научный базис биологии
Интерес к познанию мира жизни сопровождает человечество на протяжении всей его истории. На заре этой истории интерес к живому окружению отражал практические нужды людей. Желание узнать, следует ли избегать встреч с теми или иными животными и растениями или, наоборот, использовать их в своих целях, объясняет, почему первоначально внимание к живым формам выливалось в попытки их подразделения (классификации) на полезные и опасные, болезнетворные, представляющие пищевую ценность, пригодные для изготовления одежды, орудий труда, жилищ, предметов обихода, удовлетворения эстетических запросов.
Характерная черта человека — его способность сохранять и передавать потомкам опыт наблюдений за природными явлениями, благодаря чему этот опыт со временем преумножается, приводя периодически к качественно новым решениям ресурсных и иных проблем. Дошедшие до нас памятники еще «донаучного» периода истории человечества свидетельствуют об активном отношении людей к происходящему, их тонкой наблюдательности, стремлении к систематизации опыта в целях извлечения наибольшей пользы. На рис. 1.1 представлена печатка с таблицей, которая воспринимается как инструкция по разведению лошадей по результатам оценки фенотипов в ряду поколений. Символы расположены горизонтальными рядами, а головы лошадей по форме относятся к трем разным типам (генеалогический подход или метод родословных современной генетики).
Рис. 1.1. Изображение на печатке: запись о разведении лошадей в Двуречье, 6000 лет назад
На определенной стадии знакомства с живой природой в умах людей, наряду с представлениями о разнообразии организмов, возникает идея единства всего живого, включая людей. Одновременно проясняются роль и истоки разнообразия в живой природе. Возникает понимание
непротиворечивости биологического единообразия и многообразия.
Решающим научным доказательством единства всего живого стала клеточная теория (см. п. 2.1) Т. Шванна и М. Шлейдена (1839). Открытие клеточного принципа строения растительных и животных организмов положило начало плодотворному изучению общих закономерностей, составляющих основу морфологии, физиологии, репродукции и индивидуального развития живых существ.
Открытием фундаментальных законов наследственности биология обязана Г. Менделю, описавшему правила наследования признаков на основе передачи в поколениях дискретных наследственных задатков (1865), Г. де Фризу, К. Корренсу и К. Чермаку, переоткрывшим в 1900 г. и сделавшим достоянием науки правила наследования Г. Менделя, Г. де Фризу, открывшему мутационную изменчивость (1901), основателям популяционной генетики Г. Харди и В. Вайнбергу, сформулировав-
шим закон генетического равновесия в популяциях организмов (1908), Т.Г. Моргану и его научному коллективу, создавшим хромосомную теорию наследственности (1910-1916), Дж. Уотсону, Ф. Крику, М. Вилкин-су и Р. Франклин, открывшим двойную спираль ДНК (1953). Названные законы раскрывают механизм передачи наследственной информации от клетки к клетке, а через клетки — от особи к особи и перераспределения ее в пределах вида в череде поколений, принципы структурно-функциональной организации генетического аппарата. Благодаря этим открытиям становится понятной роль таких биологических явлений, как половое размножение, смена поколений, онтогенез (индивидуальное развитие) и филогенез (историческое развитие).
Заключение о единстве всего живого подтверждают исследования биохимических (обменных, метаболических) и биофизических механизмов жизнедеятельности клеток. Начало этих исследований датируется второй половиной XIX в., однако наиболее весомы достижения молекулярной биологии (вторая половина ХХ в.). Благодаря молекулярно-биологическим исследованиям, уделяющим главное внимание закономерностям хранения, передачи и использования клетками биологической информации, были раскрыты физико-химические основы таких универсальных свойств живого, как наследственность и изменчивость, специфичность биологических макромолекул, структур и функций, закономерное воспроизведение в ряду поколений клеток и организмов определенного типа структурно-функциональной организации.
В контексте идеи единства мира жизни важно то, что живые формы
принципиально одинаковым образом хранят наследственную информацию, передают ее в ряду поколений или используют в своей жизнедеятельности, обеспечивают жизненные процессы энергией и переводят энергию в работу.
Клеточная теория, достижения генетики, биохимии, биофизики и молекулярной биологии обосновывают тезис о единстве органического мира в его современном состоянии. То, что живое на планете едино в историческом плане, обосновывается теорией эволюции (эволюционное учение). Естественно-научные основы теории заложены Ч. Дарвином (1858). Дальнейшее развитие, связанное с достижениями генетики и популяционной биологии, сравнительной эмбриологии и морфологии, палеонтологии, она получила в трудах А.Н. Северцова, Н.И. Вавилова, Р. Фишера, С.С. Четверикова, Ф.Р. Добжанского, Н.В. Тимофеева-Ресовского, С. Райта, И.И. Шмальгаузена, чья научная деятельность
относится к первой половине — середине ХХ в. Эволюционисты рубежа XX-XXI вв. развивают идеи о новых, в том числе «недарвиновских» факторах, механизмах и формах эволюционного процесса.
