Биология как наука. Структура современных биологических знаний

 

Сегодня самой динамично развивающейся наукой в естествознании является биология – наука о жизни и живой природе. Она представляет собой постоянно развивающуюся совокупность биологических наук, изучающих строение и функции живых организмов, их распространение, происхождение, связи друг с другом и с неживой природой.

В настоящее время в этот комплекс биологических наук входит множество частных биологических дисциплин, которые можно структурировать по нескольким основаниям:

– по объектам исследования в биологии выделяют вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию;

– по свойствам и проявлениям живого выделяют: морфологию – науку о строении живых организмов; физиологию – науку о функционировании живых организмов; молекулярную биологию - науку о микроструктуре живых тканей в клетке; генетику – науку о наследственности и изменчивости; экологию – науку об образе жизни растений, животных и человека в их взаимосвязи 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 теоретических обобщений. Поэтому в отличие от физики и химии биология еще не имеет собственной научной картины мира – контуры ее только намечаются.

Современная биология существует в виде трех «образов» – натуралистической, физико-химической и эволюционной биологии. Все они различаются по содержанию и истории развития, хотя едины в достижении главной цели – раскрытии сущности жизни и ее проявлений с целью познания и управления ими. Сегодня появилась надежда на синтез этих трех направлений в биологии, на создание единой теоретической биологии. Также очевидно, что в этот синтез, который станет целостной теорией жизни, войдут и другие разделы естествознания, что сделает биологию подлинно синтетической наукой и позволит занять ей ведущее место в науке XXI века.

 

Натуралистическая (традиционная) биология

 

Натуралистическая биология возникла в эпоху античности. Главной ее задачей является изучение природы в естественном состоянии. С этой целью она тщательно наблюдает, описывает и систематизирует явления живой природы. Именно в рамках натуралистической биологии появился собственно научный подход к изучению жизни. Эта заслуга принадлежит величайшему мыслителю древности – Аристотелю, который собрал накопившийся до его времени фактический материал, дополнил его множеством собственных наблюдений и сделал первую попытку классификации животных и растений, основанную 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, четвероногих и безногих яйцеродящих, безногих живородящих (киты) и рыб. Лишенные крови делились им на мягких (головоногих), мягкокожих многоногих (раки), многоногих членистых и раковинных безногих (раковинные моллюски и морские ежи). Кроме того, он выделил ряд переходных групп. Человеку Аристотель отвел место на вершине кровяных животных.

Интенсивное развитие биологических наук начинается лишь в 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 совершен ряд путешествий с чисто научной целью, в результате которых были собраны богатые коллекции растений и животных. Огромное количество накопленной информации требовало систематизации и классификации, которая была предложена крупнейшим естествоиспытателем XVIII в. Карлом Линнеем в 1758 г. в работе «Система природы». Именно он ввел точную терминологию для описания растений и животных. Также ему принадлежит введение бинарной (двойной) номенклатуры – обозначение каждого вида двумя терминами – названием рода и вида на латыни. Кроме того, Линней точно определил соотношение между различными систематическими группами – классами, отрядами, родами, видами и подвидами, четко выделив названные таксоны и показав их иерархическую соподчиненность. К сожалению, Линней положил в основу своей классификации произвольно выбранные, часто единичные признаки, поэтому допустил ряд ошибок в своей систематизации живой природы. Тем не менее, его «Система природы» стала гигантским шагом вперед, она способствовала дальнейшему развитию науки, дала толчок появлению новых, более точных классификаций.

Одна из таких классификаций была предложена французским естествоиспытателем Жаном Батистом Ламарком. В основу 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-химическая биология

 

При всех плюсах натуралистической биологии с ее целостным подходом к изучению природы, биология все же нуждалась в понимании 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 растений 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 были заложены в античности. Огромную роль в становлении этих наук сыграл Гиппократ и его школа, считавших, что наука должна основываться не на умозрительных схемах, а на наблюдениях и обобщениях опыта. Эти требования легли и в основу медицины, также ставшей наукой с этого времени.

