Высшее профессиональное образование т. Я. Дубнищева концепции современного естествознания
| Вид материала | Документы |
СодержаниеФизико-химическая биология Эволюционная биология 11.2. Основные свойства живой материи |
- Учебно-методический комплекс концепции современного естествознания высшее профессиональное, 2306.3kb.
- Учебно-методический комплекс концепции современного естествознания высшее профессиональное, 2307.28kb.
- С. Г. Хорошавина концепции современного естествознания курс лекций, 6750.33kb.
- С. Г. Хорошавина концепции современного естествознания курс лекций, 5892.74kb.
- В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 8133.34kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
- Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
- Программа курса «Концепции современного естествознания», 168.05kb.
- Программа дисциплины Концепции современного естествознания Специальность/направление, 456.85kb.
- Бюллетень новых поступлений в нб согу за период с 05. 2011 по 10. 2011гг, 975.89kb.
Проявления жизни на Земле чрезвычайно многообразны, образуя ее живую оболочку. Первые живые организмы на Земле появились, по разным оценкам, 2 — 4 млн лет назад, а более 1 млрд лет назад растения и животные начали раздельное существование и развитие от единого предка. Между животными и растениями много и сходств, и отличий. Но растения и животные объединены во взаимозависимые сообщества, в которые помимо них входят производители, потребители и разрушители живой материи, а также некоторые компоненты неорганической природы. Для изучения такого огромного мира живой природы нужно произвести классификацию по каким-либо сходным группам. Этим занимается часть биологии, называемая систематикой, и ее значение трудно переоценить. На Земле идентифицировано почти 2 млн видов животных и растений, из которых большая часть уже вымерла, но есть еще не открытые.
Основы биологической классификации заложил еще Аристотель. Его учение о материи и форме основано на наблюдениях за живой природой. Организм — законченное целое, реализация формы. Каждая часть организма выполняет функцию, составляющую цель его существования. Вещества органов — это материя, а рост — реализация скрытых в ней возможностей. Аристотель исследовал строение более 500 животных, отметив общий план строения высших животных и описав их внешний вид, рассказал об их образе жизни, нравах. Вместе со своим учеником Теофастом он разделил животных на водные, земные и воздушные, а растения — на травы, деревья и кустарники. Такую классификацию называют естественной. Теофаста считают основоположником ботаники, он выделил однодольные и двудольные растения, от него пошли тер-
416
мины — плод, сердцевина, околоплодник. Аристотель высказывался о единстве живой природы и возможности ее развития, хотя отрицал эволюцию органического мира. Он одним из первых высказал догадку о существовании переходных форм между растениями и животными и ввел в биологию идею о расположении существ (от минералов до человека) на определенной шкале.
С упадком античной цивилизации отношение к природе и человеку изменилось. Христианство рассматривало тело человека только как ничтожную оболочку души, а к X —XI вв. латинская церковь ввела даже безбрачие. Арабский ученый Ибн Сина (Авиценна) искал причинные закономерности в мире природы. На Руси сведения о живой природе были обобщены в «Поучении Владимира Мономаха» (XI в.). Устами Фомы Аквинского церковь провозгласила: «Философия — служанка богословия». Расцветали магия, астрология, колдовство. Натурфилософию арабов, освоивших античные знания и соединивших их с достижениями индусской и китайской культуры, представляет Аверроэс. Альхазен, изучив физиологию зрения и строение глаза, строит ход лучей в нем. Английский мыслитель Р.Бэкон, знакомый с достижениями арабской оптики, советует людям со слабым зрением прикладывать чечевицу к глазам, пишет о камере обскуре. Бэкон выступил против схоластики и призвал не только к освоению античного наследия, но и к добыванию знаний через наблюдения и опыт. Но его труды стали известны лишь через столетие, а сам он был брошен в тюрьму. После упадка знаний в Средние века данные о растениях и животных были собраны в энциклопедии немецкого монаха Альберта Великого (XIII в.), но мир живой природы еще представал в качестве символов, выражающих идеи творца.
В эпоху Возрождения формировались стандарты, критерии и нормы изучения живой природы.
