В органическим мире выделяют 5 царств: бактерии (дробянки), растения, животные, грибы, вирусы. Эти живые организмы изучаются соответственно науками: бактериология и микробиология, ботаника, зоология, микология, вирусология. Каждая из этих наук делится на разделы. Например, зоология включает энтомологию, териологию, орнитологию, ихтиологию и др. каждая группа животных изучается по плану: анатомия, морфология, гистология, зоогеография, этология и т.д. Кроме этих разделов можно назвать ещё: биофизика, биохимия, биометрия, цитология, гистология, генетика, экологи, селекция, космическая биология, генная инженерия и много других.
Таким образом, современная биология - комплекс наук, изучающих живое.
Но эта дифференцировка привела бы науку к тупику, если бы не было интегрирующей науки - общей биологии. Она объединяет все биологические науки на теоретическом и практическом уровнях.
- 1. Молекулярный. Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, состоит из биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. С этого уровня начинаются разнообразные процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др.
- 2. Клеточный. Клетка -- структурная и функциональная единица, а также единица развития всех живых организмов, обитающих на Земле. На клеточном уровне сопрягаются передача информации и превращение веществ и энергии.
- 3. Организменный. Элементарной единицей организменного уровня служит особь, которая рассматривается в развитии -- от момента зарождения до прекращения существования -- как живая система. На этом уровне возникают системы органов, специализированных для выполнения различных функций.
- 4. Популяционно-видовой. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, в которой создается популяция -- надорганизменная система. В этой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования -- процесс микроэволгоции.
- 5. Биогеоценотический. Биогеоценоз -- совокупность организмов разных видов "и различной сложности организации с факторами среды их обитания. В процессе совместного исторического развития организмов разных систематических групп образуются динамичные, устойчивые сообщества. 6. Биосферный. Биосфера -- совокупность всех биогеоценозов, система, охватывающая все явления жизни на нашей планете. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов.
- 5. Практическое значение общей биологии.
В БИОТЕХНОЛОГИИ - биосинтез белков, синтез антибиотиков, витаминов, гормонов.
В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ - селекция высокопродуктивных пород животных и сортов растений.
В ОХРАНЕ ПРИРОДЫ - разработка и внедрение методов рационального и рачительного природоиспользования.
Биология изучает живую природу, огромное многообразие вымерших и ныне населяющих живых существ, их строение и функции, происхождение, распространение и развитие, связи друг с другом и с неживой природой. Биология (от греч. «bios» - жизнь и «logos» - наука) - это наука о жизни и ее закономерностях.
Методологической основой биологического познания являются законы и категории диалектического материализма.
Современная биология - комплексная наука, включающая ряд разделов. Ботаника и зоология изучают строение и жизнь растений и животных; цитология, гистология, анатомия - структуру и функции клеток, тканей и органов. Процессы, жизнедеятельности клеток и организмов исследуют и биохимия; закономерности наследственности и изменчивости - генетика; индивидуальное развитие организмов - эмбриология; их историческое развитие - эволюционное учение. Наука о классификации организмов называется систематикой, наука об отношениях организмов и среды - . В последние десятилетия больших успехов достигла молекулярная биология, изучающая химические основы жизни. На стыке биологии и физики сформировалась биофизика, исследующая физические процессы в живых системах.
Биология зародилась еще у древних греков и римлян, описавших известные им растения и животных. Аристотель (384 - 322 гг. до н. э.) - основоположник многих наук - впервые попытался упорядочить знания о природе, разграничив ее на «ступени»: неорганический мир, растение, животное, человек] В классическом труде древнеримского врача Гачена (131 - 200 гг. н. э.) «О частях человеческого тела» дано первое анатомо-физиологическое описание человека. В средние века составлялись «травники», включавшие главным образом лекарственные растения. В эпоху Возрождения интерес к живой природе усилился. Возникли ботаника и зоология. А. Везалий (1514-1564), давший научное описание строения органов и систем человека, У. Гарвей (1578 - 1657), описавший большей и малый круги кровообращения и его механизм, и другие ученые заложили основы анатомии и физиологии человека. Изобретение микроскопа в начале XVII в. Г. Галилеем (1564-1642) раздвинуло границы мира живых существ, углубило представление об их строении Р. Гук (1635-1703), М. Мальпиги (1628-1694), Сваммердам (1637-1680) и А. Левенгук (1632-1723) положили начало изучению клеток тканей. Левенгук впервые увидел под микроскопом бактерий, и сперматозоидов.
Одно из главных достижений XVIII в. - создание системы классификации животных и растений (К. Линней, 1735). В начале XIX в. Жан Батист Ламарк в книге «Философия зоологии» (1809) впервые четко сформулировал мысль об эволюции органического мира. Ему принадлежит термин «биология».
