Концепции современного естествознания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Современная биология - наука и практика

1.1 Что изучает биология

1.2 Гуманитарное значение биологии

1.3 Технологическое значение биологии

1.4 Медико-биологические задачи

1.5 Методы биологии

1.6 Основные концепции современной биологии

2. Системная многоуровневая организация жизни

2.1 Системная организация жизни

2.2 Уровни организации живой материи

2.3 Молекулярно-генетический (субклеточный) уровень

2.4 Клеточно-организменный (онтогенетический) уровень

2.5 Популяционно-видовой (микроэволюционный) уровень

2.6 Биогеоценотическо-биосферный (экосистемный) уровень

Литература

1. Современная биология - наука и практика

1.1 Что изучает биология

Что изучает и для чего нужна биологическая наука, какую роль играет она в развитии современного общества? Зачем надо изучать основы биологии (как и всего естествознания) специалистам гуманитарного профиля?

Биология - совокупность наук о жизни, о живой природе (греч. bios - жизнь, logos - учение). Современная биология - очень разнообразная и развитая область естествознания. Различают ряд частных биологических наук по объектам современного биоразнообразия: зоология (о животных), ботаника (о растениях), микология (о грибах), микробиология (о бактериях), вирусология (о вирусах). Существуют также общие биологические науки - по уровням организации и свойствам живой материи. Молекулярная биология и биохимия изучают химические основы жизни, генетика - наследственность и изменчивость, цитология - клеточный уровень, биология развития, эмбриология - размножение и индивидуальное развитие организмов (онтогенез), анатомия и физиология - строение и механизмы функционирования организмов, экология - взаимоотношения организмов с окружающей средой, теория эволюции - историческое развитие живой природы (филогенез). Выделяют еще и комплексные биологические науки, изучающие всю организацию жизни в той или иной среде обитания. Например, гидробиология изучает жизнедеятельность всех организмов, обитающих в водной среде, паразитология - отношения паразитических организмов с их хозяевами.

Живой мир очень многообразен, но все организмы должны иметь нечто общее, что отличало бы их от неживой природы. Это - обмен веществ и энергии, способность к размножению и развитию, чувствительность и реактивность (способность к ответу, например, подвижность), структурно-функциональная целостность и саморегуляция, изменчивость и адаптивная эволюция. Выявлением и характеристикой этих общих свойств живых организмов и их системных комплексов с неживой природой занимается так называемая общая биология. Таким образом, перед общей биологией стоит задача познать сущность жизни, ответить на вопрос: “Что есть жизнь?”. Именно эта общая, концептуальная часть биологии должна быть отражена, прежде всего, в современном гуманитарном образовании.

С другой стороны, биология в последние десятилетия стала наукой технологической. Ее достижения внедряются в производство, сельское хозяйство, медицину. На наших глазах развивается новый сектор хозяйственной деятельности человека - современные генно-инженерные биотехнологии. Разумеется, эти достижения стали возможными только благодаря глубоким фундаментальным разработкам теоретической биологии, как частных, так и общих ее разделов.

Сегодня уже общепризнано, что биология становится новым лидером естествознания. По числу научных публикаций медико-биологическое направление соперничает со всеми остальными естественными науками, вместе взятыми. Все больше финансовых средств вкладывается в развитие биологических наук и технологий. Все это происходит потому, что от состояния этой отрасли человеческой культуры в итоге зависит само выживание человечества. Но разберемся во всем по порядку.

1.2 Гуманитарное значение биологии

Теоретическое и гуманитарное значение общей биологии состоит, прежде всего, в формировании материалистического мировоззрения. Основной вопрос философии - о соотношении материи (бытия) и сознания - по сути, вопрос биологический. В зависимости от выбора позиции (что первично - материя или сознание) складывается либо материалистическое, либо идеалистическое понимание природы и общества, формируются принципиально разные подходы к использованию объектов природы, оценке социальных явлений и выработке политических стратегий. К сожалению, некоторые ученые, философы, политики, не говоря уже об обывателях, с необыкновенной легкостью отдают свои предпочтения различным (часто просто модным) идеалистическим построениям, порой даже не задаваясь вопросом о том, что такое материя. Развитие реальной демократии и свободы совести часто порождает неосмысленное обращение людей к мистике, астрологии и прочим маргинальным проявлениям культуры, в то время как огромный массив накопленных реальных научных знаний остается для большинства населения неизвестным и невостребованным. Задачи средней школы в этом плане выполняются с низкой эффективностью. Поэтому общее естественнонаучное просвещение студентов разных специальностей стало актуальной задачей современного образования именно в плане становления научного мировоззрения.

Другая гуманитарная задача биологии состоит в формировании у современного человека экологического мышления, суть которого заключается в осознании себя частью природы и понимании необходимости охранять и рационально использовать природные ресурсы. Актуальность задачи несомненна, если учесть, что нынешние темпы и технологии промышленного освоения Земли уже через 50-100 лет могут привести к необратимым изменениям среды обитания человечества. Это означало бы постепенное вымирание человека и большинства других объектов живой природы как биологических видов и, в лучшем случае, замещение современных живых сообществ новыми, более приспособленными к измененной среде обитания.

Таким образом, понимание основ биологии и экологии необходимо каждому человеку, в особенности технократической, гуманитарной и политической элите, с целью сохранения и устойчивого развития биосферы Земли. Только экологически мыслящее общество способно выделять средства на создание заповедников, воспроизводство редких и исчезающих видов растений и животных, на финансирование научных исследований по экологическим направлениям.

1.3 Технологическое значение биологии

Биология имеет и большое практическое значение. Человечество вступило в новую технологическую эпоху - эпоху биотехнологии, т.е. производства продуктов потребления на основе контролируемых и управляемых биологических процессов.

