Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

кинетика,

которая занимается теорией управления

нестацио-Л

нарными

процессами — реакций с меняющимися

условиями.1

Сегодня исследователи приходят к выводу, что

стационарный]

режим, надежная стабилизация которого казалась залогом

высо^

кой

эффективности

промышленного процесса, является

лиш/

частным случаем нестационарного режима. При этом было

о(|

наружено множество нестационарных режимов, способствую

щих интенсификации реакции.

Сегодня уже совершенно ясны перспективы создания и

разви-|

тия новой химии, на основе которой будут созданы

малоотходные^

безотходные и энергосберегающие промышленные технологии.

Также мы можем говорить о появлении

химической

каршиньЛ

мира — взгляда на природу с точки зрения химии.

ней опре-|

деляются

место и роль химических объектов и процессов в

ре-1

альном природном многообразии. Ее содержанием является:

•

обобщенное знание эпохи о том, что представляют собой I

объекты живой и

неживом

природы со стороны их хими- |

ческого содержания. Сюда входит учение о многообразии

(

частиц вещества, его химической организации;

• представление о происхождении всех основных типов

при-1

родных объектов, их естественной эволюции;

. зависимость химических свойств природных объектов от ]

их структуры;

•

обшие

закономерности природных процессов как

лроцес-

]

сов химического движения —

взаимолействия

реагирую- |

щих веществ друг с другом

окружающей средой;

• знание о специфических объектах, синтезируемых в прак- ]

тической

деятельносги.

Современные

концепции биологии

|^?

Вопросы для обсуждения

Что такое реакционная способность вещества? От чего она

зависит^

2. Что является основной задачей аналитической химии? Какие методы

;

она использует?

3. Сколько

химических

элементов известно? Сколько их может быть?

4. Что такое химическое соединение? Чем оно отличается от смеси?

5. Что такое атомная структура? Молекулярная структура?

5. Что такое катализаторы и ингибиторы?

7. Каковы основные идеи эволюционной химии?

8. Какова суть химической эволюции? Что об этом говорит субстратный

подход?

Э. Каковы основные идеи функционального подхода (теории АЛ.

Руденко)?

Глава 1 7

Структурные уровни жизни

и задачи современной

биологии!

17.1. Биология как наука.

Структура современных биологических знаний

Сегодня

самой

динамично развивающейся наукой в естество

знании является биология — наука о жизни и живой природе. Он

представляет собой постоянно развивающуюся совокупность био

логических наук, изучающих строение и функции живых

организ

мов, их распространение, происхождение, связи друг с другом и <

неживой природой.

В настоящее время в этот комплекс биологических наук вхо

дит множество частных биологических дисциплин,

которы

можно структурировать по нескольким основаниям:

• по объектам исследования в биологии вы

деляют вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию,

антропологию;

• по свойствам и проявлениям живого

выделяют: морфологию — науку о строении живых орга

низмов; физиологию — науку о функционировании

живых

организмов; молекулярную биологию — науку о микро-

структуре живых тканей в клетке; генетику — науку о на-

следственности и изменчивости; экологию — науку об об-

разе жизни растений, животных и человека в их взаимосвя-

зи с окружающей средой;

• по уровню

организации

исследуемых

живых

объектов выделяется: анатомия — наука о

макроскопическом строении организмов; гистология —]

наука о строении тканей организма; цитология — наука о

строении живой клетки.

Несмотря на то, что биология имеет многовековую историю

и в ее рамках совершено множество замечательных открытий,

тем не менее она еще не вышла на уровень окончательных тео-

ретических обобщений. Поэтому в отличие от физики и химии

408

апология еще не

имеет.

собственной научной картины мира —

.онтуры

ее только намечаются.

Современная биология существует в виде трех «образов* —

натуралистической,

физико-химической и эволюционной

био-

югии.

Все они различаются по содержанию и истории развития,

\отя едины в достижении главной

цели

— раскрытии сущности

ли!зни

и ее проявлений с целью познания и управления ими.

Сегодня появилась надежда на синтез этих трех направлений в

оиологии,

на создание единой теоретической биологии. Также

очевидно, что в этот синтез, который станет целостной теорией

лизни,

войдут и другие разделы естествознания, что сделает

биологию подлинно синтетической наукой и позволит занять ей

«едущее

место в науке

XXI

века.

Натуралистическая Натуралистическая биология возникла в

(традиционная)

ЭПОХ

античности. Главной ее

задачей

явля-

биология

ется

изучение природы в естественном со-

стоянии. С этой целью она тщательно на-

блюдает, описывает и систематизирует явления живой природы.

Именно в рамках натуралистической биологии появился собст-

венно научный подход к изучению жизни. Эта заслуга принад-

лежит величайшему мыслителю древности — Аристотелю, кото-

рый собрал накопившийся до его времени фактический матери-

ал, дополнил его множеством собственных наблюдений и сделал

первую

попытку классификации животных и растений, осно-

ванную на понятии целесообразности (цель — одно из четырех

первоначал Космоса,

по

Аристотелю).

В частности, Аристотель разделил царство животных на две

группы — имеющих кровь и лишенных крови. Среди имевших

кровь он выделял: четвероногих живородящих, птиц, четвероно-

гих и безногих

яйиеродягдих,

безногих живородящих (киты) и

рыб. Лишенные крови делились им на мягких (головоногих),

мягкокожих многоногих (раки), многоногих членистых и рако-

винных безногих (раковинные моллюски и морские ежи). Кро-

ме того, он выделил ряд переходных групп. Человеку Аристотель

отвел место на вершине кровяных животных.