Новые методы исследований, экспедиции в эпоху великих географических открытий обогатили биологию множеством новых фактов, что привело к ее дифференциации. В ботанике и зоологии обособились систематика, эмбриология, гистология, микробиология, палеонтология, биогеография и др.;
Среди важнейших достижений XIX в. - создание клеточной теории М. Шлейденом и Т. Шванном (1838 - 1839), которая в 1855 г. была углублена Р. Вирховым, постулировавшим, что «всякая клетка возникает только от клетки». Вскоре Луи Пастер экспериментально доказал, что даже микроорганизмы не способны к самозарождению, что раньше считалось непреложным фактом. Были открыты закономерности наследственности (Г. Мендель, 1859). Подлинный переворот в биологии произвело учение Ч. Дарвина (1859), который открыл движущие силы эволюции, объяснил ее механизм и дал материалистическое толкование целесообразности строения живых существ.
Начало XX в. ознаменовалось рождением генетики. Эта наука возникла в результате переоткрытия К. Корренсом, Э. Чермаком и Г. де Фризом законов наследственности (обнаруженных Г. Менделем, но оставшихся неизвестными биологам того времени) и работам Т. Моргана, экспериментально обосновавшим хромосомную теорию наследственности.
В 50-е годы поразительных успехов достигли исследования тонкой структуры живой материи. Был решен вопрос о материальных основах наследственности, универсальных для всех организмов.
Для современной биологии характерна наряду с детальным изучением отдельных структур и организмов тенденция к целостному, синтетическому познанию живой природы, о чем свидетельствует развитие экологии.
История биологии - это не только история познания, но и история борьбы идей - материализма и идеализма, диалектики и метафизики. Изучение проблемы сущности жизни, роли в ней химических и физических процессов, ее происхождения и развития; изучение происхождения и эволюции человека, соотношения биологического и социального в его природе доказывает материальное единство мира, воссоздает картину эволюции материи и форм ее движения. Данные биологии свидетельствуют о познаваемости живой природы, утверждают истинность диалектико-материалистического мировоззрения.
Биологические процессы совершаются на основе внутренних закономерностей существования и развития живого, но не направляются извне. Источником развития являются единство и борьба противоположностей: наследственность и изменчивость; интенсивность размножения и ограниченность жизненных ресурсов; взаимодействие генетической программы и факторов среды. Механизм развития связан с переходом количественных изменений в качественные: например, увеличение частоты мутаций - предпосылка возникновения приспособлений; изменение среды в процессе существования биоценозов ведет к их сменам. Направленность процесса развития подчиняется закону отрицания отрицания. Это подтверждают и биогенетический закон, и закономерности смен биоценозов, и возникновение жизни. Причинные связи бесконечны и непрерывны.
Биология не нуждается в божественной помощи для объяснения причин развития. Разработка материалистической теории эволюции внесла огромный вклад в борьбу с религией, опровергнув религиозные представления о природе, «божественном» происхождении жизни и человека.
Велико значение биологии и в решении практических задач.
Глобальной проблемой современности является производство пищи. Сегодня на Земле голодают и недоедают около 2 млрд. человек. Чтобы обеспечить хотя бы минимальные потребности человечества, необходимо резко увеличить, прежде всего, производство сельскохозяйственных продуктов. Эту задачу решают технологические науки: растениеводство и животноводство, базирующиеся на достижениях фундаментальных биологических дисциплин, таких, как генетика и селекция, физиология и биохимия, молекулярная биология и экология.
На основе методов селекции, развитых и обогащенных современной генетикой, во всем мире идет интенсивный процесс создания более продуктивных сортов растений и пород животных. Важное качество новых сортов сельскохозяйственных культур - их приспособленность к выращиванию в условиях интенсивных технологий. Сельскохозяйственные животные наряду с высокой продуктивностью должны обладать специфическими морфолого-анатомическими и физиологическими признаками, позволяющими разводить их на птицефабриках, крупных фермах с электродойкой и стойловым содержанием, в клетках звероферм.
В последние годы широко распространилась биотехнология промышленного микробиологического синтеза органических кислот, аминокислот, кормовых белков, ферментов, витаминов, стимуляторов роста и средств защиты растений. Для получения более продуктивных форм микроорганизмов используются методы генной инженерии.
С помощью пересадки генов биологи работают и над созданием растений с контролируемыми сроками цветения, повышенной устойчивостью к заболеваниям, засолению почвы, способностью к фиксации атмосферного азота. Генная инженерия открыла исключительные перспективы биотехнологии, связанной с производством лекарств (инсулин, интерферон), новых вакцин для профилактики инфекционных заболеваний человека и животных. Теоретические достижения биологии, особенно генетики, широко применяются в медицине. Исследование наследственности человека позволяет разрабатывать методы ранней диагностики, лечения и профилактики наследственных болезней, связанных с генными (гемофилия, серповидноклеточная анемия, альбинизм и др.), а также хромосомными и геномными (ранняя смерть, бесплодие, слабоумие) мутациями и аномалиями.
