Биология и предмет ее познания

Биология (от греч. bios – жизнь и logos – учение) – это совокупность наук о живой природе и многообразии существующих живых организмов. Основные задачи биологии – это выявление первопричин возникновения жизни, установление принципиального отличия живого от неживого, выяснение специфики биологической эволюции живой материи, формирование совместно с физикой и химией естественно-научной картины мира. В соответствии с этими задачами биология изучает как общие, так и специфические закономерности живого во всех его проявлениях (обмен веществ, наследственность и изменчивость, воспроизводство, адаптация и др.). Поэтому структура биологического знания в настоящее время представлена большим числом частных наук: ботаника, зоология, генетика, биохимия, биофизика, молекулярная биология, экология и т.п. Данное многообразие научных дисциплин объясняется, главным образом, сложностью основного объекта биологических исследований – живой материи. Структуру биологии как науки можно рассматривать с точки зрения объектов, свойств, уровней организации живого, основных этапов и биологических парадигм.

По объектам исследования биологию подразделяют на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию и антропологию. По свойствам и проявлениям живого существует следующая классификация биологических дисциплин: эмбриология – наука, изучающая зародышевое развитие организмов; физиология – наука о жизнедеятельности целостного организма, его отдельных частей и функциональных систем; морфология – наука о форме и строении организмов; молекулярная биология изучает молекулярные основы живой материи, механизмы передачи наследственной информации, превращение энергии в живых клетках и др. Молекулярная биология тесно связана с биохимией, биофизикой и генетикой. По уровню организации выделяют: гистологию – науку о строении тканей многоклеточных животных и человека; цитологию – науку о строении и функционировании клеток, их связи и отношения в органах, тканях живых организмов.

Современная биология развивается в трех основных направлениях, которые образуют традиционная (натуралистическая) биология, физико-химическая биология и эволюционная биология. Все эти направления отличаются друг от друга выбором концептуальной базы научного исследования. Несмотря на их различия по содержанию, преследуют они одну и ту же цель – познание сложнейшего явления природы – жизни.

Традиционная биология имеет объектом изучения живую природу в ее естественном состоянии. Натуралистическая биология возникла в древней Греции как описательная (феноменологическая) наука о многообразных формах, видах и взаимосвязях живого мира. Главной ее задачей являлось наблюдение, описание и систематизация объектов, явлений живой природы. Идея систематики биологических знаний зародилась еще в эпоху античности и первым систематизатором был Аристотель. Он собрал значительный фактический материал и сделал первую попытку классификации животного и растительного мира. Основной задачей систематики является определение путем сравнения специфических особенностей каждого вида и каждого таксона. В процессе создания полной системы (классификации) органического мира систематика опирается на эволюционный принцип и данные всего биологического знания. Систематика имеет важное теоретическое и практическое значение, позволяя ориентироваться в огромном разнообразии живых существ.

Скачок в развитии биологических наук произошел в XVII в. и связан с эпохой Великих географических открытий, которые обогатили биологию множеством новых фактов, собранных на вновь открытых землях. Данные факты нуждались в своей систематизации и классификации. Одним из основателей современной систематики был английский биолог Дж. Рей. Он предложил (1693) первую естественную систему классификации растений, впервые ввел в научный оборот понятия рода и вида в смысле, близком к современному.

Вершиной искусственной классификации стала система, созданная шведским ученым К. Линнеем (1735). В предложенной Линнеем системе классификации было принято деление растений и животных на несколько иерархически соподчиненных групп (классы, отряды, роды, виды и подвиды). Единицу классификации, объединяющую группу родственных организмов, он назвал таксонами. Система таксонов имеет иерархическое строение, начиная от подвида к виду, роду, семейству и т.д. Линнеем была предложена бинарная номенклатура видовых названий. Наименование вида состоит из родового названия и видового эпитета: пшеница мягкая, пшеница твердая, медведь бурый и медведь белый.

