Лекция 11. Структурные концепции биологии

БИОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

1.Основной вопрос биологии и ее концептуальные системы.

2. Биогенез: основные и альтернативные теории.

3. Клетка. Формирование клеточных структур.

4. Генетика. Генетические закономерности наследственности

5. Генетические закономерности изменчивости.

Основной вопрос биологии. Основным вопросом биологии является рассмотрение проблемы сущности жизни. Строго сформулировать понятие «жизнь» вопрос довольно трудный из-за сложности и многообразия процессов, происходящих в живых системах. Дать определение живому – значит, ограничить его понимание в пределах той или иной парадигмальной установки. Поэтому долгое время сама возможность точной формулировки вызывала сомнение.

В различные периоды в научном знании существовали различные трактовки, выделяющие те или иные особенности живого и жизни вообще – от механистического и виталистического до кибернетическо-информационного подходов.

В классической биологии соперничали две противоположные позиции, объясняющие сущность живого принципиально различным образом – редукционизм и витализм. Термин «редукционизм» происходит от латинского «reductio» – отодвигать назад, возвращать. Идеи биологического редукционизма опирались на представления вульгарно механистического материализма, получившего наибольшее распространение в философии XVII – XVIII вв. Механистический материализм объяснял с помощью законов классической механики. Адаптация механистистической материалистической позиции к биологическому познанию привела к формированию биологического редукционизма. В первой половине XIX века в биологии появляется история теории систем. Одна из первых ее страниц была посвящена редукционизму, согласно которому все высшее сводится к низшему. Соответственно, сторонники редукционизма считали, что все процессы жизнедеятельности организмов можно свести к совокупности определенных физико-химических реакций. Качественное своеобразие живого отрицалось. С точки зрения современного естествознания, редукционистсткое объяснение не может быть признано удовлетворительным, поскольку выхолащивает саму сущность живого. Тем не менее, в биологии XVIII редукционизм получил широкое распространение.

Противоположностью редукционизма является витализм, сторонники которого объясняют специфику живого присутствием в нихособой жизненной силы. Термин «витализм» происходит от латинского vita – жизнь. Философской базой витализма является идеализм. Сторонники витализма использовали ограниченность редукционистской парадигмы как аргумент в пользу собственной правоты. Виталисты утверждали, что органическое целое невозможно свести к простой сумме его частей, и оно управляется божественной силой. Однако витализм не прояснял специфики и механизмов функционирования живого, сводя все отличия органического от неорганического к действию таинственной и непознаваемой «жизненной силы». Несмотря на то, что витализм не объяснял сущности живого, в классической биологии было немало его сторонников

Несколько в стороне находились взгляды экспериментирующих биологов, придерживавшихся физиологического детерминизма. Так, К. Бернар полагал, что все структуры и процессы в многоклеточном организме определяются внутренними причинами организма, поиском которых необходимо заниматься ученым.

В любом случае независимо от подхода живое должно обладать следующими атрибутами:

ü способностью к воспроизводству и гомеостазу;

ü клеточным строением;

ü вещественным строением (белки и нуклеиновые кислоты)

ü способностью к росту и развитию;

ü раздражимостью;

ü наследственностью, изменчивостью и приспособленностью к среде;

ü а сегодня вводятся также информативность, организованность.

Современная биология основными свойствами живого считает самостоятельный обмен веществ, раздражимость, подвижность, рост, способность к размножению и приспособляемость к среде. По совокупности этих свойств живое отличается от неживого.

Биологические системы – это целостные открытые системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой веществом, энергией, информацией и способные к самоорганизации. Живые системы активно реагируют на изменения окружающей среды, приспосабливаясь к новым условиям. Биологические системы способны к самовоспроизводству, а, следовательно, к сохранению и передаче генетической информации последующим поколениям.

Отдельные качества могут быть присущи и неорганическим системам, однако, ни одна неорганическая система не обладает всей совокупностью перечисленных выше свойств.

