3. Традиционный, физико-химический, эволюционный и биоинженерный периоды развития биологии. Основные достижения биологии в эти периоды

Традиционная или натуралистическая биология изучает живые организмы с помощью наблюдений, эмпирических и понятийных обобщений, селекционной деятельности. Важнейшая задача традиционной биологии наблюдение, описание, систематизация, накопление общих сведений и классификация мира живой природы в ее естественном состоянии и целостности.

В древности существовали в рамках философии систематизированные представления о живой природе. На протяжении своего существования традиционная биология сделала целый ряд открытий: классификация многообразия растительного и животного мира; концепция естественных (генеалогических) систем; представление о виде как структурной единице живой природы; формирование понятий популяция, биогеоценоз, биосфера и др.

Значительную роль в создание системы классификации растительного и животного мира внес шведский естествоиспытатель Карл Линней (1707-1778 гг.), которому удалось описать более 1500 растений. Классификация осуществлялась по определенным признакам, отражающим закономерности развития живой природы. Например, на основе ряда признаков К.Линней объединил растения в группы под названием таксонов. Его бинарная номенклатура растений на основе латинского языка используется и в наше время. Каждый вид растения обозначается двумя словами – название рода и название вида. Обыкновенные бархатцы в этой номенклатуре имеют название МЕРИ-ГЛЕД.

Французский ботаник М. Адансон (1727-1806 гг.) использовал в процессе классификации растений множество совпадающих признаков и применял математические методы в своих расчетах. Данное направление в классификации называют числовой таксономией, оно активно используется при объединении организмов в родственные группы.

Натуралистическая биология создала традицию составления генеалогических систем, в основе которых лежат принципы нахождения генеалогического родства и установления преемственности происхождения организмов. Традиционная биология накопила немало различных концепций эволюции живого мира, а также множество генеалогических древ, первое из которых было предложено Эрнстом Геккелем (1834-1919 гг.).

В рамках традиционной биологии сформировалось представление о виде как основной структурной единице живой природы. Постепенно предмет традиционной биологии расширился от круга организмов до популяций и биосферы в целом.

С углублением биологического знания ее предметом становятся физические и химические составляющие биологических систем на микроуровне организации жизни. В XIX веке получает свое развитие физико-химическая биология. На этом этапе развития биология также имеет ряд существенных достижений. Впервые с помощью микроскопа английский естествоиспытатель Роберт Гук (1635-1703 гг.) наблюдал клетку, а спустя много лет в 1839 г. была сформулирована клеточная теория строения живых организмов, авторами которой стали Матиас Шлейден (1804-1881 гг.) и Теодор Шванн (1810-1882 гг.). Под клеткой понимается элементарная мельчайшая, относительно самостоятельная живая структура, выполняющая основные функции жизнедеятельности организмов (поглощение вещества и энергии, преобразование энергии в процессе построения сложных структур, рост и размножение и др.). Клеточная теория позволила установить принцип единства построения всех живых организмов, который можно назвать клеточным принципом.

Размеры клеток варьируют от 0,1-1 мкм у бактерий до 155 мм у птиц (яйцо страуса в скорлупе –это пример самой большой клетки). Средний размер клетки животных 10-20 мкм, а растений- 30-50 мкм в диаметре. Встречаются исключения, например, нервная клетка достигает двух метров в длину и имеет маленькие размеры в поперечном сечении. Клетки цитрусовых хорошо видны невооруженным глазом в виде наполненных соком волокон.

Живые организмы могут содержать различное количество клеток. Существует ряд одноклеточных организмов: бактерии, сине-зеленые водоросли, диатомовые водоросли. У многоклеточных организмов количество клеток просто огромно. Время жизни клеток также различно и может достигать десятков суток.

В настоящее время хорошо изучена клеточная структура: клеточная мембрана, клеточное ядро, цитоплазма. Несмотря на общий принцип построения клетки могут сильно отличаться друг от друга. Принципиально отличаются клетки растений и животных. В сложных организмах могут присутствовать клетки различных типов. Например, в организме человека насчитывается несколько сотен типов клеток, каждый из которых представлен миллиардами их индивидов.

Клетка обладает способностью возобновляться, что определяет жизнедеятельность организма и ее продолжительность. В человеческом организме есть клетки, не обладающие способностью восстанавливаться – это клетки головного мозга, мышечные клетки, женские половые клетки (яйцеклетки). Есть клетки с особыми свойствами к восстановлению за счет других клеток, например, клетки крови, клетки кожи и некоторые другие.

