Эволюция биосферы и космические циклы.

Глубокая фундаментальная взаимосвязь компонентов биосферы делает её похожей на единый живой организм, который, родившись практически одновременно с Землёй, непрерывно эволюционирует. Планетарные масштабы этой системы и одновременно её схожесть с живым организмом определяет место биосферы как особого уровня организации живой материи.

Эволюция биосферы предстаёт как процесс самоорганизации в открытой неравновесной системе планетарного масштаба. При этом источником упорядоченности в биосфере Земли служит отрицательный энтропийный баланс при непрерывном обмене веществом и энергией с внешней средой.

Источником энергии в биосфере является, прежде всего, Солнце. Мощность излучения Солнца достаточно стабильна. Однако, в истории Земли известны глобальные ритмические изменения климата. За последний миллион лет было несколько оледенений. Одной из основных причин изменений климата считают небольшие вариации земной орбиты и наклона земной оси. Они меняют количество солнечной энергии, поступающей на Землю, и её распределение по сезонам и широтам. Этого оказывается достаточно для заметных последствий в нелинейной системе атмосфера-океан.

Малые астрономические факторы являются источником значительных периодических перестроек в климате планеты, а вместе с этим — и в биосфере.

Эти глобальные циклические процессы имеют периоды сотни и десятки тысяч лет. Механизмы их влияния на эволюцию биосферы изучены пока слабо. Есть и другие механизмы космического влияния, связанные с потоком частиц (электронов, протонов, ионов и др.), поступающих к Земле от Солнца. Этот поток называют солнечным ветром. Его интенсивность многократно возрастает при периодических выбросах вещества и излучения с поверхности Солнца — вспышках на Солнце.

Величины потоков энергии и космических частиц, воздействующих на биосферу и на её биологические компоненты, являются сложными периодическими функциями, имеющими характерные для Земли космические циклы.

Циклы, связанные с солнечной активностью, длятся примерно 11 лет. Максимумы солнечной активности проявляются на Земле в виде магнитных бурь и других явлений планетарного масштаба. Влияние солнечной активности на земные процессы носит название солнечно-земных связей. Статистически установлена связь между уровнем солнечной активности и ходом ряда процессов в биосфере Земли (динамикой популяций, эпидемий, количеством сердечно-сосудистых кризов и др.). Известный русский учёный А.Л. Чижевский, выполнив сопоставительные исследования в области солнечной астрономии, биологии и истории, пришёл к выводу о весьма значительном влиянии периодичности солнечной активности не только на биологические, но и на социальные процессы на Земле. Этот вывод послужил основой его концепции зависимости биологической и общественной жизни от космических ритмов и началом нового направления в биологии — гелиобиологии.

Контрольные вопросы.

1. Какие структурные уровни живого вам известны?

2. Что такое белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, хромосомы, ген?

3. Что такое «прокариоты» и «эукариоты»?

4. Дайте определения понятиям «популяция», «вид», «биоценоз», «биосфера»?

5. Какие научные факты, обосновывающие эволюционность живого вам известны?

6. История создания эволюционной концепции.

7. Какие основные факторы эволюции вам известны?

8. Какова роль мутаций в процессе эволюции?

9. Что является элементарной единицей эволюции в СТЭ?

10. Какие факторы являются источниками перестроек в биосфере?

11. Что изучает гелиобиология и кто её основоположник?

Тема 12: «Естественно-научные концепции развития современных биотехнологий»

План

1. Роль генетического материала в воспроизводстве и эволюции живых организмов.

2. Развитие генных технологий.

3. Проблемы клонирования.