Интенсивное развитие биологических наук начинается лишь

XVI

в. с эпохой Великих географических открытий, которые

обогатили науку множеством новых фактов, собранных на вновь

открытых землях. Интерес ученых к органическому миру все

возрастал, поэтому уже в конце XVII — начале XVIII в. был со-

вершен ряд путешествий с чисто научной целью, в результате

которых были собраны богатые коллекции растений и живот-

409

ных. Огромное количество накопленной информации требовала

систематизации и классификации, которая была предложена

крути

нейшим

естествоиспытателем

XVIII

в. Карлом Линнеем в 1758 г. 1

работе «Система природы». Именно он ввел точную

терминолсд

гию

для описания растений и животных. Также ему

принадле!

жит введение

бинарной

(двойной) номенклатуры —

обозначение

каждого вида двумя терминами — названием рода и вида на ла-

тыни. Кроме того, Линней точно определил соотношение

межд|

различными систематическими группами — классами, отрядами]

родами, видами и подвидами, четко выделив названные таксоны

и показав их иерархическую соподчиненность.

сожалению]

Линней положил в основу своей классификации произвольна

выбранные, часто единичные признаки, поэтому допустил ряд

ошибок в своей систематизации живой природы. Тем не менее]

его «Система природы» стала гигантским шагом вперед, она

споч

собствовала дальнейшему развитию науки, дала толчок

появле!

нию новых, более точных классификаций.

Одна из таких классификаций была предложена

француз-]

ским естествоиспытателем Жаном Батистом

Ламарком.

осно-:

ву своей системы живой природы он положил идею эволюции,

развития от простого к сложному. Позже по этому пути

пошли)

Чарлз Дарвин и все сторонники эволюционной

теории.

Сущностью традиционной биологии является комплексный,)

системный подход к исследованию природы, который позволяет

выявить господствующие в ней законы, отличия явлений друг

от

друга, показать их сходство и отличия.

Физико- ^

ри всех илюсах

натуралистической

биолог

химическая

гии с ее

Целостным подходом к изучению

биология природы, биология все же нуждалась в

по-^

нимании

механизмов, явлений и процессов,

происходящих на разных уровнях жизни и живых организмов.

Поэтому от традиционной описательной биологии ученые были

вынуждены перейти к изучению анатомии и физиологии расте-

ний и животных, к объяснению процессов жизнедеятельности

организмов в целом и их отдельных органов, а затем — все

дальше вглубь живой природы: к изучению жизни на клеточном

и молекулярно-генетическом уровнях.

Основы анатомических и физиологических знаний также бы-

ли заложены в античности. Огромную роль в становлении этих

наук сыграл Гиппократ и его школа, считавших, что наука долж-

на основываться не на умозрительных схемах, а на наблюдениях

и обобщениях опыта. Эти требования легли и в основу медици-

ны, также ставшей наукой с этого времени.

410

Данную традицию античной науки развил

Герофил,

который

изучал строение и функционирование нервной системы, начал

изучать кровеносную систему, дал подробное описание анато-

мии глаза, печени и других органов тела. Занимаясь вивисекци-

ей. Герофил сопоставил строение тела человека и животных,

внес большой вклад в разработку анатомической терминологии.

Подлинное развитие данного направления биологии нача-

лось лишь в Новое время. В

XVI—ХУЛ

вв. благодаря работам

Р.

Гука,

Н. Грю, Я.

Гельмонта,

М.

Мальпиги

и других, проводив-

шихся с использованием микроскопа, получила развитие анато-

мия растений, были открыты клеточный и тканевый уровни ор-

ганизации растений. В биологию проникает эксперимент — ис-

кусственная гибридизация, что закладывает основы для возник-

новения генетики.

Важно отметить, что биология в Новое время все шире ис-

пользовала методы других естественных наук, более развитых, —

физики и химии. Так в науку проникла мысль, что все явления

жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объ-

яснены с их помощью. Таким образом, биология все шире ис-

пользовала идеи редукционизма. Первое время это был лишь ме-

тодологический подход, но с XIX века можно было говорить о

рождении физико-химической биологии, изучавшей жизнь на мо-

лекулярном и надмолекулярном уровнях. Большую роль в утвер-

ждении нового образа биологии сыграли ученые

XIX

века, ис-

пользовавшие методы физики и химии в своих исследованиях, —

Луи

Пастер,

ИМ. Сеченов, ИМ. Павлов, И.И. Мечников и др. Так-

же обязательно следует назвать основоположников клеточной

теории Маттиасса Шлейдена и Теодора

Шванна,

положивших в

1838 г. начало изучению живой клетки. Их теория привела к по-

явлению цитологии — науки о живой клетке. Дальнейшее изуче-

ние клеточного строения вызвало рождение генетики — науки о

наследственности и изменчивости. В XX в. появилась молеку-

лярная генетика, что вывело биологию на новый уровень анализа

жизни и еще теснее сблизило ее с физикой и химией. Удалось

понять генетическую роль нуклеиновых кислот, были открыты

молекулярные механизмы генетической репродукции и биосин-

теза белка, а также молекулярно-генетические механизмы из-

менчивости, изучен обмен веществ на молекулярном уровне. При

этом открытия в физике и химии,

.непрерывное

совершенство-

вание физических и химических методов и их применение в био-

логии создали возможность по-новому подойти к изучению мно-

жества биологических проблем.

