Лекции по "Концепция современного естествознания"

Каким образом проводилась та химическая подготовка, в результате которой из минимума химических элементов и минимума химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс - биосистема? Химику важно это понять для того, чтобы научиться у природы так легко и просто приспосабливать для своих нужд «менее организованные материалы», например: синтезировать сахар, получать стереоспецифические соединения и т. п.

В ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп. К примеру, фрагмент эволюционных систем - развитая полимерная структура типа РНК и ДНК, выполняющая важные функции передачи наследственной информации.

Заслуживает внимания ряд выводов, полученных самыми различными путями и в различных областях науки (геологии, геохимии, космохимии, биохимии, термодинамике, химической кинетике). На ранних стадиях химической эволюции мира катализ вообще отсутствовал. Условия высоких температур (выше 5000°К), электрических разрядов и радиации препятствовали образованию конденсированного состояния. Первые проявления катализа начинались при смягчении условий (при температуре ниже 5000° К) и образовании первичных твердых тел. Роль катализатора возрастала по мере того, как физические условия (главным образом температура) приближались к земным. Но роль катализа вплоть до образования более или менее сложных органических молекул оставалась несущественной. Появление таких относительно несложных систем, как аминокислоты и первичные сахара, было своеобразной некаталитической подготовкой старта для большого катализа. Роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния, т. е. известного количественного минимума органических и неорганических соединений, начала возрастать сравнительно быстро. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических способов и обладали широким каталитическим спектром.

Отличительная черта второго - функционального подхода – к проблеме предбиологической эволюции состоит в сосредоточении внимания на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. Среди естествоиспытателей такого подхода придерживаются преимущественно физики и математики, рассматривающие эволюционные процессы с позиций кибернетики. Крайняя точка зрения - утверждение о полном безразличии к материалу эволюционных систем: живые системы, вплоть до интеллекта, могут быть смоделированы даже из металлических систем.

ЛЕКЦИЯ 10. СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ ЭВОЛЮЦИИ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ И СУЩНОСТИ ЖИЗНИ 

В современном представлении биология - совокупность наук о живой природе, об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает общие и частные закономерности, присущие жизни во всех её проявлениях (обмен веществ, размножение, наследственность, изменчивость, приспособляемость, рост, раздражимость, подвижность и др.).

Первые систематические попытки познания живой природы были сделаны еще в древности, врачами античности Гиппократом (ок.460 - ок. 370) и Галеном (ок. 130-ок. 200),а также древнегреческим философом и ученым Аристотелем (384-322 до н. э).

На начальном этапе развития биология носила описательный характер, и позднее, она была названа традиционной биологией. Объект изучения ее - живая природа в ее естественном состоянии и целостности. К первым и наиболее значительным достижениям традиционной биологии относятся классификации многообразного растительного и животного мира. Многие принципы классификации были заложены еще в средние века и актуальны по сей день.

Значительный вклад в традиционную биологию внес шведский естествоиспытатель Карл Линней (1707- 1778). Он создал систему классификации растительного и животного мира и построил наиболее удачную классификацию растений и животных, подробно описав около 1500 растений. Классификация производилась по определенным признакам, отражающим закономерности, наблюдаемые в живой природе. По таким признакам растения объединялись в группы, называемые таксонами. Введенная Линнеем бинарная номенклатура для обозначения рода и вида дошла до наших дней почти неизменной.

Французский ботаник Мишель Адансон (1727- 1806) предложил принцип классификации растений по сходству максимального числа признаков с применением математических методов. Этот принцип лежит в основе числовой таксономии, весьма эффективной при объединении организмов в родственные группы. В последнее время в числовой таксономии применяются современные вычислительные средства.

Естественные системы (эволюционные, генеалогические) создаются, как правило, в рамках какой-либо концепции, включающей принцип нахождения генеалогического родства и установления преемственности происхождения. Таких концепций за всю историю традиционной биологии накопилось немало, так как во все времена биологи стремились понять и отобразить схематически эволюцию живого мира. Разнообразие концепций породило множество генеалогических древ, первое из которых предложил в 1866 г. немецкий биолог-эволюционист Эрнст Геккель (1834- 1919). Традиционная биология продолжает развиваться и в настоящее время. По сравнению с другими направлениями она обладает необходимым преимуществом: ее научный материал накапливается в результате непосредственного наблюдения объекта изучения - живой природы, воспринимаемой как единое целое во всем многообразии ее форм и проявлений. Благодаря такому преимуществу традиционная биология будет развиваться и в будущем.

Для живой природы постоянное развитие - наиболее важное и характерное свойство. В этой связи концепция развития в биологии представляет фундамент, на котором построена эволюционная биология. Понятие «эволюция» означает в биологии процесс длительных и постепенных изменений, которые в конечном счете приводят к коренным качественным изменениям – возникновению новых биологических форм, видов, систем. Концепция эволюции имеет для биологической картины мира фундаментальное значение. Именно в биологии эта концепция стала основой развития разностороннего специализированного знания о живом. Эволюционная биология как наука о развитии живой природы начиналась с материалистической теории эволюции органического мира Земли, основанной на воззрениях английского естествоиспытателя Чарльза Дарвина (1809- 1882).

Эволюция, по Дарвину, осуществляется в результате взаимодействия трех основных факторов: изменчивости, наследственности и естественного отбора.

ü Изменчивость служит основой образования новых признаков и особенностей в строении и функциях организмов.

ü Наследственность закрепляет эти признаки.

ü Под действием естественного отбора устраняются организмы, не приспособленные к условиям существования.

Благодаря наследственной изменчивости и непрерывному действию естественного отбора организмы в процессе эволюции накапливают все новые приспособительные функции, что в конечном результате ведет к образованию новых видов. Таким образом, Дарвин установил движущие силы эволюции органического мира, объяснил процесс развития и становления биологических видов.

