Этапы развития биологического знания

Как и всякая естественная наука, биология в начале становления имела описательный характер (описательная натурбиология). Накапливающиеся знания надо было систематизировать, надо было систематизировать и объекты, изучаемые биологией. Идеи систематики зародились в античности, и первым систематизатором был Аристотель. В основе систематики живого у Аристотеля лежит принцип от простого к сложному, с человеком на вершине пирамиды (антропоцентризм).

Этот принцип систематики сохранялся в науке два тысячелетия и продолжает жить сегодня в виде идеи эволюции. Дальнейшее развитие идея систематики получила в работе «Система природы» (1753) шведского ученого К. Линнея (1707— 1778). В основе систематики Линнея лежит вид, близкие виды объединяются в роды, сходные роды в отряды, а отряды в классы. Ученый изучил 10 тысяч видов растений и 4200 видов животных. Систематика Линнея была очень простой и удобной и получила высокую оценку ученых. К.А. Тимирязев, например, называл ее «венцом системы растительного царства». Недостаток этой системы состоял в ее искусственности. Она позволяла распознавать растения, но не раскрывала их природу. Кроме того, Линней ошибочно считал количество видов неизменным (сколько их создал Бог). Однако успехи естествознания все больше и больше приво­дили к мысли об изменчивости имеющихся видов и о возникновении новых.

Начиная с середины XVIII в. широкое распространение получают идеи трансформизма, приверженцами которого были Р. Гук, Ж. Бюффон, Д. Дидро. В основе трансформизма лежат идеи о изменяемости видов организмов под действием изменений окружающей среды, допущении изменчивости видов в ограниченных пределах.

Переход от трансформизма к эволюционизму в биологии происходит на рубеже XVIII—XIX вв. Он связан с такими направлениями, как ламаркизм, катастрофизм и униформизм.

Основоположником ламаркизма и его главным творцом явился французский ботаник Жан Батист Ламарк. В основу ламаркизма положены следующие два принципа: 1) принцип градации (стремление к совершенству); 2) принцип прямого приспособления к условиям внешней среды.

Ламарк впервые выделил два самых общих направления эволюции: восходящее развитие от простейших форм жизни ко все более сложным и совершенным и формирование у организмов приспособлений в зависимости от изменений внешней среды (развитие «по вертикали» и «по горизонтали»).

Основателем теории катастрофизма явился Жорж Кювье (1769—1832). В основе катастрофизма лежат следующие принципы: 1) принцип коренных качественных изменений органического мира в результате катастроф; 2) принцип прогрессивного восхождения органических форм после очередной катастрофы. Кроме того основой катастрофизма является существования скачков, разрывов постепенности в развитии между катастрофами.

На иных позициях стоит теория униформизма (Ч. Лайель, М.В. Ломоносов), которая опирается на: 1) однообразие действующих факторов и законов природы, неизменности их; 2) отсутствие скачков в истории Земли; 3) суммирование незначительных отклонений в развитии за большие промежутки времени; 4) отрицание прогресса в развитии. Согласно теории униформизма, развитие сводится к цикличности, отвергается идея необратимости, развитие представляется происходящим случайным, бессвязным образом.

Теории катастрофизма и униформизма во многом были ориентированы на проблемы геологии, трансформизм ориентировался на факты развития органического мира.

Первая эволюционная теория была сформулирована Ч. Дарвиным в его работе «Происхождение видов» (1859) на основе предшедствующего эмпирического материала и наблюдений в ходе кругосветного путешествия на корабле «Бигль».

На основе своих наблюдений Дарвин выделяет две изменчивости – определенную (адаптивную по современной терминологии) и неопределенную (мутацию).

Определенная изменчивость – способность всех особей одного вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия.

Неопределенная изменчивость – существование изменений в организме, которые могут происходить в самых различных направлениях. Неопределенная изменчивость носит наследственный характер и может быть как положительной, так и отрицательной или нейтральной.

В основу эволюционной теории Ч. Дарвин положил три принципа: 1) борьбу за существование; 2) наследственность и изменчивость; 3) естественный отбор.

