Концепции современного естествознания

Тема 5.  Актуальные и  методологические проблемы современной биологии и экологии.

1. Предмет биологии, её  структура и основные этапы  развития. Сущность и основные  признаки живого вещества.

                        Человек начал познавать живую природу с древнейших времен, что было обусловлено, прежде всего, необходимостью удовлетворения своей потребности в пище. Но лишь в эпоху античности были предприняты первые целенаправленные попытки изучения и систематизации живых организмов (Гиппократ, Гален, Аристотель). С тех пор биология прошла длительный путь развития, став в настоящее время самой перспективной отраслью естествознания. Исходя из ее объектов исследования и предмета  познания, биологию можно определить как систему наук о живой природе, т.е. обо всем многообразии существовавших и существующих живых организмов, их происхождении, строении, развитии и распространении, связях между собой и с неживой природой.

                          Биология изучает как общие,  так и частные закономерности  проявления жизни в природе.  Поэтому ее структура имеет сложный характер. В зависимости от объектов исследования, биология подразделяется на ботанику, зоологию, антропологию, вирусологию, палеонтологию, бактериологию. В соответствии с уровнем организации живых объектов, биология может быть разделена на  анатомию (изучение макроскопического строения животных), гистологию (исследование строения живых тканей), цитологию (изучение строения клеток живых организмов), молекулярную биологию (исследование молекулярного строения живой материи). По проявлениям свойств живой материи в биологии выделяют: морфологию (науку о строении живых организмов), физиологию (науку о функционировании организмов), микробиологию (изучение микроструктуры живого), генетику (исследование механизмов наследственности и изменчивости), экологию (науку об условиях существования живых организмов и их         взаимодействии с окружающей средой). В биологии также существуют направления, выражающие стремления к целостному познанию живой природы: систематика растений и животных, эволюционное учение, учение о биосфере.

                            За все время существования  биологии в живой природе обнаружено  и описано более миллиона видов  животных, около полумиллиона видов  растений, свыше ста тысяч грибов (низшие растения, изучаемые микологией), множество бактерий и вирусов, но около миллиона видов живых организмов еще ждут своих исследователей.

                            Биология исторически сложилась  и развивалась как описательная  наука о многообразных формах  и видах флоры и фауны. Во  многом она остается такой и сегодня, обогатившись достижениями эволюционного учения и молекулярной биологией. Соответственно, в истории развития биологии можно выделить три этапа. Во-первых, это начальный этап, носивший описательный характер, на котором важнейшее место заняли методы анализа систематизации и классификации  огромного эмпирического материала, накопленного натуралистами. Первые классификации растений, наиболее известной из которых была система Карла Линнея, а также классификация животных Жоржа Бюффона, разработанные в конце            18 века, носили  в значительной мере искусственный характер, поскольку не учитывали происхождения и развития живых организмов. Тем не менее, они способствовали объединению всего биологического знания, его анализу и исследованию причин и факторов  происхождения и эволюции живых систем, первые представления о которых, были заимствованы из опыта изучения живой природы традиционной биологии.

                            Во-вторых, это этап возникновения эволюционной биологии, построенный на  изучении развития как фундаментального и атрибутивного свойства живой природы. Основоположником этого направления является английский естествоиспытатель Чарльз Дарвин. Его целенаправленных наблюдений и примененного им системного подхода при анализе их результатов оказалось вполне достаточно для открытия важнейшего принципа – принципа естественного отбора. Этот принцип оказался настолько основополагающим, что накопленные в дальнейшем знания не смогли отвергнуть или радикально изменить саму идею естественного отбора, хотя и подвергли её определенной коррекции.

                           Очередным третьим этапом, начало  которому положил австрийский  биолог Грегор Мендель, было проникновение в биологию микромира, формирование физико-химической биологии. Именно на этом этапе развития биологии физические и химические методы стали важнейшим инструментом исследования биологических явлений и процессов живой природы. Физико-химическая биология содействует сближению биологии с точными науками - физикой и химией, а также становлению естествознания как единой науки о природе. Внедрение физических и химических методов способствовало развитию экспериментальной биологии, которая с помощью новейших методов,  таких как метод изотопных индикаторов, рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, фракционирование и др., проникло в субмикроскопический, молекулярный и надмолекулярный мир живой природы. Стремительно развиваясь, физико-химическая биология  помогает реконструировать вирусы и синтезировать гены, расшифровывать механизм биологической саморегуляции, что и определяет её блестящее будущее.

                        Предметом биологии являются  живые системы вещества, но самым  фундаментальным вопросом является  вопрос о том, что такое живое,  и чем оно отличается от неживого. Долгое время в советской науке доминировало определение Ф.Энгельса, согласно которому жизнь – это способ существования белковых тел, осуществляющих постоянный обмен веществ с окружающей их средой. Сегодня, можно утверждать, что и обмен веществ и белковое строение необходимы, но не достаточны, для исчерпывающего определения  понятия «жизнь».