В технологическом смысле биология, прежде всего, является научной основой производства продовольствия. Возможности экстенсивного (за счет расширения площадей) воспроизводства продуктов питания на Земле практически исчерпаны. Целинные земли России и Казахстана, освоенные в 50-е и 60-е годы XX столетия, явились чуть ли не последними резервами пахотных земель. Огромные площади ежегодно выводятся из сельскохозяйственного использования в результате их засоления, опустынивания, превращения в дно искусственных водоемов при строительстве гидроэлектростанций. По этим причинам современное сельское хозяйство должно развиваться на основе интенсивных технологий, т. е. с повышением отдачи от каждой биологической единицы. Простое возделывание пшеницы или овощей, выращивание скота или птицы требуют знания условий и динамики их размножения и роста, особенностей минерального и органического питания, совместимости с другими культурами, отношения к сорнякам, паразитам, бактериям и вирусам, которыми буквально кишит наша общая среда обитания.

Большие задачи стоят перед биологией в плане развития марикультуры. Морские “огороды” и питомники используются давно, но продуктивность и уровень технологичности морских плантаций пока заметно отстают от сельскохозяйственного производства. В России наиболее перспективными в плане развития марикультуры являются дальневосточные моря.

Особое значение на рубеже XX и XXI веков приобрели методы генетических модификаций и селекции объектов сельскохозяйственного производства. Выведение пород животных и сортов растений с максимальной продуктивностью, приспособленных к конкретным местным условиям, - давняя практика. Но современная селекция не может базироваться на основе проб и ошибок, она использует точные, математизированные законы генетики. В процветающих фермерских хозяйствах США и других развитых стран селекционно-генетическая работа столь же обычна и обязательна, как и ежедневная уборка коровника или прополка грядок. Генетик здесь - одна из востребованных профессий.

В последние годы быстрыми темпами развиваются биотехнологии, основанные на генной и клеточной инженерии, клонировании, получении трансгенных (с пересаженными генами), генетически модифицированных (GM) организмов и их продуктов. Освоенные вначале на бактериях, эти методы уже используются для получения химерных животных и растений с заранее спланированными свойствами.

Трансгенез у животных на основе рекомбинантных молекул ДНК (искусственных генных конструкций) впервые осуществлен в 1982 году Р.Д. Пальмитером. В яйцеклетку мыши были пересажены гены гормона роста от крысы, в результате взрослая трансгенная мышь была в два раза крупнее контрольных животных. Сегодня с различными целями получают трансгенных кроликов, коз, овец, коров, рыб. Вот один из впечатляющих примеров. Гены паука, отвечающие за синтез белков паутины, были введены в яйцеклетку козы. Когда трансгенная коза выросла, она стала давать молоко, содержащее белок паутины. Такой белок можно отделять от молока и делать из него очень упругие нити и ткани. Эта “биосталь” пригодна даже для изготовления бронежилетов. Проводятся генно-инженерные работы по выведению животных с выключенными генами - так называемых нокаутов. Например, можно получить породы домашних животных, не чувствительных к боли и психически подавленных. Весьма перспективная задача поставлена на ближайшие 510 лет: получить коров, продуцирующих молоко, по своему составу сходное с материнским молоком человека. Для этого в хромосомах коровы надо выключить несколько ее генов, а вместо них ввести аналогичные гены человека. Успешно развивается генно-клеточная инженерия на растительных объектах. Трансгенные растения, которым введены отдельные гены от растений других видов, имеют повышенную соле- и засухоустойчивость, невосприимчивость к вредителям и болезням, другие хозяйственно ценные признаки.

Сегодня GM-технологии в растениеводстве и животноводстве встречают у потребителей настороженный прием, отчасти вполне оправданный. Однако следует констатировать, что человечество неотвратимо вступило в эпоху биотехнологической революции, формирования новой культуры и практики природопользования. Все эти вопросы находятся в поле исследования современной биологии.

Биотехнологические процессы могут эффективно использоваться и в промышленной сфере, в частности в энергетике. Например, некоторые виды бактерий за счет хемосинтеза производят горючий газ метан (биогаз), который можно использовать как топливо или сырье для органических синтезов. С помощью бактерий и грибков можно получать также водород, углеводороды, этиловый спирт, органические кислоты, аминокислоты, ферменты, гербициды, инсектициды, пигменты, растворители и другие хозяйственно полезные продукты. Сегодня биотехнологическая химия составляет уже до 10% всего мирового химического производства.

1.4 Медико-биологические задачи

Совершенно особое гуманитарно-практическое значение имеет биология как теоретическая основа медицины. Причины и механизмы большинства патологий (болезней) человека кроются либо в нарушениях работы генов и их продуктов - клеточных белков, либо в инфицировании организма человека паразитами - в основном бактериями и вирусами. Понять эти причины и механизмы - уже означает наполовину решить проблему их устранения или лечения больного человека. Среди наиболее актуальных проблем, решаемых сегодня медико-биологической наукой, назовем такие, как: взаимодействие клеток с вирусами и бактериями, формирование иммунитета к новым антигенам, механизмы подавления ракового роста клеток, регенерация тканей и органов на основе стволовых (неспециализированных) клеток, молекулярная природа памяти и сознания, развитие наркозависимости, причины старения.

Разрабатываются новые методы лечения, основанные на достижениях современной биотехнологии. Например, стали обычными пересадки органов и тканей человека при их травматическом или патологическом разрушении. Лечение гормональных нарушений удается с помощью трансплантации (пересадки) живых эндокринных клеток больному человеку от здорового донора. Изыскиваются генно-инженерные подходы к преодолению иммунного барьера при пересадке человеку органов животных, например свиньи. Ведутся работы по выращиванию и консервированию “запасных” тканей и даже целых органов из стволовых клеток человека. Уже удается получать новые хрящи, зубы, кожу, мочевой пузырь и другие части тела.