Естественный отбор в природе возникает в результате борьбы за существование. Под борьбой за существование Дарвин понимал совокупность взаимоотношений организмов одного вида друг с другом (внутривидовая борьба) и с другими видами организмов (межвидовая конкуренция). Естественный отбор выступает как неизбежный результат борьбы за существование и наследственной изменчивости организмов.

В процессе естественного отбора организмы адаптируются к условиям существования. В результате конкуренции разных видов, имеющих сходные жизненные потребности, хуже приспособленные виды вымирают. Совершенствование приспособлений у организмов приводит к постепенному усложнению уровня их организации – происходит эволюционный прогресс.

Суть теории дарвинизма в том, что любая индивидуальность организма закрепляется в последующих поколениях, если благодаря ей особь лучше приспосабливается к условиям обитания. Сама среда производит отбор – поэтому он называется естественным. Лучше приспособленная особь имеет больше шансов выжить и оставить больше потомков.

Отбор сам по себе ничего не создает. Он по сути лишь «сортирует» различные варианты строения; одни организмы он «отсеивает» – все их признаки исчезают вместе с ними, другие вступают в размножение и закрепляют свои свойства в последующих поколениях.

Каким бы ни был естественный отбор по своей форме, он всегда решает одну единственную задачу – обеспечивает соответствие организмов конкретным требованиям среды. Отбор действует по принципу «здесь и сейчас». Этим естественный отбор принципиально отличается от искусственного, с помощью которого человеком создаются многочисленные породы и сорта домашних животных и растений.

Эволюция живого начиналась с самых примитивных организмов, которые под действием отбора просто должны были бы наилучшим образом осуществлять свои функции. В результате возникли высшие формы жизни. Прогрессивное развитие живых существ обеспечивается макроэволюцией, в которой действуют иные механизмы, представляющие предмет изучения биологии XX и XXI вв.

Успех теории Дарвина к концу XIX в. был огромен. Но вот в начале XX в. появилась генетика – наука о наследственности н изменчивости организмов, которая выразила сначала недоверие теории Дарвина. Однако к 30-м годам XX в. ситуация изменилась. Генетика сама стала эволюционной, а ее связь с теорией Дарвина привела к современной (синтетической) теории эволюции (СТЭ). Генетика установила природу наследственности и изменчивости. Основоположником генетики является Грегор Мендель (1822—1884). В результате опытов с горохом, цель которых состояла в том, чтобы «проследить развитие гибридов в их потомках», в 1865 г. Мендель открыл законы наследственности. Однако его работа оставалась неизвестной 35 лет. Известность к Менделю пришла в 1900 г. (через 16 лет после смерти), когда его законы наследственности были переоткрыты. Поясним их суть. В первом законе Менделя утверждается о единообразии первого поколения гибридов, т.e. проявление у них признака одного из родителей. Это явление Мендель назвал доминированием, а сам признак доминантным. Поэтому первый закон часто называют законом доминирования. Подавленный признак был назван рецессивным. Второй закон Менделя гласит, что если потомков первого поколения, одинаковых по изучаемому признаку, скрестить между собой, то во втором поколении признаки обеих родителей проявляются в определенном числовом соотношении: 3/4 особей будут иметь доминантный признак, а 1/4 – рецессивный. Следовательно, рецессивный признак у гибридов первого поколения не исчез, а был только подавлен и проявился во втором гибридном поколении. В связи с этим второй закон Менделя называется законом расщепления.

Третий закон Менделя – закон независимого комбинирования – подтверждает, что при скрещивании двух гомозиготных особей (одинаковых по генотипу), отличающихся друг от друга по двум и более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга во всех возможных сочетаниях.

В итоге в современной биологии сформировались три концептуальных уровня познания: описательно-натуралистическая (иное название – традиционная) биология, физико-химическая биология и эволюционная биология.