Работы К. Линнея «Системы природы», «Философия ботаники» сыграли важную роль в развитии биологии и способствовали формированию исторического взгляда на природу. Применение бинарной номенклатуры способствует формированию представлений о родстве форм в пределах рода, а соподчиненность таксонометрических единиц приводит к мысли об общности происхождения органических форм. К. Линней придерживался креационистских позиций в вопросах о происхождении жизни и метафизических представлений о постоянстве видов.

Система К. Линнея была усовершенствована французским ученым Ж. Кювье. Он ввел в нее новую таксонометрическую единицу (тип), включающую несколько линеевских классов. Соответственно всех животных он разделил на 4 типа. Зверей, птиц, амфибий, рептилий и рыб он впервые объединил в общий тип – позвоночные. Животных, состоящих из многих члеников, – насекомых, раков и других – отнес к типу членистоногих. Беспоз-воночных животных, тело которых не делится на членики, он назвал мягкотелыми. К четвертому типу отнесены животные, названные лучистыми, тело которых имеет лучевую симметрию (морские звезды).

Ж. Кювье наука обязана формулированием двух очень важных принципов. Сущность первого принципа «условий существования» заключается в том, что каждое животное целесообразно приспособлено к среде обитания. У него нет и не может быть таких органов и функций, которые нарушали бы гармонию организма и среды. В неразрывной связи с этим принципом стоит другой принцип – корреляции органов, то есть в теле животного между всеми органами существует корреляция как в строении, так и в функциях.

Бурное развитие биологической мысли в конце XVIII в. и в начале XIX в. не ограничивается только достижениями в области классификации и систематизации органического мира. Появился ряд фундаментальных трудов энциклопедической направленности. Это 44-томный труд французского естествоиспытателя Ж. Бьюффона и его соавторов «Естественная история», знаменитая «Жизнь животных» немецкого зоолога и популяризатора биологической науки А. Брема и работы немецкого биолога-эволюциониста Э. Геккеля по морфологии организмов.

Натуралистическая биология не утратила своего значения и в наши дни. По-прежнему актуальным является изучение флоры и фауны нашей планеты, открываются и описываются новые виды. Несмотря на выдающиеся успехи современной биологии в деле осуществления систематизации и классификации огромного числа животных и растительных организмов, тем не менее полного описания всего природного мира сделать не удалось. Всего в обширном реестре современных биологических наук около 1,5 млн видов животных и 500 тыс. видов растений, что по некоторым оценкам составляет только две трети существующих видов. Роль традиционной биологии в настоящее время сильно возросла в связи с возникновением перед человечеством серьезных экологических проблем, решение которых осуществляется в рамках науки – экологии. Экология – наука об отношениях растительных и животных организмов, образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой. Она появилась в рамках традиционной биологии, рассматривающей природу как единое целое.

1

Физико-химическая биология

 

При всех достоинствах традиционной биологии с ее системным подходом к изучению живой природы, она все же была наукой феноменологической. В ее рамках многочис-ленные новые научные факты не находили должного объяснения, а многие явления и
характеристики живого оставались непонятыми. Ученым пришло понимание, что при изучении живых систем следует исходить из первых принципов (а b initio) а не из их проявлений – феноменов. Поэтому центр тяжести научных исследований постепенно стал смещаться с традиционной описательной биологии в сторону изучения анатомии и физиологии животного и растительного мира, а затем – все дальше вглубь живой природы, к изучению жизни на клеточном и молекулярно-генетическом уровне. При этом биология стала все шире использовать идеи и методы исследования других более развитых естественных наук – физики и химии. Вместе с ними в науку проникли идеи редукционизма – учения, согласно которому все сложные явления жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с их помощью. Первое время это был лишь методологический подход, но с середины XIX в. можно было говорить о рождении физико-химической биологии, изучавшей жизнь на молекулярном и надмолекулярном уровне.