 

1. Роль генетического материала в воспроизводстве и эволюции живых организмов

В живой природе основная цель – воспроизведение. Этой цели подчинены и строение организма, и его навыки и умение пользоваться ресурсами. Генный механизм передачи наследственной информации изучается генетикой. Успехи генетики обусловили раскры­тие механизма воспроизводства и эволюции жизни на моле­кулярном уровне. Истоком генетики считают открытие Г. Менделем в 1865 г. корпускулярной природы наслед­ственности. В 1909 г. В. Иогансен ввел основополагающие термины генетики (ген, генотип и др.) и придал модели Менделя четкую форму. В то время понятие «ген» не связывалось с каким-то материальным объектом клетки; ген обо­значал просто единицу наследственного отличия. Отожде­ствление гена с частью хромосом было сделано позже аме­риканским биологом Т. Морганом. Развитие молекулярной генетики раскрыло химическую природу генов как части молекулы ДНК с особым набором мономеров-нуклеотидов, последовательность которых образует генетический код.

Расшифровка структуры генетического кода показала его триплетность, однозначность и универсальность. Триплетность кода означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательно — кодоном — из трех нуклеотидов. Универсальность означает, что код един для всех живых организмов планеты, то есть одни и те же кодоны кодируют одни и те же 20 аминокислот всех живых организмов.

Важнейшей составляющей процесса развития любого организма является воспроизводство в клетках по определенно­му шаблону веществ и структур, необходимых для последующего деления клетки. Воспроизводство живых систем и сохранение видовых признаков обеспечивается системой воспроизведения организма. Она в закодированном виде со­держит полную информацию для построения белка из запасенного клеткой органического материала.

Свои функции система воспроизведения осуществляет посредством ДНК и РНК. Первая хранит генетическую информацию, заложенную вдоль собственной цепи. Вторая способна ее считывать, переносить в среду, содержащую необходимые для синтеза белка исходные материалы, и строить из них белковые молекулы.

Процесс воспроизводства состоит из трех стадий: реп­ликации, транскрипции, трансляции. Репликация - это удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клетки. Транскрипция представляет собой пере­нос кода ДНК путем образования одноцепочечной информа­ционной молекулы РНК на одной из двух нитей ДНК. Ин­формационная молекула РНК - это копия части ДНК, груп­пы рядом лежащих генов, несущих информацию о структу­ре белков, необходимых для выполнения одной функции. Далее происходит трансляция — синтез белка на основе генетического кода информационной РНК.

Таким образом, главное в механизме самовоспроизве­дения клеток — свойство ДНК самокопироваться и строго равноценное деление репродуцированных хромосом. Пос­ле этого клетка может делиться на две совершенно иден­тичные. Так как каждая клетка многоклеточного организ­ма происходит от одной из зародышевой как результат пос­ледовательных делений, то все клетки имеют одинаковый набор генов.

Развитие генных технологий

В настоящее время перед наукой открылась возможность не только изучать генетический механизм, но и влиять на саму наследственность на молекулярном уровне. Эту воз­можность реализует новое направление молекулярной био­логии — генная инженерия, разрабатывающая методики целенаправленного манипулирования информационными макромолекулами живых систем.

Первым с помощью генной инженерии был получен ин­сулин, затем интерферон, потом гормон роста. Позже, бла­годаря вмешательству в конструкцию ДНК, были изменены качества десятков пород животных и сортов растений, мно­гие из которых внедрены в сельскохозяйственное производ­ство. Например, уже используются сорта генетически моди­фицированного картофеля, устойчивые против бича карто­фельных плантаций — колорадского жука. Необходимо от­метить, что пока не ясны возможные отдаленные послед­ствия употребления в пищу сельхозпродуктов, полученных с использованием генной инженерии.

Есть и другие направления практического использова­ния генетики. Так, оказалось, что с помощью генетической экспертизы можно с чрезвычайно высокой точностью уста­навливать родство конкретных людей, выполнять иденти­фикацию останков погибших людей. Эти возможности на­ходят широкое применение в повседневной юридической практике.