Отдельной главой стоит производство современных лекарств и биологически активных веществ, в котором химики-фармацевты все более уступают место молекулярно-клеточным биологам.

Уже в середине XX века в медицине для лечения микробных инфекций стали использовать антибиотики - продукты жизнедеятельности микроорганизмов (бактерий и грибов), угнетающие рост их ближних конкурентов. Одним из первых был пенициллин, производимый плесневыми грибками. Современные генно-клеточные технологии способны дать экологически и генетически чистые лекарства и биологически активные вещества. Так, уже более 20 лет в культуре бактерий с пересаженными генами человека производят человеческие гормоны инсулин и соматотропин. Эти гормоны используются для поддержания жизнедеятельности больных сахарным диабетом и коррекции роста. В Институте биологии гена (Москва) путем интродукции и клонирования человеческих генов в бактериях получен белок, управляющий ростом кровеносных капилляров. С его помощью можно будет стимулировать регенерацию сердечной мышцы, коллатеральных сосудов конечностей, восстанавливать атрофированные структуры.

Новая глава в генно-инженерной фармакологии - получение трансгенных животных, продуцирующих и выделяющих с молоком лекарственные белки человека. Методики отрабатываются в основном на мышах, но некоторые иммунные белки, ферменты, факторы свертывания крови получены уже на кроликах, овцах, козах. В ближайшие годы появятся коровы-биореакторы, производящие лекарственные белки человека. Подсчитано, что одна животноводческая ферма в 500 трансгенных коров удовлетворит мировую потребность медицины в белках крови человека, используемых для регуляции свертывания крови, укрепления иммунитета. Для получения ключевых факторов свертывания крови, способных спасти жизни всех больных гемофилией, достаточно 15-20, а для некоторых факторов и 1-2 трансгенных коров.

Очень актуальна задача научиться пересаживать здоровые гены непосредственно больному человеку, что могло бы вообще устранить хроническую болезнь. В настоящее время, например, в США проходят клинические испытания сотни генотерапевтических разработок. С методами генной терапии связываются надежды на излечение больных от раковых заболеваний и СПИДа.

Для экспериментальной медицины важно иметь лабораторных животных, на которых отрабатывались бы новые методы лечения. Но далеко не все физиологические и генетические свойства животных соответствуют биологии человека. В целях преодоления этих различий в последние годы созданы трансгенные линии мышей, “страдающих” наследственными болезнями человека, такими как болезнь Альцгеймера, хорея Гентингтона, губчатая энцефалопатия, гипертония, атеросклероз, болезнь Дауна и др. Методы диагностики, лечения, дозировки лекарств и генов, разработанные на таких моделях, будут столь же успешно применяться и на человеке.

В последние годы возникли интересные новации в области репродукции человека. Искусственное оплодотворение (при необходимости преодолеть бесплодие) - давно и успешно решаемая задача. Но появилась принципиально новая технология зачатия и размножения путем клонирования потомства вообще без мужских половых клеток. Пока что это сделано на животных. В Великобритании в 1997 году получена знаменитая овечка по кличке Долли, в России еще раньше клонирована мышка Машка. Теперь клонируют коров, обезьян, собак и других животных. Но и в отношении человека принципиальных методических препятствий для клонирования уже нет, и не исключено, что пока выходит в свет эта книга, где-нибудь появится первый клонированный человек. В связи с данной проблемой возникает масса чисто гуманитарных, этических и даже юридических проблем, решать которые можно, имея хотя бы общее понимание биологического существа дела.

1.5 Методы биологии

Говоря о методах науки в широком смысле, имеют в виду не конкретные технологические приемы (методики), а методологические принципы, подходы к изучению объектов, явлений, их связей. В общем, методы биологии те же, что и в других естественных науках.

Процесс научного познания принято разделять на две стадии: эмпирическую, связанную с получением конкретных научных фактов, и теоретическую, на которой эти факты объясняются. Однако это разделение не абсолютно, так как эмпирическая стадия, как правило, развивается на основе уже существующих теорий или гипотез, а на теоретической стадии обычно возникает необходимость в повторной эмпирической проверке выдвигаемых новых гипотез.

На эмпирической стадии познания используются следующие методы.

Описательный метод, или наблюдение, - изучение объектов живой природы в естественных условиях существования. Это - непосредственное наблюдение и описание поведения, расселения, размножения животных и растений в природе, визуальное или инструментальное определение характеристик организмов, их органов, клеток, химический анализ состава и обмена веществ. Для этих целей в современной биологии применяют как традиционные средства полевых исследований, так и сложное лабораторное оборудование.

Экспериментальный метод, или опыт, предполагает исследование живых объектов в строго контролируемых условиях среды - от нормальных до экстремальных. Например, изучается состояние организмов при изменениях температуры, освещенности, влажности, при повышенной нагрузке, действии токсинов (ядов) или радиации, в условиях измененного режима или места развития (пересадка генов, клеток, органов, интродукция животных и растений, космические полеты). В биомедицинских работах экспериментальный метод позволяет выявлять эффекты (действие, влияние) новых лекарственных средств, пищевых добавок, физических факторов и иных способов лечения на организм человека или лабораторных животных. Для биолога с помощью экспериментального метода выявляются скрытые свойства, потенции, пределы адаптивных (приспособительных) возможностей живых систем, степень их гибкости, надежности, изменчивости.