В становлении новой биологической науки решающую роль сыграли ученые, ши-роко использовавшие методы физики и химии в своих научных исследованиях: Л. Пастер,

И.М. Сеченов, И.П. Павлов, И.И. Мечников и многие другие. Следует также назвать имена основоположников клеточной теории М. Шлейдена и Т. Шванна, положивших начало изучению живой клетки. С тех пор точные методы и экспериментальная техника, которыми пользуются ученые, шагнули далеко вперед.

Применение в биологии физических и химических методов, основанных на новейших открытиях физики и химии, создали возможность по-новому подойти к изучению биологических проблем. Наиболее широкое распространение в биологии получили: метод меченых атомов (используемый 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); хромотографические методы (используемые при биохимических исследованиях); спектральные методы (позволяющие следить за работой живых органов – ЯМР-томография, УЗИ-томография, оптические зонды и т.п.). Широкое внедрение компьютерной томографии позволило послойно анализировать любой орган, клетку и клеточный органоид.

С точки зрения синергетики, – науки о самоорганизации, живые организмы представляют собой открытые системы, постоянно обменивающиеся энергией и веществом с окружающей средой. Вместе с пищей они получают различные органические и минеральные соединения, которые участвуют в биохимических реакциях, а затем в виде продуктов распада выводятся из организма в окружающую среду. Строительным материалом для живых клеток являются биомакромолекулы: белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. В клетках живых организмов одновременно протекают многие тысячи биохимических реакций c участием ферментов, которые синтезируются в самих же клетках. Поскольку в основе современного химического учения лежат законы квантовой физики, то вполне понятно, почему именно эти две науки смогли дать ответ на вопросы, как устроены биологические структуры на молекулярном уровне, связать работу живых клеток с химическими и физическими превращениями биомолекул.

Внедрение в биологию идей и методов современной химии привело к созданию новой науки – биохимии, изучающей структуру и свойства биомакромолекул одновременно с их метаболизмом в живых клетках, тканях и органах. Методами биохимии удалось выяснить, как в митохондриях протекают окислительно-восстановительные реакции, обеспечиваю-щие клетку энергией и расшифровать механизмы метаболизма. Установлены функции мембран, рибосом и других внутриклеточных структур.

В рамках биохимии сформировалась в самостоятельную науку молекулярная биология, которая изучает основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне. Этой науке удалось выяснить, каким образом и в какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, превращение энергии в живых клетках и другие явления обусловлены структурой и свойствами биологически важных макромолекул (главным образом белков и нуклеиновых кислот).

Достижения биохимии и молекулярной биологии в раскрытии тайн живого были бы не столь впечатляющими без участия биофизики. Целью этой науки является объяснение ряда биологических явлений с точки зрения законов физики. Биофизическими методами были объяснены механизмы мышечного сокращения, проведения нервного импульса; процессов фотосинтеза и ферментативного катализа. Методом рентгеноструктурного
анализа были расшифрованы структуры белков, нуклеиновых кислот и других биомакромолекул. Объединение молекулярной биологии, включающей молекулярную генетику,
с биохимией и биофизикой образует физико-химическую биологию. Молекулярно-динамический метод, разработанный в физико-химической биологии, применим на всех качественно различных уровнях биологических систем. Но ни физико-химической биологии, ни биологической науке в целом не удается дать ответ на основной вопрос биологии – вопрос о происхождении и сущности жизни. Несмотря на огромные достижения биологии, она пока не располагает такими интегрированными знаниями о многообразии живой природы, которые могли бы составить базу для теоретической биологии.

 

Эволюционная биология

 

Эволюционная биология – это учение об историческом развитии живой природы. Согласно эволюционному учению, все ныне существующие виды организмов произошли от ранее существовавших путем длительного их изменения. Первые идеи развития органического мира появились еще в эпоху античности. Так, в основу систематики живого у Аристотеля положена идея, что все многообразие живых существ на земле подчинено строгой иерархии. Он расположил организмы от простого к сложному, человека при этом он поместил на вершине пирамиды животного мира.

