Биология как наука о происхождении и развитии жизни

17

Содержание

Введение

1. Общие принципы современной биологии

2. Принципы биологической эволюции

3. Современные представления о происхождении жизни

4. Начало жизни на земле

Заключение

Список литературы

Введение

Одним из наиболее трудных и в то же время интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Он труден потому, что когда наука подходит к проблемам развития как создания качественного нового, она оказывается у предела своих возможностей как отрасли культуры, основанной на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений.

Ученые сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Трудность методологическая -- в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению жизни (уникальность этого процесса препятствует использованию основного научного метода).

Вопрос о происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и тесной связью с проблемой отличия живого от неживого, а также связью с проблемой эволюции жизни. В чем сущность Живого? Как и насколько механизмы эволюции действовали при зарождении жизни?

Огромную лепту в разрешение этих вопросов внесла такая наука как биология. Биология возникла и долгое время развивалась как описательная наука, осуществлявшая анализ и классификацию огромного эмпирического материала. Перед современной биологией по-прежнему стоит задача классификации всего многообразия живых организмов. Считается, что до сих пор описано только две трети существующих видов, а это 1,2 млн животных, 500 тыс. растений, сотни тысяч грибов, около 3 тыс. бактерий и т.п.

В данной работе мы рассмотрим те вопросы которые изучает современная биология.

1. Общие принципы современной биологии

Биология -- наука о происхождении и развитии живого, его строении, формах организации и способах активности. Современная биология представляет собой динамичное знание, меняющееся буквально на глазах. Лавинообразное накопление новых экспериментальных данных подчас опережает возможности его теоретической интерпретации и объяснения. Стремительно растет число междисциплинарных исследований на стыке биологии и химии, биологии и физики, биологии и антропологии и т.п. Это в свою очередь требует использования методов и средств, которые прежде были совершенно чужды биологии. Насчитывается уже более 50 наук внутри комплекса биологического знания, среди них: ботаника и зоология, генетика и молекулярная биология, анатомия и морфология, цитология и биогео-ценология, биофизика и биохимия, палеонтология и эмбриология, эволюционная биология и экология и т.п. Такое многообразие научных дисциплин объясняется сложностью объекта исследования -- живой материи.

В современной биологии произошли существенные методологические изменения. В XX в. биологическое знание приобрело объяснительный характер. Современная биология использует генетический и системно-структурный подходы. В рамках первого рассматриваются вопросы происхождения и эволюции живой материи, причины, механизмы и особенности биогенеза. В рамках второго изучаются различные уровни организации живого, принципы их функционирования, особенности взаимосвязей и т.д.

Особенностью современного этапа развития биологического знания является его тесная связь не только с другими науками естественно-научного комплекса, но и с гуманитарным и социальным познанием. Ценностная составляющая биологического знания по мере развития этой научной дисциплины только увеличивается. Успехи биофизики и биохимии, молекулярной биологии и генетики позволяют говорить о прорыве в наших знаниях о сущности живого. Однако, все ближе подходя к разгадке тайны жизни, человечество сталкивается с множеством мировоззренческих проблем, решение которых необходимо, в том числе и в целях самосохранения и выживания. В связи с этим некоторые данные современной биологии требуют философского осмысления и интерпретации. Вместе с тем биология оказывается тесно связанной с практическими нуждами, более того, огромное число теоретических проблем возникает именно для решения конкретных практических задач: медицинских, экологических, экономических, политических и т.п. Все эти изменения свидетельствуют: в середине XX в. в биологии произошла научная революция, по масштабам сравнимая с революцией в физике и астрономии.

Современная биология утверждает единство живой материи на всех уровнях, представляя мир живого как огромную систему систем, в которой каждый компонент обладает собственными специфическими свойствами и соединяется с другими особым типом связей. Развитие знаний приводит к постепенной трансформации представлений о сущности жизни, единстве космической и биологической эволюции, взаимодействии биологического и социального в человеке и т.п. Новые биологические данные изменяют ту картину мира, которая на протяжении длительного времени формировалась физикой. Открытия в биологии определяют дальнейшее развитие всего естествознания. Именно поэтому современная научная картина мира невозможна без биологических знаний. Более того, биология становится тем основанием, на котором формируются новые мировоззренческие принципы, определяющие самопонимание человека XXI в.