Сравнительный метод позволяет сопоставлять строение, ход развития, химический состав, структуру генов и другие признаки у организмов разного уровня сложности. Опираясь на сравнительный метод, можно выявлять эволюционные преобразования биологических видов и их сообществ. При этом исследуются не только ныне живущие организмы, но и давно вымершие, сохранившиеся в виде останков в палеонтологической летописи. Такой подход обозначают как исторический метод.

Любой из названных методов требует количественного учета и математического описания структур и явлений. Биология становится все более точной наукой, хотя выявляемые в ней закономерности носят обычно вероятностный характер и описываются методами вариационной статистики. Это означает, что то или иное событие не строго детерминировано (предопределено), а ожидается с той или иной степенью вероятности. На основе выявляемых статистических закономерностей можно осуществлять математическое моделирование биологических структур и процессов, а также прогноз их развития. Например, можно построить модель состояния жизни в водоеме через определенное время при изменении одного, двух или более параметров (температуры, концентрации солей, наличия хищников, интенсивности промысла и др.). При этом в расчет надо взять и случайные изменения в развитии системы, так что прогноз, как и сами биологические процессы, будет иметь не абсолютный, а вероятностный характер.

Такие приемы стали возможны благодаря проникновению в биологию идей и принципов новых “синтетических” наук XX века: тектологии - науки о системной организации, кибернетики - науки об управлении и информации, синергетики - науки о самоорганизации открытых систем. Синтетический характер этих наук определяется тем, что их законы применимы к самым разным областям знания - от квантовой физики и космологии до биологии и социологии. Дополняя и развивая друг друга, эти науки породили системный метод, т.е. целостный, междисциплинарный подход к исследованию сложных, в том числе биологических, объектов. Принципы системной организации справедливы для всех биологических уровней - от макромолекул до биосферы Земли. Эти принципы мы обсудим более предметно в соответствующих главах нашего пособия.

Широкое развитие системно-синергетических идей в современной науке, в том числе и в биологии, означает постепенный переход от преимущественно эмпирических исследований к теоретическим обобщениям, от анализа к синтезу. Анализ (греч. analysis - разложение, расчленение) - это разложение целого на части, углубление в структуру и функции отдельных элементов системы: внутри клетки, внутри организма, внутри экологического сообщества. Синтез (греч. synthesis - соединение, сочетание) означает интегративный, объединительный подход, изучение целостных характеристик системы - клетки, организма, биоценоза. Исследование обычно совершается сначала от общего к частному (анализ), а потом от частного к общему, но на новом уровне понимания этого общего (синтез). По определению французского просветителя и философа Д. Дидро (XVIII век), анализ - это метод познания истины (через наблюдение, опыт, сравнение), а синтез - метод усвоения истины. Какая лаконичность и точность определения!

С аналитическим подходом в биологии связаны открытия химической и микроструктурной организации живой клетки, выяснение видового разнообразия среди животных, растений, грибов и микроорганизмов, выявление генетической неоднородности организмов внутри видов и популяций, другие внутренние характеристики систем. Постепенно объем накопленных аналитических данных становился достаточным для перехода к их синтезу. Так возникли современная молекулярно-клеточная биология, общая (не медицинская) иммунология, нейрогуморальная физиология, синтетическая теория эволюции.

Таким образом, по мере накопления новых научных фактов и развития системного мышления, в той или иной области познания периодически создаются условия для перехода от эмпирической стадии познания к теоретической. Теории складываются не сразу, а в процессе длительных научных поисков. От получения фактов, через их обобщение начинается выдвижение новых гипотез. Далее обычно следует их повторная эмпирическая проверка (новые наблюдения, эксперименты, сравнения, моделирования). Эмпирическая проверка ведет либо к опровержению гипотезы, либо к ее подтверждению с той или иной степенью вероятности. “Наука - это кладбище гипотез”, - резонно замечал Анри Пуанкаре (французский математик конца XIX - начала XX веков), имея в виду, что лишь высоко достоверные гипотезы становятся законами, из них слагаются теории. Но и эти законы, теории носят относительный характер, так как рано или поздно могут быть пересмотрены.

В настоящее время в естествознании решается сложная задача - создание целостной научной картины мира. На этом пути полезной будет тернарная (тройственная) методология познания сложных объектов и явлений, возрождающаяся в современной синергетике и философии. Это методология синтетического мышления, противопоставляемая мышлению бинарными (двойственными) оппозициями (см.: Баранцев, 2003).

Нам привычно мыслить и оценивать вещи двухмерно, по крайним или противоположным качествам (тезис - антитезис): белое - черное, хорошее - плохое, объективное - субъективное, вещество - поле, наследственность - изменчивость, экономика - политика и т.д. При этом обычно ссылаются на принцип “борьбы и единства противоположностей”, только единство из сути этих понятий, как правило, ускользает. Метод познания, основанный на дихотомии (раздвоении), на поиске парных понятий (диад) или бинарных оппозиций (противопоставлений), более пригоден для анализа, когда последовательное разделение сложного объекта на части шаг за шагом раскрывает его внутреннюю структуру. В то же время на этапе научного синтеза необходимо искать такую целостную характеристику изучаемого объекта или явления, которая была бы лишена противоречий бинарного подхода. Для устойчивости мышления и надежности определений, даваемых природным вещам и явлениям, нужна как минимум триада, или тернарная структура, совокупность из трех элементов. Уже выдающийся немецкий философ Георг Гегель (1770-1831) называл три ступени диалектического развития и познания: тезис, антитезис и синтез. Первые две ступени - инструмент анализа. Третий элемент - синтез - необходим для преодоления бинарных противоречий “как мера их компромисса, как третейский судья, как условие существования” (Баранцев, 2003). В борьбе противоположностей нужно видеть их единство.

