность – способность организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом. Изменчивость имеет две формы. Определенная изменчивость отражает способность всех особей одного вида одинаковым образом реагировать на эти условия внешней среды. Неопределенная изменчивость отражает изменения, которые не соответствуют изменениям внешних условий. В современной терминологии неопределенная изменчивость называется мутацией. Она носит наследственный характер. Дарвин подчеркивал, что решающую роль в эволюции играет именно неопределенная изменчивость. Она связана обычно с вредными и нейтральными мутациями, но возможны и такие мутации, которые оказываются перспективными.
Естественный отбор является результатом борьбы за существование и наследственной изменчивости организмов. Борьба за существование – такие отношения между организмами, а также между организмами и средой, которые приводят к гибели менее приспособленных и выживанию более приспособленных особей. Поэтому каждый вид производит больше особей, чем их доживает до взрослого состояния, и каждая особь в течение своей жизнедеятельности вступает в множество отношений с факторами среды.
Этап микробиологии в развитии биологического знания связан с открытием Г. Менделем в 1865 году во время опытов по скрещиванию сортов гороха законов наследственности:
закон расхождения признаков – показывает, что гены передаются как отдельные и отличные друг от друга единицы от одного поколения к другому;
закон независимого комбинирования наследственных признаков – показывает, что половые клетки, содержащие различные наборы генов, случайным образом соединяются с половыми клетками другого родителя.
В 1900 году законы Г. Менделя были подтверждены тремя учеными. Х. де Фриз открыл явление мутации и его роль в возникновении новых видов, а К. Корренс и Э. Чермак, опытным путем подтвердили выводы Г. Менделя. В 1909 г. В. Иогансен назвал дискретные наследственные задатки, открытые Г. Менделем, генами (от греч. genos – происхождение). Современная биология установила, что ген является единицей наследственного материала, ответственной за формирование какого-либо элементарного признака. Он представляет собой участок молекулы ДНК- или РНК-хромосомы. Хромосомы – это структурные элементы ядра клетки, содержащие наследственную информацию.
В 1910–1915 гг. А. Вейсманом и Т. Морганом была разработана хромосомная теория наследственности, согласно которой передача наследственных признаков и свойств организма от поколения к поколению осуществляется через хромосомы, в которых расположены гены. В 1944 г. О. Эвери открыл, что носителем наследственной инфрмации является ДНК. В 1953 г. Ф. Крик, Дж. Уотсон и М. Уилкинс расшифровали структуру ДНК. Молекула ДНК состоит из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, которые являются матрицами для синтеза новых таких цепей. Свойство удвоения ДНК и обеспечивает явления наследственности. Это открытие было удостоено Нобелевской премии.
В результате сформировалась новая наука – молекулярная биология, которая изучает обусловленность роста и развития организмов, хранения и передачи наследственной информации структурой и свойствами биологически важных молекул – белков и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). На основе достижений молекулярной генетики и переосмысления классических эволюционных теорий в современной биологии сложилась синтетическая теория эволюции. Советский биолог Н.И. Вавилов отмечал, что если XIX век был направлен на утверждение идеи эволюции, то XX век сформулировал задачу экспериментального изучения эволюционного процесса. К концу XX века разветвленность биологического знания достигла такого уровня, который позволяет поставить цель создания единой науки о Жизни с учетом ее морфологических, генетических и эколого-географических аспектов.
3. Биологические свойства природной реальности
Биологическая реальность включает объективное существование мира живого, а также активность познающего субъекта, включенную в сложную социальную структуру познавательной деятельности.
Вопрос о происхождении, эволюции и сущности жизни является для естествознания одним из самых трудных, до сих пор дискутируемым. Эта трудность заключается в том, что жизнь возникла на Земле миллиарды лет тому назад и воспроизвести экспериментально этот длительный процесс зарождения и эволюции жизни наука пока не в состоянии.
Проблемы сущности жизни и происхождения жизни на Земле являются взаимосвязанными и требуют привлечения усилий всех естественных наук.
В современной биологии выделяются основные свойства живого: функционирование, саморегуляция и воспроизводство. Вещественную основу жизни составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.
Живые организмы имеют сложную упорядоченную структуру, на поддержание которой используют энергию из окружающей среды, в первую очередь – солнечную энергию. Они способны реагировать на сигналы из внешней среды. Живые организмы изменяются, усложняются и размножаются и передают потомкам наследственный материал, с необходимой для жизни заложенной в нем генетической информацией.
Имеются переходные формы от неживого к живому. Например, у вирусов есть наследственный аппарат, но отсутствуют необходимые для обмена веществ ферменты. Поэтому они могут расти и размножаться лишь в клетках другого организма. В зависимости от того, какой признак живого считается основным, мы относим или не относим вирусы к живым системам.
Основные концепции происхождения жизни. Мифологические и религиозные представления о происхождении жизни формировались в духовной культуре всех народов. Религия объясняет происхождение жизни актом божественного творения (креационизм).