Современная биология, определяя живое, идет по пути выявления  совокупности основных свойств (признаков) живых  организмов: субстратных (вещественных), структурных и функциональных, только совместно раскрывающих их специфику. К основным признакам живой материи можно отнести, следующее:

1. В вещественном аспекте  в состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, - белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).
2. В структурном плане все живое имеет высокоупорядоченную структуру, иерархический характер организации – пирамиду подчиненных уровней в ней, клеточное строение. Живые организмы поддерживают и развивают свою упорядоченность за счет энергии, в основном солнечной, получаемой ими из окружающей среды.
3. К функциональным признакам живых систем относятся: обмен веществами и энергией  с окружающей средой в различных формах за счет которого, поддерживаются гомеостаз систем и их приспособление к среде своего обитания; поддержание целостности всех иерархических уровней организации системы и их согласованное функционирование; размножение через механизмы самовоспроизводства, в которых задействованы все структурные уровни, организмов от молекулярных генных структур до высших форм психики. Эти механизмы не только сохраняют основные черты вида, но и обеспечивают его изменчивость, формируя тем самым эволюцию живых организмов. Передача своему потомству полученной и сохраненной в них информации, сосредотачивается в генах - внутриклеточных микроструктурах, являющихся носителями наследственности. Функциональная асимметрия, представляет      собой цепь последовательных нарушений симметрии строения и функционирования, в результате длинного эволюционного процесса самоорганизации (например, асимметрия левого и правого – хиральность живого, обнаруженная Пастером, доказавшим, что белки живого происхождения содержат только один вид изомеров – левовращающие, тогда как в белках абиогенного происхождения оба вида изомеров представлены в равных долях в виде рацемической смеси). Именно асимметрия, свойственная живой материи отличает ее от неживой, по Вернадскому. Отсутствие вне Земли веществ, способных поворачивать плоскость поляризации света, является свидетельством  единственности жизни на Земле.  

Обобщая совокупность этих свойств (признаков), можно определить жизнь как форму существования упорядоченных открытых систем, способных к самоорганизации, самовоспроизведению и эволюции.

2.Основные  концепции происхождения жизни. Особенности процессов пред биологической эволюции.

                            Исторически существовало пять основных концепций возникновения жизни:

1. Жизнь была создана Богом в определенное время – креоционизм (лат.сотворение);
2. Жизнь возникла многократно и самопроизвольно из неживого вещества;
3. Жизнь стационарна, т.е. существовала всегда;
4. Жизнь была занесена на Землю из Космоса   - панспермия;
5. Жизнь возникла на Земле в процессе биохимической эволюции.    

                          Согласно креоционизму,  жизнь  сотворена в момент прошлого, который можно установить. В 1650 году архиепископ Ашер из Ирландии вычислил, что Создатель сотворил Мир в октябре 4004 года до н.э.; а в 9 часов утра 23 октября и человека. Это число он получил из анализа возрастов и родственных связей  всех упоминаемых в Библии лиц. Однако, археологическими  раскопками доказано, что к тому времени на Ближнем Востоке уже  была развитая цивилизация. Впрочем, вопрос сотворения Мира и человека не закрыт, поскольку толковать тексты Библии можно по-разному. Например, сообщение книги «Бытие» о «шести днях творения», с точки зрения последовательности событий,- отражает научные данные. Тем не менее, речь, безусловно, необходимо вести не о днях, а шести продолжительных периодах, причем события этих периодов рассматривать с точки зрения земного «наблюдателя», фиксирующего эти события в течение многих миллионов лет, отводимых на эти события научными данными. Восходящий процесс эволюции Вселенной, ее последовательная самоорганизация дают основание говорить об определенной целенаправленности ее процессов развития. Антропный принцип и является таким доказательством планомерного и предопределенного развития Вселенной.

                             Теория спонтанного зарождения  жизни существовала в Вавилоне, Египте, Китае как альтернатива  креционизму. В Древней Греции  она восходит к Эмпидоклу и  Аристотелю, считавшим, что определенные частицы вещества содержат некое «активное начало», которое при определенных условиях может создать живой организм. Платон говорил о самозарождении живых существ, в процессе гниения. С распространением христианства эти идеи были объявлены еретическими и только в 16 веке они заново возродились. Гельмонт придумал рецепт получения мышей из пшеницы и грязного белья, Бекон тоже считал, что гниение - зачаток нового рождения. Идеи самозарождения жизни поддерживали Галилей, Декарт, Гарвей. Гегель, Ламарк. В 1688 году итальянский биолог Франческо Реди серией опытов с открытыми и закрытыми сосудами доказал, что появляющиеся в гниющем мясе белые маленькие черви – это личинки мух, и сформулировал свой принцип: все живое – их живого. В 1860 году Луи Пастер показал, что бактерии могут быть везде и заражать неживые вещества, а для избавления от них необходима стерилизация нагревом, получившая название пастеризации.

                               Сторонники концепции вечного  существования жизни  не смогли сформулировать её непротиворечивость. Эта теория не совмещалась ни с религиозной, ни с научной точкой зрения, утверждавшей конечность бытия существующей конкретной  Вселенной.

