К естественным наукам относится и биология — наука о живом, его строении, формах активности, природных сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой*.
Современная биология представляет собой систему наук о живой природе. Общие закономерности развития живой природы, раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие, изучает общая биология. По объектам изучения в биологии выделяют зоологию, ботанику, вирусологию, бактериологию, антропологию. По свойствам, проявлениям живого выделяются в биологии: морфология (изучающая строение организмов), физиология (рассматривающая процессы, которые протекают в живых организмах и обмен веществ между организмом и средой); молекулярная биология (исследующая микроструктуру живых тканей и клеток), экология (изучающая взаимодействия между организмами и окружающей средой, обуславливающей их выживание, развитие и размножение); генетика (раскрывающая закономерности изменчивости и наследственности).
По уровню организации исследуемых живых объектов подразделяются: анатомия, изучающая макроскопическую организацию животных и растений; гистология, исследующая ткани и микроскопическое строение тел; цитология — наука о клетке. Помимо названных, к числу биологических наук относят эмбриологию, геронтологию, палеонтологию, дарвинизм и другие.
Многообразие живого мира требует и многообразия наук, его изучающих. В настоящее время биологами обнаружено и описано около одного миллиона видов животных, около полумиллиона растений. Причем неисследованного здесь еще достаточно много. По некоторым оценкам, число видов, которые требуют своего изучения, составляет около одного миллиона.
Биология в своем развитии прошла несколько этапов:
• этап систематики (К. Линней);
• эволюционный этап (Ч. Дарвин),
• биология микромира (Г. Мендель).
Однако во все времена одной из центральных проблем биологии была проблема сущности жизни и ее происхождения. Дать определение понятию «жизнь» достаточно сложно. Так, широко известно определение жизни, сформулированное Ф. Энгельсом: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей тел»*.
Это определение сейчас уже не отвечает уровню знаний о природе и сущности живого, хотя в нем обращается внимание на субстрат живого и закономерности существования живых организмов. Именно по этим направлениям и идет в современной биологии поиск специфики живого.
Уровень знаний конца XIX века позволял полагать, что основным субстратом жизни является белок. В свете современных представлений под субстратом жизни понимают весь комплекс веществ, принадлежащих двум классам биополимеров: белкам и нуклеиновым кислотам (ДНК и РНК). Характерной чертой субстрата жизни является его структурная организация. Живое построено из тех же химических элементов, что и неживое, но характеризуется сложностью химических соединений, обусловленной определенной их упорядоченностью на молекулярном уровне.
Жизнь существует в форме открытых систем, которые непрерывно обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Э. Шредингер и Э. Бауэр установили принцип устойчивого неравновесия живых систем.
К числу закономерностей, совокупность которых характеризует жизнь, относятся:
• самообновление, связанное с потоком вещества и энергии;
• самовоспроизведение, обеспечивающее преемственность между сменяющими друг друга генерациями биологических систем, связанное с потоком информации;
• саморегуляция, базирующаяся на потоке вещества, энергии и информации.
Перечисленные закономерности обуславливают основные атрибуты жизни: обмен веществ и энергии, раздражимость, гомеостаз, репродукцию, наследственность, изменчивость, индивидуальное и филогенетическое (родовое) развитие.
Учитывая все изложенное, среди современных определений жизни выделим следующие: жизнь есть форма существования сложных открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению (М. Волькенштейн); жизнь — закодированная информация, которая сохраняется естественным образом (Ф. Типлер).
Все многообразие организмов можно свести к двум различным группам — неклеточные и клеточные формы жизни. К неклеточным относятся вирусы. Основную массу живых существ составляют организмы, обладающие клеточной структурой. Они делятся, в свою очередь, на две категории: не имеющие типичного ядра (прокариоты) и обладающие типичным ядром (эукариоты). К прокариотам относятся бактерии и синезеленые водоросли, к эукариотам — все остальные растения и животные.
Строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности, поскольку существуют переходные формы (вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого, у них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ ферменты).
В середине ХХ века в биологии сложились представления об уровнях организации как конкретном выражении упорядоченности, являющейся одним из основных свойств живого. Биологические микросистемы представлены на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях; биологические мезосистемы — на тканевом, органном и организменном уровнях; биологические макросистемы — на популяционно-видовом, биоценотическом, биосфера в целом.
Итак, органический мир целостен, так как составляет систему взаимосвязанных частей, и в то же время дискретен.
Молекулярный уровень изучается молекулярной биологией. Жизненный субстрат для всех животных, растений и вирусов составляет двадцать одних и тех же аминокислот и четыре одинаковых основания, входящих в состав молекул нуклеиновых кислот. Наследственная информация у всех заложена в молекулах ДНК (за исключением содержащих РНК вирусов), способных к саморепродукции. Реализация наследственной информации осуществляется с участием молекул РНК.
Клеточный уровень также характеризует однотипность всех живых организмов. Клетка является основной самостоятельно функционирующей элементарной биологической единицей. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации.
Тканевый уровень возник вместе с появлением многоклеточных животных и растений, имеющих дифференцированные ткани. Совокупность клеток с одинаковым типом организации составляет ткань. Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы.
На организменном уровне обнаруживается многообразие форм. На этом уровне протекают процессы онтогенеза. Каждый вид состоит из организмов, имеющих свои отличительные черты.
Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. Совокупность организмов (особей) одного вида, населяющих определенную территорию, составляет популяцию. Популяция — это элементарная единица эволюционного процесса, в ней начинаются процессы видообразования.
Биоценотический уровень связан с исторически сложившимися устойчивыми сообществами популяций разных видов. Они являются элементарными системами, в которых осуществляется вещественно-энергетический круговорот, обусловленный жизнедеятельностью организмов.
Биосферный уровень включает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.
Разделение живой материи на эти уровни является весьма условным и вместе с тем представление о них наглядно отражает системный подход к изучению природы, позволяющий глубже проникнуть в ее тайны.
Фундаментальной основой живого мира является клетка. Предпосылкой открытия клетки было изобретение микроскопа и его использование для изучения биологических объектов. Уже к 30-м годам XIX века накопилось немало работ о клеточном строении организма. Но именно М. Шлейден и Т. Шванн заложили основы клеточной теории, согласно которой клетка является главной структурной единицей всех организмов, а процесс образования клеток обусловливает рост, развитие и дифференциацию растительных и животных тканей. К концу прошлого века было обнаружено сложное строение клетки, описаны органоиды (части клетки), исследованы пути образования новых клеток (митоз). А к началу XX века в биологии прочно утвердилась идея о первостепенном значении клеточных структур в передаче наследственных свойств. В настоящее время общепризнанно, что клетка является основной структурной и функциональной единицей организации живого. Именно благодаря клеточному строению организм является дискретным, сохраняет целостность.
Как правило, клетки обладают микроскопическими размерами. Строение клеток животных и растений в основных чертах сходно. В теле клетки различают цитоплазму и кариоплазму (ядро), являющиеся обязательными ее составными частями. Вещество ядра представляет собой плотный коллоид, содержащий белки и нуклеиновые кислоты. Составными частями ядра эукариотов являются ядерная оболочка, ядерный сок, ядрышки и хромосомы. Установлено, что каждый вид растений и животных имеет определенное и постоянное число хромосом (видовой признак). Хромосомы являются носителями наследственной информации. Выяснено, что наследственная информация дискретна, ее составляют многочисленные гены, расположенные вдоль хромосом в линейном порядке.