Реформация способствовала возрождению эллинских взглядов на бытие и природу человека, новая нравственность основывалась на развитии естественных свойств человека вне зависимости от религиозных убеждений. Поскольку человек — «венец творения», алхимия настроилась на поиск и изготовление лекарств; развивалась медицина; создавались «аптекарские сады», конезаводы и зоопарки. Леонардо да Винчи описал поведение птиц в полете, способ соединения костей суставами, деятельность сердца и зрительной функции глаза, открыл щитовидную железу. А. Везалий заложил основы научной анатомии, В. Гарвей открыл кровообращение, Дж. Борелли, описав механизмы движения животных, выделял большую роль нервов в осуществлении движения и заложил основы физиологии, а Дж. Майов сравнивал горение и дыхание.
Изобретение микроскопа дало сильнейший импульс развитию биологии. Биологические знания с XVII в. стремительно дифференцировались — последовательно выделялись анатомия, физиология, ботаника, зоология. А. Ван Левенгук обнаружил мир мик-
417
роорганизмов. В трудах Р. Гука, Н. Грю, Я. Гельмота и других ученых получила развитие анатомия растений, были открыты клеточный и тканевый уровень организации растений, сформулированы первые догадки о роли листьев и солнечного света в их питании. Совершенствование методов искусственного опыления закладывало предпосылки генетики. В XVII в. сложился своеобразный синтез анатомии и физиологии, предвосхищающий структурно-функциональный подход. Начинали формироваться научная методология и методики исследования органического мира. Накопленный материал требовал обобщения.Первый этап натуралистической биологии завершился в XVIII в. созданием систем классификации животных и растений. В начале века английский биолог Дж. Рей описал более 18,6 тыс. видов растений, введя понятия род и вид. Он считал, что «один вид никогда не зарождается от семян другого вида», т.е. к одному виду относится группа сходных организмов, происходящих от сходных предков. Сходные признаки — строение рогов или копыт. Шведский ученый К. Линней уточнил понятие «вид», добавив способность «детям» давать плодовитое потомство. Он описал более 10 тыс. видов растений и более 4 тыс. видов животных, ввел терминологию и иерархический порядок описания видов и наименования — класс, отряд, род, вид. Так, класс включает несколько отрядов, отряд — несколько родов, род — несколько видов. В животном мире Линней выделил 6 классов (млекопитающие, птицы, амфибии, рыбы, насекомые, черви). Эти группы он назвал таксонами. С той поры вид — важнейший таксон, хотя сначала в основу разграничения видов были положены морфологические различия — определенный план строения. Сам Линней считал эту классификацию поверхностной, но его бинарная номенклатура (вид, род) практически сохранилась. Вслед за бинарным обозначением вида (род и вид) обычно указывают первооткрывателя вида и год открытия.
При создании естественной классификации выявляли некое «сродство» растений, но организация живого долго не связывалась с зависимостью от истории его развития, так как считалось, что живой мир неизменен и создан Богом. К.Линней считал, что меняться могут только разновидности, а виды неизменны, поскольку «видов столько, сколько различных форм сотворила предвечная сущность». Ж. Бюффон изложил свою концепцию трансформизма (на уровне ограниченной изменчивости видов под влиянием окружающей среды) животного мира в своей «Естественной истории» — 36-томной энциклопедии.
После К.Линнея Ж.Кювье ввел понятие о типе животных и описал несколько типов. Ламарк выделил в природе тела организованные, живые и неорганизованные, неживые. В «Естественной истории растений» (1803) он обращал внимание на происхожде-
418
ние и выделение родственных групп растений. Отметив существование промежуточных разновидностей, сходство ряда черт у животных разных видов, изменение видовых форм при переходе в новые условия и изменения при окультуривании или одомашнивании, Ламарк распределил их по классам несколько иначе, чем Линней. Он разделил животных на позвоночных и беспозвоночных, выделил в отдельные классы паукообразных и кольчатых червей, обосновал идею о путях происхождения человека от обезьяноподобных предков (1809). Затем, после введения понятия «семейство», виды стали объединять в роды, роды — в семейства, семейства — в отряды, отряды — в классы, классы — в типы, типы — в царства. Немецкий ученый Э. Геккель разделил живой мир на царства — простаты, животные и растения. Затем таксоны «дифференцировались» — появились надцарства и подцарства и т. п. После работ Геккеля стали говорить и о генеалогических древах и стволах. Из одного ствола происходят классы, отряды, семейства, роды.