2. Принципы биологической эволюции

Под биологической эволюцией понимают процесс исторического развития живого мира от древнейших форм жизни до современных и будущих форм. Сущность процесса эволюции проявляется в непрерывном приспособлении биологических видов к разнообразным условиям окружающей среды и в появлении все более сложно устроенных организмов. Можно коротко сказать, что биологическая эволюция направлена от простых биологических форм к сложным.

Решающий вклад в становление эволюционной концепции в биологии сделан Ч. Дарвином. Из множества явлений живой природы он сумел выделить три принципиальных фактора эволюционного развития живого, объединяемых краткой формулой: изменчивость, наследственность, естественный отбор. Эти принципы базируются на следующих выводах из наблюдений над миром живого.

1. В любой популяции всегда наблюдается изменчивость составляющих ее особей. В природе невозможно обнаружить два тождественных организма. Изменчивость является неотъемлемым свойством живого и проявляется постоянно.

Некоторые из этих изменений наследуются потомством.

Обычно рождается значительно большее число организмов, чем доживает до размножения. Причем, выживают и дают большее потомство чаще те особи, которые обладают более благоприятным для борьбы за существование сочетанием индивидуальных унаследованных качеств. Таким
образом природа осуществляет отбор признаков, способствующих приспособлению вида к изменяющимся условиям существования.

Естественный отбор, являющийся результатом борьбы за существование, -- основной фактор эволюции, направляющий эволюционные изменения. Эти изменения становятся заметными после смены многих поколений.

Важное понятие эволюционного учения «борьба за существование» ввел Т. Мальтус, опубликовавший в 1788 г. «Трактат о народонаселении». В нем показана перспектива ничем не сдерживаемого увеличения населения при ограниченности ресурсов. Он показал экспоненциальный характер роста численности населения при свободной реализации репродуктивного потенциала человека. И Мальтус, и Дарвин считали борьбу за существование результатом несоответствия между быстрым ростом популяций и ограниченностью ресурсов.

Современная молекулярная биология установила, что изменчивость проявляется на генетическом, молекулярном уровне в виде так называемых мутаций и происходит непредсказуемо под воздействием внутренних и внешних случайных факторов (генная инженерия привнесла в изменчивость плановое начало.). Мутационный процесс обусловливает разнообразие особей в популяции. Случайный по своей природе, он не может задавать направление эволюции. Фактором, определяющим направленность эволюции, служит естественный отбор. Без естественного отбора случайные мутации постепенно приводили бы к размытию совокупности признаков вида (фенотипа).

Эволюция -- единый процесс. Но в СТЭ различают два ее уровня: микроэволюцию (на популяционно-видовом уровне) и макроэволюцию (на надвидовом уровне). Микроэволюция происходит за относительно недолгое время на ограниченных территориях. Она протекает в популяциях и завершается видообразованием. В макроэволюции же проявляются самые общие закономерности и направление исторического развития как всей совокупности живого, так и отдельных надвидовых групп. В СТЭ признано, что элементарной единицей эволюции является популяция, а не вид (как считалось в классическом эволюционном учении). Микроэволюционные изменения доступны непосредственному наблюдению.

Образование видов происходит двумя путями. Первый -- разделение исходного вида на два и более новых. Второй -- гибридизация, то есть объединение двух разных наборов генов (генотипов) и образование гибрида. Процессы первичного обмена генетической информацией протекают внутри популяций, поэтому в пределах популяции протекают и процессы микроэволюции. Важными факторами микроэволюции являются популяционные волны и изоляция.

Популяционные волны, (или волны жизни) представляют собой колебания численности особей в популяциях под воздействием множества меняющихся условий (климатических условий, урожайности кормов и т.д.). В периоды сильного уменьшения численности популяции резко изменяется концентрация редко встречающихся мутаций и генотипов, что повышает их роль в отборе и эволюции.

Изоляция проявляется в резком ограничении скрещивания особей разных популяций. Эволюционная суть изоляции состоит в разрыве единого генофонда вида на нескольких изолированных. Она усиливает генетические различия изолированных популяций, является обязательным условием эволюционного процесса.

К макроэволюционным закономерностям относятся следующие.

Прогрессивная направленность эволюции в целом, которая проявляется в появлении организмов со все более высоким уровнем организации и большей способностью приспосабливаться. В ходе эволюции образовались организмы разного уровня сложности -- от простейших одноклеточных до млекопитающих. Все эти уровни (не путать с видами!) представлены в живом мире и продолжают эволюционировать. Высший уровень сложности связан с появлением и эволюцией мыслящего живого существа -- человека.