В условиях растущего воздействия человека на природу одной из коренных проблем, разрешение которой требует усилий всего человечества и каждой личности, является экологизация деятельности общества и сознания человека. Задача состоит не только в выявлении и устранении отрицательных эффектов воздействия человека на природу - например, местного загрязнения среды какими-то веществами (этого в будущем можно будет избежать), но и, главное, в научном определении режимов рационального использования резервов биосферы. Негативные последствия хозяйственной деятельности, принимающие в последние десятилетия все большие размеры, стали опасны не только для здоровья человека, но и для природной среды в целом. Обеспечение сохранности биосферы и способности природы к воспроизведению - еще одна из задач, стоящих перед биологией.
Биологию в соответствии с этимологией слова (от греч. bios - жизнь и logos - слово, учение) можно в первом приближении определить как науку о жизни. Имея в виду, что до сих пор во всей Вселенной нам известна лишь одна, а именно - земная, форма жизни, уместно это ограничение ввести и в само определение науки о ней: биология - это наука о жизни во всем разнообразии проявления ее форм, связей и отношений на Земле. О том, сколь разнообразны формы жизни и ее проявления и, соответственно, сколь велико число частных, специальных наук, на которые распадается биология как паука о жизни, сейчас хорошо известно любому, окончившему среднюю школу. Все эти частные области биологической науки находятся в состоянии активного развития и содержат немалое число концепций (идей, гипотез, фактов), многие из которых представляют несомненный общегуманитарный интерес. Естественно, что нет ни малейшей возможности рассмотреть их все, поэтому элемента субъективности при отборе материала не избежать. Критерий же здесь один - отбор тех предельно общих концепций современной биологии, рассмотрение которых прямо выводит на осмысление философских (мировоззренческих, смысложизненных, методологических) проблем наших дней. В соответствии с этим уместно остановиться на разъяснении трех ключевых понятий - «современная биология», «жизнь» и «общая теория жизни» (или теоретическая биология).
Термин «современная биология» стал активно внедряться в общественное сознание с конца 1960 - начала 1970-х гг. Чаще всего его применение связывается с теми выдающимися открытиями в области физико-химической биологии, начало которым было положено в 1944 г. доказательством того, что таинственным «веществом наследственности» является особый класс химических образований, именуемых ДНК. В 1953 г. была раскрыта всем известная теперь структура ДНК в виде двойной спирали, а к началу 1960-х гг. были в основном поняты механизмы ее «деятельности», обеспечивающие выполнение двух главных функций: самовоспроизведения (репликации) и регулятора процесса биосинтеза белков в клетке. В эти же годы был расшифрован код наследственной информации и сформулированы два важнейших принципа молекулярной биологии:
- 1) принцип комплементарное™;
- 2) «центральная догма» молекулярной биологии, в соответствии с которой информация в живой клетке передается только по линии ДНК -> РНК -? белок.
Это были действительно выдающиеся достижения биологии середины XX в., которыми можно маркировать этап, отделяющий «современную биологию» от традиционной (классической, описательной). Но в этом случае необходимо сделать две в высшей степени важные оговорки. Прежде всего, следует иметь в виду, что не менее важные и значимые как в практическом, так и в теоретическом отношении события происходили и во многих других областях биологии, в том числе и в исследованиях, проводимых на уровне видов и популяций, биоценозов и экосистем, на уровне биосферы в целом, наконец. Достаточно упомянуть такие достижения нейрофизиологии, как установление факта межполушарной функциональной асимметрии головного мозга или раскрытие основных принципов распространения нервного импульса. В эти же десятилетия формулируется тот мощный корпус идей и концепций, которые лежат в основе современной этологии и экологии (в том числе и экологии человека и социальной экологии). Особенно следует выделить бурное развитие популяционной биологии и, прежде всего, такого ее раздела, как математическая генетика популяций. Именно она, как известно, стала своеобразным «мостом» между менделевской генетикой и классическим дарвинизмом, стержнем и основанием подлинно современной версии синтетической концепции эволюции, получившей название СТЭ.
Кроме того, середина XX в. - это еще и возникновение и стремительное внедрение в биологию методов кибернетики и теории информации. Они буквально революционизировали многие области биологии. Без них невозможно представить себе и развитие молекулярной биологии, где чистая «химия» во многом была переинтерпретирована в терминах кибернетики, теории информации, теории связи и криптографии.
Вторая оговорка касается преемственности научнобиологического знания. Сколь бы радикально новыми не были перечисленные достижения, они отнюдь не закрывают и не перечеркивают ни одного из достижений биологии классического периода ее развития. Появление многих открытий не могло бы совершиться, а свершившись, не могло быть в полной мере понято без таких достижений биологии прошлых столетий, как учение о клетке и клеточном строении живых организмов, теория естественного отбора Ч. Дарвина, теория корпускулярной наследственности Г. Менделя и многие другие.