Изучение элементного химического состава протоплазмы подтвердило единство всей природы. Химические элементы, которые принимают участие в процессах обмена веществ и обладают выраженной биологической активностью, называются биогенными. Белки (протеины) составляют от 50 до 85% органических соединений, входящих в состав живых организмов. Белки включаются в состав всех клеток, клеточных организмов и межклеточных жидкостей. Н. Любавин установил, что белки состоят из аминокислот. В настоящее время известно более двадцати аминокислот.
Молекула белка — типичный полимер, в ней аминокислоты следуют одна за другой. Каждый вид организмов отличается своей специфичностью белков. Даже в одном организме белки различных органов неодинаковы. Аминокислоты в белковой молекуле имеют определенное пространственное расположение. Первичной структурой белковой молекулы является полипептидная цепь. Внутримолекулярные силы заставляют белковую цепь изгибаться, и возникает вторичная структура. Большинству молекул белка присуща третичная структура (глобулярная), в ряде случаев образуется и четвертичная.
В клетке белки выполняют структурные (основной строительный материал цитоплазмы, наружной и внутренней мембраны и т. д.), сократительные (обеспечивают явление раздражимости и движение), ферментативные функции (катализируют все реакции, протекающие в клетке).
Нуклеиновые кислоты были открыты швейцарским врачом И. Мишером в 1870 году. С нуклеиновыми кислотами связаны процессы синтеза белка, а этим, в свою очередь, определяются характер обмена веществ, закономерности роста и развития, явления наследственности и изменчивости. В состав нуклеиновых кислот входят углерод, кислород, водород, азот и фосфор. Известны две группы этих кислот — РНК и ДНК. Они отличаются химическим составом и биологическими свойствами. Нуклеиновые кислоты — биополимеры, мономерами которых служат нуклеотиды.
Основная биологическая функция белка заключается в хранении, постоянном самовозобновлении, самовоспроизведении (репликации) и передаче генетической (наследственной) информации в клетке.
Биологическая роль РНК связана преимущественно с синтезом белка, т.е. с реализацией наследственной информации.
Способность ДНК к авторепродукции вытекает из особенностей ее строения. Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных нитей. Порядок расположения оснований одной цепи определяет их порядок в другой. Авторепродукция молекул ДНК происходит под воздействием фермента полимеразы. Предполагается, что при этом коплементарные цепи молекул ДНК раскручиваются и расходятся. Затем каждая из них начинает синтезировать новую. Поскольку каждое из оснований в нуклеотидах может присоединить другой нуклеотид только строго определенного строения, происходит точное воспроизведение «материнской» молекулы. В многообразных комбинациях нуклеотидов нитей ДНК закодирована программа синтеза множества белков.
РНК не имеет двойной спирали и построена подобно одной из цепей ДНК. Различают три вида РНК: рибосомальную, информационную и транспортную.
Синтез белков происходит следующим образом. Специальный фермент — полимераза, двигаясь по ДНК, создает одноцепочную молекулу и-РНК, в которой нуклеотиды расположены по принципу комплементарности (дополнительности) одной нити ДНК. Последовательность расположения нуклеотидов в и-РНК определяет последовательность расположения аминокислот в белках. Генетический код, заложенный в ДНК, записывается на язык и-РНК. Молекула и-РНК проникает через мембрану ядра и в рибосомах осуществляет расшифровку кода с языка нуклеотидов на язык аминокислот. В синтезе белка принимает участие и транспортная РНК, которая доставляет к рибосомам аминокислоты. Структура рибосом определяется третьим видом РНК (рибосомная РНК).
Обмен веществ и энергии (метаболизм) — это процесс, лежащий в основе явлений жизни. Поток вещества и энергии, наблюдаемый в организме, обусловливает самовозобновление и самовоспроизведение. Совокупность процессов, соответствующих ассимиляции и приводящих к образованию веществ, которые входят в состав организма, получила название анаболизма. Совокупность процессов, соответствующих диссимиляции и приводящих к расщеплению сложных органических соединений организма, называется катаболизмом. По характеру ассимиляции все организмы делятся на гетеротрофные, автотрофные и миксотрофные. Гетеротрофные организмы нуждаются в готовых органических веществах, автотрофные синтезируют органические соединения своего тела из более простых, неорганических; миксотрофы занимают промежуточное положение.
