Биологические концепции в современном естествознании.

Роль биологии в современном естествознании определяется тремя направлениями:

1. Традиционная (натуралистическая)
2. Физико-химическая
3. Эволюционная.

1.            Традиционная биология. Объект изучения – живая природа в естественном состоянии. Методы изучения: наблюдение, систематизация, классификация животного и растительного мира. В середине XVIII века Карл Линней создал иерархию видов живых организмов и ввел латинскую номенклатуру. Иерархия – подчинение (классы, отряды, роды, семейства, виды). После её создания шло усовершенствование, дальнейшая систематизация. Традиционная биология способствовала развитию и усовершенствованию экологии. Экология – наука о взаимоотношениях живых организмов между собой и с окружающей средой. (ойкос – дом, логос – наука).

2.            Физико-химическая биология, XX век.  Это внедрение физико-химических методов анализа в биологию, следствием является интеграция естественных наук. Объект изучения – молекулы, структура живой материи и их функции.

      Методы изучения:

• Фрагментация организма.

А.    Методы электронной электроскопии.

Б.      Методы рентгенно-структурного анализа. Рентгенно-структурный анализ – применение жёсткого рентгеновского излучения. При его помощи было установлено строение молекул ДНК и РНК.

• Методы прижизненного анализа, то есть, анализа без нарушения структуры.

А.    Метод изотопного исследования (метод «меченых» атомов). В организм пускают радиоактивные изотопы и отслеживают их движение – они скапливаются в злокачественных опухолях. Довольно быстро выводятся из организма естественным образом.

Б.      Оптическое зондирование (применение оптического волокна).

В.     УЗИ (Ультразвуковое исследование).

Г.      Томографы – послойное изучение.

Главным достижение физико-химической биологии является расшифровка генетического кода, механизма работы ферментов, механизмов высшей нервной деятельности (ВНД).

3.   Эволюционная биология. Эволюция живых организмов – длительный необратимый процесс развития природы со времени возникновения жизни. Этот процесс связан с приспособлением живых организмов к изменениям окружающей среды.

      В Индии действовали философские школы, учившие, что природа эволюционирует. За 1000 лет до н.э. они утверждали. Что человек произошел от обезьяны. За 2000 лет до н.э. в Китае была популярна селекция, искусственный отбор.

      Идея единства всей природы впервые была высказана Аристотелем в III веке до н.э. Он составил лестницу существ (от минералов до человека), которой пользовались 19 веков.

      В 1270-м году Роджер Бэкон выступил против учения Аристотеля насчет возможного скрещивания видов (русалки, гидры, кентавры и т.п.). В 1570-м году Фрэнсис Бэкон сформулировал принцип эмпирики, означающий необходимость экспериментального подтверждения всех научных теорий.

      В середине XIX века церковь разрешила вскрытие трупов, в связи с чем начала бурно развиваться анатомия.

      Ж. Бюффон в 1749 издал свою «Естественную историю», работу, состоящую из 36 томов. Эразм Дарвин (дед Чарльза Дарвина), бывший последователем Бюффона, сказал о единстве происхождения всех живых существ.

      В XVIII веке М.В. Ломоносов отверг божественное начало живого. В XVIII Вольф занимался исследованием эмбрионального развития человека.

      В начале XIX века появилась теория катастроф Ж. Кювье. Останки определенных животных встречаются в строго определенных геологических пластах, и он предположил, что все живое периодически уничтожалось катастрофами, и развитие начиналось по-другому. В 60-е гг. XX века учёные отчасти вернулись к этой теории.

      Ламарк (1744-1829) – создал первое эволюционное учение. Он ввел термин «биология». Опубликовал своё эволюционное учение в 1809-м году – «Эволюционное развитие природы». Обосновал происхождение человека от обезьяны. Дал эволюционное обоснование лестницы существ Аристотеля. Он считал, что эволюция происходит от изменения привычек, то есть, от упражнения. В начале XX века Вейсман, пытаясь проверить это, в течение нескольких поколений отрезал у мышей хвосты, но они продолжали рождаться с хвостами, так он указал на ошибку в учении Ламарка.

      В 1859 Чарльз Дарвин опубликовал свою эволюционную теорию «Происхождение видов путём естественного отбора». Все 1250 экземпляров книги разошлись в один день.

      Основные положения теории естественного отбора Дарвина:

1.      В природе существует стремление к размножению каждого вида в геометрической прогрессии.

2.      До взрослого состояния доживает незначительная часть, так как идёт борьба за существование. Борьба за существование включает в себя взаимоотношения с окружающими природными условиями (абиотическими) и биотическими условиями – борьба между собой. По Дарвину есть три основных вида борьбы за существование:

А.    Межвидовая – борьба за экологическую нишу между видами.

Б.      Внутривидовая – чаще всего, между самцами за территорию, за гарем.

В.     Борьба с неблагоприятными условиями среды. В ходе естественного отбора основное значение имеет фенотип организма: окраска, способность быстро перемещаться, устойчивость к действию высоких или низких температур и многое другое. Широкое распространение инсектицидов привело к возникновению у многих видов насекомых устойчивости к ним. (Дополнение автора конспекта).

3.      Для всех организмов характерна всеобщая изменчивость признаков.

4.      В природе неизбежно избирательное уничтожение одних особей и размножение других, то есть, естественный отбор (Главный механизм эволюции). Неизбежный результат отбора – видовое разнообразие. В эволюции важен вклад каждой особи в генофонд популяции, а не её выживание.

Основные формы естественного отбора:

1.      Стабилизирующий.

2.      Движущий.

3.      Дизруптивный (разрывающий).

            Если внешние условия не изменяются в течение длительно времени, то идёт стабилизирующий отбор, направленный против особей, признаки которых отклоняются от средней нормы вида. Один из его результатов – биохимическое единство живых существ (Аминокислотный и ферментный состав). Стабилизирующий отбор оберегает вид от существенных изменений. Он играет консервативную роль в эволюции живых организмов.

            Вид – совокупность особей, имеющих генетическое, морфологическое и физиологическое сходство, свободно скрещивающиеся и дающие плодовитое потомство.

            Движущий отбор действует при существенных изменениях условий внешней среды и направлены на сохранение особей, признаки которых отклоняются от среднего для вида значений. Именно движущий отбор приводит к появлению новых видов.

            Дизруптивный отбор происходит на фоне резкого изменения условий существования и направлен против среднего значения признака вида, причём, благоприятствует нескольким направлениям изменчивости.

            Искусственный отбор – это планомерное улучшение сортов растений и пород животных с заданными признаками. Он приводит к накоплению признаков, не приносящих пользы виды. Наследование признаков не происходит без участия человека.

            Уже при жизни Дарвина его эволюционную теорию начали критиковать. Английский инженер Дженкин говорил о том, что встреча двух особей с одинаковым полезным признаком маловероятно, тем более, что эти полезные признаки будут постепенно разбавляться. В учении Дарвина не хватало генетики. Когда Дарвин писал своё учение, уже жил и работал Мендель. Открыл закон о наследовании признаков, то есть, разработал механизм наследования, не зависящий от условий, а зависящий от возможных комбинаций по теории вероятностей. Мендель опубликовал свою работу в 150 экземплярах, и поэтому Дарвин просто не получил возможности ознакомиться с ней. В 1900 году де Фриз переоткрыл законы Менделя, но, найдя его книгу и узнав, что законы были открыты на 40 лет раньше, покончил жизнь самоубийством. В 1901 году Иогансен назвал эти признаки генами.

            Гипотеза: Новые виды получились резким переходом, подходом к точке бифуркации системы, то есть, революционное.

            Мендель и де Фриз являются основателями формальной генетики. Главный тезис – работает только теория вероятностей в распределении генов, а не среда.

            В 20-е годы XX века эти две теории объединились благодаря работам группы русских учёных: Вавилов, Четвериков, Дубинин, Тимофеев-Ресовский, Кольцов. Они экспериментально показали, что мутации возникают в ходе молекулярной перестройки наследственной структуры (ДНК). Такие перестройки могут происходить и под действием внешних условий и чисто вероятностно. При объединении двух теорий получилась молекулярная генетика.