Так сходство строения и эволюционные связи постепенно входили в систематику мира живой природы. Для классификации существуют различные методы, сейчас широко применяют мо-лекулярно-генетические методы с использованием ЭВМ. В традиционной биологии противостоят целостный подход и редукционизм, соответствующие витализму и механицизму, а также телеология и механистический детерминизм. В настоящее время значение натуралистической биологии вновь возросло в связи с экологическими проблемами.
Физико-химическая биология включает в себя изучение тех же объектов живой природы, но с использованием физико-химических методов. В первой половине XIX в. эти методы стали использовать для изучения жизни (Г.Дэви, Ю.Либих), и физиология отделилась от анатомии; тогда же возникла бактериология, которая благодаря трудам Л.Пастера, Р.Коха, И.И.Мечникова впоследствии выросла в самостоятельную науку — микробиологию. В течение века сформировались смежные дисциплины — биохимия, а в конце — и биофизика. В 1865 г. появилась работа Г. Менделя «Опыт над растительными гибридами», в которой было установлено существование генов и сформулированы закономерности, относимые теперь к законам наследственности. После повторного их открытия в 1900 г. появилась и генетика. В 40—50-е гг. XX в. в качестве объектов стали использовать микроорганизмы, и поток новых знаний скачкообразно привел к изучению явлений жизни на молекулярном уровне. Возможности исследований существенно выросли после открытия нуклеиновых кислот, в частности де-зоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК) кислот, а также соединений, содержащих фосфорную кислоту (например, аденозинтрифосфат — АТФ), гормонов, ферментов, ви-
419
русов, биосинтеза белка и т.д. В 1944 г. была открыта генетическая роль ДНК, в 1953 г. — выяснена ее структура, в 1961 г. — расшифрован генетический код, в 2001 г. — расшифрован геном человека. Так происходило объединение молекулярной биологии и молекулярной генетики, называемое физико-химической биологией.В своем большинстве биологические специализированные дисциплины развивались путем редукции (дробление сложных явлений на простые, в основе которых лежат физические и химические законы). Физико-химическими методами пользовались Л. Па-стер, И.М.Сеченов, И.П.Павлов, сумевшие проникнуть в суть многих процессов жизнедеятельности. Арсенал методов существенно расширился, обеспечив резкий взлет биологической науки. Ныне широко используют рентгеноструктурный анализ, метод меченых атомов, электронную микроскопию, спектральные и хроматогра-фические методы, различные зондирования, томографию и др.
Эволюционная биология активно развивается и выводит биологию на лидирующее положение в естествознании. И.Ламарк и Бюффон считали неорганическое вещество умершим, т.е. прошедшим через воздействие жизни. Ламарк отмечал важность длительности истории планеты для образования жизни (1809) и, утверждая связь организации живого и истории его развития, стал использовать эволюционный подход к классификации животного мира. Позже стали появляться и эволюционные идеи не только в систематике, но и в эмбриологии, созданной трудами К. Вольфа, К. Бэра и др. Переход от трасформизма к эволюционизму в биологии происходил в конце XVIII в. Во второй половине XIX в. благодаря Ч.Дарвину в биологию вошел исторический подход, который превращал биологию в науку, способную объяснять происхождение и функционирование многообразных живых систем. Идея естественного отбора как механизма, позволившего «отбраковывать ненужные формы» и образовывать новые виды, нанесла смертельный удар по телеологии в естествознании и утвердила рациональный смысл в биологии. Содержание эволюционной биологии стремительно расширяется. Этому способствуют знания, полученные в других научных дисциплинах. В последние годы наблюдается мощный всплеск построения и исследования самых разнообразных кибернетических моделей, используемых для постижения эффективно функционирующих живых организмов, формируется научная дисциплина — эволюционная кибернетика.
