Лекция  №13

    Тема: Основы наследственности

    (с. 218-235 /1/; с. 298-311 /2/, с. 68-73 Ю) 

• Законы  генетики Менделя.
• Открытие и изучение клетки.
• Эволюционная биология.

     Эволюционная  биология. Теория эволюции Ч. Дарвина

 

    Для живой природы развитие по времени  – неотъемлемое  и наиболее характерное  свойство. В биологии эта концепция  обрела функции платформы, на которой  происходит синтез разнородного специализированного  биологического знания. В итоге сформировалась достаточно самостоятельная область знаний – эволюционная биология.

    Вам, конечно, хорошо известны основы дарвинизма из курса средней школы. Ч. Дарвин создал свою теорию, будучи типичным натуралистом: его – плод пристальных наблюдений над живой природой в самых различных ее проявлениях. Весьма скромные в его времена знания о химическом составе организмов и процессах обмена веществ не имели для него сколько – ни будь существенного значения. Тем не менее, одних только наблюдений и описаний оказалось достаточно, чтобы родилась главная идея, переросшая затем в целостную теорию – идея естественного отбора. Ч. Дарвину удалось выявить  такие факты, которые при их обобщении как оказалось, имеют универсальное значение. Идея развития (или эволюции), а также исторический метод были взяты на вооружение всем естествознанием.

    Облик эволюционной биологии как науки  сложился в результате объединения  двух потоков знаний: самого эволюционного  учения и знаний, полученных другими  науками относительно эволюции и  ее механизмов. Содержание эволюционной биологии постоянно расширяется. Новые научные достижения в молекулярной биологии, цитологии (науки о строении и функционировании живых клеток), палеонтологии способствует этому. Ученые всерьез подумывают: а не пора ли провести новый эволюционный синтез полученных знаний. В его осуществлении многие биологи видят путь к оформлению самостоятельной дисциплины – теоретической биологии. Однако, ряд ученых считает, что уровень достигнутых знаний пока еще не достаточно высок для подобной эволюции в биологии.  

    Формы и уровни жизни 

    Все объекты живой и неживой природы  по строению представляют собой системы, для которых характерно иерархическое  соподчинение, входящих в них элементов, т. е. структурных уровней организации. Самые элементарные из них относятся к области познания физики, - это электроны, протоны, другие элементарные частицы. Затем идут атомные уровни, молекулярные уровни, изучением которых занимаются как физика, так и химия. За молекулярным уровнем следует субмолекулярный, - уровень исследования работы молекул как единого целого; и так далее, вплоть до уровней организмов и сообществ из них. Каждый ниже лежащий уровень располагается как бы в оболочке выше лежащего уровня и сохраняет его особенности. Деление же на части или уровни исследования происходит в соответствии с реальными структурными уровнями живого объекта.

    Проблема  различной степени упорядоченности  и организованности живой материи  возникла у натуралистов еще в  ХVIII - XIX в. Первым толчком к ее проявлению послужило провозглашение в 1830-е годы клеточной теории. А в 1846 г. М. Шлейден – один из основателей этой теории – сформулировал положение о существовании живых тел (различного порядка организованности). Незадолго до этого Э. Геккель выдвинул гипотезу, согласно которой протоплазма клетки неоднородна, а состоит из каких то надмолекулярных частиц, названных им пластидулами. С одной стороны утверждалась идея дискретности, т. е. делимости целого на структуры более низкой организации, а с другой – этим структурам приписывалась постоянная и самостоятельная функция.

    В первой половине  XIX в. в биологии появляется история теории систем. Одна из первых ее страниц была посвящена редукционизму, представляющему собой механистический материализм. Согласно ему все высшее сводится к низшему: процессы жизнедеятельности – к совокупности их физико–химических реакций. Качественное своеобразие живого отрицалось.         

    Схема классификации структурных  уровней биосистем.      

 

                                                                                   стадо

                                                                               

                                                                   

 

 

 

 

 

 

 
 
 

    Молекулярно – генетический уровень 

    Одно  из главных событий в истории  биологии XX в. – выход экспериментальной физико-химической биологии на изучение молекулярного уровня живой природы. В результате исследования на молекулярно-генетическом уровне произошло не только слияние отдельных биологических дисциплин в «единый фронт» наук, но и тесное сближение биологии со смежными ей физикой и химией. А это значит, что проблемы, считавшиеся раньше чисто биологическими, теперь стали по – существу проблемами всего естествознания. На странице научной литературы «хлынул» поток фактического материала, оценить который как принадлежащий какой – либо конкретной науки практически невозможно.