Устойчивую культурную традицию имеют гипотезы космического происхождения жизни. Начиная с XIX в. предпринимаются попытки придать им научный характер. Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), которую поддержали У. Томсон, Г. Гельмгольц. С. Аррениус предложил сходную гипотезу панспермии и космического транспорта. По их мнению, жизнь зародилась в Космосе (или является вечной) и была занесена на Землю. Зародыши жизни наполняют Вселенную. Они могут переноситься с одной планеты на другую под давлением световых лучей. Попадая в сферу притяжения планеты, они оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого.
Сегодня наука располагает данными, свидетельствующими о наличии значительных количеств органического вещества в межзвездных газопылевых облаках и на поверхности космических тел. Обнаружены более 130 органических соединений – необходимых предшественников биомолекул. Концентрация основных элементов, участвующих в образовании биомолекул углерода, азота, серы, фосфора, кислорода и водорода, в целом отвечает средней концентрации этих элементов в космическом пространстве. Учитывая, что плотные и диффузные облака составляют 20–30 % всего галактического вещества, становятся понятными масштабы, в которых осуществляется органический синтез в межзвездном пространстве. Известно, что космическая пыль постоянно захватывается Землей (десятки тонн в сутки). Этот процесс, безусловно, имевший место и в условиях первичной Земли, мог послужить делу занесения органических веществ на поверхность планеты, где они могли претерпевать дальнейшие превращения в более мягких условиях, например в океанической воде.
Исторический интерес представляет гипотеза биогенеза, утверждавшая, что живое может появиться только от живого. Ее обосновал в 1865 г. Л. Пастер. Он нагревал бульон в колбе с длинным, дважды изогнутым кончиком, в котором оседали все споры микроорганизмов, содержавшиеся в воздухе, поступавшем в колбу после кипячения бульона. Такая конструкция колбы не препятствовала доступу воздуха, т. е. «активного начала». Колба оставалась стерильной месяцами, но стоило смочить бульоном изогнутое колено, как в ней начиналось интенсивное развитие микроорганизмов. Опыты Л. Пастера сыграли важную роль в развенчании представлений о самозарождении жизни, поскольку материалистически объясняли возникновение жизни на Земле путем заселения ее спорами микроорганизмов. Вместе с тем, гипотеза биогенеза не давала ответа на вопрос об истоках появления органической материи во Вселенной.
Современные химико-биологические гипотезы происхождения жизни утверждают, что органическая материя самопроизвольно возникла из неорганической (абиогенез). Среди них – гипотезы биохимической эволюции и «РНК-Мира».
Гипотеза биохимической эволюции сформулирована в 20-е гг. XX века А.И. Опариным и Дж. Холдейном. В ней утверждается, что в условиях первичной атмосферы Земли мог происходить синтез всех необходимых для зарождения жизни веществ-предшественников. Органические вещества могли создаваться в океане из более простых соединений. В условиях отсутствия озонового слоя, энергию для этих процессов поставляла интенсивная солнечная радиация, ультрафиолетовое излучение. Разнообразие простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь. Развивая гипотезу Опарина–Холдейна, Дж Бернал выделил последовательные стадии зарождения жизни на Земле: абиогенное возникновение органических веществ; формирование биополимеров; развитие мембранных структур и первых организмов.
Согласно гипотезе «РНК-Мира» основоположниками жизни являлись не белки, а молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК). Синтез органических молекул мог проходить в первичных каплях-коацерватах. Самовоспроизводящиеся делением капли все увеличивались в размерах и постоянно усложнялись, вовлекая в себя новые и новые вещества. Таким путем могла возникнуть первая клетка.
Сегодня биохимия, биофизика, генетика, молекулярная биология, космическая биохимия расширили представления о сущности земной жизни и ее едином происхождении. Все живые организмы состоят из небольшого набора одних и тех же молекул. В любом существе, живущем на Земле, присутствует 20 аминокислот, 5 оснований, 2 углеводорода и 1 фосфат.
Таким образом, жизнь возникла из неживого вещества в результате эволюции материи; она является результатом естественных процессов, происходивших во Вселенной. Жизнь – это свойство материи, которое ранее не существовало и появилось в особый момент истории Земли. Возраст Земли исчисляется примерно 4,6 млрд лет. Жизнь существует на ней около 3,8 млрд лет. От неорганических соединений к органическим, от органических к биологическим – таковы последовательные стадии процесса зарождения жизни.
Проблема начала и эволюции жизни на Земле. Совокупность последовательных стадий возникновения и развития жизни называется биопоэзом. Рассмотрим их:
1. Неорганический синтез малых молекул органических соединений. Происходил в результате длительной эволюции углеродных соединений на поверхности первичной планеты. Вследствие постепенного снижения температуры раскаленной планеты, атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных слоях концентрировались атомы легких элементов (водорода, углерода, кислорода, азота), из которых и состоят тела живых организмов. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения – вода, метан, углекислый газ, аммиак, цианистый и молекулярный водород, кислород, азот. Сложилась первичная атмосфера Земли, которая носила восстановительный характер и была богата инертными газами (гелием, неоном, аргоном). Дальнейшее снижение температуры обусловило переход ряда газообразных соединений в жидкое и твердое состояние, а также образование земной коры. Когда температура поверхности Земли опустилась ниже 100 ?С, произошло сгущение водяных паров. Длительные ливни, грозы и активная вулканическая деятельность привели к взаимодействию карбидов (соединения металлов с углеродом) с водой. В результате выделялись и накапливались простейшие органические соединения. Возможность возникновения низкомолекулярных органических соединений из неорганических в условиях древней атмосферы Земли экспериментально доказал С. Миллер в 1953 г.
