Реферат
«Концепции и принципы биологического естествознания»
1. Объекты биологического познания и структура биологических наук
Исторически биология развивалась как описательная (феноменологическая) наука о многообразных формах, видах и взаимосвязях растительного и животного мира. Это позволяет в начале XXI века определить ее как совокупность наук о живой природе, многообразии существовавших и существующих живых организмов, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает закономерности, возникающие в живых системах во всех их проявлениях (метаболизм или обмен веществ, наследственность, изменчивость, рост, раздражимость, подвижность, приспособляемость и др.).
В биологии, как ни в какой другой науке, важнейшую роль играли и играют методы анализа, систематизации и классификации эмпирического материала, заложенные впервые Аристотелем, затем продолженные К. Линнеем (1707-1778 гг.), Ж. Бюффоном (1707-1788 гг.), Ж. Ламарком (1744-1829 гг.), Э. Сент-Илером (1772-1844 гг.) и великим Ч. Дарвином (1809-1882 гг.). Структуру биологии как науки, как обширной совокупности наук сегодняшнего дня, можно рассматривать с нескольких точек зрения классификации и систематизации: по объектам, по свойствам, по уровням организации живого, выделять в ней основные этапы и биологические парадигмы.
По объектам исследования биологию подразделяют на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию.
По свойствам, проявлениям живого допускается следующая классификация биологических наук: морфология — наука о строении живых организмов; физиология — наука о функционировании организмов; молекулярная биология — наука о микроструктуре живых тканей и клеток; биоэкология — наука об образе жизни сообществ растительного и животного мира, их взаимосвязях с окружающей средой; генетика — наука о наследственности и изменчивости.
По уровню организации живых организмов выделяют: анатомию - науку о макроскопическом строении животных и человека; гистологию — науку о строении тканей; цитологию — науку о строении живых клеток.
Исторически в биологии свершились три этапа: 1-й — систематики (К. Линней); II-й — эволюционный (Ч. Дарвин); III-й — биологии микромира (Т. Мендель, 1822-1884 гг.), каждый из которых порождал соответствующую биологическую парадигму (научно-исследовательскую программу).
Выявленные в ходе изучения живого масштабы позволяют дать следующую иерархию (структуру) уровней организации живых систем, в которой отражены их сложность и закономерности функционирования:
ü Биосферный — рассматривающий целостность всех живых организмов и окружающей среды, порождающий глобальную экологию планеты.
ü Уровень биогеоценозов — структурный уровень единства флоры и фауны (биоценоза) с населяемой географической областью планеты.
Данное определение биогеоценоза предложил выдающийся советский биолог В. Н. Сукачев; употребляется как синоним экосистемы)
ü Популяционно-видовой уровень — образующийся свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида.
ü Организменный или органо-тканевый уровень — все об отдельных особях: строение; физиология; поведение; функции органов и тканей.
ü Клеточный и субклеточный уровни — отражающие особенности функционирования и специализацию клеток, внутриклеточных особенностей.
ü Молекулярный уровень, на котором решаются проблемы генетики, генной инженерии и биотехнологий.
Не имея возможности осветить все аспекты биологических структур и концепций, остановимся лишь на особо значимых.
2. Гипотезы возникновения жизни и генетического кода
Первыми поставили как научную проблему и выдвинули гипотезу абиогенного синтеза органических соединений в условиях первобытной Земли русский биохимик А. И. Опарин (1894-1980 гг.), английский физиолог Дж. Холдейн (1860-1936 гг.) и английский физик Дж. Верная (1901-1971 гг.). Сложность проблемы самой жизни, непонимание многих факторов и явлений, имеющих место на уровне клеток и организмов (возникновение матричного механизма, универсальность генетического кода при отсутствии универсальности белков, особенности структуры ДНК и др.)» заставила многих ученых зачастую обращаться к фантастическим гипотезам и теориям происхождения жизни. Так возникли гипотезы типа: жизнь создана Богом; занесена на Землю из космоса; внеземное послание других цивилизаций; генетический код как реликт, попавший на Землю от живых систем предыдущего цикла Вселенной, и т. д.