На сегодняшний день ученым удалось полностью расшифровать геном человека. (Геном – совокупность всей наследственной информации организма. В состав генома человека входит 46 хромосом, состоящих более чем из 80 тысяч генов). Расшифровали некий усреднённый геном, т.к. расшифровка проводилась в рамках международного проекта «Геном человека» (Human Genome Project — HGP) при участии шести стран, каждая из которых исследовала свой кусок генома от нескольких людей.

Основными задачами международного проекта «Геном человека» являются секвенирование — т.е. определение последовательности нуклеотидов суммарного набора молекул ДНК клетки человека и картирование (т.е. идентификация генов и локализация места их расположения на хромосомах).

Работа по картированию генома заняла долгих десять лет, но по оценкам специалистов, затраченное время того стоило. В ближайшие годы это достижение позволит справиться с десятками болезней, против которых современная медицина бессильна. Будет найдено средство от рака, заболеваний сердечно-сосудистой системы, многих наследственных нарушений и пороков развития, будет замедлено старение организма. По словам доктора Майкла Декстера, руководителя британской части проекта, важность полученных результатов можно сравнить лишь с важностью высадки человека на Луну.

Следующим шагом станет интерпретация полученного материала. Перед учеными встала задача обобщения данных, установление взаимосвязей между различными генами, изучение механизмов развития болезней на генном уровне. Сейчас ведь очень важно понять, что именно было расшифровано. Сложилась парадоксальная ситуация: мы знаем гораздо больше, чем мы понимаем. Никогда в биологии не было такого положения дел. Раньше в биологии было мало фактов, но огромное количество гипотез. Теперь буквально за несколько месяцев наука из бедной фактами превратилась в богатую данными. Возникла новое направление в науке — биоинформатика, которая пытается с помощью математических методов понять и осмыслить, что же все-таки мы расшифровали. В России уже созданы, например, компьютерная программа, с помощью которой можно сразу увидеть глазом пять миллионов нуклеотидов и программа, которая считается одной из лучших в мире для быстрого распознания генов в ДНК.

Второе направление развития программы "Геном человека" в России — это этногеномика. Учеными, которые занимаются изучением геномов различных этнических групп, которыми так богата Россия, уже были получены очень любопытные характеристики генома русских. Профессор Быковский из Института общей генетики вместе с другими группами ученых выяснил, что по женской линии русские как этническая группа очень близки к европейцам и очень далеки от турок и монголов.

Третье направление развития геномных исследований в России — палеогеномика, которая занимается исследованием древней ДНК, извлеченной из тканей и костей, найденных в могильниках и курганах.

Таким образом, генная инженерия в сочетании с микроэлектроникой предвещают возможности управлять живой материей почти так же, как научились управлять неживой.

Проблемы клонирования

Сразу же после своего возникновения генная инженерия стала не только одним из самых перспективных направле­ний прикладной биологии, но также источником совершен­но новых и глубоких этических, моральных и юридических проблем.

Одним из ярких примеров такого рода проблем является вопрос о морально-этической оценке опытов по так называ­емому клонированию (созданию точной генетической ко­пии) живых организмов. Существуют данные, что впервые склонировали не овечку Долли в Великобритании, а проф. Вепренцев в 1987 г. в институте биофизики клетки РАН в г. Пущино склонировали мышку Машу. Но общепризнанным является случай клонирования овечки. Процесс происходит следующим образом. Ядро соматической клетки (соматические клетки – клетки, не участвующие непосредственно в размножении, составляющие ткани тела многоклеточных организмов) помещают в оболочку зародышевой клетки. Под действием электрического разряда они соединяются, такую клетку помещают в матку овцы, и рождается овечка, которая будет похожа на ту, у которой было заимствовано ядро.

Перспективными направлениями применения клонирования являются следующие: 1) в генетической инженерии растений; 2) в трансплантологии. Например, из клеток почек создают целый орган — новые почки — и нет проблемы отторжения донорских органов. Но это в перспективе. Сейчас пока клетки почечной ткани пересаживают на поврежденную часть органа и он восстанавливается.