2. Неорганический синтез крупных органических молекул (биополимеров). Возможность спонтанного синтеза органических биополимеров из мономеров вне организма была доказана в опытах С. Фокса. Он показал, что в водных растворах слабой концентрации в присутствии цианидов и цианамидов за счет реакций дегидратационного синтеза могут формироваться нуклеотиды и полинуклеотиды, полипептиды, полисахариды и липиды.
3. Образование физико-химических систем (коацерватов) и мембран. В опытах С. Фокса было установлено, что в результате промывания горячей смеси искусственных полимеров водой или водными растворами солей получаются многочисленные микросферы – коацерваты. Коацерваты стабильны, имеют сложную организацию и обладают рядом свойств, которые сближают их с простейшими живыми системами. Они способны поглощать из окружающей среды разные вещества, которые вступают во взаимодействие с соединениями самой капли, и увеличиваться в размере. В них могут происходить процессы распада и выделения продуктов распада. Уже на стадии формирования коацерватов зарождается отбор, который приводит к сохранению наиболее устойчивых, организованных структур. Важнейший этап химической эволюции жизни – образование мембранной структуры – агрегатов белков и липидов, способных отграничить вещество от среды и придать упаковке молекул прочность. Они возникали в ходе формирования коацерватов. Повышенная концентрация органических веществ в коацерватах увеличивала возможность взаимодействия между молекулами и усложнения органических соединений. В «первичном бульоне» также накапливались полинуклеотиды, полипептиды и различные катализаторы, без которых невозможно формирование способности к самовоспроизведению и обмену веществ. Дж. Бернал выдвинул гипотезу о том, что наиболее удачные условия для возникновения жизни складывались в небольших спокойных теплых лагунах с большим количеством ила и глины, частицы которых выступали в качестве своеобразных катализаторов.
4. Возникновение метаболизма. Обмен веществ предполагает наличие ферментов и энергетических систем. Для живых организмов характерно наличие биокатализаторов метаболических процессов – ферментов, а также системы накопления, преобразования и использования энергии.
5. Возникновение точного самовоспроизведения. Главная задача в учении о происхождении жизни – объяснить возникновение матричного синтеза белков, ковариантной репликации. Возникновение у более стойких коацерватов сочетания способности к обмену веществ со способностью к самовоспроизведению составных частей – решающее условие возникновения жизни. Для удвоения нуклеиновых кислот нужны ферментные белки, а для создания белков – нуклеиновые кислоты. Нужно объяснить, как в ходе эволюции объединились две системы – полинуклеотидная (воспроизведение) и полипептидная (каталитическая). Их свойства дополняют друг друга. Нуклеиновые кислоты обладают весьма ограниченными каталитическими функциями, но благодаря принципу комплементарности нуклеотидов они отличаются чрезвычайно высокой точностью воспроизведения. Возникновение в физико-химической системе (коацервате) метаболизма и точного самовоспроизведения стало предпосылкой формирования биологической системы – примитивной гетеротрофной анаэробной праклетки. Это произошло, вероятно, около 3,5 млрд лет назад. Благодаря наличию генетического кода и генетической информации дальнейшее развитие уже могло происходить согласно законам эволюции живой материи:
6. Возникновение автотрофных организмов. В процессе образования биополимеров в борьбе за существование преимущество получили те из них, которые были способны синтезировать мономеры из более простых органических, а затем и неорганических соединений. Так возникли автотрофные организмы. Они синтезировали органические вещества из минеральных, используя для синтеза энергию окислительно-восстановительных реакций.
7. Возникновение эукариотической клетки. Эволюция эукариотической клетки шла по двум направлениям – одноклеточности и многоклеточности. У одноклеточных организмов (инфузория-туфелька) происходила специализация отдельных участков клетки для выполнения различных функций. В ходе эволюционного процесса клетки приобрели свойство адгезии – способность двух разделившихся клеток не распадаться, а оставаться вместе. Появились агрегации (скопления) и колонии клеток, а затем и многоклеточные. А многоклеточных началась дифференциация клеток по строению и выполняемым функциям (питание, движение, размножение). Это привело к формированию тканей, органов и их систем.
Возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами. Так, развитие от первичных пробионтов до аэробных форм потребовало около 2 млрд лет, с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн лет, птицы и млекопитающие развивались от первых наземных позвоночных за 100 млн лет, приматы выделились за 12–15 млн лет, для становления Homo saрiens потребовалось около 50 тыс. лет.
В современных физических условиях нашей планеты невозможно появление живых существ из неорганических систем. Возникшая на Земле жизнь преобразовала планету. Теперь живые существа появляются только вследствие размножения.