В проблеме происхождения жизни есть трудно разрываемая круговая проблема; для саморепродукции нуклеиновых кислот — основы генетического кода (будем считать этот факт хорошо известным каждому) — необходимы ферментные белки, а для синтеза белков — нуклеиновые кислоты; вот круг и замкнулся. Что первично: белки или нуклеиновые кислоты, «курица или яйцо»? Все существующие концепции происхождения жизни разделяются на две — голобиоз и генобиоз. Голобиоз основывается на первичности структур типа клеток, способных к элементарному обмену. Это концепция Опарина и его последователей. Генобиоз, напротив, первичными признает системы со свойствами генетического кода. Это концепция Дж. Холдейна, гипотеза так называемого «голого гена». Проблема противостояния концепций сводится к вопросу первичности или старшинства — генетической репродукции перед метаболизмом или, наоборот, метаболизма перед генетической репродукцией. Но как бы ни разрешилась эта проблема в будущем, сейчас надо принимать во внимание твердо установленные факты: диссимметрию или хиральность нуклеиновых кислот ДНК и РНК как фундаментальный признак живой материи, первичность молекулы РНК (сейчас уже под глубоким вопросом), наличия у нее автокаталитической способности, совмещения в ней черт фенотипа и генотипа. Но поиск ответов на вопрос надо вести и в других направлениях, особо принимая во внимание, что хиральность и первичность РНК не могли возникнуть в ходе длительной эволюции, а, скорее всего, возникли скачком, сразу, вдруг, за конечное время, в считанные годы, месяцы, сутки или, может быть, даже часы!
Одна из последних гипотез, переросшая к началу XXI века в теорию о происхождении жизни, основана на идее Н. К. Кольцова о матричном синтезе протоклеток и их структурных элементов на кристаллах апатита. Предложена она была четверть века тому назад владивостокскими учеными биологом Э. Я. Костецким и геологом В. В. Чернобровкиным. Они обратили внимание на следующие эмпирические факты: присутствие минерала апатита в живых системах в составе зубов и костей, наличие сходства периодичности в 3,4 А0 (1 А0 = 10-8 см, величина примерно равная размерам атома, получившая название ангстрем в честь шведского физика Ангстрема) в элементарной ячейке апатита и двойной спирали ДНК. Это дало основание выдвинуть гипотезу и затем построить теорию абиогенного синтеза нуклеиновых кислот, белков, нуклеопротеидов и полисахаридов ни матрице апатита как основном источнике неорганического фосфата.
Гипотеза Костецкого и Чернобровкина учитывает также тот фундаментальный факт, что все клеточные элементы и целые организмы являются жидкокристаллическими гомеостатическими структурами. Исходя из сказанного, можно вести речь о реальных механизмах возникновения жизни, основываясь на твердофазных эффектах в минеральных и жидких кристаллах. Участие минералов в процессе возникновения жизни делает его закономерным, а время процесса весьма кратким (за конечное время, но никак не за многие миллионы или миллиарды лет). В клетках, какими мы их знаем сегодня, все элементы системы так тесно связаны друг с другом, самоорганизованы, что отсутствие даже одного из них, нарушает работу всей системы.
Первичные пробионты, по-видимому, должны были представлять собой хорошо упорядоченные образования. Возникает вопрос: а не были ли предшественники первичных протоклеток органическими кристаллами? Ведь кристаллы - это образования, способные к самосборке (о самосборке в живых организмах говорил и академик Николай Семенов), кроме того, в них имеется некоторая характерная периодичность, нарушаемая дефектами. Последние (дефекты) делают кристаллы потенциально высоко информационными, поскольку могут приводить к образованию множества стабильных альтернативных конфигураций, что является необходимым условием для хранения информации. Кстати, американский физик Ф. Типлер как-то заявил: «Я определяю жизнь как некую закодированную информацию, которая сохраняется естественным отбором». Предполагаемый механизм синтеза первичных пробионтов, а кроме того, и их компонентов, также объясняет теория Э. Костецкого. Рассмотрим этот механизм.