Традиционная биология имеет самую долгую историю. Ее метод – тщательное наблюдение и описание явлений природы, а главная задача – их классифицирование. Эту задачу выполняет биологическая систематика. В рамках систематики биологические объекты объединяют в группы (таксоны). Группировка возможна по различным принципам. Искусственная классификация проводится на основе легко обнаруживаемых признаков (так, возможна классификация по месту обитания). Естественная классификация использует более содержательные критерии, например, эволюционные связи биологических объектов, в основе которых лежит общее историческое происхождение. Объектом изучения традиционной биологии была и остается живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности.

Физико-химическая биология сформировалась благодаря экспериментальным тенденциям, существовавшим в науке издавна (поэтому иногда это направление именуют еще и экспериментальной биологией). В настоящее время методами экспериментальной биологии исследуется молекулярный уровень живого, а также структура и функции живых систем на всех остальных уровнях организации. В арсенале современной экспериментальной биологии метод изотопных индикаторов, методы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, ультразвуковое зондирование, высокочувствительные методы электромагнитных измерений и др. Развитие физико-химического направления биологии объективно способствовало тесному взаимодействию естественных наук, формированию целостной современной естественнонаучной картины мира. Следует отметить также большое прикладное значение физико-химической биологии как основы многих новейших направлений медицины.

Эволюционная биология. С того времени, как в биологии было в полной мере осознано неотъемлемое и наиболее характерное свойство живого – его способность развиваться и совершенствоваться, концепция эволюции получила в ней самостоятельное значение и обусловила формирование отдельного направления – эволюционной биологии. Ее истоки лежат в традиционной биологии. Ч.Дарвин создал теорию естественного отбора, будучи типичным натуралистом. Учение Дарвина – плод пристальных наблюдений над живой природой в самых разных формах ее проявления. Достижения в области традиционной и физико-химической биологии ничего не изменили в логике теории естественного отбора, однако привели к гигантскому обогащению ее предметного содержания. Это в конечном итоге и привело к формированию эволюционной биологии. Современная эволюционная биология имеет задачей последовательное развитие представлений об увеличении многообразия и сложности живого, включая раскрытие деталей механизма эволюции и научное решение проблемы происхождения жизни.

Эволюционность живой природы подтверждается биологией и родственными ей науками. Главными свидетельствами являются данные палеонтологии, систематики, информация о распространенности видов на Земле сейчас и в ранние периоды, морфологическое и биохимическое сходство живых организмов, данные эмбриологии и многие другие. Кратко рассмотрим некоторые из них.

Палеонтология занимается изучением и систематизацией любых сохранившихся в геологических породах следов древней жизни, остатков погибших в далекие эпохи организмов. Объектами палеонтологии являются, например, фрагменты тел древних животных, найденные в вечной мерзлоте в Сибири; отпечатки древних растений в каменноугольных образцах; насекомые, замурованные в янтаре и многие другие органические остатки, Хронологически систематизированная совокупность данных палеонтологии называется палентологической летописью. В самых древних горных породах, содержащих ископаемые остатки, встречаются следы организмов очень немногих типов, и все они имеют простое строение; более поздние породы содержат следы большего разнообразия живого мира и организмов со все более сложным строением. Очевиден вывод о эволюции живой природы.

Этот вывод подтверждается и сравнительной эмбриологией. При изучении эмбрионов (зародышей) у разных групп позвоночных было открыто явление рекапитуляции: при своем развитии эмбрион в определенной мере повторяет эволюционную историю той группы организмов, к которой он относится.

Естественная классификация биологических объектов, основанная на структурном сходстве между организмами, также убедительно иллюстрирует наличие эволюционного процесса и его последствия.

Наконец, селекция (искусственное выведение сортов растений, пород животных), представляет собой модель эволюции в условиях, созданных человеком. Это искусственно направляемая эволюция.

Итак, обширная научная информация однозначно подтверждает факт эволюции живого. В процессе исторического развития Земли возрастали разнообразие и сложность биологических объектов.

Многообразные знания о живой природе плохо поддаются формализации и формулированию на их основе постулатов и обобщений, которые могли бы послужить базой для всеохватывающего теоретического знания о живом. На сегодняшний день теоретическая биология только формируется. Главная проблема будущей теоретической биологии – создание единой теории живого.