Неравномерность темпов эволюционного процесса определяется сложным сочетанием внутренних факторов и изменяющихся условий окружающей среды. Крупное, качественно новое изменение в строении и функциях (фенотипе) является мощным стимулятором эволюции, рождающим новые формы отбора. Такие изменения могут дать подавляющее преимущество в борьбе за существование и быстро привести к появлению новой группы организмов. Затем темпы эволюции этой группы могут и не оставаться столь же высокими.

Эволюцию живой системы можно рассматривать как самоорганизацию в ней. Самоорганизующаяся система нелинейна: размножение само по себе обеспечило бы нелинейный рост численности. Ограниченный ресурс питания дает конкуренцию, приводящую к естественному отбору - обратной связи между мутацией и ее целесообразностью. Отбор вместе с механизмом наследственности - репликацией (схема «все или ничего») - обусловливает возникновение новых эффективных форм, то есть эволюционное совершенствование.

Эволюционная концепция в биологии успешно прошла испытание временем, воплотилась в теорию эволюции и является фундаментом всех биологических наук.

3. Современные представления о происхождении жизни

Возникновение и эволюция биологических систем -- исходная тема биологии. Вокруг нее концентрируются все другие частнонаучные проблемы и вопросы, а также строятся философские обобщения и выводы.

Отметим, что эволюция жизни предполагает ее истоки, начало. Проблема происхождения жизни является одной из важнейших не только в биологии, но и во всем естествознании и имеет большое мировоззренческое значение, на основе которых решалась данная проблема.

Концепция сверхъестественного (божественного) происхождения живого -- креационизм - основана на вере и поэтому не относится к области науки. Не вдаваясь в подробности, заметим лишь, что в познавательном плане она принципиально бесплодна.

Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества появилась в древности; ее придерживался еще Аристотель.

В XVII в. биолог Ф. Реди противопоставил ей принцип: живое возникает только из живого (так называемый принцип Реди или концепция биогенеза). Уже в XIX в. Л. Пастер окончательно опроверг концепцию самопроизвольного зарождения, показав, что эффект неоднократного появления жизни там, где она не существовала, связан с бактериями. Методика избавления от бактерий получила название пастеризация (по имени своего разработчика).

Концепция стационарного состояния предполагает, что Земля и жизнь на ней существовали всегда, причем в неизменном виде. Эта концепция носит абсолютно умозрительный характер и не согласуется с перечисленными выше свидетельствами эволюционности живого.

В начале XX виде космического происхождения биологических систем на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал русский ученый В.И. Вернадский.

В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического) происхождения жизни под действием естественных причин в результате длительного процесса космической, геологической и химической эволюции -- абиогенез. Абиогенная концепция не исключает возможности существования жизни в космосе и ее космического происхождения на Земле.

Первый этап возникновения живого связан с химической эволюцией. После возникновения Земля представляла собой раскаленный шар. Постепенное остывание планеты способствовало тому, что тяжелые химические элементы перемещались к ее центру, а легкие постепенно скапливались на поверхности. Легкие элементы -- кислород, углерод, азот и водород -- стали взаимодействовать друг с другом, и в ходе дальнейшей химической эволюции появились различные органические соединения. Земная жизнь имеет углеродную основу, чему способствуют особые физические свойства этого химического элемента.

По мере остывания земной поверхности происходило сгущение водяных паров, что впоследствии привело к образованию огромных водоемов. Результатом активной вулканической деятельности на первых этапах эволюции нашей планеты стал выброс на ее поверхность различных карбидов -- соединений углерода с металлами. Карбиды смывались в первичный океан, где вступали во взаимодействие с водой. В результате этих химических реакций образовались различные углеводородные соединения.

Второй этап возникновения живого связан с появлением белковых веществ. Присутствие в водах первичного океана большого числа углеродных соединений привело к возникновению концентрированного «органического бульона», в котором осуществлялся дальнейший процесс синтеза сложных органических молекул -- белков и нуклеиновых кислот -- из достаточно простых углеродных соединений.

Одним из условий для синтеза сложных органических молекул -- биополимеров -- является высокая концентрация исходных веществ. Предполагается, что необходимые условия сложились в результате осаждения простых органических молекул на минеральных частицах, например на шине, первичных водоемов. Кроме того, органические молекулы могли образовывать тонкую пленку на поверхности воды, которая под воздействием ветра и водных потоков сбивалась к берегу, образуя толстые слои.