Несмотря на то, что весь XX в. отмечен выдающимися достижениями в самых разных областях современной биологии, касающихся самых тонких и глубинных механизмов функционирования живых систем, вопрос о том, что такое жизнь (и вопрос о ее происхождении) до сих пор остается предметом острых дискуссий. Ситуация здесь порой выглядит столь удручающей, что наводит многих серьезных исследователей даже на мысль о принципиальной невозможности определить сущность жизни. Так, в одной из первых монографий с названием «Современная биология» ее автор, известный немецкий ученый и популяризатор науки Г. Боген, начинает первую главу с параграфа, который так и называется «Можно ли и должно ли дать определение жизни?». И вот что любопытно. «Принято считать, - пишет он, - что, перед тем как всерьез обсуждать тот или иной вопрос, нужно прежде всего точно определить объект обсуждения и дать ему четкое определение». «Но, - решительно утверждает он далее, - что касается объекта науки биологии, т.с. жизни, то здесь упомянутое требование попросту невыполнимо. Может быть правильнее всего сказать, что жизни вообще невозможно дать исчерпывающее определение». Тем не менее, такая точка зрения представляется все- таки чрезмерно (и далее неоправданно) пессимистической.
Долгое время вопрос о природе (сущности) жизни был почти исключительно предметом философских споров между представителями витализма - сторонниками существования особой жизненной силы, и механицизма , с точки зрения которых живые системы есть ничто иное как машины, подчиняющиеся в своем функционировании обычным законам физики и химии, но лишь в более сложной их комбинации, чем это имеет место в неживой природе. И лишь по мере все более полного описания и все более глубокого осмысления различных механизмов жизнедеятельности обсуждение вопроса о том, «что такое жизнь?» стало вводиться в научно-конструктивное русло.
Первой влиятельной идеей по этой проблеме, господствовавшей в науке, по существу, до 1930-х - 1940-х гг., стало понимание жизни как процесса активного и целесообразного поддержания той специфической материальной структуры, формой проявления которой является сама эта активность. Вот как писал в 1930-е гг. один из ведущих биологов того времени Дж. Холдейн: «Активное поддержание нормальной и притом специфической структуры и есть то, что мы называем жизнью; понять сущность этого процесса - значит понять, что такое жизнь». Главным механизмом поддержания этой специфической структуры считался процесс обмена веществ (и, соответственно, энергией) организмов с окружающей средой, а главным материальным носителем этой способности - белок.
Однако постепенно по мере осознания фундаментальной значимости генетических структур во всех процессах жизнедеятельности, ученые все чаще приходят к мысли, что главным процессом, характеризующим жизнь, является не столько процесс обмена веществ, сколько способность всех живых систем к самовоспроизведению, посредством которого жизнь сохранялась именно в смене (потенциально бесконечной) череды поколений. Выдающийся американский генетик, лауреат Нобелевской премии Г. Меллер еще в 1926 г. написал работу «Ген как основа жизни», в которой обстоятельно обосновал мысль, что благодаря уникальной способности генов к самоконированию и сохранению своей специфичности даже в случае изменения (мутирования) своей структуры, именно они должны рассматриваться в качестве главных кандидатов на роль подлинно материальной основы жизни и ее эволюции путем естественного отбора. При этом тогда никто не сомневался, что с химической точки зрения гены представляют собой белки. Однако вопреки этим ожиданиям оказалось (это окончательно было доказано только в 1944 г.), что гены - это не белки, а представители совсем другого класса био- полимерных молекул, а именно нуклеиновых кислот. Появился соблазн определить жизнь как форму существования ДНК, но к этому времени уже пришло осознание того, что жизнь не может быть свойством тел, веществ, а только свойством систем, т.е. чего-то, что возникает в результате взаимодействия различных тел, веществ, структур, сил, полей и т.д. Открылась перспектива раскрыть тайну жизни на пути расшифровки механизмов взаимодействия двух важнейших классов биополимеров - нуклеиновых кислот и белков.
С выходом в свет в 1948 г. работы выдающегося американского математика Н. Винера «Кибернетика», исследование проблемы природы и сущности жизни получило еще одну руководящую идею - идею самоуправления (точнее - сохраняющего самоуправления). То, что живые организмы способны автоматически поддерживать важнейшие параметры своего функционирования в границах рабочей нормы, было известно давно. Уже в XIX в. на явление гомеостазиса (т.е. поддержания постоянства внутренней среды организма) как па, возможно, самое главное, что характеризует жизнь, обратил внимание выдающийся французский физиолог К. Бернар. С кибернетикой же пришло осознание решающей роли информации как важнейшего фактора процессов саморегулирования и самоуправления жизненными процессами. В литературе замелькали такие определения жизни: «Жизнь есть способ существования органических систем, организация которых от молекулярного до системного уровня определяется использованием их внутренней информации» или «Живое - это такая форма существования информации и кодируемых ею структур, которая обеспечивает воспроизводство этой информации в подходящих условиях внешней среды» и др.