В настоящее время биология представлена комплексом биологических наук. Различие наук может быть по объектам исследования — вирусология, бактериология, ботаника, зоология, антропология. С позиции проявлений свойств живой материи различают морфологию (науку о функционировании организмов), молекулярную биологию (изучающую микроструктуру тканей и клеток), генетику (науку о законах наследственности и изменчивости), экологию
420
(науку о взаимосвязи растений и животных с окружающей средой). Уровень организации исследуемых объектов отражен в отдельных науках — анатомии (макростроение организмов), гистологии (строение тканей), цитологии (строение клеток). Использование методов смежных дисциплин привело к созданию физико-химической биологии, биофизики, биохимии, астробиологии и др.
11.2. Основные свойства живой материи
Биологический уровень организации материи очень сложен, его нельзя свести к закономерностям других естественных наук, и принципы живого нельзя вывести из принципов физики и химии. Существует несколько подходов к определению живого вещества.
1. Сторонники витализма — учения, основанного на при
знании наличия в организмах управляющей ими нематериальной
сверхъестественной силы («души»), считают жизнь явлением уни
кальным, которое невозможно объяснить физико-химическими
процессами. В основе такого взгляда — удивительная сложность
строения и целесообразность поведения живых организмов.
От древности идет представление об энтехелии, одушевляющей «грубую материю тела» и обеспечивающей организмам целенаправленное поведение. Древние египтяне и греки предполагали наличие нескольких «одушевляющих» начал, часть из которых продолжает существовать и после смерти тела. Долгое время люди считали, что эти начала обеспечивают «грубой материи тела» память, мышление и целенаправленные действия. Гомеостаз — одна из целенаправленных реакций, если считать поддержание механизма жизнедеятельности целью, тогда как внешние и внутренние силы этому противодействуют. Разные способы поддержания жизни у разных живых существ — это разные механизмы гомеостаза. Эволюция этих механизмов, направленная на большую независимость жизни от внешних условий, — это развитие организмов. Но объяснения особенностей живого через поиск цели остались достоянием истории науки, они равноценны объяснению: «Луна светит, чтобы освещать мне путь» или «Растения и животные существуют для того, чтобы обеспечивать нас пищей».
2. Представители редукционного подхода считают воз
можным использовать законы физики и химии для объяснения
процессов жизнедеятельности. Было проверено многократно, что
эти законы не нарушаются в биологических системах, но это не
означает, что все свойства живого могут быть ими описаны. Они,
наоборот, отрицают целенаправленность строения и поведения.
И гомеостаз — основу жизни — они объясняют на основе законов неживой природы. Так, терморегуляция теплокровных осуществляется по принципу обратной связи (выделение пота при по-
421
вышении температуры). Аналогом такого поведения считают управляемое радаром зенитное орудие. Согласно Н. Винеру, определенный тип целенаправленной деятельности обеспечивается контролируемым использованием и переработкой информации, поэтому не так важны детали этих перерабатывающих устройств. Сходство между человеком и машиной в этом отношении было отражено и в названии книги Винера «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» (1949), существенно изменившей мировоззрение.Сторонники этого подхода изучают клеточное строение и функционирование организмов. Бактерии и синезеленые водоросли относят к протокариотам (от греч. protos — первый), так как их клетки не имеют оформленного ядра, а ДНК находится прямо в цитоплазме и не окружена мембраной. Зеленые растения, грибы, слизевики и животные относятся к группе эукариот (от греч. ей... — хорошо, полностью) и имеют ядро, т. е. их генетический материал окружен двойной мембраной и образует определенную клеточную структуру. Первые эукариоты, по-видимому, произошли от протокариот около 3 млрд лет назад, или в конце докембрийско-го периода.
Диаметр клетки бактерий около 10-6 м, поэтому их часто называют микробами. Они освоили самые разные среды обитания и широкий диапазон температур. Численность бактерий даже в очень небольшом объеме вещества очень высокая, например, в 1 г парного молока их более 3000 млн. Бактерии, как и грибы, разрушают органическое вещество и участвуют в круговороте веществ, играя особую роль в биосфере. Они важны для плодородия почв и в очистных сооружениях, участвуют в процессе пищеварения, применяются в производстве антибиотиков, используются с различными целями в биотехнологии и генной инженерии. ДНК бактерий представлена одиночными кольцевыми молекулами длиной около 10-3 м, каждая из молекул состоит примерно из 5 млн пар нуклеотидов, или нескольких тысяч генов (в 500 раз меньше, чем у человека).