411

В настоящее время ученые при поиске истины

использую*

весь арсенал накопленных к настоящему времени методов

ис4

следования живого. Среди них есть как очень старые

(например!

с помощью светового микроскопа), так и

ультрасовременны^

методы. Среди них:

• метод меченых атомов, который используется для наблю-

дения за передвижением и превращением веществ в жи-

вом организме;

• методы

рентгеноструктурного

анализа и электронной

мик-|

роскопии, позволяющие исследовать крупные

молекуляр-

ные компоненты и субмикроскопические структуры в

жи-]

вых клетках;

• хроматографические методы, использующиеся при

биохи-^

мическом исследовании;

• спектральные методы;

• методы зондирования в тканях, позволяющие следить :

работой живых органов

(ЯМР-томография,

УЗИ-томо1

фия, оптические зонды).

С точки зрения химии живые организмы представляют

собод

открытые системы, постоянно обменивающиеся веществом и

энергией с окружающей средой. При этом вместе с пищей

они

получают огромное количество органических и минеральных

со4

единений, которые участвуют в биохимических реакциях

орга-1

низма,

а затем в виде продуктов распада выводятся в

окруж;

шую

среду. Строительным материалом для живой клетки являют-)

ся макромолекулы — белки, жиры, нуклеиновые кислоты.

ГорН

мональная регуляция, происходящая в организме, также

пред-*

ставляет собой систему химических реакций.

Объединение биологии с химией положило начало новой

науке

— биохимии, которая изучает структуру и свойства

биомо-

лекул одновременно с их метаболизмом в живых тканях и

орга-

нах. Иными словами, биохимия анализирует изменения биомо-

лекул внутри живого организма. Биохимикам удалось выяснить,|

как переносится энергия в клетке, расшифровать механизмы

метаболизма (обмена веществ), установить роль мембран,

рибо-1

сом и других внутриклеточных структур. Именно

биохимикам!

удалось выяснить структуру и

функции

белков и нуклеиновых 1

кислот, заложив тем самым основы молекулярной генетики.

Ре-1

комендациями биохимиков сегодня пользуется медицина, фарма- |

цея, сельское хозяйство.

Поскольку современная химия основывается на физике, уче- \

ные стремятся объяснить биологические явления и процессы на

412

основе физических закономерностей. В результате в 1950 г. на

стыке биохимии, биологии и физики родилась новая наука —

биофизика. Биофизики, рассматривая какое-либо биологическое

явление, расчленяют его на несколько более элементарных, дос-

тупных для понимания актов и исследуют их физические свой-

ства. Биофизикам удалось объяснить механизмы мышечного со-

кращения, проведения нервного импульса, тайны фотосинтеза и

ферментного катализа.

ллт

..„

ли1

УЬая

развития живой природы проникла в

иВцЛЮЦИОппнл

— ...

1Г

,„.„„,„

биологию лишь в

XIX

в., хотя предпосылки

эволюционной

биологии сформировались

еще в античности. Правда, применительно к тому времени можно

говорить лишь об идеях наивного трансформизма, сегодня вызы-

вающих усмешку. Так, известна идея Эмпедокла о возникнове-

нии сложных организмов путем случайного сочетания органов,

которые плавали в Океане. Он считал, что нежизнеспособные

образования погибали, а жизнеспособные выжили и дали нача-

ло существующим сегодня организмам.

Подлинный фундамент эволюционных представлений был за-

ложен Аристотелем, который не просто систематизировал опи-

санные им живые организмы, но расположил их при этом в оп-

ределенном порядке: от наиболее простых к более сложным. У

Аристотеля последовательность тел природы начинается с неор-

ганических предметов и через растения движется к прикреплен-

ным животным — губкам и

асшщиям,

а затем к подвижным мор-

ским организмам. Так появилось первое представление о лестни-

це живых существ.

Новое время и классическая наука с их установкой на мета-

физичность отказались от идей наивного трансформизма и при-

шли к концепции неизменности видов. Но уже со второй поло-

вины

XVIII

в. трансформистские идеи вновь стали популярны-

ми у ряда ученых. Так, Ж.

Бюффон

допускал трансформацию

видов. Существовали предположения о возможности превращения

одних организмов в другие, взаимных преобразованиях любых

таксонов. Поэтому в Новое время трансформизм становится по-

луэмпирической позицией, построенной на основе обобщения

большого числа фактов, говорящих о наличии глубинных взаи-

мосвязей между видами, родами и другими таксонами. Но сущ-

ность этих взаимосвязей еще была не ясна.

Переход от трансформизма к идее эволюции в биологии

произошел на рубеже

XVIII—XIX

вв. Он связан с именем

Ж.Б.

Ламарка,

предложившего первую эволюционную теорию,

413

которая была изложена в книге

«Философия

зоологии»

(1809).

(Я

первым заговорил об изменении организмов пол влиянием

оп

ружающей

среды и передаче приобретенных признаков

потоЛ

"тш.

К сожалению, Ламарк в своей теории опирался на ряд

неЗ

верных

допущений, из-за которых ему не удалось решить

вД

прос

о соотношении внутренних и внешних факторов

эволЛ

ции. Также ему пришлось говорить о стремлении органическом

мира к самосовершенствованию, то есть опираться на идеи

тД

леологизма, отвергнутые классической наукой.

Весомый вклад в становление эволюционизма внесли

еше

две теории, появившиеся в XIX в.,

—

катастрофизм

и униформ

мизм.