Эти три потока идей, идущие из трех разных областей исследования живого (биохимии, генетики и кибернетики), самым неожиданным и в высшей степени изящным образом были объединены в рамках молекулярной биологии, стремительно сформировавшейся после эпохального события - раскрытия структуры ДНК, позволившего понять ее как носителя кода наследственной информации, как своего рода «текст», в содержании которого записана программа формирования всех важнейших структур и отправлений его носителя, в том числе и программа собственного самовоспроизведения (самокопирования). Оказалось, что для реализации этой программы в равной мере важно наличие в клетке и определенного класса белков. Получается, что без нуклеиновых кислот невозможно образование белков, но, с другой стороны, без наличия белков невозможна специфическая активность нуклеиновых (и прежде всего дезоксирибонуклеиновых) кислот. Поэтому большинство исследователей - специалистов на сегодня считает, что жизнь на Земле появилась тогда, когда возникла открытая, т.е. непрерывно обменивающаяся со средой веществом, энергией и информацией система взаимодействующих полимеров (главными из которых являются нуклеиновые кислоты и белки), способная к самовоспроизведению, авторегуляции, развитию и эволюции.
С современной точки зрения именно самовоспроизведение, саморедупликация, а точнее даже - конвариантная (т.е. идущая с вариациями) редупликация составляет то главное, что конституирует систему взаимодействующих полимеров как живую. Именно это свойство лежит в основе деятельности естественного отбора (из вариантов), что и приводит к приспособительному изменению исходных систем, т.е. их эволюции, росту их сложности и разнообразию, образованию иерархической системы таксонов живой природы, возрастающей степени индивидуализации живых организмов, росту их активности, целенаправленности и целеустремленности поведения, а на вершине этого процесса - росту ментальности и активной преобразовательной деятельности, подготовивших появление человека и общества как исходного пункта нового, культурно- исторического этапа в развитии жизни на Земле.
Необходимо, однако, сказать, что наряду с этой генеральной линией проблематики сущности жизни, существовали и другие, не менее важные для более глубокого прояснения этих вопросов в будущем. Так, еще в 1944 г. один из выдающихся физиков XX в. Э. Шредингер выпустил книгу под названием «Что такое жизнь с точки зрения физики?», в которой подверг глубокому анализу важнейшие свойства жизни с точки зрения фундаментальных законов физики. Эта линия осмысления природы жизни нашла затем свое продолжение в современной биофизике, а также, в частности, в теории диссипативных структур и синергетике. В то же время еще в 1931 г. в статье под названием «Об условиях появления жизни на Земле» русский ученый В. И. Вернадский обосновал совершенно новое понимание жизни как изначального свойства биосферы в целом. С этой точки зрения жизнь, в известном смысле, древнее отдельно взятых живых организмов, поэтому, как пишет современный американский биофизик Г. Патти, «центральный вопрос происхождения жизни - это не вопрос о том, что возникло раньше, ДНК или белок, а вопрос о том, какова простейшая экосистема». Таким образом, на сегодня до окончательного ответа на вопрос о том, «что такое жизнь?» еще весьма далеко, и эта область научных и философских исследований ждет свежих идей от нового поколения талантливых энтузиастов.
С вопросом о сущности жизни (и возможности ее сколько-нибудь точного и исчерпывающего определения) тесно связан вопрос о возможности того, что часто именуют «общей теорией жизни» или «теоретической биологией». Для любой науки вопрос о путях и возможностях ее теоретизации является принципиально важным, поскольку принято считать, что степень зрелости любой научной области прямо пропорциональна степени ее теоретизации. Однако вопрос о возможности и путях построения теорий во всех науках, за исключением физики и химии (как и математики, разумеется), всегда представлял собой серьезную философско-методологическую проблему. В биологии этот вопрос был предметом острейших дискуссий на протяжении всего XX в.
Еще в 1930-е гг. целым рядом выдающихся биологов- мыслителей - Людвиг фон Берталанфи, Э. Бауэр, Н. Рашевский и др. - была сформулирована задача построения теоретической биологии, которая бы по степени общности, дедуктивной строгости и предсказательной силе не уступала теоретической физике. С тех пор дискуссии на эту тему непрерывно сопровождали развитие биологической науки и отнюдь не завершились в наши дни. Поэтому, возможно, полезно посмотреть на сегодняшнюю ситуацию в этой области в более широкой исторической перспективе.
Несмотря на то, что биология относится к числу старейших научных дисциплин, сложность и разнообразие форм живых организмов долгое время были серьезным препятствием для выдвижения идей общего порядка, опираясь на которые можно было бы сформулировать научное видение живой природы как единого целого. Только в 1735 г. К. Линнеем был сделан в этом направлении первый решительный шаг: с помощью предложенной им бинарной номенклатуры он построил первую искусственную классификацию всех известных тогда растений и животных. В XIX в. этот процесс объединения данных различных биологических наук в единую картину живой природы как единого целого был продолжен вначале Т. Шванном (1839) с помощью клеточной теории строения живых организмов, а затем Ч. Дарвиным (1859), показавшим историческое единство всего живого на Земле в рамках теории эволюции путем естественного отбора. Важным этапом на пути развития общей биологии явился 1900 г., когда тремя авторами независимо друг от друга были переоткрыты законы Г. Менделя и положено начало развития генетики, исходящей из положения о существовании единых дискретных материальных носителей наследственных свойств всех живых организмов и единого механизма их передачи из поколения в поколение по линии предок-потомок. Как уже говорилось выше, в 1944 г. была раскрыта химическая природа этого «вещества наследственности» (ДНК), а в 1953 г. раскрыта его структура. Этим была положена эра «молекулярной биологии», внесшей с тех пор исключительный вклад в дело понимания единых механизмов функционирования всего живого на Земле на молекулярном уровне. Наряду с этим в первой половине XX в. шла интенсивная обобщающая работа и на «надорганизменном» уровне организации жизни: учения об экосистемах (А. Тенсли, 1935), биогеоценозах (В. Н. Сукачев, 1942), о биосфере в целом (В. И. Вернадский, 1926).