3. Живая клетка — это элементарная организованная часть живой материи и сложная высокоупорядоченная система. Опытным путем установлено, что в ней непрерывно совершаются синтез крупных молекул из мелких и простых — анаболические (от греч. anabole — подъем) реакции, на которые затрачивается энергия, и их распад — катаболические (от греч. katabole — сбрасывание вниз) реакции. Совокупность этих реакций в клетке и есть процесс метаболизма. Для его поддержания необходим непрерывный приток энергии, и для живого более важна химическая форма энергии. Биологи часто выделяют основные наблюдаемые свойства, отличающие живое от неживого и отражающие специфику биологической формы движения материи.
422
Самовоспроизведение (репродукция) может производиться многократно, а генетическая информация о нем закодирована в молекулах ДНК. На молекулярном уровне самовоспроизведение происходит на основе матричного синтеза ДНК, программирующей синтез белков, которые определяют специфику организма, на других уровнях — огромным разнообразием форм и механизмов, вплоть до образования клеток. Именно разнообразие поддерживает существование видов, определяет специфику жизни.
Иерархичность организации отражает возможности системного подхода к пониманию строения и жизнедеятельности. Клетки как единицы организации специфически организованы в ткани, ткани — в органы, органы — в системы органов. Организмы сорганизованы в популяции, популяции — в биоценозы, а биоценозы — в биогеоценозы, являющиеся элементарными единицами биосферы.
На молекулярном уровне упорядоченность структуры приводит к образованию молекулярных и надмолекулярных структур, отличающихся упорядоченностью в пространстве и во времени. В отличие от объектов неживой природы упорядоченность живого происходит за счет внешней среды, в которой уровень упорядоченности снижается. И процессы, ведущие к упорядоченности живого, идут с локальным уменьшением энтропии. Живые системы в развитии способны к самоорганизации, упорядочиванию структур, росту разнообразия.
Регуляция процессов осуществляется в химических реакциях при помощи механизма обратной связи. В регуляции активности клеток принимают участие гормоны, обеспечивающие химическую регуляцию. Внутри клеток реакции синтеза и распада идут с участием ферментов, синтезируемых внутри самих клеток.
Рост организмов происходит путем увеличения их массы за счет размеров и числа клеток. Развитие представлено индивидуальным (онтогенезом) и историческим (филогенезом) развитием, и одинаково важны наследственность и изменчивость. Развитие, сопутствующее росту, проявляется в усложнении структуры и функций. В онтогенезе формируются признаки в процессе взаимодействия генотипа и среды. В филогенезе появляется большое разнообразие организмов и целесообразность. Эти процессы регулируются и подвержены генетическому контролю. В отличие от объектов неживой природы — кристаллов, которые растут, присоединяя новое вещество к поверхности, живые организмы растут за счет питания изнутри, причем живая протоплазма образуется при ассимиляции питательных веществ. Выживание вида или его бессмертие обеспечивается сохранением признаков родителей у потомства, возникшего путем размножения. Передаваемая следующему поколению информация закодирована в молекулах ДНК и РНК.
423
Гомеостаз (от греч. homoios — подобный, одинаковый + + stasis — неподвижность, состояние) заключается в том, что живые организмы, обитающие в непрерывно меняющихся внешних условиях, поддерживают постоянство своего химического состава и интенсивность течения всех физиологических процессов с помощью авторегуляционных механизмов, при этом сохраняется необходимая ритмичность в периодических изменениях интенсивности.Обмен веществ и энергии обеспечивает гомеостаз и является условием поддержания жизни организма. Первоначально из внешней среды получается энергия в форме солнечного света, затем химическая энергия преобразуется в клетках для синтеза ее структурных компонент, осмотической работы по обеспечению транспорта веществ через мембрану и механической работы по передвижению организма и сокращению мышц.
Питание является источником энергии и веществ, необходимых для жизнедеятельности. Растения усваивают солнечную энергию и самостоятельно создают питательные вещества в процессе фотосинтеза. У грибов, животных (и человека), некоторых растений и большинства бактерий — гетеротрофное (от греч. heteros — другой + trophe — пища) питание: они расщепляют с помощью ферментов органические вещества и усваивают продукты расщепления. Выделение — это выведение из организма конечных продуктов обмена с окружающей средой. Общее свойство открытых систем — обмен энергией и веществом с внешней средой — имеет свои особенности.