Существуют переходные формы, которые объединяют в себе свойства живого и неживого, например, вирусы. Слово «вирус» образовано от латинского virus – яд. Вирусы были открыты русским ученым Д.Ивановским. С одной стороны, они состоят из белков и нуклеиновых кислот и способны к самовоспроизводству, т.е имеют признаки живых организмов, с другой стороны, вне чужого организма или клетки они не проявляют признаков живого: не имеют клеточного обмена, т.к. не обладают клеточным строением, не реагируют на раздражители, не способны к росту и размножению. По своей структуре вирусы очень похожи на гены, по крайней мере, это подтверждено исследованиями молекулярной биологии. В связи с этим обсуждается вопрос об эволюционной роли вирусов, которые иногда называют «взбесившимися генами».

Все живые существа имеют одинаковый химический состав: 20 аминокислот, 5 азотистых оснований, глюкоза, жиры. Следует отметить, что современной органической химии известно более чем 100 аминокислот. По-видимому, такое небольшое количество соединений, образующих все живое, является результатом отбора, который происходил на этапе предбиологической эволюции. Белки, из которых состоят живые системы, представляют собой высокомолекулярные соединения. В каждом конкретном белке порядок аминокислот всегда один и тот же. Большинство белков выступает в качестве ферментов – катализаторов химических реакций.

Уровни организации живой природы и концептуальные системы биологии. Мир живого – биосфера – состоит из биосистем различной структуры, взаимодействия и соподчиненности. Выделяют следующие уровни организации живой материи:

Молекулярно-генетический. Любая биосистема проявляется вначале на уровне функционирования биополимеров, построенных из большого количества структурных единиц – мономеров. Именно с этого уровня начинаются основные процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и т.д. Единицей молекулярно-генетического уровня выступает ген – структурный элемент молекулы ДНК, несущий наследственную информацию, передаваемую от поколения к поколению, а элементарные явлением – воспроизводство генетических кодов по принципу матрицы.

Клеточно-тканевый. Клетка – это структурно-функциональная единица живых организмов, представляющая собой самовоспроизводящуюся, саморегулирующуюся живую систему. Неклеточных форм жизни на Земле пока не обнаружено. Ткань представляет собой совокупность идентичных клеток и межклеточного вещества, выполняющих общую функцию. Органы – это структурно-функциональные объединения нескольких типов тканей. Например, кожа как орган включает эпителий, соединительную ткань и др. и выполняет защитную функцию отграничения внутренней среды организма. Многоклеточный организм представляет собой целостную систему органов, специализированных для выполнения различных функций. Биологическая особь может быть как одноклеточным, так и многоклеточным организмом, однако в любом случае она представляет собой целостную систему.

Онтогенетический. Единицей онтогенетического уровня организации живого выступает отдельная особь, а элементарным явлением – онтогенез. Онтогенез – процесс индивидуального развития организма от рождения через последовательные морфологические, физиологические и биохимические изменения до смерти, процесс реализации наследственной информации. Термин «онтогенез» был введен в науку немецким биологом Э.Геккелем. Единая теория онтогенеза пока не создана, поскольку не прояснены причины и факторы, определяющие индивидуальное развитие организма и т.п. Сейчас можно говорить только о том, что онтогенез является следствием реализации сложной согласованной программы развертывания наследственных свойств организма.

Популяционно-видовой. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенных общим местом обитания, создает популяцию как систему надорганизменного порядка, в которой и происходят начальные эволюционные преобразования. Единицей популяционно-видового уровня – популяция, а элементарное явление – направленное изменение ее генетического состава.

Биогеоценотический. Совокупность растений, животных, грибов и-или микроорганизмов, населяющих участок среды с более или менее однородными условиями существования и характеризующихся определенными взаимосвязями между собой и приспособленностью к условиям окружающей средыназывается биоценоз (например, биоценоз озера, леса и т.д.). Биоценозы входят в качестве составных частей в еще более сложные системы – биогеоценозы. Биогеоценоз – совокупность организмов разных видов и факторов среды их обитания, в которой и происходят начальные эволюционные преобразования;

Биосферный. Биосфера – система наивысшего порядка, охватывающая все явления жизни на планете. На этом уровне происходит биологический (биохимический) круговорот веществ в природе и превращения энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов на Земле, а также космопланетные биопроцессы.