В то время, когда формировалось учение Дарвина, биология располагала весьма скромными знаниями о химическом составе организмов, о процессе обмена и о других, хорошо известных в настоящее время свойствах живой природы. Однако даже те знания не имели какого-нибудь существенного значения при создании эволюционного учения. Дарвин был истинным натуралистом и его теория - итог пристального, целенаправленного наблюдения над живой природой в самых различных ее проявлениях. А это означает, что эволюционное учение произрастало на благодатной почве традиционной биологии с ее ставшими к тому времени классическими методами наблюдений. Одних только целенаправленных наблюдений и системного подхода при анализе их результатов оказалось вполне достаточно для формирования важнейшего принципа - принципа естественного отбора. Этот принцип оказался настолько сильным, что накопленные в дальнейшем знания в традиционной биологии и даже в современной - физико-химической - биологии не смогли отвергнуть или даже как-то существенно изменить саму идею естественного отбора. В эволюционной биологии, возникшей во второй половине Х1Х века из объединения дарвинизма, палеонтологии, морфологии, физиологии, эмбриологии и систематики, принцип естественного отбора остается основополагающим и в настоящее время. Слабым местом в дарвинизме современные биологи считают представления о наследственности, которые были подвергнуты серьезной критике.

Современный эволюционизм значительно отличается от дарвинизма в его начальном виде - это многогранное комплексное учение, получившее название синтетической теории эволюции, которая представляет синтез дарвиновской концепции естественного отбора с генетикой и экологией. К основным факторам эволюции в настоящее время относят не только выделенные Дарвиным естественный отбор, изменчивость и наследственность, но и мутационные процессы, популяционные волны численности и изоляцию. При этом в качестве основного элемента эволюционного процесса сегодня рассматривается устойчивое изменение генотипа популяции, а не отдельной особи или вида.

Основные положения синтетической теории эволюции:   

-       Естественный отбор как следствие конкурентных отношений борьбы за существование является главным движущим фактором эволюции. Факторами видообразования являются также мутационные процессы (мутации разных видов), дрейфы генов (генетико-автоматические процессы) и различные формы изоляции.

-       Эволюция протекает постепенно. Через отбор мелких случайных мутаций. Новые формы могут образовываться через крупные наследственные изменения (сальтации), а их жизненность определяется отбором.     

-       Исходным материалом для эволюции являются мутации различного типа, а сами эволюционные изменения случайны и не имеют определенного направления.

-       Макроэволюция осуществляется через процессы микроэволюции и не имеет каких либо собственных механизмов возникновения новых форм жизни.

В процессе развития эволюционного учения возникли разные направления, в том числе и недарвиновские теории развития живой природы: неоламаркизм, генетический антидарвинизм какантиэволюционизм, теория номогенеза, пунктуализм и нейтралистская теория эволюции, отличающиеся от дарвиновского учения. Все эволюционные направления, так или иначе, базируются на последних достижениях смежных отраслей биологии и естествознания. Происходит, таким образом, своеобразный эволюционный синтез, приводящий к взаимному обогащению эволюционных теорий для микро-, макро- и мегаобъектов, которые представляют характерную особенность современного естествознания, заключающуюся, в общем, и в то же время едином подходе в многостороннем изучении единой природы в различных ее проявлениях. Возможно, в будущем возникнет единая теория жизни, объединяющая синтетическую теорию эволюции и недарвиновские концепции развития живой природы.

Сущность и определение жизни.

На обыденном уровне мы все интуитивно понимаем, что представляет собой живое, а что - мертвое. Однако при попытке определить сущность жизни, как на обыденном, так и на научном уровне, возникают большие трудности, так как сущность жизни и в том и в другом случае понимается и определяется различным образом.

Большинство ученых убеждены, что жизнь представляет собой особую форму существования материального мира. До конца 50-х годов в научной и философской литературе общепринятым было знаменитое определение Ф. Энгельса, которое утверждало, что жизнь есть способ существования белковых тел, состоящий в постоянном самообновлении химических составных частей этого тела на основе обмена веществ. Но к этому времени стало очевидным, что субстратная основа жизни не сводится только к белкам, а функциональная - к присущему им обмену веществ.

Интересны также определения жизни Э. Шредингера как апериодического кристалла, Г. Югая как космической организованности материи, а также определение, подчеркивающее энергетический аспект жизни - противостояние энтропийным процессам.

Есть аксиоматические определения жизни, называющие ее важнейшие черты. Таково определение А.И. Опарина. К этой группе относят и определение Б.М. Медникова, называющее жизнью активное, идущее с затратой энергии, поддержание и воспроизведение специфических структур, функционирование которых описывают следующие положения:

Ø живые организмы характеризуются наличием фенотипа и генотипа;

Ø генетические программы не возникают заново, а реплицируются матричным способом;

Ø в процессе репликации неизбежны ошибки на микроуровне, случайные и непредсказуемые изменения генетических программ (мутации);

Ø в ходе формирования фенотипа эти изменения многократно усиливаются, что делает возможным их селекцию со стороны факторов внешней среды.

Современная биология в вопросе о сущности живого все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом акцент делается на то, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни. Итак, что такое живое и чем оно отличается от неживого?

К числу свойств живого обычно относят следующие:

Ø живые организмы характеризуются сложной упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах;

Ø живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию;

Ø живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешнее раздражение - универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных;

Ø живые организмы не только изменяются, но и усложняются;

Ø все живое размножается. Способность к самовоспроизведению - один из самых главных признаков жизни, так как в этом проявляется действие механизма наследственности и изменчивости, определяющих эволюцию всех видов живой природы;