Автором первой теории стал Ж. Кювье, один из

основопоЛ

ложников палеонтологии. Он исходил из представлений,

чти

природные силы, действующие сейчас и господствовавшие в

Пров

шлом,

качественно отличаются друг от друга. Поэтому в

прошлой

периодически могли происходить глобальные природные катак-

лизмы,

прерывавшие спокойное течение геологических и

биоло!

гических процессов на Земле. В результате этих катастроф почта

полностью изменялся не только облик Земли, но и

органиче!

ский мир. Причины катастроф наука установить не в состояния

Тем не менее, можно сделать вывод, что именно

катастрофш

привели к появлению все более сложных органических форм.

Униформисты, среди которых были Ч.

Лайелъ,

Дж

Гетто/Я

М. В. Ломоносов, являлись противниками

катастрофизма.

Они

основывались на методе актуализма, предложенном в

геологии!

Этот метод исходил из идеи преемственности прошлого и

на!

стоящего, тождественности древних и современных

геологиче!

ских процессов. Поэтому по характеру современных

геологиче-1

ских процессов можно было с большой уверенностью

описывать!

закономерности древних процессов.

Таким образом, как катастрофизм, так и униформизм имели

свои недостатки. Если первая теория исходила из идеи

абсолют-!

ной прерывности развития органического мира, то вторая

тео-|

рия отрицала качественные скачки и изменения. Тем не менее,]

обе эти теории стали еще одним шагом к становлению

совре-1

менного эволюционизма.

Подлинная революция в биологии произошла в 1859 г. с по-]

явлением знаменитой

книги.

Чарлза Дарвина «Происхождение

ви-'

дов путем естественного

отбора».

Он создал свою теорию в ре-

зультате пристальных многолетних наблюдений над живой

при-1

родой в самых разных уголках земного шара. В результате

обобщения наблюдений появилось величайшее открытие учено- ;

414

то

— идея естественного отбора и борьбы за существование. На

этой основе и родилась дарвиновская теория эволюции

Современная (синтетическая) теория эволюции появилась

1ИШЬ

к концу 20-х годов XX в. Она представляла собой синтез

диетики

и дарвинизма. С этого времени стало возможным го-

ворить

об эволюционной биологии как о платформе, на которой

происходит синтез разнородного биологического знания. Сего-

дня эволюционная биология представляет собой результат объе-

динения двух потоков знания: самого эволюционного учения и

знаний, полученных другими биологическими науками о процес-

сах и механизмах эволюции. На протяжении XX в. содержание

онолюционной

биологии постоянно расширялось. Она дополня-

лась данными генетики, молекулярной биологии, цитологии, па-

1еонтологии.

Многие ученые считают, что именно эволюционная

биология сможет стать тем фундаментом, на котором появится

теоретическая биология — цель биологов XXI века.

17.2. Живые системы

и их структурные уровни

Одной из важнейших концепций, специфичной для биоло-

гии XX в., стала концепция структурных уровней организации

живой природы, находящихся между собой в отношениях ие-

рархического соподчинения. Эта точка зрения — результат при-

менения системного подхода, родившегося в XX веке.

При рассмотрении вопроса о сущности сис-

темного подхода акцент был сделан на уро-

вень

элементарных частиц, атомных ядер,

атомов, молекул, макроскопических тел, пла-

нет и планетных систем и т.д. Аналогичную процедуру мы мо-

жем проделать и с живой природой, выделив в ней системы,

соответствующие системам микро-, макро- и мегамира в нежи-

вой природе. Но при этом нужно помнить, что в биологии дан-

ный подход обладает существенными особенностями, так как на

каждом уровне организации материи мы не должны забывать о

его биологической специфике. Например, мы можем изучать

состав и строение биополимеров — кирпичиков, из которых

складывается живая клетка, но при этом мы должны учитывать,

что биополимеры — не просто изолированные макромолекулы

(для их анализа было бы достаточно химии), а части живой клет-

ки, играющие в ней определенную роль, которую мы должны

выяснить. Поэтому на каждом уровне организации живой приро-

415

Системный

подход

в биологии

ды интерес ученых должен быть направлен не только на

изученя

физической и химической организации изучаемой системы, а

н|

изучение феномена жизни. В случае ошибки чрезмерный

редуЛ

ционизм не позволит нам рассмотреть и понять специфику

жя

вых

систем.

Таким образом, системный подход в биологии требует описьи

вать всю сложность живых систем, показывая их целостность 1

специфичность по сравнению с неживой природой. Для этога

любой изучаемый объект живой природы должен быть описан на

всех уровнях жизни, а затем наступает этап суммирования и сия

тезирования полученных знаний. Это очень сложная задача. I

тому же не всегда выполнимая. Поэтому среди ученых есть

про!

тивники такого структурирования и выделения уровней

познания

при изучении биологических объектов. Они исходят из

того,

чтд

жизнь, это уникальное явление, совершенно не сводимое к

фи4

зико-химической

основе, должна изучаться в целостности и во

всем своем многообразии. Такой подход, называемый витания

мом,

также приводит к ошибкам в процессе познания,

посколыЛ

разрывает

связь живых организмов с их физической и

химичЛ

ской основой. Поэтому ученым-биологам приходится балансире

вать между опасностями полного редукционизма (сведения

жия

ни до физических и химических процессов и

явлений)

идеей

витализма

—

полной несводимости биологических процессов

•

явлений к совокупности составляющих их реакций.

Тем не менее, системный подход берет верх и находит

оса

большее число сторонников среди современных ученых.

оЛ

осознали, что биологические явления очень сложны для

изучЯ

ния и понимания как по своей органической структуре, так и

по своим функциональным проявлениям. Отсюда

очевиднв

что без деления таких сложных систем на отдельные части

просто не обойтись.

Хотя современный взгляд на соотношение целостности

живьш

объектов и совокупности составляющих их частей начал

формиро!

ваться

только в 20-е годы XX века, проблема различной степени

упорядоченности и организованности живой материи возникла 1

натуралистов еще в

ХУНТ—XIX

вв. Первым толчком к этому

стал!

создание в 1830-е гг. клеточной теории

Шлейденом

Шванном,

по!

скольку именно клетка является основной структурной

единицей

жизни. А уже в 1846 г. М. Шлейден сформулировал положение

о|

существовании живых тел различного порядка

организованностя

Быстро выяснилось, что структуру имеют не только живые

объек-1

ты,

состоящие из клеток, но и сама живая клетка (хотя

первона!

416

чально

думали, что клетка не имеет структуры). Гипотезу о суще-

ствовании надмолекулярных частиц

{пластидул),

из которых со-

стоит протоплазма клеток, выдвинул Э. Геккель.

Понятие структурных уровней живых систем было разрабо-

тано в 1920-е годы американскими философами /". Брауном и

Р.

Селларсом.

Согласно их теории, эти уровни различаются не

только классами сложности, но и закономерностями их функцио-

нирования. Они выдвинули идею иерархической

соподчиненности

уровней, вхождения каждого

последующего

уровня в предыдущий

с образованием единого целого, причем низший уровень

умыва-

ется в самом высшем. В рамках этой

концепции

понятие уровней

организации слилось как с понятием органической целостности,

так и с понятием системы, в которой каждый новый уровень воз-

никает не посредством разрушения предыдущего, а через процессы

объединения и организации в единую систему.

Эта концепция, наряду с натуралистической, физико-хими-

ческой и эволюционной

биологией,

служит эффективным инст-

рументом для получения комплексного интегрированного зна-

ния, на котором может возникнуть теоретическая биология.

Системно-структурные уровни организации

жизни чрезвычайно многообразны. Среди них

выделяют: молекулярный, клеточный, тка-

невой, органный, онтогенетический, попу-

ляционный, видовой, биогеоценотический, биосферный уровни.

Могут также выделяться и другие уровни организации. Но как в

неживой природе

мы

выделили три основных уровня; микро-,

макро- и мегамир, так и в живой природе должны быть выделе-

ны важнейшие структурные уровни. В основе такого выделе-

ния — специфические дискретные структуры и фундаментальные

биологические взаимодействия.

В таком случае выделяют:

молекулярно-генетичесшй

уровень — уровень белков, нуклеи-

новых кислот и связанных с ними процессов, на котором эле-

ментарными структурными единицами являются гены. Важней-

шей задачей биологии' на этом уровне является изучение меха-

низмов передачи генной информации,

наследственности-

и из-

менчивости. Также ученые изучают процессы эволюции и загад-

ку происхождения и сущности жизни;

2) онтогенетический уровень — на этом уровне изучается

Жизнедеятельность

отдельных биологических индивидов, кото-

рыми могут быть как одноклеточные, так и многоклеточные ор-

ганизмы. Хотя многоклеточные организмы намного сложнее од-

417

Основные

структурные

уровни

жизни

ной живой клетки, все они обладают системной организацией и

выступают как единое

целое.

Сам термин онтогенез был

введен.

Э.

Гсккелем

для обозначения особенностей структурной и

функ-

циональной организации отдельных организмов.

" Сегодня под онтогенезом понимают саморегулирующуюся

иерархическую систему, определяющую согласованную реализа-

цию наследственных признаков и функций, осуществляемых в

пределах автономной

живой

особи.

Поэтому на онтогенетическом уровне организм изучается как

единое целое, Минимальной живой системой, кирпичиком жиз-

ни является клетка, изучением которой занимается

цитология.

Изучением функционирования и развития многоклеточных

жи-

БЫХ организмов занимается физиология. До сих пор открытым

остается вопрос о выяснении закономерностей регуляции внут-

риклеточных процессов, функций клетки и механизма включения

генов в процессе клеточной дифференциации. Также пока не соз-

дана общая теория онтогенеза;

популяционно-биоценотический

уровень — это надорганиз-

менный

уровень жизни. Он связан с тем, что особи в природе

не изолированы друг от друга, а объединены в различные био-

системы. Важнейшей из таких систем является

популяция — совокупность особей одного вида, населяющих

определенную территорию, свободно скрещивающихся между со-

бой и частично или полностью изолированных от других особей

своего вида.

Вид существует только через популяции, представляющие ге-

нетически закрытые системы. Они же являются элементарными

единицами эволюции, так как только их изменение приводит к

появлению новых видов. Исследование эволюционных процес-

сов на уровне популяций является предметом исследования эво-

люционной биологии.

Еще одной важной

надорганизменной

системой является

биоценоз

—

сообщество организмов разных видов, населяющих

определенную территорию. Биоценозы состоят из нескольких по-

пуляций.

Изучением

популяционно-биоценотического

уровня жизни

занимается популяционная биология. В ее рамках развивается био-

логическое направление, изучающее популяции и биоценозы,

тесно связанные между собой и окружающей средой.

Необходи-

мо изучить пространственную структуру и границы популяций, а

также поведение животных в популяциях (этологическую струк-

418

туру популяций). Но популяция — метаболически незамкнутая

структура, поэтому в условиях изоляции она существовать не мо-

жет. Самодостаточной системой является биоценоз, в рамках ко-

торого может осуществляться круговорот веществ в природе. Тем

не менее, изучение трофических связей между популяциями яв-

ляется важнейшей задачей науки;

биосаЬерный

уровень — это еще более высокий надорганиз-

менный уровень биогеоценозов, живого вещества и биосферы

Земли.

Биогеоценоз (экосистема) — взаимообусловленный комплекс

живых и абиотических {неживых) компонентов, связанных меж-

ду собой обменом веществом и энергией.

Он представляет собой продукт совместного исторического

развития многих видов растений и

животных,

в ходе которого

виды приспосабливались друг к другу и к окружающей среде.

Вся совокупность биогеоценозов планеты образует биосферу Земли.

Биосфера — это живое вещество планеты (совокупность всех

живых организмов планеты, включая человека) и преобразованная

им окружающая среда. Иными словами, биосфера — это живые

организмы Земли и то пространство, на котором они обитают.

На этом уровне изучается круговорот вещества и энергии:

каждое живое существо благодаря цепям питания после оконча-

ния жизненного цикла возвращает природе все, что было взято

у нее. Таким образом, биосфера является единой экологической

системой. Изучение функционирования этой системы, ее строе-

ния и функций является важнейшей задачей биологии на этом

уровне жизни.

17.3.

ол

куля рно-генети чес кий

уровень жизни

Как было отмечено выше, на этом уровне жизни элементар-

ными единицами являются гены — участки молекулы ДНК, по-

этому изучение строения ДНК, а также других структур, кото-

рые входят в состав живой клетки, является важнейшей задачей

науки на этом уровне.

и..^........~~„..~

Все живые организмы имеют в своем составе

ОХ

сС

Ки

плилоь!

«к^и

простые неорганические молекулы: азот, во-

ду, двуокись углерода. Из них в ходе

хими-

ческой эволюции появились простые органические соединения,

ставшие в свою очередь строительным материалом для более

'**

419

крупных молекул. Так появились макромолекулы —

гигантски!

молекулы (полимеры), построенные из множества мономеров

Существуют три типа молекул: полисахариды, белки и

нуклеш

новые кислоты. Мономерами

лля

них служат соответствен™

моносахариды, аминокислоты и

нуклеотиды.

Белки и нуклеине

вые кислоты являются «информационными»

молекулами,

так.

как в их строении важную роль играет последовательность

мо!

номеров, которая может быть весьма разнообразной.

Иолисахст

риды

играют роль резерва энергии и строительного

материала

для синтеза более крупных молекул. К ним относятся

крахмал!

гликоген, целлюлоза.

Белки — это макромолекулы, представляющие собой очень

длинные цепи из аминокислот — органических

(карбоновых!

кислот, содержащих, как правило, одну или две

аминогруппы!

(-N1*2).

растворах аминокислоты способны проявлять

свойств

ва как кислот, так и оснований. Это делает их своеобразным

буфером на пути опасных физико-химических изменений.

Ошп

образуют широкий ряд химических связей с различными

реакД

цион

неспособными группами, что существенно для структуры и

]

функций белков. В клетках и тканях встречается свыше 170

ами-1

нокислот, но в состав белков входит только 20. Именно после-*

довательность аминокислот, соединенных друг с другом

пептид-1

ными

связями

определяет первичную структуру белков. На до-

лю белков приходится свыше 50%

обшей

сухой массы клеток. I

Большинство белков выполняют функцию

катализатором

(ферментов). В их пространственной структуре есть

активные!

центры в виде углублений определенной формы. В такие

центры!

попадают молекулы, превращение которых катализируется

дан-1

ным белком. Также белки играют роль переносчиков,

напримерЯ

гемоглобин переносит кислород от легких к тканям.

Мышечные

сокращения и внутриклеточные движения — результат

взаимо-1

действия молекул белков, функция которых заключается в

коор-

динации движения. Есть белки — антитела, функцией которых ]

является защита организма от вирусов, бактерий и т.д. Актив- I

ность нервной системы зависит от белков, с помощью которых I

собирается и хранится информация, поступающая из окружаю- I

щей среды. Белки, называемые гормонами, управляют ростом I

клеток и их активностью.

Довольно хорошо изучены сегодня молекулярные основы 1

обмена веществ в клетке. Существуют три основных типа обме- 1

на веществ (метаболизма):

Пептидная связь - это химическая связь

-ООМН-.

420

• катаболизм, или диссимиляция —- процесс расщепления

сложных органических соединений, сопровождающийся

выделением химической энергии при разрыве химиче-

ских связей;

•

амфоболизм

— процесс образования в ходе катаболизма мел-

ких молекул, которые затем принимают участие в строитель-

стве более сложных молекул;

• анаболизм, или ассимиляция — разветвленная система про-

цессов биосинтеза сложных молекул с расходованием энер-

гии аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Процессы жизнедеятельности живых организмов определя-

ются взаимодействием

двух

видов макромолекул — белков и

ДНК. Генетическая информация организма хранится в молеку-

лах ДНК. Она служит для зарождения следующего поколения и

производства белков, контролирующих почти все биологические

процессы. Поэтому нуклеиновым кислотам принадлежит такое

же важное место в организме, как и белкам. Кроме того, как

белки, так и нуклеиновые кислоты обладают одним очень важ-

ным свойством — молекулярной дисимметрией (асимметрией),

или молекулярной

хиральностью.