Каждый уровень организации живого характеризуется собственными свойствами и закономерностями, а в целом вся иерархия живой природы позволяет представить ее как целостную самоорганизующуюся систему, находящуюся в постоянном взаимодействии с неорганической материей.

Применив иерархический принцип, с учетом уровня сложности биологической формы движения, можно выстроить и «лестницу» концептуальных систем в биологии (КСБ).

Биосферный уровень V КСБ

Биогеоценотический уровень IV КСБ

Популяционно-видовой уровень III КСБ

Онтогенетический II КСБ

Молекулярно-генетический уровень I КСБ

.

Биогенез: основные гипотезы. Возникновение жизни на Земле представляет величайшую проблему современного естествознания. Полного решения ее пока нет, несмотря на огромные достижения биологии, палеонтологии, биохимии и других наук.

Основные гипотезы возникновения живого:

1) гипотеза креационизма – гипотеза сверхъестественного сотворение живого Богом.

2) гипотеза многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества (эту мысль высказывал еще Аристотель);

3 ) гипотеза стационарного (вечного) существования жизни, т.е. жизнь была, есть и всегда будет;

4) гипотеза панспермии – гипотеза космического, внеземного происхождения жизни;

5) историко-эволюционная гипотеза возникновения жизни на Земле как результата химических и физических процессов.

Первая гипотеза является чисто религиозной, поэтому к науке отношения не имеет. Вторую отвергают опыты биологов, в частности, опыт Луи Пастера в 19 веке, который доказал, что живое может возникнуть только из живого. Третья гипотеза не подтверждается анализами физической картины возникновения Вселенной. В настоящее время серьезно обсуждаются две последние концепции.

, Согласно концепции панспермии, живое было занесено на Землю извне, а наша планета предоставила лишь необходимые условия для развития живого. Доказательством в ее пользу является обнаружение в метеоритах и кометах «предшественников» живого – органических соединений, которые, возможно, сыграли роль «семян» на почве жизни. Сторонки этого подхода, например В.И.Вернадский, считают, что живое возникло в результате трех эволюций: космохимической, перешедшей в геохимическую, а потом – в биологическую. Однако время, место и формы этого перехода остаются неясными. Как сказал Б.С.Соколов, известный палеонтолог нашего времени, мы не можем дать ответ на сумасшедший вопрос «что древнее – Земля или жизнь на ней». Возможно Земля и жизнь на ней почти ровесники, и поэтому предпочтительнее говорить о появлении жизни на планете, а не о ее происхождении.

У историко-эволюционной гипотезы возникновения жизни на Земле в далеком прошлом есть два варианта. Согласно первому, происхождение жизни – результат случайного образования единичной живой молекулы, в структуре которой и сформировался весь алгоритм дальнейшего развития живой материи. Однако вероятность такого случайного возникновения настолько мала, что в нее очень трудно верить. Поэтому более общепризнанной и обоснованной считается эволюционная теория возникновения жизни, как результат закономерного развития материи.

Эволюционная теория биогенеза. Все эволюционные гипотезы биогенеза можно сгруппировать по двум направлениям:

1. Первую группу составляют предположения, основанные на идее генобиоза, утверждающей первичность некоторой макромолекулярной структуры со свойствами и функциями генетического кода. Автор этой гипотезы Дж. Холдейн считал, что исходным первоэлементом живого была сложная макромолекулярная система, подобная гену и способная к самовоспроизведению (саморепродукции). Ее прозвали «голым геном».

1) Прародительница единого для всей биосферы генетического кода была действительно «голой» – в том смысле, что не находилась в комплексе с протеинами и обеспечивала свое воспроизводство самостоятельно.

2) В абиотических условиях сразу зародился нуклеиново-протеидный комплекс, поскольку полинуклеотиды в отсутствие белков-ферментов не способны к самостоятельной (комплементарной) саморепродукции. А это – одно из фундаментальных свойств живой материи: способность к стереоспецифической комплементарной (сцепление-связывание) репродукции.

Дата добавления: 2013-12-13