По характеру диссимиляции организмы делятся на аэробные (использующие свободный кислород для процессов окисления) и анаэробные (у которых процессы диссимиляции происходят в бескислородной среде). Постоянно совершающийся процесс перехода химических элементов из одних соединений в другие, из состава земной коры в живые организмы, далее расщепление их на неорганические соединения и химические элементы и снова переход в состав земной коры называется круговоротом вещества и энергии.
Современная биология невозможна без теории эволюции. Идеи постепенного и непрерывного изменения всех видов растений и животных высказывались задолго до Ч. Дарвина многими учеными. В частности, Ж.-Б. Ламарк считал, что эволюция живых организмов происходит под направляющим влиянием условий окружающей среды, а все приобретенные живыми организмами благоприятные признаки оказываются наследственными и поэтому определяют ход дальнейшей эволюции. В первой половине XIX века уже был собран огромный материал из различных областей естествознания (геологии, палеонтологии, биогеографии, эмбриологии, сравнительной анатомии, учения о клеточном строении организмов, селекции), свидетельствующий в пользу эволюции. Создать эволюционную теорию смог Дарвин. Принципы его теории сводятся к следующим.
• Изменчивость свойственна организмам любого уровня, является общебиологическим свойством. Причину изменчивости Дарвин видел во влиянии окружающей среды. Он различал определенную и неопределенную виды изменчивости. Определенная изменчивость проявляется однотипно у особей, подвергшихся какому-либо определенному воздействию (модификационная изменчивость, происходящая в пределах нормы реакции). Неопределенная изменчивость (с современной точки зрения — это мутация) проявляется лишь у отдельных особей и происходит в различных направлениях. Эволюция связана именно с неопределенной изменчивостью.
• Изменчивость невозможна без наследственности. Если изменчивость обеспечивает разнообразие организмов, то наследственность — передачу изменений потомкам.
• Выделение в эволюционном процессе борьбы за существование в природе. Дарвин обратил внимание, что в природе рождается намного больше особей, чем может выжить. Все виды организмов имеют тенденцию к размножению в геометрической прогрессии, но выживает и достигает зрелости лишь небольшая часть потомства, поскольку развертывается борьба за выживание. «Борьба за существование» — метафорическое выражение, характеризующее различные отношения между организмами, начиная от сотрудничества внутри вида против неблагоприятных условий окружающей среды и кончая конкуренцией между организмами в добывании пищи, лидерстве и т.д. (внутривидовая и межвидовая борьба).
• В природе существует особый механизм отбора, который приводит к избирательному уничтожению организмов, оказавшихся неприспособленными к существующим или изменившимся условиям окружающей среды. Отсюда, выживание наиболее сильных и гибель наиболее слабых.
Самым уязвивым местом теории Дарвина были представления о наследственности. «В результате скрещивания особей с полезными признаками с другими особями, которые ими не обладают, они передадут эти признаки потомству в ослабленном виде. В конце концов в течение ряда поколений случайно возникшие полезные изменения должны постепенно ослабнуть, а затем и вовсе исчезнуть»*. Принцип естественного отбора был обоснован недостаточно убедительно, прежде всего относительно передачи наследственных признаков.
Современная теория эволюции отличается от дарвиновской по ряду положений:
• выделена элементарная структура, с которой начинается эволюция — популяция (а не отдельная особь или вид, как было у Дарвина);
• устойчивое изменение генотипа популяции — элементарное явление эволюции;
• Дарвин выделял изменчивость, наследственность и борьбу за существование как факторы эволюции. Современная концепция добавляет к этим факторам и другие, которые оказывают действенное влияние на эволюционный процесс. Среди ведущих факторов эволюции в настоящее время выделяют мутационные процессы, популяционные волны численности и изоляцию.