Это непростая задача - искать трехмерные определения, когда сплошь и рядом мы рассуждаем категориями двухмерности. Тем не менее далее мы покажем, как известные нам факторы развития организма - наследственность и внешняя среда - органично дополняются механизмами самоорганизации; как механизм гомеостаза, построенный на сочетании прямых положительных и обратных отрицательных связей, сочетается с гомеокинезом, что создает условия для устойчивого развития биологических систем.

Приведем еще один пример системной триады, характеризующей сам механизм целостного восприятия мира в психике человека. Привычно считать, что наше отражение внешнего мира осуществляется работой органов чувств и головного мозга, что есть люди вспыльчивые и уравновешенные, у первых преобладают эмоции, у вторых - разум. Однако психологическая практика, да и физиологическая теория показывают, что целостное (синтетическое) восприятие окружающего мира достигается при сочетании рационального (умственного), эмоционального (чувственного) и интуитивного способов отражения действительности. Или, в другой трактовке, высшая нервная деятельность человека основана на сознательном, подсознательном и надсознательном восприятии мира. Интуиция, или надсознание, не просто дополняет разумное и чувственное восприятие мира, но гармонизирует их и позволяет прийти к правильному решению в тех трудных случаях, когда ни размышления, ни эмоции не в состоянии постичь реальность.

Природа интуиции, или надсознания, не имеет пока четкого научного определения, но вряд ли кто-то возразит, что, хотя бы единожды он не воспользовался подсказкой “свыше”. Также в классической триаде человеческого существа “тело - душа - дух” мы все еще затрудняемся найти биологические эквиваленты душе и тем более духу, но (опять же интуитивно) сознаем, что они должны быть. Наша задача - искать эти эквиваленты. В этом и высший долг, и прелесть, и огорчения науки - всегда быть в движении на пути к истине, понимая, что полная истина не познаваема.

1.6 Основные концепции современной биологии

Для начала сформулируем основные положения биологической науки в общем (концептуальном) виде, чтобы яснее стали конечные цели и пути нашего экскурса в мир живой материи.

Концепция системной многоуровневой организации жизни

Все живые объекты являются системами разного уровня сложности. Системы организуются на основе триединства свойств элементности, связанности и целостности. Биологические системы представляют непрерывную иерархию уровней структурно-функциональной организации - от молекулярно-генетического до биосферного. Элементарной живой системой является клетка.

Концепция материальной сущности жизни

Жизнь материальна, ее физико-химическую основу составляет обмен веществ и энергии. Основным источником энергии для поддержания жизни на Земле является солнечный свет. В процессах жизнедеятельности происходит поглощение квантованной световой энергии, ее трансформация в энергию химических связей органических веществ и диссипация (рассеяние) преимущественно в форме тепла. Пищевые цепи экосистемы, составленной из продуцентов, консументов и редуцентов, обеспечивают поэтапную трансформацию веществ и энергии в природе.

Концепция биологической информации и самовоспроизведения жизни

Основные рабочие функции живой материи выполняются разнообразными белками. Процессы синтеза белков, роста и размножения организмов основаны на собственной генетической информации, заключенной в молекулах ДНК (в генах), и реализуются через механизмы репликации, транскрипции и трансляции. Вместе с тем, индивидуальное развитие организмов - онтогенез осуществляется с участием процессов синергетической самоорганизации на уровне макромолекул, клеток и органных структур. Генетические и синергетические процессы находятся также под влиянием эпигенетических факторов, представляющих совокупность воздействий внешней среды и организма как целого.

Концепция саморегуляции и устойчивого развития живых систем

Живые системы разных уровней организации от клеточного до биосферного поддерживают относительное постоянство своего состава, внутренних связей, свойств и условий функционирования - динамический гомеостаз. Гомеостатическая саморегуляция системы происходит на основе обратных отрицательных связей ее элементов. При значительных изменениях нагрузки или условий среды система может осуществлять гомеокинез - перестройку своих параметров на новый уровень гомеостаза. Сбалансированное сочетание гомеостатических и гомеокинетических состояний рассматривается как устойчивое развитие живой системы.

Концепция абиогенного возникновения жизни и биологической эволюции

Жизнь возникла на Земле абиогенным путем из минеральных химических систем и претерпевает необратимое историческое развитие - филогенез - в пределах нескольких царств живой природы: вирусов, бактерий, архей, протистов, растений, грибов и животных. Биологическая эволюция происходит на основе наследуемой генетической изменчивости при решающем участии естественного отбора. Популяции организмов, наиболее приспособленные к меняющимся условиям среды, выживают, оставляют потомство и формируют новые виды.

Концепция биосоциальной сущности человека

Человек как биологический вид (Homo sapiens) имеет животное происхождение и, вместе с тем, характеризуется как существо биосоциальное, в котором органично сочетаются биологические и социальные начала. Биология человека определяется его генетическими свойствами, в основе совпадающими с генетикой человекообразных обезьян. Социальность возникает на определенном этапе естественной эволюции предшественников человека и выражается в его общественном поведении, способности к целенаправленному коллективному труду, в развитии культуры. Социальное поведение человека базируется на сознании как высшей функции головного мозга, понятийном мышлении, речевом общении и других средствах коммуникации.

Концепция устойчивого развития биосферы и экологической безопасности

Устойчивое развитие биосферы осуществляется на основе ее саморегуляции и адаптивной эволюции. С появлением человека биосфера эволюционирует как ноосфера, составляющими которой являются человечество, общественные системы, совокупность научных знаний, сумма техники и технологий в единстве с биосферой. В этих условиях развитие биосферы сопровождается рядом антропогенных экологических кризисов возрастающей интенсивности. Современный кризис характеризуется истощением природных ресурсов, химическим, радиационным и тепловым загрязнением окружающей среды, разрушением литосферы, глобализацией деструктивных процессов, демографическим взрывом. Стратегия преодоления кризиса должна строиться на отказе от позиций антропоцентризма в пользу биоцентризма, на принципах “экологизации” экономики, мировой политики и общественного сознания.