Еще одним условием для синтеза биополимеров является наличие бескислородной среды, поскольку кислород, будучи сильным окислителем, моментально разрушил бы исходные органические соединения.

Возможность абиогенного синтеза биополимеров -- белковых молекул и азотистых оснований -- была экспериментально доказана в середине XX в. В 1953 г. американский ученый С. Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли и синтезировал жирные кислоты, уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты путем пропускания электрических зарядов через смесь инертных газов. Таким образом было продемонстрировано, как под действием абиогенных факторов возможен синтез сложных органических соединений.

Итак, под воздействием высокой температуры, ионизирующего и ультрафиолетового излучения, атмосферного электричества из простейших органических соединений образовались белки, жиры, углеводы и аминокислоты.

Третий этап возникновения жизни связан с формированием у органических соединений способности к самовоспроизводству. Началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы с постоянной последовательностью нуклеотидов. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции. Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученый М. Эйген. Согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и передают информацию протеинам. Возникает замкнутая цепь -- гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катализаторов. В гиперциклах продукт реакции одновременно выступает и катализатором, и исходным реагентом. Подобные реакции называются автокаталитическими.

Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика. Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизмы возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.

Начало жизни на земле

Начало жизни на Земле -- появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Переход от сложных органических веществ к простым живым организмам пока неясен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней на границе между коацерватами -- сгустками органических веществ -- могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту.

Самое трудное для этой гипотезы -- объяснить способность живых систем к самовоспроизведению, т.е. сам переход от сложных неживых систем к простым живым организмам. Несомненно, в модели происхождения жизни будут включаться новые знания, и они будут все более обоснованными. Но повторимся, что чем более качественно новое отличается от старого, тем труднее объяснить его возникновение. Поэтому здесь и говорят о моделях и гипотезах, а не о теориях.

Так или иначе, следующим шагом в организации живого должно было быть образование мембран, которые отграничивали смеси органических веществ от окружающей среды. С их появлением и получается клетка -- «единица жизни», главное структурное отличие живого от неживого. Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках. Тысячи химических реакций происходят одновременно для того, чтобы клетка могла получить необходимые питательные вещества, синтезировать специальные биомолекулы и удалить отходы. Огромное значение для биологических процессов в клетке имеют ферменты. Они обладают часто высокой слециализированностью и могут влиять только на одну реакцию. Принцип их действия в том, что молекулы других веществ стремятся присоединиться к активным участкам молекулы фермента. Тем самым повышается вероятность их столкновения, а, следовательно, скорость химической реакции.

Синтез белка осуществляется в цитоплазме клетки. Почти а каждой из клеток человека синтезируется свыше 10000 разных белков. Величина клеток -- от микрометра до более 1 м (у нервных клеток, имеющих отростки). Клетки могут быть дифференцированными (нервные, мышечные и т.д.) Большинство из них обладает способностью восстанавливаться, но некоторые, например, нервные -- нет или почти нет.

Клетки без ядра, но имеющие нити ДНК, напоминают нынешние бактерии и сине-зеленые водоросли. Возраст таких самых древних организмов около 3 млрд лет. Их свойства разнообразны: подвижность, питание и способность запасать пищу и энергию, защита от нежелательных воздействий, размножение, раздражимость, приспособление к изменяющимся внешним условиям, способность к росту.

На следующем этапе (приблизительно 2 млрд лет тому назад) в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядром называются простейшими. Их 25--30 тыс. видов. Самые простые из них -- амебы. Инфузории имеют еще и реснички. Ядро простейших окружено двухмембранной оболочкой с порами и содержит хромосомы и нуклеоли. Ископаемые простейшие -- радиолярии и фораминиферы -- основные части осадочных горных пород. Многие простейшие обладают сложным двигательным аппаратом.

Примерно 1 млрд лет тому назад появились первые многоклеточные организмы, и произошел выбор растительного или животного образа жизни. Первый важный результат растительной деятельности -- фотосинтез -- создание органического вещества из углекислоты и воды при использовании солнечной энергии, улавливаемой хлорофиллом. Продукт фотосинтеза-- кислород в атмосфере.

Возникновение и распространение растительности привело к коренному изменению состава атмосферы, первоначально имевшей очень мало свободного кислорода. Растения, ассимилирующие углерод из углекислого газа, создали атмосферу, содержащую свободный кислород -- не только активный химический агент, но и источник озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли.