            Они также разработали синтетическую теорию эволюции (СТЭ).

1. Мутационный процесс протекает постоянно.
2. Во всех, без исключения, популяциях, должны присутствовать самые разные мутации, даже в естественных условиях.
3. В ходе переработки этих мутаций под действием естественного отбора и происходит процесс эволюции.

      Мутации (флуктуации) ® Естественный отбор ® Новый признак (или вид).

В синтетической теории эволюции заложено две эволюции:

1. Микроэволюция – изучает онтогенез (индивидуальное развитие организма от зачатия до смерти). Мутации рассматриваются на внутривидовом уровне, в пределах популяции. Популяция – это группа особей одного вида, имеющая единый генофонд и проживающая на одной территории (ареал).

            Рассматриваются генотипические мутации – изменчивость на уровне ДНК. Генотип – совокупность наследственных факторов, полученных от родителей в      момент оплодотворения.

            Фенотипическая мутация – изменчивость, связанная с влиянием среды. Фенотип – совокупность признаков и свойств организма, которые возникают при взаимодействие с факторами среды.

            Модификационные мутации – мутации, происходящие из-за неоднородности условий против организма. Решающей для эволюции вида является генотипическая мутация.

1. Макроэволюция изучает филогенез. Филогенез – это процесс становления органического мира в целом. Изучение вида в историческом развитии.

Синтетическая теория эволюции привела к следующим важным положениям:

• Частота мутаций генов зависит от изменений внешних условий. Например, усиление радиационного фона Земли на 10 рентген удваивает частоту мутаций вдвое. Из 2,5 млрд. людей 10 млн. будут больны наследственными заболеваниями.
• Теория изучала мутационную изменчивость генов. По изменению генетического материала мутации бывают геномные (изменение числа хромосом), хромосомные (изменение структуры хромосом), генные – изменение структуры генов в молекуле ДНК. Генные мутации подразделяются на спонтанные (ошибка репликации ДНК в начале онтогенеза, действие свободных радикалов, укорачивание генов в процессе мейоза) и индуцированные (действие мутагенных факторов). Спонтанные и индуцированные мутации могут привести к образованию летальных генов (например, отсутствие головного мозга, печени, сердца и т.п., то есть, несовместимые с жизнью); полулетальных например, повышенная работоспособность (два сердца, теплая шкура у животных); нейтральные. Летальные и полулетальные разрушают генетическую информацию. Часто летальные гены удаляются посредством естественного отбора. Большая часть вредных мутаций приводит к появлению рецессивных аллелей (разновидностей) генов, а положительные и нейтральные – к изменению доминантных генов. Доминантные гены (пример): курчавость, раннее облысение, темные волосы и глаза, веснушки. Отрицательные мутации могу проявиться только при двойной дозе. Этим и объясняется нежелательность зачатия потомства от близких кровных родственников – при близости генотипов резко возрастает вероятность проявления мутаций (Прим. авт. консп.).

Структурные уровни живых организмов.

Это – так называемая иерархическая матрёшка.

            На молекулярном уровне осуществляется самый главный жизненный процесс – хранение и передача генетической информации. Он осуществляется с помощью ДНК, которая находится в эукариотных (ядерных) клетках. Хромосома – гигантская полимерная молекула. В каждой из них не менее 10000 молекул ДНК. В молекуле ДНК не менее 20000 звеньев (нуклеотидов).

46 хромосом, в каждой из которых не менее 10000 молекул ДНК, в каждой из которых около 20000 звеньев. (≈9,2·109). Вариаций звеньев – более, чем атомов в Солнечной системе. Общая длина ДНК во всех клетках человека почти в 1000 раз больше расстояния от Земли до Солнца. Все ДНК человека составляют геном. ДНК была открыта в 1869 году Мищером. Он выделил её из клеток и назвал нуклеиновой кислотой. Щепотьев в 1914 году высказал предположение о причастности ДНК к передаче наследственной информации. Нуклеиновые кислоты одинаковы для фторы и фауны.