С помощью дыхания высвобождается энергия высокоэнергетических соединений, которая запасается в молекулах АТФ, обнаруженных во всех живых клетках. Дыхание относится к процессам метаболизма (от греч. metabole — перемена, превращение), или обмена веществ и энергии.
Раздражимость — избирательная реакция живых существ на изменения внешней и внутренней среды, обеспечивающая стабильность жизнедеятельности. Так, расширение кровеносных сосудов кожи млекопитающих при повышении температуры среды ведет к рассеиванию теплоты в окружающее пространство и восстановлению оптимальной температуры тела. Раздражителями могут быть пища, механические воздействия, свет, звук, температура окружающей среды, яды, электрический ток, радиоактивность...
Подвижность, или способность к движению, свойственна и животным, и растениям, хотя скорости их существенно различаются. Многие одноклеточные могут двигаться с помощью особых органоидов. У многоклеточных к движению способны как клетки, так и органоиды в них. В животных организмах движение осуществляется путем сокращения мышц.
Асимметрия — созидательный и структурообразующий принцип жизни. Неживые системы работают по законам симмет-
424
рии. В классической физике имеют место законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса, заряда и пр.), которые связаны со свойствами симметрии пространства и времени. В изолированных системах происходят обратимые процессы, т. е. имеет место симметрия между прошлым и будущим. Замкнутые системы самопроизвольно и необратимо стремятся к равновесию, процессы идут с ростом энтропии. Законы квантовой физики — проявление более глубоких симметрии. Все функционально важные биомолекулы асимметричны: белки состоят из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты содержат правовращающие сахара, закручена и сама молекула ДНК — двойная спираль. Все процессы происходят с учетом киральности, установлена даже функциональная асимметрия мозга человека. Живое — это открытая система, использующая для сохранения упорядоченности внешний поток энергии и вещества. Жизнь связана с непрерывным нарушением симметрии в отличие от неживых систем.
Дискретность и ц е л о с т н о с т ь — два фундаментальных свойства организации жизни на Земле. Нуклеиновые кислоты и белки — целостные соединения, но в то же время дискретны, так как состоят из нуклеотидов и аминокислот. Репликация ДНК — целостный непрерывный процесс, но она дискретна во времени и пространстве, так как в ней участвуют различные ферменты и генетические структуры. Живые объекты в природе относительно обособлены (особи, популяции, виды). Любая особь состоит из клеток, а клетка и одноклеточные существа — из отдельных орга-нелл. Органеллы состоят из дискретных, высокомолекулярных, органических веществ, которые, в свою очередь, состоят из дискретных атомов, а те — из элементарных частиц. Все эти части и структуры находятся в сложных взаимодействиях, и целостность живой системы отличается от целостности неживой тем, что она поддерживается в процессе развития. И среди живых систем нет двух одинаковых особей, популяций и видов. Жизнь на Земле проявляется в дискретных формах, причем все формы и части образуют структурно-функциональное единство.
В определении понятия «жизнь» к 80-м гг. XX в. сложилось две позиции. Функциональный подход объединял сторонников представлений об организме как о своеобразном «черном ящике» (с неизвестной внутренней структурой или с не особенно важной), своеобразие которого заключается в наличии «управляющих процессов» передачи информации. Лидеры этого подхода — математики А. А. Ляпунов и А. Н. Колмогоров — использовали средства высшей математики в определении специфики жизни, они рассматривали гомеостатические процессы. Их больше интересовали процессы преобразования информации, и они допускали возможность и небелковых форм жизни. Сторонники другого, субстанционального, подхода признавали ключевым наличие
425
определенных субстанций и определенных ее структур. К лидерам этого подхода относился и Опарин, для которого важнейшим было признание наличия обмена веществ, и выдающийся советский биолог В. А.Энгельгардт. Они считали, что изучение проблемы жизни должно основываться на данных химии, а не математики. В организации живого все указанные свойства проявляются на всех уровнях. Но каждый из них имеет и свои особенности.