    Существует 3 главные проблемы, которые стали объектом исследования на молекулярном уровне:

1. Происхождение жизни
2. Молекулярно-генетический подход к изучению эволюции.
3. Изучение молекулярных основ воспроизводства жизни и процесса жизнедеятельности.

    Происхождение жизни

 

    Целая эпоха в истории изучения проблемы происхождения жизни связана  с трудами А. И. Опарина и его учеников. Пик исследований ученого приходится на 1950-1970 гг., хотя основополагающий его труд «Происхождение жизни» был опубликован еще в 1742 г. Уже в нем были изложены все те идеи, которые составили основу гипотезы Опарина. Главная их них – зарождение жизни на земле – длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой.

    Опарин  предложил новую идею химической эволюции. - когда под воздействием сильнодействующих физико-химических факторов (температуры, ультрафиолетового  и рентгеновского излучения, электрических разрядов большой мощности и атмосферного давления), происходит самопроизвольное превращение ряда неорганических соединений в органические «кирпичики жизни» - аминокислоты, нуклеозиды и нуклеотиды, простейшие полисахариды и в молекулы АТФ, способны запасать химическую энергию.

    Идея  химической эволюции в 1920 г. «носилась  в воздухе». Подобного рода эксперименты были распространены во многих лабораториях мира. Это не удивительно, - химия  в то время была в зените славы  и процветания. Однако, перед учеными поддержавшими идею химической эволюции сразу же возник риторический вопрос: а что произошло раньше  - аминокислоты и белки или же молекулы, ответственные за производство живого – нуклеотиды и нуклеозиды. Другими словами, еще в те годы был поставлен вопрос о происхождении всем известной «курицы и ее яйца», но на молекулярном уровне. Гипотезы, утверждавшие первичность структуры, наделенная способностью к обмену веществ при участии ферментов объединялись под шапкой голобиоз, а гипотезы, утверждающие первичность молекулярной системы, включающей в себя генетический код, назывались генобиоз.  

    Одно  из сильных сторон гипотеза Опарина  является то, что она находится  в соответствии с гипотезой эволюции добиологической (неживой) материи  и зарождение жизни представлено в ней как закономерный процесс. Вторая сильная сторона – возможность экспериментальной проверки основных положений гипотезы в лабораторных условиях. Однако, есть и слабые стороны рассматриваемой гипотезы. Например, гипотеза Опарина допускала возможность самовоспроизведения доклеточных структур при отсутствии молекулярных систем с функциями генетического кода. Поэтому при синтезе аминокислот в лабораторных условиях дополнительно допускалось введение в «первичный бульон» химически сложных готовых «блоков», например, ферментов, без которых реакция не шла. В последние годы представители научной школы А. И. Опарина, оставаясь, в основном, на позициях его гипотезы, признают нерешенность главного вопроса всей проблемы – что именно является движущей силой саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической? Иными словами, в рамках гипотезы. Опарину не удается объяснить главную проблему: и  причину того таинственного скачка от неживой материи к живой, который и знаменует собой начало жизни в том «земном» виде, в котором она нам известна.  

    Креационистские (от лат. Creation – создаю) теории, в отличие от естественно – научных гипотез объяснили происхождение жизни существованием Бога – Создателя, основывая свое учение на Библии: «И сказал Бог: да прозрастит земля зелень, траву, сеющую семя, дерево плодовитое, приносящее по роду своему плод, в котором семя на земле. И стало так». (Бытие, гл. 1, стих 11). 

    Согласно  Библии, вслед за растениями Бог  создавал животных из воды: «И сотворил Бог рыб больших и всякую душу животных пресмыкающихся, которых произвела вода по роду их, и всякую птицу пернатую по роду ее. И увидел Бог, что это хорошо. И благословил их Бог, говоря: плодитесь и размножайтесь, и наполняйте воды в морях и птицы да размножаться на земле» (Бытие, гл. 1, стих 21-22).