Однако интенсивное проникновение эволюционной парадигмы в биологию началось лишь в XIX в., благодаря трудам французского биолога Ж.Б. Ламарка. Свою эволюци-онную теорию он изложил в книге «Философия зоологии», вышедшей в 1809 г. В основе концепции эволюции Ламарка лежали две предпосылки: упражнение и неупражнение частей организма и наследование приобретенных признаков. Согласно Ламарку, изменение организмов происходит под влиянием окружающей среды, а приобретенные в течение их жизни признаки передаются по наследству. Основными факторами в теории эволюции Ламарка являются среда и время. Среда вызывает изменения, а время их усиливает и закрепляет. С точки зрения ламаркизма, длинная шея и ноги у жирафа – результат того, что многие поколения его предков питались листьями деревьев, за которыми приходилось тянуться все выше и выше. Незначительное удлинение шеи и ног, происходившее в каждом поколении, передавалось следующему поколению, пока эти части тела не достигли своей нынешней длины.

Хотя теория Ламарка и положила начало эволюционному периоду развития биологии, ее основные положения не были приняты научным сообществом того времени. Крупный биолог Ж. Кювье, ознакомившись с его трудом «Философия зоологии», заявил: «Никто не считает эту философию настолько опасной, чтобы нужно было ее опровергать». Автор теории катастроф не видел опасности со стороны теории Ламарка для утверждения своей концепции, согласно которой периодические изменения видов происходили в результате глобальных природных катаклизмов. Ламарк в своей теории опирался на ряд ошибочных положений, из-за которых ему не удалось решить вопрос о движущих силах эволюции. Он не знал о существовании в природе естественного отбора, а такие факторы эволюционного процесса, как изменчивость и наследственность, Ламарк выводил из ошибочной концепции стремления всего живого к совершенству. По Ламарку, постоянное стремление организмов к усложнению вложено в них «верховным творцом» и будет существовать даже тогда, когда условия жизни неизменны. Но если стремление к совершенству свойственно всем живым существам, то как же объяснить существование в наши дни простейших организмов? Для снятия этого вопроса он допускал их самозарождение и сейчас «в пригодных для того веществах».

Ламарк также неверно понимал причины возникновения приспособленности, связывая их с влиянием окружающей среды. Это породило довольно распространенное, но научно совершенно не обоснованное представление о наследовании признаков, приобретаемых организмами под непосредственным воздействием окружающей среды.

Несмотря на ошибочность концептуальных основ, эволюционная теория Ламарка была первой, в которой был поставлен вопрос о движущих силах эволюции. Ламарк отказался от метафизической идеи постоянства видов, заменив ее концепцией изменяемости видов. Согласно его учению, эволюция представляет собой исторический процесс развития от простого к сложному.

В России сторонником эволюционных идей был русский ученый К.Ф. Рулье – один из основателей эволюционной палеонтологии. Для доказательства эволюции Рулье использовал исследования ископаемых остатков животных, сравнительные данные о строении современных животных в их зародышевом развитии.

В учениях предшественников Дарвина оставались нерешенными три основные проблемы:

1. Как объяснить многообразие видов?

2. Как объяснить приспособленность организмов к условиям окружающей среды?

3. Почему в процессе эволюции происходит усложнение организации живых су-ществ?

Все эти проблемы впервые нашли свое решение в эволюционной теории Ч. Дарвина, которая совершила подлинную революцию в биологической науке. Теория эволюции
Ч. Дарвина была изложена в его книге «Происхождение видов путем естественного отбора», вышедшей в 1859 г. Согласно учению Дарвина, эволюция живых организмов осуществляется в результате взаимодействия трех основных факторов: изменчивости, наследственности и естественного отбора. Изменчивость, по Дарвину, – это способность организмов приобретать новые свойства и признаки, различия между особями в пределах вида. Дарвину удалось установить причины изменения видов на основе изучения огромного материала, собранного во время путешествия на корабле «Бигл».