Те затруднения, с которыми столкнулся Дарвин при объяснении наследственной передачи полезных признаков, были преодолены на основе законов наследственности, открытых Г. Менделем. Было выяснено, что отдельные наследственные признаки родителей при скрещивании не сливаются, а передаются потомству в первоначальном виде.
Основную массу эволюционного материала составляют различные формы мутаций, т.е. изменений, обусловленных реорганизацией воспроизводящих структур, их генетического аппарата. Этим мутации резко отличаются от модификаций, не затрагивающих генотипа особи. Мутации возникают внезапно. По характеру изменений генетического аппарата различают мутации, обусловленные:
• изменением числа хромосом (геномные);
• изменением структуры хромосом (хромосомные аберрации);
• изменением молекулярной структуры гена (генные, или толчковые, мутации).
В своей совокупности мутации представляют то, что Дарвин называл индивидуальной или неопределенной изменчивостью. Однако случайные изменения, оказавшиеся полезными в определенных условиях окружающей среды, отбираются в естественной природе или искусственно человеком для дальнейшей эволюции.
Вторым фактором эволюции являются популяционные волны («волны жизни»). Они определяют количественные флуктуации, или отклонения, от среднего значения численности организмов в популяции, а также области ее расположения (ареала). Установлено, что ни одна популяция не существует непрерывно на одном уровне численности. Эти колебания С. Четвериков назвал «волнами жизни». Резко уменьшившаяся по численности популяция затем восстанавливается и достигает прежнего уровня за счет случайно выживших особей. Случайное повышение концентрации некоторых мутаций дает новый материал для отбора. Таким образом, популяционные волны, наряду с мутационным процессом являются поставщиками элементарного эволюционного материала.
Третий эволюционный фактор — изоляция. Благодаря изоляции, из одной исходной популяции или их групп могут сформироваться две или более генетически отличающиеся группы организмов, а в дальнейшем — новые подвиды и, наконец, виды. Изоляция сама по себе не создает новых форм. Для их создания необходимы генетическая неоднородность и отбор, но изоляция способствует дивергенции. Различают следующие формы изоляции: географическую, экологическую и генетическую.
И, наконец, главнейший эволюционный фактор — естественный отбор. Генетическая гетерогенность популяции, насыщенность мутациями обеспечивают их пластичность, лучшую приспособленность к изменяющимся условиям, что имеет большое значение для жизни вида. При изменении условий существования в популяции наличествует резерв наследственной изменчивости, из которой ряд признаков могут оказаться приспособительными и будут поддержаны отбором. При этом различают три формы естественного отбора: движущий (когда при изменении условий среды начинает создаваться новая форма, а прежняя подвергается уничтожению); стабилизирующий (направленный на закрепление той узкой нормы реакции, которая оказалась наиболее благоприятной при данных условиях существования); дизруптивный (приводящий к распаду прежней формы и отбору не одной, а двух или более различных норм реакции).
Для понимания эволюционных процессов большую роль играют концепции возникновения жизни. Таких концепций известно несколько:
• креационизм — божественное сотворение живого;
• концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества;
• концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;
• концепция панспермии — внеземного происхождения жизни;
• концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам*.