Эволюционная идея называет пути, способы и механизмы, которые за несколько миллиардов лет привели к наблюдаемому ныне разнообразию живых форм, в одинаковой мере приспособленных к среде обитания и различающихся по уровню структурно-функциональной организации. Другой важный итог эволюционной парадигмы состоит в признании, что живые формы связаны друг с другом общностью происхождения (генетическое родство). Степень родства различается для представителей разных групп, а свое выражение оно находит в преемственности и общности фундаментальных молекулярных, клеточных и системных механизмов развития и жизнедеятельности. Такая преемственность (наследственность) сочетается с изменчивостью, позволяющей осваивать в пространстве и времени новые жизненные условия (экологическая и эволюционная пластичность), достигать высоких уровней структурно-функциональной организации (см. п. 1.4.4).
Восходящие к Ч. Дарвину представления об эволюции, в немалой степени инициированные потребностью объяснить разнообразие живых форм и природу механизмов их смены и нарождения, не касаются вопроса о том, что делает жизнь жизнью во все времена. Их необходимо дополнить с учетом специфической функции живых форм в «экономике» природы как фактора интенсификации и стабилизации земных вещественно-энергетических круговоротов и потоков (см. п. 1.4.3) — планетарная геохимическая роль живого вещества (В.И. Вернадский). В связи со сказанным эволюцию живого (или жизни) следует представлять не только как видообразование, но так же как преобразование биосферы, в ходе которого эволюционируют сообщества (экосистемы, биоценозы), историческая динамика которых обусловлена эволюцией видов. Сближение двух эволюционных парадигм — эволюции видов (таксонов) и эволюции экосистем и биосферы делает вклад эволюционной идеи в обоснование тезиса о единстве мира жизни особенно весомым.
Теория эволюции обращает внимание на условность граней между неживой и живой природой планеты, между живой природой и человеком. В соответствии с геохимической гипотезой происхождения жизни обосновано допущение, что важнейшие атрибуты жизни — самовоспроизведение на базе аутокатализа (матричный синтез), использование высокомолекулярных соединений углерода (нуклеиновые кислоты,
белки), сохранение во времени существующей и наработка новой биологической информации, прогрессивное усложнение структур на основе случайной изменчивости и отбора могли возникнуть на «добиологиче-ском» этапе истории планеты.
Закономерностям эволюции биологических форм не противоречит появление человека — социального и одухотворенного существа, жизнь которого неотделима от принципа клеточной организации структур и функций, молекулярно-биологических, генетических и экологических законов бытия. Эволюционная теория показывает истоки биологических механизмов развития и жизнедеятельности, предпосылки интеллектуальной и трудовой деятельности людей, то есть того, что относится к их биологическому «наследству».
Эволюционная идея в ее современном виде, обосновывая заключение о единстве мира жизни, одновременно обращает внимание на разнообразие групп (рис. 1.2) и вариантов структурно-функциональной организации живых форм. С одной стороны, разнообразие обусловливает высокий эволюционный потенциал жизни, то есть способность, изменяясь в деталях, сохранять себя во времени, несмотря на периодическую радикальную смену абиотических условий (сравни покровные оледенения и межледниковые периоды). С другой стороны, необходимость разнообразия диктуется «инфраструктурой экономики» живой природы, которая в целях реализации феномена биогенной миграции химических элементов должна иметь необходимый набор видов (продуценты, деструкторы, консументы), выполняющих в биогеохимических круговоротах разные функции.
Хотя термин «экология» (греч. oikos — дом, жилище, местообитание) введен в биологический словарь Э. Геккелем во второй половине XIX в., по времени реального рождения экологию следует называть наукой XX в. По перспективам и силе влияния на умы и действия людей в ней также должно видеть одну из лидирующих научно-практических парадигм XXI в., причем настолько, что допустимо говорить о формировании экологического стиля мышления. Центральное положение в экологической науке занимают близкие по сути концепции биогеоценоза (В.Н. Сукачев) и экологической системы (А. Тенсли), датируемые первой половиной ХХ в. Обе концепции характеризуют глобальный принцип существования живых форм — только в составе сообществ в закономерном взаимодействии друг с другом. Сосуществование в таких сообществах представляет собой способ включения организмов в естественные вещественно-энергетические (биогеохимические) кру-
Рис. 1.2. Филогенетические отношения основных групп ядерных эукариотиче-ских организмов — растений, грибов, животных и предъядерных организмов — прокариот. Пунктиром обозначено предполагаемое положение групп
говороты, результатом чего становится интенсификация и стабилизация последних. Для достижения этого результата, однако, необходимо, чтобы сообщество включало продуцентов, возможно, консументов и редуцентов (биоценоз) и находилось во взаимосвязи с элементами атмосферы, гидросферы и литосферы (биогеоценоз).
Крупнейшим обобщением, обозначающим главные тенденции развития биологической науки в условиях присутствия на Земле продвигающегося в интеллектуально-экономическом отношении человеческого общества, является учение о биосфере (термин введен Э. Зюссом в 1875 г. для обозначения живой оболочки Земли), закономерно эволюционирующей в ноосферу (термин введен Э. Леруа в 1927 г. для обозначения оболочки Земли, отмеченной присутствием человеческого общества со всеми атрибутами разумной деятельности). Свой вклад в разработку концепции биосферы на «досапиентной», то есть до появления Я. sapiens, и «сапиентной» стадиях ее существования внес В.И. Вернадский, который обосновал планетарную роль живого вещества (биосферы) через его участие в вещественно-энергетических круговоротах. Охарактеризовав человечество как самостоятельную геологическую силу, он назвал направления и возможные последствия преобразующей деятельности людей.