Значительным достижением физико-химического этапа развития биологии является подтверждение факта единства живой и неживой природы. Строение живой и неживой материи носит атомарный характер и формируется на основе химических элементов периодической таблицы.

Существует важная особенность живого организма, состоящая в его способности производить органические соединения из неорганических с использованием солнечной энергии. Этот процесс называется фотосинтезом и происходит в зеленых растениях и сине-зеленых водорослях (т.е. хлорофилоносных организмах). Эксперименты по фотосинтезу у растений известны с XVIII века, но понимание этого процесса пришло к ученым лишь в XX столетии. Достаточное количество энергии является основным фактором нормального функционирования любого организма. Эта энергия запасается в клетке, а энергозапасающим веществом в ней служит нуклеотид – аденозинтрифосфат (АТФ). Клетки используют энергию для движения, выработки тепла, удаления отходов, синтеза и запаса необходимых веществ. Можно считать, что АТФ является формой консервации солнечной энергии в форме химической энергии молекул.

Современная химия утверждает, что жизнедеятельность организмов основывается на биохимических преобразованиях веществ с использованием различных видов энергии. Наиболее интегрированными являются процессы метаболизма и катаболизма.

Катаболизм (от греч. katabole — сбрасывание, разрушение), совокупность химических процессов, составляющих противоположную анаболизму сторону обмена веществ; процессы К. направлены на расщепление сложных соединений, которые входят в состав органов и тканей в качестве их структурных элементов (белки, нуклеиновые кислоты, фосфолипиды и др.) или отложены в них в виде запасного материала (жир, гликоген и др.). В результате К. сложные соединения теряют присущие им специфические особенности, превращаясь в вещества, частично используемые на биосинтезы, частично выводимые из организма (промежуточные и конечные продукты обмена веществ).

Анаболизм (anabolism) - Метаболический синтез сложных молекул из более простых предшественников. В результате анаболизма поступающие из окружающей среды вещества становятся частью живых структур или откладываются в виде запасов (конструктивный метаболизм). Реакции анаболизма сопряжены с реакциями катаболизма, поставляющими энергию на нужды процессов синтеза.

Углерод – наиболее широко распространенный элемент органического мира. На его основе живые организмы строят два типа молекул – мономеры (малые молекулы) и полимеры (крупные молекулы). Широко известны и применяются в практической жизнедеятельности такие естественные полимеры как, шерсть, хлопок, шелк, каучук

Внимание ученых привлекает биохимический цикл превращения органических соединений у человека. В 1992 году американские ученые Эдвин Кребс и Э. Фишер получили Нобелевскую премию за исследования в области клеточного метаболизма. Полный процесс метаболизма животной клетки называют «циклом Кребса» по имени знаменитого ученого.

Необходимо отметить, что для биологического познания традиционный и физикохимический подходы всегда сочетались с эволюционными представлениями о развитии живой материи. Эволюционная биология активно формируется в рамках естествознания с момента распространения концепции развития живых организмов. Эта концепция полагает, что любая живая система способна к процессу длительного плавного изменения, в результате которого возможны качественные преобразования и возникновение новых форм живых организмов. Начальное представление об эволюционной теории сформулировано в работах Ж.Б. Ламарка и Ч. Дарвина. Для современного состояния биологической науки характерна синтетическая теория эволюции, которая рассматривает развитие органического мира как необратимое в историческом контексте развитие биоса. В основе эволюции биоса лежат такие свойства как, изменчивость, наследственность, естественный отбор, приспособление к условиям существования, вымирание и образование видов, преобразование биогеоценозов и биосферы.

Эволюционная биология опирается на достижения молекулярной генетики, цитогенетики, генетики популяций, теории отбора, математической теории эволюции, эмбриологии, этологии, биогеографии и др. Синтетическая теория эволюции включает три основных подхода к описанию биологической реальности: синергетический; номогенетический; ко-эволюционный.

С точки зрения синергетического подхода биосфера рассматривается как система, способная к процессу самопроизвольного усложнения или деградации за счет реализации комплекса механизмов эволюционного развития сложных систем. Авторами этого подхода являются Н.А. Богданов, Л. Фон Берталанфи, И. Пригожин, М. Эйген и др. ученые.

В основе номогенетического подхода стоят представления о способности живого приспосабливаться к окружающей среде. Номогенетическая концепция сформулирована в 1922 году Л.С. Бергом, знаменитым российским ученым. Дальнейшее свое развитие она получила в работах А.А. Любищева. Эволюция организмов моделируется не на основе естественного отбора, роль которого не отвергается также, а на основе закономерностей объективного типа, обусловленных генетически целесообразными реакциями живых организмов на воздействия окружающей среды. В отличие от дарвинизма номогенетический подход утверждает упорядоченный характер наследственной изменчивости. Основным понятие номогенеза является понятие биологического разнообразия живого. Это означает, что законы живого мира носят универсальный характер. Феномен многообразия живого включает в себя все виды растений, животных, микроорганизмов и экосистемы, в состав которых они входят. Роль биологического разнообразия, которое характеризуется числом видов и частотой их распространения, в функционировании различных систем проявляется в разных формах: генетическое разнообразие, структурное разнообразие. По оценкам экспертов, общее число видов растений, животных, микроорганизмов и грибов составляет на планете от 5 до 30 миллионов. Реально описаны только около 2-х миллионов видов.

В нашей республике видовое разнообразие представлено 12000 видов растений, фауна составляет около 500 видов позвоночных и более 20000 беспозвоночных видов животных. Флора и фауна нашей страны имеет как национальное, так и мировое значение. Как фундаментальная составляющая природы биологическое разнообразие республики оказывает влияние на поддержание генетического многообразия природы, является источником непрерывного процесса эволюции, обеспечивает замкнутость круговоротов вещества, является фактором, влияющим на адаптацию биосферы к антропогенным воздействиям.

Ко-эволюционный подход рассматривает как единый процесс развитие живого и неживого в совместном взаимодействии. Современное состояние биосферы является результатом предшествующих эволюционных процессов во всех ее элементах. Процессы становления биологического многообразия не прекращаются благодаря генетическим мутациям и рекомбинациям. Сбалансированность и устойчивое состояние биосферы в будущем определяется современными процессами естественной природы и антропогенными факторами. Концепция ко-эволюции как процесс взаимозависимого развития человека, природы и общества сформулирована в работах Н.В. Тимофеева-Ресовского, Н.Н. Моисеева, Э.В. Гирусова, Р.С. Карпинского и многих других ученых. Значительный вклад в формирование ко-эволюционных представлений внес В.И. Вернадский, который одним из первых в научном мире обратился к идее зависимости развития природы от деятельности человека и общества.

Современная биология пользуется термином геноценоз, который выражает эволюцию генов как сопряженную эволюцию множества генов в геноме живых организмов. На генномолекулярном уровне установлено, что действуют не только изолированные эволюционные механизмы онтогенетического развития, но и ко-эволюционные сложные механизмы, требующие совместной эволюции и взаимных избирательных способностей развивающихся объектов. Геном понимается сегодня как сложная интегрированная система генетических единиц различного ранга, целостность которой является результатом взаимной адаптированной ко-эволюции этих единиц. Развитие ко-эволюционной концепции в настоящее время дополняется гуманистическими и экологическими парадигмами.

Биоинженерный период развития биологии относится к середине XX века и характеризуется проникновением в сущность структурных компонентов живой материи на микроуровне.

В настоящее время различают трансгенную инжененирию, направленную на синтез новых веществ и клонирование, как ведущие биоинженерные подходы к преобразованию действительности. Трансгенная инженерия возникла на основе открытия в 1972г. плазмидов (молекул ДНК, находящихся вне ядер клетки) и рестрикционных ферментов.

Синтез клетками новых веществ после встраивания в плазмиды генов, отвечающих за получение того или иного вещества, например, инсулин получают на основе модификации кишечной палочки).

Клонирование – это трансплонтация клеточных ядер, позволяющая получать живые организмы со свойствами аналогичными свойствам носителей ядра клетки. Впервые клонирование осуществлено в Великобритании, где была клонирована овца Доли, прожившая несколько лет. Эксперимент показал сложность явлений живой природы и необходимость дальнейших фундаментальных исследований в этом направлении. Реализация этого проекта в коммерческих целях пока не имеет успеха в виду ряда противоречий.

Существенное развитие получили такие направления генной инженерии как: производство пищи; производство источников энергии; производство новых материалов; производство медицинских препаратов.