В связи с намеченными в США на перспективу исследованиями клонирования человека вопрос о морально-этической оценке подобных опытов перерос в острую правовую проблему, носящую к тому же международный ха­рактер. В январе 1998 г. в Париже 19 европейских госу­дарств подписали протокол соглашения о запрете на клони-рование человека. В перечне участников соглашения по раз­ным причинам не оказалось ряда стран с высокоразвитой генетикой. В том числе — Великобритании (здесь впервые было практически осуществлено клонирование животного, и эта страна не хотела бы утратить свои приоритетные пози­ции в данном направлении естествознания), а также США. Германии, России.

Морально-этический аспект применения достижений биологии и медицины на человеке закреплён в Конвенции Совета Европы о защите прав и достоинства человека в связи с применением достижений биологии и медицины, принятой в 1996, выписка из которой приводится ниже.

ВОПРОСЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ К ЭКЗАМЕНУ

1. Предмет и цели естествознания.

2. Место естествознания в современном обществе.

3. Естественнонаучная и гуманитарная культуры.

4. Наука, её цели. Уровни научного познания.

5. Основные формы научного знания. Общая направленность научного исследования.

6. Научный метод познания. Классификация методов научного познания.

7. Тенденции развития естествознания.

8. История развития естествознания.

9. Натурфилософский период в развитии естествознания.

10. Средневековый период в развитии естествознания.

11. Естествознание эпохи Возрождения.

12. Естествознание Нового времени.

13. Период открытия всеобщей связи и утверждения эволюционных идей в развитии естествознания.

14. Научные революции.

15. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы.

16. Элементы общей теории систем.

17. Структурные уровни организации материи.

18. Единство мира. Микро-, макро- и мегамиры.

19. Механическая картина мира.

20. Электромагнитная картина мира.

21. Элементарные частицы и силы в природе.

22. Пространство и время. Свойства пространства и времени.

23. Специальная теория относительности Эйнштейна.

24. Общая теория относительности Эйнштейна.

25. Симметрия в живой природе.

26. Законы сохранения и отвечающие им симметрии. Теорема Нетер.

27. Современные концепции происхождения Вселенной.

28. Галактика, виды галактик.

29. Эволюция звёзд.

30. Планеты Солнечной системы и их происхождение.

31. Планета Земля — образование, процессы, оболочки.

32. Понятия взаимодействия, близкодействия, дальнодействия и состояния.

33. Принципы суперпозиции, неопределённости и дополнительности.

34. Динамические и статистические закономерности в природе.

35. Энергия и теплота. Закон сохранения энергии в макроскопических процессах.

36. Первое начало термодинамики.

37. Второе начало термодинамики. Понятие энтропии.

38. Порядок и беспорядок в природе.

39. Энтропия и информация. Принцип возрастания энтропии.

40. Особенность и двуединая задача химии.

41. Основные концептуальные уровни химии.

42. Основные принципы и законы химии.

43. Энергетика химических процессов.

44. Реакционная способность веществ.

45. Уровни организации живой материи.

46. Свойства (признаки) живых систем.

47. Концепции происхождения жизни на Земле.

48. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем.

49. Многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы.

50. Особенности самоорганизации и информационного обмена в живых системах.

51. Генетический код, генетическая информация.

52. Проблемы и перспективы развития современных биотехнологий.

53. Биосфера и космические циклы.

54. Учение Вернадского о биосфере и ноосфере.

55. Биоэтика и поведение человека.

56. Человек: виды эмоциональных процессов и состояний.

57. Человек: теории эмоций.

58. Человек: здоровье и работоспособность.

59. Человек как социальное существо: интеллект, способности, творчество.

60. Самоорганизация в живой и неживой природе, примеры.

61. Синергетика – теория самоорганизации.

62. Принцип универсального эволюционизма.

63. Путь к единой культуре.