ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ

3.1.1. Современная биология: цели, задачи, проблемы

Биология — совокупность наук о живой природе. Предметом изучения биологии

являются все проявления жизни: строение и функции живых существ и их природных

сообществ, их распространение, происхождение и развитие, связи друг с другом и с неживой

природой.

Задачи биологии состоят в изучении всех биологических закономерностей,

раскрытии сущности жизни и ее проявлений с целью познания и управления ими.

Биология доказывает, что в основе жизненных процессов лежат явления, которые

подчиняются законам физики и химии. Это не исключает наличия в живой природе особых

биологических закономерностей.

Система биологических наук чрезвычайно многопланова, что обусловлено как

многообразием проявления жизни, так и разнообразием форм, методов и целей исследования

живых объектов.

Фундаментальными областями, составляющими основу современной биологии,

являются науки, изучающие наиболее общие, присущие всем живым существам

закономерности. Это:

1. Цитология — наука об основной структурно - функциональной единице любого

живого организма;

2. Генетика — наука о явлениях воспроизведения и преемственности морфо -

физиологической организации живых форм (т.е. о наследственности и изменчивости

организмов);

3. Эволюционная теория — наука о законах исторического развития органического

мира;

4. Анатомия — наука, изучающая строение живых организмов;

5. Физиология — наука, изучающая функциональные проявления, обмен веществ и

энергии в живых организмах.

В современной биологии множество узловых проблем, решение которых может

оказать революционизирующее влияние на естествознание в целом и на прогресс

человечества. К фундаментальным проблемам биологии относятся:

1.Изучение строения и функций биологических макромолекул (белков, нуклеиновых

кислот, полисахаридов). Изучение структуры биополимеров может пролить свет на

понимание того, как эти структуры влияют на многообразные функции этих веществ. Уже

определена и изучена первичная структура многих белков, некоторых РНК.

2.Изучение и регуляция функций клетки. Изучая процессы, происходящие в живой

системе, ученые пытаются понять, как согласовываются и регулируются эти процессы, т.е.

как обеспечивается поддержание относительной стабильности живой системы даже при

меняющихся условиях среды.

3.Изучение индивидуального развития организмов и создание стройной теории

онтогенеза с учетом реализации наследственности.

4.Дальнейшая разработка эволюционного учения на основе вскрытия

закономерностей эволюции живой природы и теоретического решения проблем микро- и

макроэволюции с применением кибернетических приемов и методов.

5.Изучение вопросов происхождения жизни: разработка его механизма, вероятности

возникновения жизни во внеземных условиях.

6.Изучение среды обитания человека в широком смысле и организация на этой

основе рациональных способов ведения хозяйства.

Необходимо отметить, что для современной науки характерно возрастание роли

биологии. В настоящее время биологическая наука приблизилась к решению целого ряда

проблем медицины, сельского хозяйства, экологии. Как новую эру в развитии техники

рассматривают появление биотехнологий, т.е. применения в промышленном производстве

биологических агентов и процессов. Гигантские, не во всем еще осмысленные перспективы

открываются в связи с развитием бионики и генной инженерии.

Ученые считают, что роль лидера современного естествознания постепенно

переходит от физики к биологии и XXI в. будет «веком биологии», когда кардинальные

проблемы науки и практики в большинстве своем будут разрешаться, прежде всего,

средствами биологической науки. Высказывается даже мысль, что от биологии можно

ожидать идейных импульсов для радикального изменения физики и химии будущего.

3.1.2. Сущность жизни и специфика живого

Разделение природы на живую и неживую не представляет никакого труда, но

только эмпирически. Теоретически же определение живого есть очень сложная проблема

науки. Наиболее трудная задача - выделение специфики живой материи. Большинство

определений живого либо редуцируют живое к неживому, либо основываются на понятии

особой "живой материи", либо полагают жизнь функцией сложных материальных систем.

Более ста лет назад глубокое определение жизни было дано Ф. Энгельсом: "Жизнь

есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему

существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел".