В результате всех этих усилий к середине XX в. было достигнуто единое понимание жизни как многоуровнего, но единого целого, а биология стала пониматься как наука о живых системах на всех уровнях их сложности - от молекул до биосферы в целом.
Однако все попытки продвинуться в этом направлении наталкиваются на непримиримые разногласия среди современных биологов как раз по вопросу о дальнейших генеральных линиях и путях формирования теоретической биологии. Так, одни авторы видят будущее теоретической биологии преимущественно (или даже исключительно) в развитии комплекса наук, изучающих молекулярные, физико-химические основы жизни, и именно физике отводят роль теоретической основы всей классической (описательной) биологии. На другом полюсе находятся исследователи, которые связывают надежду на создание теоретической биологии с дальнейшей разработкой идеи системной организованности живой природы. Однако подавляющее большинство биологов продолжает считать эволюционный подход и эволюционную теорию (т.е. теорию естественного отбора в ее современной интерпретации) наиболее общей теоретической концепцией биологии. Обсуждение этого комплекса вопросов в наши дни инициировало постановку большого числа философских и методологических проблем. На смену многовековой дилемме «механицизм или витализм» пришла оппозиция «молекулярная биология или органицизм», имеющая самые разные формы своего выражения: редукционизм или холизм, редукционизм или композиционизм и др. К числу наиболее остро и продуктивно дискутируемых в последние десятилетия XX в. философских и методологических вопросов на материале современной биологии можно отнести проблему редукции, проблему телеологии, проблему структуры эволюционной теории и существования специфических «законов эволюции», проблему соотношения биологического и социального в происхождении и эволюции человека и вообще проблему существования биологических корней морали, религии и других фундаментальных реалий ценностно-духовного мира. На некоторых из этих проблем мы остановимся ниже.
Лекция № 1 Современный этап развития биологии
1 Введение. История развития биологии
Биология – это наука о жизни. Ее название возникло из сочетания двух греческих слов bios – жизнь и logos – учение. Этот термин впервые был предложен выдающимся французским естествоиспытателем и эволюционистом Жаном Батистом Ламарком (1802 г.) для обозначения науки о жизни как особом явлении природы.
Биология изучает строение, проявления жизнедеятельности, среду обитания всех живых организмов: бактерий, грибов, растений, животных.
Живое на Земле представлено необычайным разнообразием форм, множеством видов живых существ. В настоящее время уже известно около 500 тыс. видов растений, более 1,5 млн видов животных, большим количеством видов грибов и прокариот, населяющих нашу планету.
К основным задачам биологии относятся следующие:
1 Раскрытие общих свойств живых организмов;
2 Объяснение причин их многообразия;
3 Выявление связей между строением и условиями окружающей среды.
Важное место в этой науке занимают вопросы возникновения и законы развития жизни на Земле – эволюционное учение. Понимание этих вопросов служит не только основой научного мировоззрения, но и необходимо для решения практических задач.
Биология зародилась еще у древних греков и римлян, которые описали известные им растения и животные.
Аристотель (384 – 322 г.г. до н.э.) – основоположник многих наук - впервые попытался упорядочить знания о природе, разграничив ее на «ступени»: неорганический мир, растение, животное, человек. В труде древнеримского врача Галена (131-200 г.г. н.э.) «О частях человеческого тела» дано первое анатомо-физиологическое описание человека.
В средние века составлялись «травники», включавшие описания лекарственных растений.
В эпоху Возрождения интерес к живой природе усилился. Возникли ботаника и зоология.
Изобретение микроскопа в начале 17 века Галилеем (1564-1642) углубило представление о строении живых существ и положило начало изучению клеток и тканей.
А. Левенгук (1632-1723) увидел под микроскопом простейшие, бактерии и сперматозоиды, т.е. явился основоположником микробиологии.
Одним из главных достижений 18 века является создание Карлом Линнеем (1735 г.) системы классификации животных и растений. А в начале 19 века Ж.-Б. Ламарком в книге «Философия зоологии» (1809 г.) впервые была четко сформулирована мысль об эволюции органического мира.
Среди важнейших достижений 19 века – создание клеточной теории М. Шлейденом и Т. Шванном (1838-1839 г.г.), открытие закономерностей наследственности Менделем в 1859 г.
Переворот в биологии произвело учение Ч. Дарвина в 1859 г., который открыл движущие силы эволюции.
Начало 20 века ознаменовалось рождением генетики. Эта наука возникла в результате переоткрытия К. Корренсом, Э. Чермаком и Г. де Фризом законов наследственности, которые ранее были обнаружены Г. Менделем, но остались неизвестными биологам того времени, а также благодаря работа Т. Моргана, обосновавшего хромосомную теорию наследственности.