Это свойство жизни было от-

крыто Л. Пастером в ходе исследования строения кристаллов

веществ биологического происхождения — солей виноградной

кислоты. В своих опытах Пастер обнаружил, что не только

кристаллы солей, но и их водные растворы способны откло-

нять поляризованный луч света, т.е. они являются оптически

активными. Позже они получили название оптических изоме-

ров. У растворов веществ небиологического происхождения

свойство оптической изомерии отсутствует, строение их моле-

кул симметрично.

Сегодня идеи Пастера подтвердились, и считается доказан-

ным, что молекулярная хиральность (от греческого

спе^г

— рука)

присуща только живой материи и является ее неотъемлемым

свойством. Вещество неживого происхождения симметрично в

том смысле, что молекул, поляризующих свет влево и вправо, в

нем всегда поровну. А в веществе биологического происхожде-

ния всегда присутствует отклонение от этого баланса. Белки

построены из аминокислот, поляризующих свет только влево

(/--конфигурация),

нуклеиновые кислоты — из Сахаров, поляри-

зующих свет только вправо

(Л-конфигурация).

Таким образом,

хиральность заключается в асимметрии молекул, их несовмес-

тимости со своим зеркальным отражением, как у правой и ле-

вой руки, что и дало современное название этому свойству. Ин-

421

тересно отметить, что если бы человек вдруг превратился в свой

зеркальное отражение, то с его. организмом- все было бы

нор-

мально до тех пор, пока он не стал бы есть пищу

растительной

или животного происхождения, которую он просто не смог

бы

переварить.

Также Пастера волновал вопрос, как возникло это

янлениеу

как оно связано с истоками самой жизни на нашей планете.

Ои

считал, что появление жизни, живых

дисимметричных

молекД

происходило из неживых симметричных молекул. В качестве воз-

можных причин превращения неживой молекулярной

симметрЛ

в живую молекулярную

дисимметрию

Пастер называл мощные

электрические разряды, геомагнитные колебания, вращение Зем-

ли вокруг Солнца, появление Луны. Но попытки

эксперимент

тально проверить эту гипотезу, моделирование таких условий в

лаборатории ни к чему не привели.

Мо

л Нуклеиновые кислоты — это сложные

орга-1

основы

воспро-

нические

соединения, представляющие

со-1

изводства

жизни

бой

фосфорсодержащие биополимеры

(поЛ

линуклеотиды). Молекула

нуклеотида

состо-1

ит из

пятиуглеродного

сахара, азотистого основания и фосфоре

ной кислоты. Существует два типа нуклеиновых кислот — де-]

зоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая ки-

слота (РНК). Свое название нуклеиновые кислоты (от лат.

ии-

с1еиз

— ядро) получили из-за того, что впервые были

выделенш

из ядер лейкоцитов (швейцарским биохимиком Ф. Мишером)

Позже было обнаружено, что нуклеиновые кислоты могут нахо

литься не только в ядре, но и в цитоплазме и ее органоидах

Молекулы ДНК вместе с

белками-гистонами

образуют вещество

хромосом.

Доказательство генетической роли ДНК было получено

1944 г. О. Эйвери в опытах на бактериях. Тогда же было установ-

лено, что в ДНК используется только четыре азотистых основа

ния — аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин

(Ц).

В состав

РНК вместо тимина входит урацил (У). Аденин и гуанин — это

пуриновые основания, цитозин и тимин — пиримидиновые.

24 апреля 1953 г. произошло одно из величайших открытий в

биологии. В этот день была опубликована статья американского

биохимика

Джеймса

Уотсона и английского биофизика Френси-

са Крика, раскрывающая структуру молекулы ДНК. Рентгеност-

руктурные

исследования показали, что ДНК состоит из двух це-

пей, закрученных в двойную спираль. Роль остовов цепей игра-

ют сахарофосфатные группировки, а перемычками служат осно-

422

вания

пуринов и пиримидинов. Каждая перемычка образована •

двумя основаниями, присоединенными к двум противополож-

ным цепям, причем, если у одного основания одно кольцо, то у

другого — два. Таким образом образуются комплиментарные

пары:

А—Т

Г—Ц.

Это

значит, что последовательность основа-

ний одной цепи однозначно определяет последовательность ос-

нований в другой, комплиментарной

цепи.молекулы.

Ген — это участок молекулы ДНК или РНК (у некоторых

вирусов). РНК содержит 4—6 тысяч отдельных нуклеотидов,

ДНК — 10—25 тысяч. Если бы можно было вытянуть ДНК од-

ной человеческой клетки в непрерывную нить, то ее длина со-

ставила бы 91 см.

И все же рождение молекулярной генетики произошло не-

сколько раньше — в 1941 г., когда американцы Дж. Бидл и

Э.

Тэйтум

установили прямую связь между состоянием генов

(ДНК) и синтезом ферментов (белков). Именно тогда появилось

шаменитое

высказывание: один ген — один белок. Позже было

выяснено, что основной функцией генов является кодирование

синтеза белка.

После этого ученые сконцентрировали свое внимание на во-

просе, как записана генетическая программа и как она реализу-

ется в клетке. Для этого нужно было выяснить, каким образом

всего четыре основания могут кодировать порядок расположе-

ния в молекулах белка целых двадцати аминокислот. Основной

вклад в решение этой проблемы внес знаменитый физик-

георетик Г. Гамов в середине

50-х

годов.

По его предположению, для кодирования одной аминокис-

лоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК.