Это определение является субстратно – функциональным. Субстратным — потому

что в нем содержится положение о том, что субстратом или материальным носителем жизни

является белок. И функциональным — потому что указывается, что функциональным

проявление жизни состоит в постоянно самосовершенствующемся обмене веществ.

Современное определение жизни сводится к следующему. Жизнь есть высшая из

природных форм движения материи; она характеризуется самообновлением разноуровневых

открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и

фосфорорганические соединения. В этом определении конкретизируется понятие о

материальном субстрате жизни и существенно дополняется характеристика

функционального аспекта жизни.

Вообще же определение жизни не может быть неизменным. Оно должно уточняться

в соответствии с успехами науки, дополняться в связи с раскрытием все новых свойств и

сторон, характеризующих сущность живого.

Специфика живого сводится к следующему:

1. Единство химического состава. В живых организмах 98% приходится на углерод,

кислород, азот и водород. Все живые организмы построены из нуклеиновых кислот, белков,

полисахаридов и жиров, в составе которых перечисленные выше химические элементы.

2. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой. Обмен

веществ обеспечивает постоянство химического состава и строения всех частей организма и,

как следствие, постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях

окружающей среды, т.е. обеспечивает гомеостаз.

3. Самовоспроизведение (или репродукция) - свойство организмов воспроизводить

себе подобных.

4. Наследственность — свойство организмов обеспечивать передачу признаков,

свойств, особенностей развития из поколения в поколение.

5. Изменчивость — способность организмов приобретать новые признаки и

свойства.

6. Развитие и рост — возникновение нового качественного и количественного

состояния биологической системы. Развитие и рост живой формы существования материи

представлены индивидуальным развитием организмов (онтогенезом) и историческим их

развитием (филогенезом).

7. Раздражимость — свойство избирательного реагирования на внешние

воздействия.

8. Дискретность — проявление жизни в виде обособленных форм (особей, видов,

популяций и др.). Дискретность строения организма основа его структурной

упорядоченности.

9. Саморегуляция — способность живых организмов, обитающих в непрерывно

меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического

состава и интенсивность физиологических процессов путем авторегуляции.

10. Ритмичность — согласование функций организма с периодическими

изменениями в окружающей среде.

11. Энергозависимость — живые тела представляют собой открытые для

поступления энергии системы.

Итак, живая материя представляет собой сложную, высокоорганизованную систему,

охватывающую совокупность живых организмов во всем многообразии их связей и

отношений. Эта совокупность живых организмов подчиняется законам иерархического

строения систем, вследствие чего выделяются определенные уровни организации живой

материи.

Контрольные вопросы

1.Что изучает современная биология?

2.Какова структура биологии?

3.Почему биологические знания в настоящее время тесно увязывают с физическими

и химическими знаниями?

4.Какие фундаментальные проблемы можно выделить в современной биологии?

5.Почему сегодня важно изучать не только проявления жизни на уровне любого

живого организма в целом, но и на уровне клетки или на уровне биологической

макромолекулы?

6.Что может дать дальнейшая разработка эволюционного учения?

7.Для чего необходимо изучать вопросы происхождения жизни?

8.Почему в конце XX в. говорят о необходимости изучения среды обитания человека

в широком смысле, связывая с этим рациональное ведение хозяйственной его деятельности?

9.На основании чего можно утверждать, что роль лидера в естествознании переходит

к биологии?

10.Нужна ли биологии своя фундаментальная теория, и имеется ли она в

современной биологии?

11.В чем состоит сущность жизни?

12.Какова специфика живого?

Литература

1.Вернадский В.И. Начало и вечность жизни. — М., 1989.

2.Кемп П., Армс К. Введение в биологию. — М., 1986.

3.О сущности жизни. — М., 1964.

4.Серебровская К.Б. Сущность жизни: история поиска. — М., 1994.

Контрольные задания к теме 3.1.

№ 1. Выберите правильный ответ.

Биология – это …

а) совокупность наук о живой и неживой природе; б) совокупность наук о живой

природе; в) наука о живой природе.

№ 2. Назовите автора первого научного определения жизни.

№ 3. Дайте а) определение жизни по Ф. Энгельсу; б) современное определение

жизни. Сравните эти определения, выделив сходства и отличия.

№ 4. Выберите правильный ответ.

На основе какого химического элемента существует жизнь на Земле?

а) углерода; б) кислорода; в) кремния.

№ 5. Выберите правильный ответ.

Основная задача биологии состоит …. а) в определении специфики живого; б) в

познании тайн живой природы; в) в изучении всех биологических закономерностей,

раскрытии сущности жизни и ее проявлений с целью познания и управления ими.

№ 6. Вставьте в предложение нужные термины.

« … или … по В.И. Вернадскому – это совокупность всех живых организмов на

Земле».

№ 7. Перечислите фундаментальные науки, которые входят в биологию.

№ 8. Назовите 4 химических элемента, на долю которых приходится 98 %

химического состава живых организмов.

№ 9. Выберите правильный ответ.

На основе какого химического элемента может существовать жизнь в космосе? а)

углерод; б) кремний; в) кислород.

№ 10. Перечислите и расшифруйте особенности живого.

ТЕМА 3.2. МИР ЖИВОГО

3.2.1.Особенности организации живой материи

Особенности организации живой материи заключаются в следующем:

1. Живая материя — высшая форма организации.

2. Живая материя во всех своих проявлениях обладает системностью — любой

организм представляет собой своеобразную открытую систему.

3. Живая материя существует в виде определенных уровней организации. Всего их

насчитывается 8. Эти уровни специфичны, специфика их определяется принципами

образования и организованности, особенностями взаимоотношений высших уровней с

низшими и наоборот.

4.Живой материи характерно стремление к уменьшению энтропии. Энтропия —

мера хаотичности. Это означает, что живая материя стремится к повышению своей

организованности.

5. Живую материю характеризует способность к самоорганизации, т.е. способность

элементарных структур так взаимодействовать друг с другом, что в результате этого

взаимодействия происходит возникновение нового порядка или структуры в живой системе.

6. Живой материи свойственна асимметрия или уникальная упорядоченность

органических молекул и их кирально чистое состояние. Киральной чистотой называют

нарушение зеркальной симметрии, характеризующей биоорганические соединения. В

живых системах аминокислоты белков всегда являются левыми изомерами, а сахара —

правыми. Это и есть проявление киральной чистоты. В костном (т.е. неживом веществе)

реализуются, так называемые, рацемические смеси, которые содержат равное количество

левых и правых изомеров. Такая смесь, в которой принцип зеркальной симметрии не

нарушается, с термодинамической точки зрения является более устойчивой. Иными

словами, живые системы неустойчивы, т.о., они способны к самосовершенствованию.

7. Живая материя обладает способностью к воспроизводству уникальной

упорядоченности при передаче наследственной информации через гены.

3.2.2. Краткая характеристика уровней организации живой материи

Живая материя представляет собой сложную, высокоорганизованную систему,

охватывающую всю совокупность живых существ во всем многообразии связей и

отношений. Как и всякая другая сложная система, она образует ряд качественных ступеней

или специфических уровней организации. Многоступенчатость, многоуровненность живой

материи — один из важнейших аспектов сущности жизни.

Существование в живой природе материальных систем различных уровней

организации является результатом исторического развития. На каждой ступени развития

образуются специфические для нее материальные системы, которые включают в себя

системы предшествующих ступеней в качестве своих частей.

На определенном этапе развития Метагалактики создаются условия для

формирования из молекул неживой природы материальных носителей жизни. Поэтому на

ранних этапах химической эволюции возникает такой структурный уровень как молекулы и

кристаллы. Этот структурный уровень организации живой материи в дальнейшем станет

элементарным уровнем или доклеточным, уровнем биологических макромолекул ДНК,

РНК, белков.

В процессе органической эволюции доклеточные формы жизни и их

предшественники (химические открытые системы, пробионты) сменяются клеткой.

Клеточный уровень — следующий в системе иерархии уровней живой материи.

СХЕМА ИЕРАРХИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ

НООСФЕРА

БИОСФЕРА

БИОГЕОЦЕНОЗ

ПОПУЛЯЦИИ

ВИДЫ

ОРГАНИЗМЫ

ТКАНИ

КЛЕТКИ

МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ИЛИ ДОКЛЕТОЧНЫЙ

УРОВЕНЬ (ДНК, РНК, БЕЛКИ)

Необходимо отметить, что доклеточный и клеточный уровни характеризуются

рядом общих особенностей. Для них характерны:

1. Структурная многоступенчатость и иерархичность, т.е. в составе биополимеров и

клеток имеется много структур, и все они соподчинены друг другу.

2. Упорядоченность и динамичность — она проявляется во взаимодействии

составных компонентов низших и высших ступеней иерархии во времени и в пространстве.

3.Молекулы белков основной строительный материал клеток, а клетки — основной

строительный материал организма, элементарная единица всего живого.

4.Наличие мембранной системы, которая обеспечивает пространственное разделение

биомолекул, а также структурных компонентов клетки. Полужидкие мембраны

обеспечивают также постоянное диффузное движение и обмен. Поэтому мембраны являются

ареной всех жизненных процессов.

5. Специфичность — проявляется в структуре и функциях. Например, хромосомы

специфичны по количеству, структуре, химическому составу и функциям. А специфичность

клетки определяется специфичностью ее составных компонентов — клеточных органелл.

6. Универсальность — все макромолекулы универсальны и построены по одному

стандарту (как и клетки). Универсальны и механизмы всех метаболических процессов,

универсален и генетический код. Вместе с тем, и молекулярные, и клеточные структуры

неповторимы и в этом также проявляется их универсальность.

Третий уровень организации — организменный. На этом уровне изучаются особи и

свойственные им черты строения и физиологии. Особи или организмы всегда

рассматриваются в двух аспектах — в онто- и филогенезе.

Онтогенез — индивидуальное развитие. Оно заключается в последовательном и

закономерном превращении зародышевой клетки во вполне развитый, сформировавшийся

организм и его последующем существовании вплоть до прекращения жизнедеятельности

(т.е. физиологической смерти). Заслуга в создании единой теории онтогенеза и обобщении

фактического материала о морфологических взаимодействиях частей развивающегося

организма принадлежит И.И. Шмальгаузену.

Филогенез — историческое развитие организма. Оно выражается в

последовательном превращении видовой формы на всем протяжении существования жизни

на Земле. Вопросами филогенеза организмов много занимались Э. Геккель и А.Н. Северцов.

Временем подтвердилась и формула Э. Геккеля «онтогенез повторяет филогенез», и формула

А.Н. Северцова «филогенез есть функция онтогенеза».

Четвертый уровень организации живой материи — видовой. Живая материя

дифференцирована на многочисленные виды и интегрирована в видах. Виды играют

определяющую роль в процессах развития органического мира. Через них идет эволюция

целостных систем различных уровней организации живого.

Вид — совокупность особей, обладающих общими признаками, занимающих общий

ареал способных скрещиваться друг с другом. Главная функция вида как биотической

системы заключается в самовоспроизведении жизни из поколения в поколение посредством

сохранения, репродукции и эволюционного совершенствования составляющих его особей.

Вид как система обладает сложной структурой. Элементами вида являются особи,

которые группируются в популяции. Популяционный уровень — пятый в иерархии уровней.

Все основные процессы внутривидовой жизни протекают в рамках популяций. Поэтому

популяции определяют как формы существования видов.

Популяция — минимальная совокупность особей одного вида, обитающего на

определенной территории в течение длительного времени, характеризующаяся генетической

однородностью и способностью скрещиваться друг с другом. Любая популяция представляет

собой системную целостность (стая волков в лесу, стая рыб в озере).

В результате взаимодействия некоторого множества популяций между собой и

окружающей средой образуются биогеоценозы. Биогеоценозы — шестой уровень

организации живой материи. В целостной системе биогеоценоза все популяции связаны

между собой так, что продукты жизнедеятельности одних становятся условиями жизни

других. Примером биогеоценоза является лес, водоем, степь и т.д.

В биогеоценозах осуществляется основная работа по синтезу и деструкции

вещества, по аккумуляции и преобразованию энергии. Все компоненты биогеоценоза

пригнаны друг к другу, взаимосвязаны, вследствие чего различные процессы, составляющие

круговорот веществ и энергии, находятся в состоянии длительного динамического

равновесия. Поэтому существование биогеоценозов, их организация в пространстве и во

времени определяет существование и эволюцию всей биосферы.

Биосфера — седьмой уровень организации живой материи. Термин «биосфера» ввел

Э. Зюсс в 1875. Под биосферой он понимал тонкую пленку жизни на земной поверхности, в

значительной степени определяющую «лик Земли». Начиная с 1926 г. Н.И. Вернадский,

работает над учением о биосфере.

Биосфера — самая крупная экологическая система земного шара. Она представляет

собой совокупность взаимодействующих между собой биогеоценозов. Биосфера является

сбалансированной саморегулирующейся системой. Огромное количество видов растений и

животных взаимодействует так, что каждый удовлетворяет свои потребности и способствует

существованию других. Механизмы саморегуляции поддерживают все системы в равновесии

друг с другом, т.е. они поддерживают динамическое равновесие биосферы в целом. Поэтому

многообразие организмов есть основа существования и устойчивости биосферы.

В 1944 г. В.И. Вернадский развил представление о переходе биосферы в ноосферу.

Ноосфера — новое эволюционное состояние биосферы, при котором разумная деятельность

человека становится главным, определяющим фактором ее развития. Ноосфера — высший

уровень организации живой материи.

Понятие « ноосферы» ввел Э. Леруа и П. Тейяр де Шарден. Они дали толкование

ноосфере как надбиологическому «мыслительному пласту», зародившемуся в конце

третичного периода и развернувшемуся над миром растений и животных. В 30 – 40-е гг.

нашего столетия В.И. Вернадский переосмыслил содержание этого понятия в контексте

развиваемого им учения о биосфере, гуманистической идеологии и роли научной мысли как

планетного и космического явления.

Ноосфера — высший тип управляющей целостности, для которой характерна тесная

взаимосвязь законов природы с законами мышления и социально – экономическими

законами общества. Отдельные структурно – функциональные элементы ноосферы

закладываются уже на современном этапе общественного развития. Процесс перехода

биосферы в ноосферу будет усиливаться по мере объединения человечества для решения

общих глобальных проблем развития.

3.2.3. Современные концепции биосферы

Приоритет создания целостного учения о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому.

Согласно В.И. Вернадскому, биосфера — оболочка, в которой существуют или

существовали в прошлой жизни живые организмы, и которая подвергалась или подвергается

их воздействию. Она включает в себя: живое вещество, образуемое совокупностью живых

организмов; биогенное вещество, которое _______создается и перерабатывается в процессе

жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, сланцы,

известняки); косное вещество, которое образуется без участия живых организмов (продукты

тектонической деятельности, метеориты); биокосное вещество — совместный результат

жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почва).

В структуру биосферы входят: атмосфера на высоту до 20 – 25 км, гидросфера на

глубину океана и литосфера до 11 км в глубь земли.

Биосфера — сложная экологическая система, работающая в стационарном режиме.

Ее стабильность обусловлена тем, что 3 группы организмов (автотрофы — продуценты,

гетеротрофы — потребители и деструкторы, минерализующие органические остатки)

выполняют различные функции и взаимо уравновешивают друг друга. Но гомеостаз

биосферы не исключает ее эволюции.

Существует три концепции биосферы. Все они базируются на представлении о том,

что биосфера — это система.

Биологическая концепция основывается на понимании биосферы как биологической

системы. Биосфера представляется как оболочка Земли, образуемая совокупностью живых

организмов (так понимал биосферу, Э. Зюсс, его поддерживал В.В. Докучаев и В.И.

Вернадский).

В.И. Вернадский разработал учение о биосфере как о глобальной биологической

системе нашей планеты, в которой ход геохимических и энергетических процессов

определяется живым веществом. Он распространил понятие биосферы не только на сами

организмы, но и на среду их обитания, чем придал концепции биосферы биогеохимический

смысл.

Если ранее большинство явлений, которые меняли облик Земли в масштабе

геологического времени, рассматривали как чисто физические, химические или физико-

химические явления (размыв, растворение, осаждение, выветривание), то В.И. Вернадский

создал учение, о геологической роли живых организмов и показал, что их деятельность

представляет собой важный фактор преобразования минеральных оболочек планеты.

Вторая концепция биосферы — социально – экономическая. Эта концепция связана

с представлениями о превращении биосферы на определенном этапе ее эволюции в ноосферу

вследствие деятельности человека, которая приобретает роль самостоятельной

геологической силы.

По В.И. Вернадскому биосфера закономерно переходит в ноосферу, поскольку,

познавая законы природы и развивая технику, человечество придает ей черты новой более

высокой организованности. При этом человечество становится мощной силой, сравнимой по

своему воздействию на природу с геологическими процессами. Зарождаясь на планете,

ноосфера обладает тенденцией к постоянному расширению, превращаясь в особый

структурный элемент космоса.

Учитывая системный принцип организации биосферы, а также то, что в основе ее

функционирования лежат круговороты веществ и энергии, современной наукой

сформулированы также термодинамическая и кибернетическая концепции биосферы. Эти

концепции составляют суть третьей концепции биосферы. Смысл ее заключается в том, что

биосфера рассматривается как термодинамическая система, подчиняющаяся законам

термодинамики, а также как кибернетическая система, для которой характерна

самоорганизация.

Контрольные вопросы

1. В чем состоят особенности биологического уровня организации материи?

2.Есть ли разница между живым веществом и живой материей?

3.В чем проявляется системность и структурность живой материи?

4.В чем суть иерархической организации живой материи?

5.Какие уровни организации живого Вы знаете?

6.В чем сходство и различие молекулярного и клеточного уровней организации

живой материи?

7.Что такое вид?

8. Какие функции выполняют виды?

9.Что такое популяция?

10. В чем разница между биогеоценозом и биосферой?

11.Какие концепции биосферы Вы знаете?

12.Что такое ноосфера?

Литература

1.Вернадский В.И. Живое вещество. — М., 1994.

2.Казначеев В.П. Учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере. —

Новосибирск, 1989.

3.Костюк Н. О сущности жизни. — Киев, 1987.

Контрольные задания к теме 3.2.

№ 1. Перечислите _______уровни организации живой материи.

№ 2. Используя следующие понятия, составьте таблицу, где укажите уровень

организации материи, элементарную единицу и элементарное явление, которые

соответствуют этому уровню.

Понятия:

I. Молекулярно – генетический, биогеоценотический и биосферный, популяционно-

видовой, организменный.

II. Редупликация, внутриклеточный перенос генетической информации; этапы

круговорота веществ; дифференцировка; изменение генотипического состава популяции.

III. Биогеоценоз и биосфера; ген; популяция; организм или особь.

Основные уровни живой материи, их элементарные единицы и явления

Уровень Элементарная единица Элементарное явление

№ 3. Дайте определение вида.

№ 4. Объясните смысл термина «биосфера». Укажите автора этого термина.

№ 5. Укажите группы организмов, которые образуют биосферу.

№ 6. Поясните, как Вы понимаете сущность биологической концепции биосферы.

№ 7. Объясните смысл термина «ноосфера». Кто и когда предложил этот термин.

№ 8. Поясните, что означает киральная чистота.

№ 9. Выберите правильный ответ.

Термин, которым обозначается стремление живого к уменьшению хаотичности и

повышению организованности а) киральность; б) энтропия; в) ген.

№ 10. Объясните, почему нельзя считать, что настоящая ноосфера существует на

Земле.