В 50-е годы значительных успехов достигли исследования тонкой структуры материи. В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик предложили модель структуры ДНК в виде двойной спирали и доказали, что она несет в себе наследственную информацию.
Для современной биологии наряду с детальным изучением отдельных структур и организмов характерна тенденция к целостному познанию живой природы, о чем свидетельствует развитие экологии.
Развитие биологии шло по пути последовательного упрощения предмета исследования. В результате возникли многочисленные биологические дисциплины, специализирующиеся на изучении структурно-функциональных особенностей определенных организмов. Этот путь познания – от сложного к простому – называют редукционистским . Редукционизм сводит познание к изучению элементарнейших форм существования материи. Это относится и к живой, и к неживой природе. При таком подходе человек познает законы природы, изучая вместо единого целого, отдельные его части.
Другой подход основан на виталистических принципах. В этом случае жизнь рассматривается как совершенно особое и уникальное явление, которое нельзя объяснить только действием законов физики или химии.
Поэтому основной задачей биологии как науки является истолкование всех явлений живой природы, исходя из научных законов и не забывая при этом, что целому организму присущи свойства, в корне отличающиеся от свойств частей, их составляющих. Например, нейрофизиолог может описать работу отдельного нейрона языком физики и химии, но сам феномен сознания так описать нельзя. Сознание возникает в результате коллективной работы и одновременного изменения электрохимического состояния миллионов нервных клеток, но мы до сих пор не знаем, как возникает мысль и каковы ее химические основы.
В настоящее время значение биологии возрастает с каждым годом. Возникло много биологических дисциплин и число их постоянно увеличивается. Связано это с тем, что биологию подразделяют на отдельные науки по предмету изучения: микробиология , ботаника, зоология ; выделились и развились области биологии, изучающие общие свойства живых организмов: генетика – закономерности наследования признаков; биохимия – пути превращения органических молекул; экология – взаимоотношения организмов с окружающей средой. Функции живых организмов изучает физиология.
В соответствии с уровнем организации живой материи выделились дисциплины:
молекулярная биология, цитология – учение о клетке, гистология – учение о тканях.
По мере расширения области знаний о живых организмах, появляются все новые биологические отрасли науки.
Вирусология Цитология Молекулярная
биология
Бактериология Микробиология Гистология
Микология Физиология
Фитопатология Ботаника БИОЛОГИЯ Анатомия
Орнитология
Биохимия Энзимология
Ветеринария Зоология Генетика Генная
Энтомология Экология инженерия
Эмбриология
2 Использование достижений биологических наук в деятельности человека
Биология имеет огромное значение в решении практических задач. Основные задачи ООН – продовольственная, здравоохранение, топливно-энергетическая, охрана окружающей среды.
Глобальной проблемой современности является производство пищи. Население нашей планеты приближается к 10 млрд человек. Поэтому проблема обеспечения населения продуктами питания, причем питания полноценного, становится все более острой.
В основном эти задачи решают технологические науки: растениеводство и животноводство, которые базируются на достижениях фундаментальных биологических дисциплин, таких как генетика и селекция, физиология и биохимия, молекулярная биология и экология.
На основе методов селекции, развитых и обогащенных современной генетикой, во всем мире идет интенсивный процесс создания более продуктивных сортов растений и пород животных. Важное качество новых сортов с/х культур – их приспособленность к выращиванию в условиях интенсивных технологий. С/х животные, наряду с высокой продуктивностью, должны обладать специфическими морфолого-анатомическими и физиологическими признаками, позволяющими разводить их на птицефабриках, фермах с электродойкой и стойловым содержанием, в клетках звероферм.
С каждым годом увеличивается дефицит белковой пищи, особенно белков животного происхождения, этот дефицит достигает 2,5 млрд т в год. Уже сейчас по данным ВОЗ 4% населения Земли находятся на грани голодной смерти, а хронически не доедают 10 % населения планеты.
Существуют 2 источника пищи – животная и растительная. Гораздо быстрее и легче производить растительную пищу, чем животную. Поэтому изыскиваются возможности получения пищевого белка неживотного происхождения, в первую очередь из растений – из зеленых частей, а также из семян.
Лидирующее место по извлечению белков занимает соя, это основная масличная культура в США и Японии. Кроме растительного масла, соя содержит очень много биологически полноценного белка (около 44%), который используется в пищу после извлечения из семян масла.
Белковые продукты из сои широкое распространение в западных странах получили только в последние 20-30 лет, в то время как в Китае и Японии они используются в пищу уже более 2-х тысячелетий. В этих странах традиционными являются такие продукты как тофу – соевый творог, кори-тофу – замороженный соевый творог, соевое молоко, юба – пленки, снимаемые с соевого молока при кипячении, и др. продукты.
В 1987 г. в США было выпущено на потребительский рынок 330 новых продуктов на основе белков сои, причем растительные белки применяются в самых разнообразных продуктах: от сосисок до мороженого, сыров, йогуртов, салатных приправ.