Особенно интересные данные он собрал на Галапагосских островах, лежащих у Западного побережья Южной Америки, в Тихом океане. Эти острова вулканического происхождения, и возникли они значительно позже Американского континента. Дарвин, изучая живущих там виды ящериц, черепах, птиц и др., обнаружил, что фауна архипелага схожа с фауной Южной Америки, но вместе с тем и отличается от нее. Дарвин находит убедительные доказательства американского происхождения галапагосской фауны. Он обнаружил, что на каждом острове архипелага имеется своя форма вьюрков. Но все они образуют одну естественную группу и произошли от одного первоначального вида, жившего на близлежащем Американском материке.

Таким образом, к середине XIX в. на основе обширного фактического материала были сделаны важные обобщения об изменяемости видов, о сходстве в строении вымерших форм с современными, об историческом развитии земной коры, а также о сходстве зародышей систематически далеких друг от друга групп животных.

Все эти обобщения нашли отражение в классическом труде Ч. Дарвина «Происхождение видов», в котором был решен вопрос о главных движущих силах (факторах)
эволюционного процесса. Он исходил из идеи Мальтуса о способности всех видов неограниченно размножаться в геометрической прогрессии. Однако в естественных условиях численность всех популяций остается почти постоянной, следовательно, большинство особей погибает в борьбе за существование и не оставляет потомства.

Сопоставив идеи Мальтуса о перенаселении со всеобщей изменчивостью видов, Дарвин пришел к фундаментальному заключению: те особи имеют больше шансов выжить и получить репродуктивное преимущество перед остальными, признаки которых наилучшим образом приспособлены к данным условиям жизни. Так был открыт принцип естественного отбора – главной движущей силы эволюции.

В теории Дарвина термин «борьба за существование» предполагает широкое толкование. Сам Дарвин понимал под борьбой за существование совокупность всех сложных взаимоотношений между организмами и внешней средой, определяющих успех или неудачу данной особи в ее выживании и оставлении потомства. Различные проявления борьбы за существование Дарвин сводил к трем основным видам: межвидовая, внутривидовая и борьба с неблагоприятными условиями абиотической внешней среды. Под межвидовой борьбой следует понимать конкуренцию особей разных видов. Межвидовая борьба достигает особой остроты в тех случаях, когда виды занимают один и тот же ареал и используют одинаковые источники питания. Межвидовая борьба ведет к экологическому и географическому разобщению видов. Отношения между хищником и жертвой, хозяином и паразитом, травоядными животными и растениями, насекомыми и птицами являются примерами межвидовой борьбы. Внутривидовая борьба выступает как конкуренция между особями одного вида, которые обладают одинаковыми жизненными потребностями, и протекает в наиболее острой форме.

Огромную роль в процессе элиминации особи в растительном и животном мире играют неблагоприятные условия внешней среды. Перенаселение, внутривидовая или межвидовая конкуренция являются необходимыми предпосылками возникновения борьбы за существование. Однако самой общей причиной борьбы за существование является относительная приспособленность организмов к среде обитания. Особи, обладающие хотя бы самыми незначительными полезными изменениями, получают селективное преимущество перед другими в борьбе за существование. Благоприятные изменения будут передаваться следующим поколениям, а неблагоприятные – элиминироваться отбором, так как они не выгодны для существования вида. Естественный отбор способствует накоплению полезных изменений от поколения в поколение, и через много поколений особи данного вида значительно будут отличаться от своих предков.

При изменении условий существования внутри вида идет процесс расхождения признаков – дивергенция, которая приводит к образованию новых группировок особей внутри вида. С изменением направления отбора перестраивается генетическая структура вида, благодаря размножению широко распространяются новые признаки, появляется новый вид. Именно это обеспечивает разнообразие видов на нашей планете.