    Затем, в соответствии со своим замыслом, Создатель производит «зверей земных по роду их, и скот по роду его, и всех гадов земных по роду их» (Бытие, гл. 1, стих 25).

    В креационистской теории сотворение мира животный и растительный миры создаются сразу по желанию Бога во всей своей красе и во всем разнообразии. Каждый род и вид флоры и фауны уникальны с самого рождения, потому что является воплощением Божественного Плана, а не случайной стихии природы. Воля  и энергия Творца служат первым толчком для превращения неживой материи («воды» и «земли») в живую. Эволюционная идея теории с окружающим миром.

    Ну, а гипотеза биологов о превращении  обезьяны в человека с точки зрения креациониста, звучит и вовсе кощунственно. Ведь Бог создал людей по своему образу и подобию и поставил их над всей природой: «… И да владычествуют они над рыбами морскими, и над птицами небесными, и над скотом, и над всею землею, и над всеми гадами пресмыкающимися на земле» (Бытие, гл. 1, стих 26).

    Как естественно – научные, так и  креационистские теории происхождения  жизни, не имея под собой достаточно научных доказательств продолжают существовать вместе, и склонность исследователя к признанию правильности той или иной гипотезы происхождения жизни, определяется на данном этапе познания ненаучными фактами, а скорее собственным мировоззрением ученого: символом веры в Бога или его безверием. Материалисты придерживаются эволюционной гипотезы создания Жизни на Земле, а ученые, верящие в Бога, - креационистской.

    Впрочем, русский ученый В. П. Вернадский (1863-1945) решал этот вопрос совершенно иначе. Он, не будучи креационистом, «вынес» зарождение жизни за пределы земной поверхности, считая, что живое на Земле может порождаться только живым. Он придерживался « принципа Реди», сформулированного в 1668 г. итальянским ученым – врачом Ф. Реди: «Все живое происходит только из живого». Сегодня развитие естествознания не опровергает, а во многом подтверждает идеи В. П. Вернадского. 

    Современное развитие эволюционной теории Ч. Дарвина. Молекулярно – генетический подход

     

    Термин  «эволюция» был впервые введен в  лексику биологии швейцарским ученым Ш. Боннэ в 1762 г., т. е. Задолго до опубликования своего труда Ч. Дарвиным. Причем Ш. Боннэ понимал под этим термином не только идею развития, но и представления о роли изменчивости и отбора в становлении новых форм живого. Эти представления претерпевали изменения с течением времени.

    В настоящее время различают три  типа изменчивости:

    Наследственная  изменчивость – это изменчивость, обусловленная возникновением новых генотипов (аналог «неопределенной изменчивости»» Ч. Дарвина).

    Ненаследственная  изменчивость  - это изменчивость, которая отражает изменения не генотипа, а фенотипа под влиянием условий внешней среды (аналог «определенной изменчивости» Ч. Дарвина).

    Онтогенетическая  изменчивость – это изменчивость, отражающая изменения в ходе индивидуального развития всего организма (онтогенеза) или изменчивость отдельных клеток в процессе их дифференциации (т. е. при формировании их индивидуальных отличий в процессе жизненного цикла).   

    Изучение  молекулярных основ  воспроизводства  жизни и процессов  жизнедеятельности 

    Две современные биологические науки  – молекулярная генетика и молекулярная биология занимаются изучением смежных научных вопросов, связанных с основными проблемами структуры и функционирования живой природы на молекулярно – генетическом уровне. Рождение этих наук является подтверждением мощного интеграционного процесса (процесса объединения разных наук при решении одних и тех же задач), происходящего в современном естествознании. Коснемся вкратце вопроса о том, какие же проблемы приходилось и приходится решать, прибегая к методам молекулярной биологии и молекулярной генетики. В настоящее время их так много, что не представляется возможным осветить все пути развития этих наук в полной мере, но можно попытаться выделить среди общей массы решаемых вопросов наиболее важные.

    Наиболее  важные открытия, сделанные в области  молекулярной биологии:

1. Открытие генетической роли нуклеиновых кислот.
2. Открытие молекулярных механизмов генетической репродукции и биосинтеза белка.
3. Открытие молекулярно – генетических механизмов изменчивости.
4. Изучение молекулярных основ обмена веществ.