2. Системная многоуровневая организация жизни

2.1 Системная организация жизни

В первой половине XX века была создана общая теория систем. Ее основателями можно считать русского философа и медика А.А. Богданова (его главный труд “Тектология. Всеобщая организационная наука”, 1913-1922) и австрийского биолога и философа Людвига фон Берталанфи (основные труды относятся к 1931-1968 годам). В наше время общая теория систем существенно обогащена новыми понятиями синергетики, которая демонстрирует универсальность законов самоорганизации сложных систем разного происхождения.

Согласно общей теории систем, все объекты природы и общества являются системами. Системы бывают космические, физические, технические, биологические, социальные, экономические и др. Всё многообразие природных объектов принято делить на микромир - атомы и их элементарные частицы, макромир - от молекул до материков и океанов Земли и мегамир - космические объекты и их системные объединения. Живые системы относятся к макромиру. Что же такое система?

Система - это совокупность элементов, связанных определенными отношениями и представляющих некую структурно-функциональную целостность. Целостность системы, ее специфический тип функционирования возникает потому, что ее элементы складываются и взаимодействуют не хаотично, а упорядоченно, по определенному, свойственному данной системе, закону композиции. Одни и те же кирпичи можно выложить в дорожку, использовать для постройки дома, а можно и просто вывалить в кучу. Это будут разные системы, каждая со своим законом композиции. Аналогично из подобных друг другу клеток строятся разные органы и ткани многоклеточного растения или животного.

Обратите внимание на то, что определение системы строится на триаде, на трех “китах”

Исходное и наиболее предметное понятие здесь - элементность (из чего состоит система), эта категория несет количественное, аналитическое, рациональное начало, так как познается разумной деятельностью (лат. ratio - рассуждение, разум, расчет). Связанность представляет категорию качественную, в большей степени эмоциональную (франц. emotion от лат. emovere - возбуждать, волновать), так как связи чаще всего не поддаются простому счетно-аналитическому восприятию. Наконец, понятие целостности, постигаемое по большей части интуитивно (от лат. intueri - проницательно смотреть), объединяет и гармонизирует здесь понятия элементности и связанности. Таким образом, определение системы вполне укладывается в классическую триаду методов познания сложных явлений

Чем больше элементов в системе, тем она сложнее. Характер структурных и функциональных связей (взаимодействий) элементов определяет структурную организацию системы. Организация системы, как правило, иерархична, то есть имеет несколько соподчиненных уровней сложности. Живые объекты, как и неживые, представляют собой типичные системы, имеющие структурную и функциональную упорядоченность, то есть определенную организацию и иерархию.

Понятия элемент и система в категориях классической философии соотносятся как часть и целое. Известный общефилософский закон определяет, что целое больше суммы его частей. Это означает, что совокупность и взаимодействие частей (элементов), а также новые внешние связи создают у целого (системы) некоторые новые качества, отсутствующие у исходных частей (элементов). Такие новые качества, свойства и характеризуют новую целостность, они появляются уже сами по себе, без какой-либо программы, и определяются в синергетике как эмерджентные свойства системы (в буквальном смысле - вновь появляющиеся, непредвиденные свойства). Таким образом, строительство системы - это понижение уровня хаоса и повышение уровня порядка. Такой самопроизвольный процесс формирования упорядоченных структур, происходящий в результате простых взаимодействий элементов в системе, называется самоорганизацией. В биологических системах эмерджентность и самоорганизация (наряду с программными факторами) играют важную роль в процессах развития и функционирования. Даже сама жизнь - это эмерджентное, качественно новое свойство, появляющееся на определенном уровне системной самоорганизации материи.

Теоретически системы могут быть открытыми или закрытыми - в зависимости от того, открыты или закрыты они для обмена веществом, энергией и информацией с окружающей внешней средой. Однако современное естествознание не находит абсолютно закрытых систем, хотя степень открытости, безусловно, варьирует. Таким образом, системный подход предполагает открытость систем, их единство с окружающей средой.

В биологических системах самоорганизация и обмен с внешней средой (открытость) дополняются программированными процессами на основе собственной генетической информации. Совокупность возникающих таким образом системных качеств и представляет собой разные проявления жизни. Важнейшим из них является развитие систем, их индивидуальное внутреннее преобразование (онтогенез) и историческая эволюция (филогенез). О причинах, движущих силах и механизмах развития мы не раз будем говорить в соответствующих главах, потому что развитие как важнейший атрибут жизни свойственно и отдельно взятой клетке, и организму, и всему природному сообществу. Пока же ограничимся общим постулатом о том, что развитие имеет как внутренние, так и внешние причины, среди которых мы называем генетическое программирование, процессы самоорганизации, эпигенетические (внешние) регуляции.

Итак, биологические системы отвечают всем общесистемным характеристикам - структурным, функциональным, динамическим, топологическим и др. Они, как правило, хорошо структурированы, достаточно изолированы, функционально специализированы и представляют сложные многоуровневые иерархии.

2.2 Уровни организации живой материи

Живая материя представляет иерархию взаимосвязанных и взаимоподчиненных уровней организации. Иначе говоря, жизнь имеет многоуровневую организацию. Это означает, что любой биологический объект можно рассматривать как систему, состоящую из элементов более низкого уровня организации, и в то же время как элемент системы более высокого уровня. Например, человек как организм является системой, состоящей из элементов-органов, но, с другой стороны, он является элементом - членом определенной группировки людей: семьи, популяции, трудового коллектива. Такой подход справедлив к любому живому объекту.

Разные авторы выделяют от 4-5 до 10 и более уровней организации живой материи. С повышением структурной сложности выстраивается следующий иерархический ряд: молекулы, клеточные органеллы, клетки, ткани, органы, организмы, популяции, виды, сообщества (биоценозы), экосистемы (биогеоценозы), биосфера Земли. Этот ряд можно еще “растянуть”, если добавить в него макромолекулярные комплексы (как промежуточный уровень между молекулами и органеллами), клеточные клоны и популяции (как составные части ткани), органные системы, объединяющие несколько органов общей функции (например, пищеварительная система) и т.д. Каждый уровень организации имеет свои особенности структурной композиции и функционирования и может рассматриваться самостоятельно. В то же время систематика требует группирования объектов по степени их близости, поэтому и уровни организации живой материи можно выстроить, по крайней мере, в два ранга, которые обозначим условно как “уровни” и “подуровни” (табл. 2.1). В приведенной таблице, где живые системы сгруппированы в четыре уровня, можно было бы выделить в качестве самостоятельного пятый уровень - клеточный, поскольку именно клетка является наименьшей живой системой.

Рис. 2.1. Уровни организации жизни (см. также таблицу в тексте)

Таблица 2.1 Уровни и подуровни организации живых систем

Обозначенные в таблице 2.1 и на рис. 2.1 уровни и подуровни представляют так называемые логические системы, они отражают материальную сложность и иерархию структурно-функциональной организации биосистем, существующих и рассматриваемых в настоящее время. Кроме того, можно выделить исторические системы - условные, классификационные объединения организмов, начиная с видов, отражающие историю их происхождения и развития в ходе эволюции. Это вид, род, семейство, отряд, класс, тип, царство, империя.

В эти системы могут быть включены и вымершие группы, если прослеживается их филогенетическое родство с ныне живущими формами. Далее дадим краткую характеристику структурно-функциональных (логических) уровней организации живых систем. Их исторические, эволюционные связи будут показаны в других разделах.

2.3 Молекулярно-генетический (субклеточный) уровень

В составе “живого вещества” основные функции исполняют органические молекулы - химические соединения на основе углерода. Минеральные вещества - вода, соли, кислород, оксиды и др., хотя и составляют более 80% массы организма, выполняют в основном роль промежуточных метаболитов и среды, в которой работают органические молекулы.

Простые органические молекулы (органические кислоты, сахара) представляют собой элементы первичного синтеза, например глюкоза (C6H12O6) как продукт фотосинтеза у растений, а у животных это продукты разложения пищи или промежуточного обмена более сложных органических молекул. Простые органические молекулы уже могут быть исполнителями некоторых жизненных функций (глюкоза как источник энергии, некоторые аминокислоты в качестве сигнальных молекул). Однако их основной поток направляется на синтез более сложных соединений - органических макромолекул. Макромолекулами называют очень крупные (высокомолекулярные), обычно полимерные (многозвенные) соединения. Органические молекулы, как простые, так и сложные, в тесном взаимодействии с водой и солями образуют химическую основу клеток. Многие из них входят также в состав межклеточного вещества (плазма крови, основное вещество соединительной ткани, хряща, кости). Таким образом, специфический химический состав, включающий макромолекулярные органические вещества, - важнейшее отличие живой материи от неживой.

В живых организмах различают четыре типа органических веществ: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.

Углеводы бывают простые и сложные (рис. 2.2 - углеводы). К простым углеводам относятся моносахариды (уже упомянутая 6-углеродная глюкоза, подобная ей фруктоза). Сложные углеводы - это соединения из двух или более моносахаридов. Так, дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза) состоят из двух мономеров, подобных глюкозе, а полисахариды образованы сотнями и тысячами соединенных моносахаридов. Некоторые полисахариды выполняют опорную функцию: целлюлоза (клетчатка) - в клеточных стенках растений, хитин - у ракообразных, насекомых, грибов. В основном же углеводы выполняют энергетическую функцию, т.е. используются как “топливо” для получения энергии: глюкоза и ее полимеры - крахмал, гликоген.

Липиды - это жиры и жироподобные вещества. Липидная молекула состоит из полярной “головки” - видоизмененной молекулы глицерина, часто с включением фосфорной кислоты, и прикрепленных к ней двух-трех “хвостов” - углеводородных цепочек жирных кислот (см. рис. 2.2 - липиды). Головки гидрофильны, т.е. притягивают воду, а хвосты, напротив, гидрофобны - воду отталкивают, поэтому два слоя липидных молекул, обращенные друг к другу гидрофобными поверхностями, образуют водо- и иононепроницаемую пленку - мембрану. Билипидная мембрана, обогащенная белками и углеводами, образует основу поверхностного аппарата клетки (плазматическая мембрана); мембранное строение имеют также многие клеточные органеллы. Липиды, как и углеводы, заключают в себе много энергии, легко расщепляются и поэтому используются в энергетическом обмене.

Белки (или протеины) - основные биополимеры, они выполняют большинство жизненных функций. Белковая цепь, полипептид, сложена из большого числа (50-100-500 и более) мономеров - аминокислот (рис. 2.2 - белки). Имеются 20 разновидностей аминокислот, различающихся своей активной группой - радикалом. Их чередование в молекуле белка не имеет какой-либо периодичности, но строго определено для каждого вида белка, как определен порядок букв в словах нашего языка. Поскольку 20 “букв-аминокислот” в белках разного типа выстраиваются в самых разных комбинациях, разнообразие белков при длине цепей в 100300 аминокислот может быть бесконечно великим. Это структурное разнообразие и дает возможность белкам выполнять очень разные функции.

Рис. 2.2. Структура основных макромолекул клетки

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus - ядро) впервые были выделены из клеточных ядер и представляют собой самые крупные, очень длинные полимерные макромолекулы. Различают рибонуклеиновую кислоту (РНК) и дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК). РНК - одноцепочечный полимер, ДНК - двухцепочечный. Мономерами в обоих случаях являются довольно сложные молекулы - нуклеотиды (рис. 2.2 - нуклеиновые кислоты; приведены лишь “скелеты” этих формул). Как аминокислоты в белках различаются своими радикалами, так и нуклеотиды в нуклеиновых кислотах отличаются друг от друга строением азотистых оснований. В ДНК это аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц), в РНК те же основания, только вместо тимина присутствует подобный ему урацил (У).

Уже в самой структуре молекулы ДНК, при ее воспроизводстве (репликация), а также при синтезе РНК (транскрипция) используется известный принцип комплементарности, или структурно-химической дополнительности, согласно которому нуклеотиды параллельных цепей взаимодействуют по схеме: А-Т(У), Г-Ц. Именно благодаря принципу комплементарности ДНК способна хранить и передавать информацию о структуре клеточных белков, а РНК способствует ее реализации в момент синтеза новых белков. Фрагмент молекулы ДНК, кодирующий структуру одной молекулы белка (полипептида), составляет единицу наследственности - один ген.

Макромолекулы разного типа обычно объединяются в молекулярные комплексы, из которых, в свою очередь, образуются обособленные рабочие структуры клетки, называемые (по аналогии с органами сложного организма) органоидами, или органеллами. Соответственно этому мы выделяем надмолекулярный и органоидный подуровни организации. Так, рибосомы производят в клетках синтез разнообразных белков. Хромосомы - микроскопические тельца, образованные молекулами ДНК в связке с регуляторными белками, являются хранилищем генов и обеспечивают их дозированную активность. Митохондрии и пластиды задействованы в энергетическом обмене. Заметим, что макромолекулы, надмолекулярные комплексы, хромосомы, клеточные органоиды отвечают за отдельные свойства жизни: синтезы, наследственность, энергетический обмен и др. Но, взятые по отдельности, эти свойства еще не представляют того цельного явления, которое называется жизнью, да и проявляются они только в системе целостной клетки.

К молекулярно-генетическому уровню организации следует отнести и вирусы, которые считаются неклеточными формами жизни, так как не имеют клеточного строения. Вирусы - это мельчайшие (0,02-0,2 мкм) частицы, содержащие генетический материал (ДНК или РНК) и белковую оболочку. У вирусов отсутствуют многие жизнеобеспечивающие структуры, поэтому вне клетки они не способны размножаться, синтезировать белки, усваивать энергию. Вирус “оживает” и размножается, только попадая внутрь клетки-хозяина (бактерии, гриба, растения или животного, а также и человека).

Таким образом, отдельные молекулярно-генетические структуры, включая вирусы, и даже клеточные органоиды не обеспечивают того критического уровня сложности, который можно было бы назвать полноценной жизнью. Для создания законченной живой системы требуется повышение уровня сложности еще на одну ступень.

2.4 Клеточно-организменный (онтогенетический) уровень

Одно из важнейших положений современной биологии состоит в том, что наименьшей, элементарной, живой системой является клетка, ей присущи все свойства жизни. Этот постулат составляет основную суть клеточной теории. У организмов разных видов, а также в зависимости от выполняемых функций, клетки существенно различаются по размерам, форме и внутренней организации. Однако все клетки имеют наружную плазматическую мембрану (плазмалемму), а их внутреннее содержимое (старый термин - протоплазма) имеет более или менее выраженную структурную дискретность (лат. discretus - прерывистый, состоящий из отдельных частей). Дискретность проявляется уже в обособлении молекулярных комплексов, таких как опорные фибриллы, ферментные комплексы, рибосомы, хромосомные структуры. У высших (эукариотных) клеток появляются ограниченные липидно-белковыми мембранами отсеки (компартменты), сложные органоиды (рис. 2.3).

Несмотря на структурные различия, все клетки способны питаться, поглощать энергию, синтезировать и расщеплять вещества, двигаться (или перемещать свои органоиды), размножаться, реагировать на раздражители, видоизменяться и приспосабливаться. Такая характеристика означает, что клетка обладает (в миниатюре) свойствами целостного организма. Наиболее наглядно это проявляется у одноклеточных организмов. Даже самые мелкие и просто устроенные прокариотные клетки - бактерии и археи, не говоря уже о сложных эукариотных простейших (эвглена, хлорелла, амеба, инфузория), обладают свойствами организма.

Индивидуальное развитие организма (особи) от его зачатия до смерти называется онтогенезом. Онтогенез всегда начинается с одной клетки. У организмов, размножающихся половым путем (это все эукариоты), такой первой клеткой является зигота, образующаяся при слиянии яйцеклетки и сперматозоида (подробнее в главе 4). Одноклеточные организмы живут от деления до деления, каждое новое поколение клеток представляет самостоятельные особи. У многоклеточных многократное деление зиготы приводит к образованию огромного числа специализированных клеток, из них слагаются ткани и органы.

Многоклеточный организм, как и отдельная клетка, представляет законченный и устойчивый уровень биологической организации. Организм, или особь, способен к самостоятельному существованию, размножению и развитию.

Как видно, необходимость объединения нескольких подуровней: клеточного, тканевого, органного и организменного - в один клеточно-организменный (онтогенетический) уровень вызвана двумя причинами.

Во-первых, в природе существуют не только многоклеточные, но и одноклеточные организмы.