Данную традицию античной науки развил Герофил, который изучал строение и функционирование нервной системы, начал изучать кровеносную систему, дал подробное описание анатомии глаза, печени и других органов тела. Занимаясь вивисекцией, Герофил сопоставил строение тела человека и животных, внес большой вклад в разработку анатомической терминологии.

Подлинное развитие данного направления биологии началось лишь в Новое время. В XVI–XVII вв. благодаря работам Р. Тука, Н. Грю, Я. Гельмонта, М. Мальпиги и других, проводившихся с использованием микроскопа, получила развитие анатомия растений, были открыты клеточный и тканевый уровни организации растений. В биологию проникает эксперимент – искусственная гибридизация, что закладывает основы для возникновения генетики.

Важно отметить, что биология в Новое время все шире использовала 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 объяснены с их помощью. Таким образом, биология все шире использовала идеи редукционизма. Первое время это был лишь методологический подход, но с XIX века можно было говорить о рождении физико-химической биологии, изучавшей жизнь на молекулярном и надмолекулярном уровнях. Большую роль в утверждении нового образа биологии сыграли ученые XIX века, использовавшие методы физики и химии в своих исследованиях, – Луи Пастер, КМ. Сеченов, И.П. Павлов, И.И. Мечников и др. Также обязательно следует назвать основоположников клеточной теории Маттиасса Шлейдена и Теодора Шванна, положивших в 1838 г. начало изучению живой клетки. Их теория привела к появлению цитологии – науки о живой клетке. Дальнейшее изучение клеточного строения вызвало рождение генетики – науки о наследственности и изменчивости. В XX в. появилась молекулярная 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 биосинтеза белка, а также молекулярно-генетические механизмы изменчивости, изучен обмен веществ на молекулярном уровне. При этом открытия в физике и химии, непрерывное совершенствование физических и химических методов и их применение в биологии создали возможность по-новому подойти к изучению множества биологических проблем.

В настоящее время ученые при поиске истины используют весь арсенал накопленных к настоящему времени методов исследования живого. Среди них есть как очень старые (например, с помощью светового микроскопа), так и ультрасовременные методы. Среди них:

– метод меченых атомов, который используется для наблюдения за передвижением и превращением веществ в живом организме;

– методы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, позволяющие исследовать крупные молекулярные компоненты и субмикроскопические структуры в живых клетках;

– хроматографические методы, использующиеся при биохимическом исследовании;

– спектральные методы;

– методы зондирования в тканях, позволяющие следить за работой живых органов (ЯМР-томография, УЗИ-томография, оптические зонды).

С точки зрения химии живые организмы представляют собой открытые системы, постоянно обменивающиеся веществом и энергией с окружающей средой. При этом вместе с пищей они получают огромное количество органических и минеральных соединений, которые участвуют в биохимических реакциях организма, а затем в виде продуктов распада выводятся в окружающую среду. Строительным материалом для живой клетки являются макромолекулы – белки, жиры, нуклеиновые кислоты. Гормональная регуляция, происходящая в организме, также представляет собой систему химических реакций.

Объединение биологии с химией положило начало новой науке – биохимии, которая изучает структуру и свойства биомолекул одновременно с их метаболизмом в живых тканях и органах. Иными словами, биохимия анализирует изменения биомолекул внутри живого организма. Биохимикам удалось выяснить, как переносится энергия в клетке, расшифровать механизмы метаболизма (обмена веществ), установить роль мембран, рибосом и других внутриклеточных структур. Именно биохимикам удалось выяснить структуру и функции белков и нуклеиновых кислот, заложив тем самым основы молекулярной генетики. Рекомендациями биохимиков сегодня пользуется медицина, фармацея, сельское хозяйство.

Поскольку современная химия основывается на физике, ученые стремятся объяснить биологические явления и процессы на 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, доступных для понимания актов и исследуют их физические свойства. Биофизикам удалось объяснить механизмы мышечного сокращения, проведения нервного импульса, тайны фотосинтеза и ферментного катализа.