Веками накапливавшиеся остатки растений образовали в земной коре грандиозные энергетические запасы органических соединений (уголь, торф), а развитие жизни в Мировом океане привело к созданию осадочных горных пород, состоящих из скелетов и других остатков морских организмов.

К важным свойствам живых систем относятся:

Компактность. В 5 х 10~¹⁵ г ДНК, содержащейся в оплодотворенной яйцеклетке кита, заключена информация для подавляющего большинства признаков животного, которое весит 5 х 10⁷ г (масса возрастает на 22 порядка).

Способность создавать порядок из хаотического теплового движения молекул и тем самым противодействовать возрастанию энтропии. Живое потребляет отрицательную энтропию и работает против теплового равновесия, увеличивая, однако, энтропию окружающей среды. Чем более сложно устроено живое вещество, тем более в нем скрытой энергии и энтропии.

3. Обмен с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Живое способно ассимилировать полученные извне вещества, т.е. перестраивать их, уподобляя собственным материальным структурам и за счет этого многократно воспроизводить их.

4. В метаболических функциях большую роль играют петли обратной связи, образующиеся при автокаталитических реакциях.

5. Жизнь качественно превосходит другие формы существования материи в плане многообразия и сложности химических компонентов и динамики протекающих в живом превращений. Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем упорядоченности и асимметрии в пространстве и времени. Структурная компактность и энергетическая экономичность живого -- результат высочайшей упорядоченности на молекулярном уровне.

В самоорганизации неживых систем молекулы просты, а механизмы реакций сложны; в самоорганизации живых систем, напротив, схемы реакций просты, а молекулы сложны.

У живых систем есть прошлое, у неживых его нет. «Целостные структуры атомной физики состоят из определенного числа элементарных ячеек, атомного ядра и электронов и не обнаруживают никакого изменения во времени, разве что испытывают нарушение извне. В случае такого внешнего нарушения они, правда, как-то реагируют на него, но если нарушение было не слишком большим, они по прекращению его снова возвращаются в исходное положение. Но организмы -- не статические образования.

Жизнь организма зависит от двух факторов -- наследственности, определяемой генетическим аппаратом, и изменчивости, зависящей от условий окружающей среды и реакции на них индивида. Интересно, что сейчас жизнь на Земле не могла бы возникнуть из-за кислородной атмосферы и противодействия других организмов. Раз зародившись, жизнь находится в процессе постоянной эволюции.

Способность к избыточному самовоспроизводству. «Прогрессия размножения, столь высокая, что она ведет к борьбе за жизнь и ее последствию -- естественному отбору» (Ч. Дарвин).

Заключение

Итак, данная работа посвящена исследованию вопросов, которыми занимается современная биология.

Говоря о биологии, как науки в целом, необходимо отметить, что «...биологи прежних лет в целом продвигались сверху вниз. Они начинали с целого организма, лотом разнимали его на части и рассматривали отдельные органы и ткани; далее они изучали отдельные клетки под микроскопом -- так мало-помалу они продвигались вниз, от сложного к простому. В свою очередь новая биология начинает с другого конца и продвигается с самого низа вверх. Она начала с простейших компонентов живого организма -- стала изучать отдельные молекулы и их взаимодействие внутри клеток, пренебрегая всем остальным. Теперь пришла пора обратиться к этому остальному и двигаться вверх вдоль иерархии биологической организации». По этому пути и идет современная биология.

Говоря о современной биологии важно подчеркнуть значение такой науки как генетика. В частности генетика это наука, изучающая механизмы наследственности и изменчивости в живой природе.

Генетика свидетельствует: мы несем в себе информацию наших умерших предков, всей природы. Вся природа как бы заключена в нас. Это же говорит и об ответственности, налагаемой на нас природой.

Перед современной генетикой стоят проблемы изучения сочетаний (связок) генов, их динамики (меняются ли признаки или нет), поиска социально обусловленных генов.

Список литературы

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2000 г.

2. Вернандский В.И. Начало и вечность жизни, М., 1989 г.

3. Лобценко С.И. и др. Концепции современного естествознания. Ростов н/Д: «Феникс», 2001 г

4. Рузалин Г.И. Концепция современного естествознания М. 1997г.

5. Стрельник О.Н. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. -- М.: Юрайт-Издат, 2005 г.

6. Самытин СИ., Голубинцев В.О., Любченко B.C., Минасян Л.А. Концепции современного естествознания: экзаменационные ответы. Серия «Сдаем экзамен». Ростов н/Д: «Феникс», 2001 г.