Теория Дарвина об эволюционном происхождении видов путем естественного отбора сразу же после опубликования вызвала жестокие споры как между учеными, так и среди широкой публики. Возможность рационального объяснения органического мира, которую давала эта теория, значительно способствовала вытеснению религиозных представлений о божественном сотворении видов. Поэтому не случайно наиболее ярыми противниками концепции Дарвина были представители различных религиозных верований. Сначала борьба шла за само признание факта эволюции, а когда к концу XIX в. этот факт стал общепринятым, то споры разгорелись вокруг основного принципа дарвинизма – естественного отбора. Его роль принижалась, сводилась к простому «просеиванию отдельных вариаций, отрицался движущий характер отбора в эволюционном процессе.

С середины ХХ в. начался новый этап критики дарвинизма, на этот раз с позиций молекулярной биологии. Некоторые ученые стали заявлять, что принципы Дарвина устарели, что эволюция идет по каким-то случайным направлениям огромными скачками, случайно приводя к возникновению совершенных форм. Для критики дарвиновской теории были использованы положения о наследственности и изменчивости, также входившие в эту теорию и разработанные значительно хуже. Однако следует подчеркнуть, что главное в дарвинизме – совсем не объяснение механизма изменчивости организмов в ходе эволюции. Сам Дарвин рассматривал изменчивость как постулат, предоставив разгадку ее механизмов будущим поколениям биологов. Аналогичные ситуации возникали при создании и развитии других наук. К примеру, при формулировке основных законов термодинамики широко использовалось ошибочное понятие теплорода. Дж. Максвелл положил в основу своей теории гипотетический светоносный эфир. При этом замена в этих теориях теплорода и эфира на современные механизмы передачи теплоты и распространения электромагнитных волн не изменила сути самих теорий. Точно так же раскрытие генетикой механизмов передачи наследственной информации и изменчивости существенно обогатила теоретические основы дарвинизма, что, в конечном счете, привело к созданию новой синтетической теории эволюции – неодарвинизма.

Крупнейшие ученые разных стран способствовали распространению эволюционной теории Дарвина, защищали ее от нападок и сами вносили вклад в ее дальнейшее развитие. Большая роль в развитии биологической науки на основе дарвинизма принадлежит нашим отечественным ученым. К.А. Тимирязев, И.И. Мечников, И.П. Павлов, Н.И. Вавилов,
А.Н. Северцев, И.И. Шмальгаузен, С.С. Четвериков, Н.В. Тимофеев-Ресовский и многие другие русские ученые положили в основу своих исследований идеи Дарвина.

Основные принципы эволюционной теории Ч. Дарвина сводятся к следующим положениям.

1. Каждый вид способен к неограниченному размножению.

2. Ограниченность жизненных ресурсов препятствует реализации потенциальной возможности беспредельного размножения. Большая часть особей гибнет в борьбе за существование и не оставляет потомства.

3. Гибель или успех в борьбе за существование носят селективный характер. Организмы одного вида отличаются друг от друга совокупностью признаков. В природе преимущественно выживают и оставляют потомство те особи, которые имеют наиболее удачное для данных условий сочетание признаков, то есть лучше приспособлены. Избирательное выживание наиболее приспособленных организмов Ч. Дарвин назвал естественным отбором.

4. Под действием естественного отбора, находящиеся в разных условиях группы особей одного вида, из поколения в поколение накапливают различные приспособительные признаки. Они приобретают настолько существенные отличия, что превращаются в новые виды (принцип расхождения признаков). Естественный отбор является основным фактором, направляющим эволюционный процесс.

5. Приспособленность (целесообразность) всегда имеет относительный характер. Любое приспособление полезно только в тех условиях, в которых оно возникло, а при изменении условий оно перестает быть полезным. Важным доказательством относительного характера целесообразности служат рудименты – органы, потерявшие свое полезное значение в новых условиях. Относительность целесообразности обеспечивает возможность дальнейшей перестройки и совершенствования имеющихся у данного вида адаптаций, то есть бесконечность эволюционного процесса.

Дарвинизм оказал огромное влияние не только на биологию и естественные науки, но и на общечеловеческую культуру, способствуя развитию естественно-научных взглядов на возникновение и развитие живой природы и самого человека.