К началу XX века в науке получили широкое распространение последние две концепции. Концепция эволюционного происхождения жизни на Земле формулируется в двух вариантах: происхождение жизни — результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого (Ж. Моно); жизнь — результат закономерной эволюции материи. Этой проблемой занимались многие отечественные (В. Комаров, В. Омелянский, Л. Берг, Н. Холодный и др.) и зарубежные (Дж.С. Холдейн, Д. Бернал и др.) исследователи. Широкую известность получила концепция А. Опарина, которая предстала как итог обобщения доказательств возникновения жизни на Земле в результате закономерного процесса перехода химической формы движения материи в биологическую:
• образование из неорганических веществ, в отсутствии живых организмов, т.е. абиогенно, простейших органических соединений (углеводородов) и их накопление;
• дальнейшие превращения органических веществ и образование абиогенным путем более сложных и разнообразных органических соединений;
• выделение в первичном «питательном бульоне» особых коацерватных капель — предбиологических систем, представляющих собой группы полимерных соединений;
• возникновение упорядоченности, определенной последовательности реакций; образование мембраны, появление линейных нитчатых структур, способных к самовоспроизведению, репликации, изменчивости.
Современные гипотезы происхождения жизни исходят из представления об образовании в определенных условиях сложно организованных органических молекул-коагулянтов, гелей и коацерватов. У этих коллоидных образований на поверхности могут происходить процессы, напоминающие метаболизм живых организмов (гипотеза Опарина—Холдейна). Сопоставление вероятности определенного сочетания 6000 нуклеотидов и времени, необходимого для этого, с временем существования Вселенной, указывало на важность поиска более быстрых, скачкообразных механизмов образования нужных структур. Открытие генетического кода в середине 50-х годов стимулировало интенсивные биохимические исследования. М. Эйген для объяснения ускорения эволюционного процесса выдвинул идею конкуренции гиперциклов химических реакций, которые ведут к образованию белковых молекул.
Изучение процессов кристаллизации некоторых глин и сопоставление их с появлением усложняющихся структур в РНК-полимерах привело А. Кернса-Смита к гипотезе зарождения жизни в кристаллах глины.
Комплекс представлений о микро- и макроэволюции, сложившийся к середине XX века, стали называть синтетической теорией эволюции. Эта теория представляет собой синтез основных эволюционных идей Дарвина с новыми результатами биологических исследований в области наследственности и изменчивости. Основу ее составляют:
• принятие за единицу эволюции популяцию;
• обозначение объектов микро- и макроэволюции; микроэволюция — «совокупность эволюционных изменений, происходящих в генофондах популяций за сравнительно небольшой период времени и приводящих к образованию новых видов. В отличие от этого макроэволюция связана с эволюционными преобразованиями за длительный исторический период времени, которые приводят к возникновению надвидовых форм организации живого»*;
• эволюция не всегда идет от простого к сложному.
Большое значение в развитии синтетической теории эволюции имеют исследования в области генетики. Генетика изучает закономерности наследственности и изменчивости. Наследственность — свойство организмов повторять в ряде поколений сходные признаки и обеспечивать специфический характер индивидуального развития в определенных условиях среды. Изменчивость заключается в изменении наследственных задатков, а также в вариабельности их проявлений в процессе развития организмов при взаимодействии с внешней средой. Новые свойства организмов появляются только благодаря изменчивости, но она лишь тогда может играть роль в эволюции, когда появившиеся изменения сохраняются в последующих поколениях, т.е. наследуются. В гаметах (половых клетках), спорах, вегетативных клетках (при разных видах размножения) заложена генетическая информация. Элементарными единицами наследственности служат гены, представляющие собой отрезки молекулы ДНК. Каждый ген определяет последовательность аминокислот в одном из белков. Совокупность всех наследственных факторов организма (генов) в диплоидном наборе хромосом ядра получила название генотипа; совокупность всех свойств и признаков организма называется фенотипом.
В основу генетики легли закономерности наследственности, открытые Г. Менделем. Среди основных направлений исследований ученых-генетиков XX века выделяются следующие*:
• изучение молекул нуклеиновых кислот, которые являются хранителями генетической информации, единицами наследственности;
• раскрытие механизмов и закономерностей передачи генетической информации от поколения к поколению;
• изучение механизмов реализации генетической информации в конкретные признаки и свойства организма;
• выяснение причин и механизмов изменения генетической информации на разных этапах развития организма.
Генетика решает эти задачи на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему