Биология в современном естествознании

Изучение клетки (и организма как клеточной системы) стало той логической (и методологической) линией развития биологии, которая привела к возможности построения подлинной теоретической биологии и соответственно к глубокой перестройке структуры этой науки. Редукционизм, понимаемый как методический прием исследования, привел к созданию "биологических универсалий", которые стали использоваться для проверки или адаптации к современным данным всех основных положений биологии, включая таксономию и проблемы биологической эволюции5.

В процессе этой перестройки важнейшая, а иногда и решающая роль принадлежала биологической химии, а затем тому комплексу развившихся на ее основе наук, которые ныне получили название физико-химической биологии.

Эти обстоятельства в определенной мере уже исторически обусловили особое положение биологической химии в системе биологических наук да и всего естествознания в целом. Внедрение методов химии в биологию содействовало тому, что формирующаяся биохимия оказалась среди биологических наук наилучшим образом подготовленной для проникновения в тайны функционирования клетки. Именно благодаря этому она превратилась из "служанки физиологии" в самостоятельную, методологически необычайно важную область биологии. В поисках ответа на вопрос, как функционирует клетка, биохимия определила цитологию и первой проникла в мир субклеточных образований. Прогресс генетики также на определенном этапе зависел от развития биохимических методик и концепций.

Эта линия развития, связанная с углублением редукционного направления в биологии, не привела к забвению идеи целостности клетки и организма. Развитие фундаментальной идеи единства мира живого, воплотившейся в клеточной теории, продолжалось методами биохимии и реализовывалось в химических дефинициях. Биохимия вместе с развивающейся классической генетикой преобразили биологический эксперимент (можно даже сказать, что эти науки породили биологический эксперимент в его завершенной форме). Однако биологи, в том числе и генетики, не сразу научились "химически мыслить". Внедрение химической дискретности в континуальный строй биологических образов явилось далеко не прямолинейным процессом, формы которого исторически были весьма разнообразны. В результате сложилась ситуация, в которой решение ряда фундаментальных проблем биологии (и генетики в частности) оказалось возможным лишь на биохимической основе6.

Путь к решению фундаментальных проблем биологии, связанных с передачей и реализацией в процессе индивидуального развития биологической информации, открыла молекулярная биология. Ее "центральная догма" оказалась наиболее важным универсальным принципом, сформулированным в биологии после учения Ч.Дарвина. Осознание всей огромной совокупности возможных следствий из этого положения на какое-то (очень короткое) время даже создало впечатление, что возможности нового направления исчерпаны и речь может идти лишь об уточнении деталей. Однако именно здесь наметился принципиальный методический и методологический поворот: произошло стремительное расширение используемых для решения возникающих проблем методик, исследования стали комплексными. Наступила эра физико-химической биологии, комплекса наук (биологической и биоорганической химии, молекулярной биологии, биофизики, частично молекулярной генетики и вирусологии и т.д.), использующего идеи и методы физики, химии и математики для изучения живой материи в едином, необычайно продуктивном методологическом сплаве. Характер проблем, стоящих перед физико-химической биологией, указывает на рост их общебиологической значимости. По Ю.А.Овчинникову, "не противопоставление одного уровня организации живой материи другому, не возведение одного звена в абсолют, а рассмотрение простого и сложного, частного и целого в их связи и единстве и является подлинным мировоззрением физико-химической биологии, ее принципом, ее кредо".

Таким образом, развитие биологической химии привело к формированию новой области науки о мире живого - физико-химической биологии, области сложной структуры со специфическим методическим аппаратом, опирающейся на обширный, новый по своему характеру эмпирический материал, строящей свое собственное, принципиально новое теоретическое основание. Эта область способствует также и построению новых теоретических концепций в биологии (начиная от биологии развития и кончая геносистематикой, не говоря уже о генетике) и обладает четким механизмом практического использования полученных результатов (через биотехнологию, инженерную энзимологию, генетическую инженерию и т.п.). Изменился характер чисто биохимической составляющей данной области -- ее феноменологическая основа к изучению процессов обмена веществ прибавила изучение соотношения структуры и функции определяющих эти процессы биологически активных соединений. В недрах биохимических (точнее - молекулярно-биологических) исследований были сформулированы новые фундаментальные принципы, имеющие значение не только для биологии, но и для химии: принцип передачи информации на уровне молекул и принцип регуляции процессов биосинтеза и обмена веществ. Это был первый пример транслокации фундаментальных идей из области биологии в область химии - "химизация биологии" дополнилась "биологизацией химии".