Эволюционная биология

 

Идея развития живой природы проникла в 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 вызывающих усмешку. Так, известна идея Эмпедокла о возникновении сложных организмов путем случайного сочетания органов, которые плавали в Океане. Он считал, что нежизнеспособные образования погибали, а жизнеспособные выжили и дали начало существующим сегодня организмам.

Подлинный фундамент эволюционных представлений был заложен Аристотелем, который не просто систематизировал описанные им живые организмы, но расположил их при этом в определенном порядке: от наиболее простых к более сложным. У Аристотеля последовательность тел природы начинается с неорганических предметов и через растения движется к прикрепленным животным – губкам и асцидиям, а затем к подвижным морским организмам. Так появилось первое представление о лестнице живых существ.

Новое время и классическая наука с их установкой на метафизичность отказались от идей наивного трансформизма и пришли к концепции неизменности видов. Но уже со второй половины XVIII в. трансформистские идеи вновь стали популярными 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 полуэмпирической позицией, построенной на основе обобщения большого числа фактов, говорящих о наличии глубинных взаимосвязей между видами, родами и другими таксонами. Но сущность 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, которая была изложена в книге «Философия зоологии» (1809). Он первым заговорил об изменении организмов под влиянием окружающей среды и передаче приобретенных признаков потомкам. К сожалению, Ламарк в своей теории опирался на ряд неверных допущений, из-за которых ему не удалось решить вопрос о соотношении внутренних и внешних факторов эволюции. Также ему пришлось говорить о стремлении органического мира к самосовершенствованию, то есть опираться на идеи телеологизма, отвергнутые классической наукой.

Весомый вклад в становление эволюционизма внесли еще две теории, появившиеся в XIX в., – катастрофизм и униформизм. Автором первой теории стал Ж. Кювье, один из основоположников палеонтологии. Он исходил из представлений, что природные силы, действующие сейчас и господствовавшие в прошлом, качественно отличаются друг от друга. Поэтому в прошлом периодически могли происходить глобальные природные катаклизмы, прерывавшие спокойное течение геологических и биологических процессов на Земле. В результате этих катастроф почти полностью изменялся не только облик Земли, но и органический мир. Причины катастроф наука установить не в состоянии. Тем не менее, можно сделать вывод, что именно катастрофы привели к появлению все более сложных органических форм.

Униформисты, среди которых были Ч. Лайелъ, Дж Геттон, М.В. Ломоносов, являлись противниками катастрофизма. Они основывались на методе актуализма, предложенном в геологии. Этот метод исходил из идеи преемственности прошлого и настоящего, тождественности древних и современных геологических процессов. Поэтому по характеру современных геологических 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 абсолютной прерывности развития органического мира, то вторая теория отрицала качественные скачки и изменения. Тем не менее, обе эти теории стали еще одним шагом к становлению современного эволюционизма.

Подлинная революция в биологии произошла в 1859 г. с появлением знаменитой книги Чарлза Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора». Он создал свою теорию в результате пристальных многолетних наблюдений над живой природой в самых разных уголках земного шара. В результате обобщения наблюдений появилось величайшее открытие ученого – идея естественного отбора и борьбы за существование. На этой основе и родилась дарвиновская теория эволюции

Современная (синтетическая) теория эволюции появилась лишь к концу 20-х годов XX в. Она представляла собой синтез генетики и дарвинизма. С этого времени стало возможным говорить об эволюционной биологии как о платформе, на которой происходит синтез разнородного биологического знания. Сегодня эволюционная биология представляет собой результат объединения двух потоков знания: самого эволюционного учения и знаний, полученных другими биологическими науками о процессах и механизмах эволюции. На протяжении XX в. содержание эволюционной биологии постоянно расширялось. Она дополнялась данными генетики, молекулярной биологии, цитологии, палеонтологии. Многие ученые считают, что именно эволюционная биология сможет стать тем фундаментом, на котором появится теоретическая биология – цель биологов XXI века.