Как мы уже отмечали ранее, возраст Земли (4,6 млрд. лет) почти не отличается от возраста живых систем и оценивается в 4,2-4,0 млрд. лет. При этом считается, что эукариотические (т. е. клетки с ядром) и прокариотические (т. е. клетки без ядра) клетки имеют близкий возраст. Время возникновения жизни совпадает с прогрессивным метаморфозом базальтовой коры, формированием гранитной оболочки и уходом плотной первичной атмосферы. Поверхность Земли тогда была нагрета до 600-700°С, а из недр Земли шло активное выделение элементов восстановительной газовой фазы в виде свободных радикалов. В этот момент из остаточного магматического расплава шло формирование пегматитов (апатит, кальцит, слюда, кварц, полевой шпат и др.). Апатит обычно сокристаллизуется с этими минералами. Его решетка в этот период достаточно подвижна, в кристалле происходит диффузное замещение элементов решетки свободными радикалами элементов газовой фазы, чему способствуют атомные радиусы основных элементов решетки апатита, превосходящие размеры атомов газовой фазы в 3-5 раз. В явлениях диффузного замещения ключевая роль принадлежит температуре, космическим, ядерным и ультрафиолетовым излучениям, действующим на кристалл сверху, и полю напряжений, создаваемому газовой фазовой, действующему на кристалл снизу.
Все эти факторы ослабляют кристаллическую решетку и усиливают миграцию ее элементов и облегчают проникновение внутрь кристалла малых атомов газовой фазы. Синтез, по-видимому, происходил при температурах около 200°С в безводной среде. В силу того, что в одной элементарной ячейке апатита есть несколько каналов проникновения газовых частиц, одновременно могло синтезироваться несколько органических молекул и между ними могли возникать взаимодействия. Нельзя исключать того, что вокруг одной ячейки могли синтезироваться сразу несколько, вплоть до 6 пар, цепей ДНК с белком, т. е. мог реализовываться вариант появления в одной протоклетке разного числа хромосом. В ходе однонаправленного синтеза (снизу-вверх), возникающий органоминеральный комплекс будущей пробиотической системы получает в наследство от минерального кристалла все его естественные параметры, определяющие и составляющие диффузный процесс в кристалле, а именно: воздействие сложнейшей и одновременной системы квантов света, электронов, протонов, ядерных излучений, рН, тепла и пр., т. е. основы будущего метаболизма и гомеостаза в клетке. Шла, как это можно образно отметить, естественная тренировка будущей клетки.
Гомеостаз позволял избежать высокой дефективности в решетке, а значит и в будущей пробиотической системе, после ее перехода из кристаллического состояния в жидкокристаллическое. Структурные элементы будущих протоклеток полностью повторяют особенности кристаллической решетки, ее дефекты, изоморфизм, наличие включения других минералов. Так, предполагается, что бездефектные области решетки апатита соответствуют неинформативной части ДНК (в основном сателитной, баластной) — вот естественное объяснение известного факта; дефектная же область соответствует информативной зоне ДНК. Места повышенной дефективности и сокристаллизации в апатите (см. выше) предпочтительны для формирования матричного механизма будущих протоклеток, которое, в отдельных случаях, не порождает двойной спирали ДНК, но и не запрещает формирование цепей РНК (считается, что они возникли первыми), нуклеотидных фрагментов типа АТФ, белков, так или иначе связанных с КНК или с их фрагментами (будущих ферментов).
Предложенный Э. Костецким механизм формирования органоминеральных комплексов будущих протоклеток позволяет ответить на некоторые непростые вопросы, стоящие в проблеме возникновения жизни. Например, сами по себе отпадают вопросы:
ü О синтезе биополимеров в воде.
ü О создании упорядоченной живой системе, действующей против законов термодинамики, особенно против ее второго начала, — часть энергии отдается вовне за счет смены типов связей в решетке и замены решетки на жидкокристаллическую.
ü О возникновении структурной асимметрии (хиральности) биомолекул.
ü О возникновении матричного механизма синтеза пробионтов.
ü О возникновении универсального генетического кода (из-за синтеза на единой матрице апатита), при отсутствии универсальности в строении других структур из-за сокристаллизации с другими минералами и их различной дефективностью.
ü Об особенностях структуры ДНК эукариот (сателитность, умеренная повторяемость, уникальность) из-за особенностей решетки апатита, и не позволяющей живым системам избавляться в течение миллиардов лет от балластной ДНК, в силу необходимости поддержания гомеостатического состояния возникших на кристалле живых систем, и некоторые другие, не менее важные вопросы об особенностях происхождения жизни.
Движущей силой дальнейшей эволюции проток леток, по-видимому, были, прежде всего, такие изменяющиеся факторы внешней среды Земли, как рН, температура и, в связи с этим, качество энергии (ее слабовыраженная энтропийность, роль которой мы от