Возникновение новой области науки изменило структуру современной биологии - она приобрела ясно различимые проблемные очертания. Сложное иерархическое соподчинение уровней организации структур живой природы служит сейчас, скорее, для осознания системного единства экспериментально изучаемого мира живого, нежели для классификационного дробления. Биологическая наука оказалась разделенной на два логических комплекса наук. Объектом одного из них является одиночный организм (вплоть до деталей строения составляющих его клеток), другого - сообщества организмов (популяции, биоценозы и т.п.).

Первоначально полагали, что лишь генетика может выполнить объединяющие функции среди биологических наук. Однако реально мост между этими системами начал расширяться за счет возможностей и интегративных тенденций физико-химической биологии. Развитие последней уже сейчас распространяется на анализ исторического развития организмов (через эволюционную биохимию, геносистематику и филогенетику), изучение судеб популяций (через молекулярную генетику и генетическую инженерию) и даже биогеоценозов (через биохимию насекомых, например, и химическую экологию).

4. Эволюционная биология: становление, содержание, задачи

Эволюция в широком смысле этого слова обозначает постепенное изменение сложных систем во времени. Говорят об эволюции звезд и галактик, ландшафтов и биоценозов, языков и общественных систем. В этой главе мы будем рассматривать эволюцию живых организмов или биологическую эволюцию.

Биологическая эволюция – это наследственное изменение свойств и признаков живых организмов в ряду поколений. В ходе биологической эволюции достигается и постоянно поддерживается согласование между свойствами живых организмов и условиями среды, в которой они живут. Поскольку условия постоянно меняются, в том числе и в результате жизненной активности самих организмов, а выживают и размножаются только те особи, которые наилучшим образом приспособлены к жизни в измененных условиях среды, то свойства и признаки живых существ постоянно меняются. Условия жизни на Земле бесконечно разнообразны, поэтому приспособление организмов к жизни в этих разных условиях породило в ходе эволюции фантастическое разнообразие жизненных форм.

Эволюционная биология - это наука, которая изучает, как происходила и происходит эволюция, исследует механизмы, закономерности и пути эволюции. Выдающийся биолог Феодосий Добржанский сказал: «Биология приобретает смысл только в свете эволюции». Эволюционная биология дает ключ к пониманию принципов, по которым устроена жизнь на Земле. Базируясь на знании эволюционной истории живых организмов и понимании процессов, которые определяют их наследственные изменения и приспособление друг к другу и окружающей среде, эволюционная биология дает объяснение всем биологическим явлениям: от молекулярных до биосферных. Она объясняет, как и почему ныне живущие организмы, включая нас самих, стали такими, какие они сейчас. Эволюционная биология внесла фундаментальный вклад в понимание того, как устроен мир вокруг нас и какое место мы занимаем в этом мире.

Идеи, методы и подходы эволюционной биологии внесли и продолжают вносить фундаментальный вклад во многие отрасли биологии, такие как генетика, молекулярная биология и биология развития, физиология, экология, а также в геологию, палеонтологию, медицину, сельскохозяйственные науки, психологию, антропологию, информатику и другие науки.

Понимание механизмов эволюции чрезвычайно важно для разработки методов сохранения фауны и флоры. Без анализа механизмов эволюции популяций исчезающих видов невозможна разработка эффективных методов их сохранения в природе. Изучение и сравнение геномов различных видов позволяет выделять гены, которые могут оказаться полезными для повышения продуктивности культивируемых растений и домашних животных. Тот же подход используется для выделения и картирования генов, вызывающих наследственные болезни человека. Методы и принципы эволюционной биологии позволяют установить механизмы появления и распространения инфекционных болезней, анализировать эволюцию устойчивости патогенных бактерий и вирусов к лекарственным средствам.

Эволюционная биология, как и любая другая наука, прошла длинный и извилистый путь развития. Возникали и проверялись различные гипотезы. Большинство гипотез не выдерживало проверки фактами, и лишь немногие из них становились теориями, неизбежно меняясь при этом. Ошибки и заблуждения науки столь же поучительны, как и ее победы, и знать их необходимо, хотя бы для того, чтобы не повторять их вновь и вновь.

Предпосылки эволюционизма. Среди мыслителей античности и средневековья господствовала идея о неизменности видов. По мере развития науки стали накапливаться данные, противоречащие этой идее неизменности видов. Были найдены ископаемые останки древних животных и растений, сходных с современными, но в то же время отличающихся от них по многим особенностям строения. Это могло свидетельствовать о том, что современные виды – это измененные потомки давно вымерших видов. Обнаружилось удивительное сходство в строении и в особенностях индивидуального развития разных видов животных. Это сходство указывало на то, что разные виды в далеком прошлом имели общих предков.