Эта

эле-

ментарная единица наследственности, кодирующая одну амино-

кислоту, получила название кодон. В 1961 г. гипотеза Гамова

была подтверждена исследованиями Ф. Крика. Так был расшиф-

рован молекулярный механизм считывания генетической инфор-

мации с молекулы ДНК при создании белков.

В живой клетке имеются органеллы — рибосомы, которые

«читают» первичную структуру ДНК и синтезируют белок в со-

ответствии с записанной в ДНК информацией. Каждой тройке

нуклеотидов ставится в соответствие одна из двадцати возмож-

ных аминокислот. Именно так первичная структура ДНК опре-

деляет последовательность аминокислот синтезируемого белка,

фиксирует генетический код организма (клетки).

Кодоны могут образовываться следующими триплетами —

АДА, АГЦ, ГГГ,

ЦГГ

и т.д. Полное число таких триплетов — 64.

423

Из них три являются стоп-сигналами, а 61 — кодирует 20

ама

нокислот. Размер гена связан с размером того белка,

которЛ

им кодируется. Так, белок, состоящий из 200 аминокислот,

бД

дет закодирован 200

кодонами,

то есть 600 парами

нуклеотидЛ

Таким образом, молекулу ДНК можно представить в виде

пЛ

следовательности

букв-нуклеотидов,

образующих текст из

бодИ

шого их числа,

например

АЦАТТГГАГ...

В таком тексте и

<Л

держится информация, определяющая специфику каждого

оргя

низма" — человека, дельфина и т.д.

Генетический

код не сводится только к кодонам. На

осноЛ

кодонов образуются более крупные комплексы —

цистроны,

ко!

торые определяют последовательность аминокислот в систеЛ

«белок — фермент». Блоком цистронов управляет

оперон.

Генетический код всего живого, будь то растение, животной

или бактерия, одинаков. Такая особенность генетического

ксЛ

вместе

со сходством аминокислотного состава всех белков

свЯ

детельствует

о биохимическом единстве жизни, говорит о

прЛ

исхождении всех живых существ на Земле от единого предка. ^

Также был расшифрован механизм воспроизводства

ДНК.1

Он состоит из трех частей: репликации, транскрипции и

транЛ

Репликация — это удвоение молекул ДИК.

Основой репликации является уникальное свойство ДНК

еа-!

мокопироваться,

что дает возможность деления клетки на

дв

идентичные. При репликации ДНК, состоящая из двух скручен

ных молекулярных цепочек, раскручивается. Образуются дв

молекулярные нити, каждая из которых служит матрицей дл

синтеза новой нити, комплиментарной к ней. При этом Т в

на

вой цепи располагается против А в старой и т.д. После этог

клетка делится, и в каждой клетке одна нить ДНК будет

старо!

а вторая — новой. Нарушение последовательности нуклеотидо

в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в орга

низме — мутациям.

Транскрипция — это перенос кода ДНК путем образования

одноцеппчной

молекулы информационной РНК на одной нити ДИК.

И-РНК — это копия части молекулы ДНК,

состоящей

иЗ

одного или группы рядом

лежаших

генов, несущих информацию

о структуре белков.

Трансляция — это синтез белка на основе генетического ко-

да и-РНК в особых частях клетки — рибосомах, куда транс-

портная РИК доставляет аминокислоты.

424

В конце 1950-х гг. одновременно русскими и

нетические

французскими учеными была выдвинута ги-

шпыиши

потеза о том, что частота встречаемости и

изменчивости порядок расположения нуклеотидов в ДНК

имеют специфический для видов характер.

Э га гипотеза позволила изучать на молекулярном уровне эволю-

цию живого и характер видообразования.

Существует несколько механизмов изменчивости на молеку-

лярном уровне. Важнейшим из них является уже упоминавший-

ся нами механизм мутации генов — непосредственное преобра-

зование самих генов, находящихся в хромосоме, под воздейст-

вием внешних факторов. Факторами, вызывающими мутацию

(мутагенами), являются: радиация, токсичные химические со-

единения, а также вирусы. При мутациях порядок расположения

генов в хромосоме не меняется.

Еще один механизм изменчивости — рекомбинация генов, т.е.

создание новых комбинаций генов, располагающихся в кон-

кретной хромосоме. При рекомбинации сами гены не меняются,

а перемещаются с одного участка хромосомы на другой, или

идет обмен генами между двумя хромосомами. Такой процесс

имеет место при половом размножении у высших организмов.

При этом не происходит изменения общего объема генетиче-

ской информации, он остается неизменным. Этот механизм

объясняет, почему дети лишь частично похожи на своих родите-

лей — они наследуют признаки от обоих родительских организ-

мов, которые сочетаются случайным образом.

Следующий механизм изменчивости был открыт лишь в

1950-е

годы. Это — неклассическая рекомбинация генов, при ко-

горой происходит общее увеличение объема генетической ин-

формации за счет включения в геном клетки новых генетиче-

ских элементов, привносимых чаще всего в клетку вирусами.

Сегодня обнаружено несколько типов трансмиссивных генов.

Среди них плазмиды, представляющие собой

двухцепочечную

кольцевую

ДНК. Из-за них после длительного использования

каких-либо лекарств наступает привыкание к этим лекарствам,

они перестают действовать. Патогенные бактерии, против ко-

торых действует наше лекарство, связываются с плазмидами,

которые придают этим бактериям устойчивость к лекарству, и

бактерии перестают его замечать.

Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как

структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов.

Возможность использования таких элементов человеком

приве-

425