Растительные белки очень широко используются в продуктах быстрого приготовления, не требующих сложной кулинарной или достаточно длительной термической обработки. Особенно это касается США, где все более используется пища, которую можно потреблять в любом месте и в любое время – это всевозможные готовые завтраки, обеденные блюда, хлопья, палочки, подушечки и т. д. Причем используются такие блюда не только ради экономии времени, но и по соображениям «здорового питания».
Растительные белки широко используются и в приготовлении аналогов молока и молочных продуктов. В практике пищевой промышленности известно производство восстановленного молока из порошка, полученного из обезжиренной соевой муки. Имеется также целый ряд прохладительных белоксодержащих питательных напитков. Например, во Франции, Швеции, Венгрии имеются полностью автоматизированные установки по производству жидкой соевой продукции, соевых напитков или десертных блюд с натуральным ванильным или шоколадным ароматом. Эти продукты по составу соответствуют сбалансированному питанию, но в них отсутствуют лактоза и холестерин, что определяет целевое назначение для лиц, страдающих желудочно-кишечными и сердечно-сосудистыми заболеваниями.
Растительные белки широко применяются также как обогатители пшеничной муки при производстве хлеба и хлебобулочных изделий. Их применение способствует улучшению свойств теста при замесе, удлиняет срок сохранения в свежем виде.
Применяются белки и в кондитерской промышленности. Кроме традиционных добавок соевой муки, в приготовлении печенья, сухих завтраков, смесей для кексов, используются также белки из семян подсолнечника. Используются также и белки других растений – хлопчатника, люпина, фасоли, горчицы, арахиса, рапса, сурепицы. Эти белки обладают высокой биологической ценностью, кроме того, их выход из отходов масло-жировой промышленности достигает 62%.
Растительные белки применяются при изготовлении пищевых изделий как:
1 белковые обогатители;
2 заменители и аналоги мясных продуктов;
3 безаллергенные и безлактозные заменители коровьего молока для детского и диетического питания;
4 структурообразователи и наполнители, а также для образования, стабилизации и разрушения пены, например, при приготовлении имитации мясного фарша, мяса, при приготовлении теста, сосисок, взбитых изделий (украшения на кондитерских товарах), кремов и т.д.;
5 разбавители для регулирования калорийности и биологической ценности диетических пищевых изделий для создания низкокалорийных «легких» продуктов.
В последнее время кроме растительных белков предпринимаются попытки использования белков микробного происхождения, особенно много внимания исследователи уделяют дрожжам. Рост и развитие микроорганизмов не зависит от времени года, погодных условий. В качестве субстрата для размножения микроорганизмов можно использовать отходы сельского хозяйства, спиртовой, целлюлозно-бумажной промышленности, а также нефть и газ. По скорости размножения микроорганизмы не имеют себе равных в мире живых существ. Например, организм коровы весом 500 кг за сутки при усиленном полноценном питании образует 0,5 кг белка, а 500 кг дрожжей за это же время синтезируют более 50 т белка, т.е. в 100 тыс. раз больше.
Производство кормовых и пищевых белков, как растительных, так и микробных, основывается на реализации принципов биотехнологии в промышленных масштабах. На основе принципов биотехнологии широко налажен микробиологический синтез органических кислот, аминокислот, ферментов, витаминов, стимуляторов роста, средств защиты растений.
Для получения более продуктивных форм микроорганизмов используют методы генной инженерии, т.е. прямых манипуляций с индивидуальными генами. Например, зеленая плесень Penicillium glaucum вырабатывает антибиотик пенициллин в малых количествах, а используемая в промышленности плесень Penicillium notatum продуцирует этого антибиотика в 1000 раз больше и т.д.
С помощью пересадки генов биологи –селекционеры работают над созданием растений с контролируемыми сроками цветения, повышенной устойчивостью к заболеваниям, засолению почвы, со способностью к фиксации атмосферного азота (пример – томаты с одновременным созреванием плодов, что обеспечивает механическую уборку).
Теоретические достижения биологии, особенно генетики, широко применяются в медицине. Исследование наследственности человека позволяет разработать методы ранней диагностики, лечения и профилактики наследственных болезней, связанных с генами, а также хромосомными мутациями и аномалиями. Например, гемофилия, серповидно-клеточная анемия – серповидные эритроциты, наблюдается малокровие, изменение костей и др.; фенилкетонурия и т.д.
В условиях растущего воздействия человека на природу одной из коренных проблем является экологизация деятельности общества и сознания человека. Задача состоит не только в выявлении и устранении отрицательных эффектов воздействия человека на природу, например, местного загрязнения среды какими –то веществами, а главным образом в научном обосновании режимов рационального использования резервов биосферы. Негативные последствия хозяйственной деятельности приняли в последние десятилетия характер экологического кризиса, стали опасны не только для здоровья человека, но и для природной среды в целом. Поэтому еще одна из задач, стоящих перед биологией, это обеспечение сохранности биосферы и способности природы к воспроизводству.