Разработанная великим шведским ученым Карлом Линнеем система живой природы была построена по принципу сходства, но она имела иерархическую структуру и наводила на мысль о родстве между близкими видами живых организмов. Анализируя эти факты, ученые приходили к выводу об изменяемости видов. Такие взгляды высказывали в XVIII в. и в начале XIX в. Ж. Бюффон, В. Гете, К. Бэр, Эразм Дарвин — дед Чарльза Дарвина и др. Однако ни один из этих ученых не предложил удовлетворительного объяснения, почему и как менялись виды.

               5. Носитель генетической информации

Структура ДНК

Хранение и передачу наследственной информации в живых организмах обеспечивают природные органические полимеры — нуклеиновые кислоты. Различают их две разновидности — дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК). В состав ДНК входят азотистые основания (аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц)), дезоксирибоза С5Н10О4 и остаток фосфорной кислоты. В состав РНК вместо тимина входит урацил (У), а вместо дезоксирибозы — рибоза (С5Н10О5). Мономерами ДНК и РНК являются нуклеотиды, которые состоят из азотистых, пуриновых (аденин и гуанин) и пиримидиновых (урацил, тимин и цитозин) оснований, остатка фосфорной кислоты и углеводов (рибозы и дезоксирибозы).

Молекулы ДНК содержатся в хромосомах ядра клетки живых организмов, в эквивалентных структурах митохондрий, хлоропластов, в прокариотных клетках и во многих вирусах. По своей структуре молекула ДНК похожа на двойную спираль. Структурная модель ДНК в 
виде двойной спирали впервые предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном (р. 1928) и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком (р. 1916), удостоенными вместе с английским биофизиком М. Уилкинсоном (р. 1916), получившим рентгенограмму ДНК, Нобелевской премии 1962 г. 

Нуклеотиды соединяются в цепь посредством ковалентнйх связей. Образованные таким образом цепи нуклеотидов объединяется в одну молекулу ДНК по всей длине водородными связями: адениновый нуклео-тид одной цепи соединяется с тиминовым нуклеотидом другой цепи, а гуаниновый — с цитозиновым . При этом аденин всегда распознает только тимин и связывается с ним и наоборот. Подобную пару образуют гуанин и цитозин. Такие пары оснований, как и нуклеотиды, называются комплементарными, а сам принцип формирования двухцепочной молекулы ДНК — принципом комплементарности. Число нуклеотидных пар, например, в организме человека составляет 3 — 3,5 млрд.

ДНК — материальный носитель наследственной информации, которая кодируется последовательностью нуклеотидов. Расположение четырех типов нуклеотидов в цепях ДНК определяет последовательность аминокислот в молекулах белка, т.е. их первичную структуру. От набора белков зависят свойства клеток и индивидуальные признаки организмов. Определенное сочетание нуклеотидов, несущих информацию о структуре белка, и последовательность их расположения в молекуле ДНК образуют генетический код. Ген (от греч. genos — род, происхождение) — единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо признака. Он занимает участок молекулы ДНК, определяющий структуру одной молекулы белка. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма, называется геномом, а генетическая конституция организма (совокупность всех его генов) — генотипом. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК, а следовательно, в генотипе приводит к наследственным изменениям в организме—мутациям.

Генетический код обладает удивительными свойствами. Главное из них — триплетность: одна аминокислота кодируется тремя рядом расположенными нуклеотидами — триплетом, называемым кодоном. При этом каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Другое не менее важное свойство — код един для всего живого на Земле. Это свойство генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, которое, по-видимому, отражает происхождение всех живых существ от единого предка.

Для молекул ДНК характерно важное свойство удвоения — образования двух одинаковых двойных спиралей, каждая из которых идентична исходной молекуле. Такой процесс удвоения молекулы ДНК называется репликацией. Репликация включает в себя разрыв старых и формирование новых водородных связей, объединяющих цепи нуклеотидов. В начале репликации две старые цепи начинают раскручиваться и отделяться друг от друга. Затем по принципу комплементарности к двум старым цепям пристраиваются новые. Так образуются две идентичные двойные спирали. Репликация обеспечивает точное копирование генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, и передает ее по наследству от поколения к поколению.