                                Гипотеза панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю извне, например, метеоритами, кометами, не решила вопрос первичного возникновения жизни, перенеся проблему в другое место Вселенной. Так, Либих считал, что атмосферы небесных тел и вращающихся космических туманностей  можно считать вековечными хранилищами и плантациями органических зародышей, откуда жизнь рассеивается во Вселенной. Подобным образом мыслили Кельвин, Гельмгольц, Аррениус, считавший, что живые споры перемещаются в пространстве Вселенной за счет светового давления. Современные аргументы этой гипотезы опираются  на обнаруженные в веществе метеоритов и комет органические соединения, синильную кислоту, воду, формальдегид, цианогены, являющиеся кирпичиками, из которых построены живые системы.

                          У концепции зарождения жизни на Земле в результате физико-химических процессов есть два варианта. Согласно первому, происхождение жизни – это результат практически невероятного, случайного образования единичной, живой молекулы, в строении которой, оказался заложенным весь план и механизм дальнейшего развития живого вещества. Французский биолог Моно утверждал, что жизнь не следует из законов физики, но совместима с ними, являясь исключительным событием. Согласно, другой точки зрения, происхождение жизни – это результат необходимого закономерного развития материи, в которой жизнь естественным образом возникает из неживой природы, подготовленная длительным процессом пред биологической эволюции.

                          Пионером научного подхода к  проблеме возникновения живого был русский биохимик академик А.И.Опарин, опубликовавший в 1924 году брошюру «Происхождение жизни», в которой он раскрыл возникновение жизни как единый процесс, включающий химическую, а затем биохимическую эволюцию в неразрывной связи с геологической эволюцией внешних оболочек Земли. Он констатировал, что организмы подчиняются тем же физическим и химическим законам, что и неживое вещество, но, учитывая огромное различие в сложности их структур, сделал вывод, что возникновение клетки (простейшего организма) представляет собой результат длительной и сложной физико-химической пред биологической эволюции, занявшей  около двухсот миллионов лет. Её первым этапом было образование простых органических соединений из неорганических, а затем образование сложных полимерных молекул из простых.      

                          Для существования живых систем,  прежде всего, был необходим  нужный набор их материальных носителей – химических элементов. Из более сотни известных химических элементов, только шесть,  получивших наименование органогенов, - составляют минимальную основу живого вещества: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и серу. Общая весовая доля их составляет в организмах 97,4 %. Двенадцать элементов, составляющих весовую долю 1,6%, входят в состав многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь,  цинк, кобальт.  1,0 % в организмах приходится еще на двадцать элементов. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано.

                          Картина химического мира доказывает  жесточайший отбор химических  элементов при формировании органических  систем, а тем более, биосистем.  Из известных, 8 млн. химических  соединений,  96,0 % - органические соединения, образованные из все тех же, 6 – 18 элементов. В космосе наиболее распространены лишь два элемента – водород и гелий. На Земле из органогенов, наиболее представлены - кислород и водород. Органоген номер один – углерод занимает в атмосфере Земли 0,01 весового процента, в океанах около 0,002, в литосфере – 0,1. Таким образом, в вещественном плане в результате отбора элементов, способных к образованию прочных и, следовательно, энергоёмких химических связей, а также связей лабильных, (легко подвергающихся гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению), образовался достаточный и необходимый круг  химических элементов для построения органических живых систем. Именно углерод и стал основой жизни на Земле, хотя теоретически возможна и «кремниевая жизнь». Углерод образует почти все типы связей, какие знает химия: 1 – 4 и 6 – ти электронные, ковалентные, ионные и ионидные и т.д. Он способен создавать десятки миллионов видов подвижных низкоэлектропроводных, студенистых цепеобразных структур. Его соединения с водородом, кислородом, азотом, фосфором, железом, серой имеют замечательные каталитические, строительные, энергетические и иные свойства. Атомы углерода вырабатываются в недрах больших звезд в необходимом для возникновения жизни  количестве.

                         Клетка кроме 17,0% углерода содержит 70,0% кислорода, 10,0% водорода и 3,0%азота.  Все эти кирпичики живого вещества  принадлежат к наиболее устойчивым  и распространенным во Вселенной  химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются в воде.

                          Подобно отбору органогенов, в  процессе эволюции природы шел  тщательный отбор и химических  соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого организма участвуют лишь несколько сотен; из ста известных аминокислот в состав белков входит только двадцать. Необозримый мир животных и растений, таким образом, составлен из очень узкого круга, отобранных природой, органических веществ. Полагают, что когда период химической подготовки сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция словно застыла. Так, аминокислотный состав гемоглобина самых низших позвоночных и человека практически один и тот же, как и ферментативный состав у разных видов растений и т.п. Каким же образом проводилась та химическая подготовка, в результате которой из минимума химических элементов и химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс – биосистема? В частности, в ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали  повышению активности  и селективности действия каталитических групп, роль которых, с момента их появления (при температуре ниже 5000 К.) непрерывно возрастала и скачкообразно увеличивалась после возникновения сложных химических соединений.