Предмет биологии ее этапы развития

Современное естествознание, как мы уже говорили, представляет собой совокупность наук, которые тесно связаны между собой и отражают единый, гармоничный мир природы. А поскольку этот мир не только един, но и многообразен, каждая из естественных наук имеет свой объект, изучает то или иное его проявление. Одной из таких наук наряду с физикой и химией является биология, изучающая живую материю. Именно через биологическую проблематику естествознание наиболее близко подходит к объектам социально-гуманитарных наук и в ряде случаев, как это имеет место при изучении проблем биоэтики, сливается с ними. 7.1. Предмет биологии. Ее структура и этапы развития Исходя из особого направления интересов биологической науки, ее обычно определяют, как науку о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Однако это определение приобретает смысл лишь в том случае, если мы имеем сложившееся представление о том, что такое «жизнь». Но поскольку жизнь не поддается простому определению, ее признаки будут рассмотрены отдельно, в следующем параграфе данной главы. Здесь же отметим, что жизнь была и остается одной из тайн природы, которая до конца так еще и не раскрыта, в связи с чем острые споры о ее происхождении и сущности продолжаются до сих пор. Современная биология — результат длительного развития этой науки. Интерес к познанию живого у человека возник очень давно. Этот интерес был связан не столько с любознательностью, сколько с необходимостью удовлетворения самых простых человеческих потребностей в пище, лекарствах, одежде, жилье и т.п. Первоначально люди оценивали феномен жизни как одно из великих чудес света, сотворенного всеведущим и всемогущим Бо- гом, замыслы и дела которого недоступны человеческому разуму. Догма о сотворении мира божественной волей является одной из исходных в системе догматов иудейской, христианской, исламской и ряда других религиозных систем. Однако уже в первых древних цивилизованных обществах появились любознательные люди, которые не удовлетворялись этими догмами. Они попытались исследовать живые организмы более тщательно, чем это делалось в священных текстах, стали составлять перечни растений и животных, населяющих различные регионы, классифицировать их. И хотя эти перечни нередко были наивными, именно они положили начало научным биологическим исследованиям. Одним из зачинателей биологии в древнем мире был выдающий греческий философ и ученый Аристотель, впервые подробно описавший многие виды животных и высказавший мысль, что существующие растения и животные есть результат развития от простых форм к более сложным и совершенным. Но самостоятельной наукой биология стала лишь в XVIII— XIX вв. В процессе ее становления обычно выделяют три основных этапа: традиционный (К. Линней), эволюционный (Ч. Дарвин), молекулярно-генетический (Г. Мендель). Каждый из них связан не только с увеличением объема биологических знаний, но и с изменением общих представлений о мире живого, самих основ биологического мышления, или, говоря иначе, со сменой биологических парадигм. В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе. Структуру этого комплекса можно рассматривать с разных точек зрения. По общему направлению исследований биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию. По изучаемым свойствам живого в биологической науке выделяются: морфология — наука о строении живых организмов; молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток; экология, рассматривающая образ жизни растений и животных в их взаимосвязи с окружающей средой; генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости. По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются: анатомия, изучающая макроскопическое строение животных; гистология, изучающая строение отдельных тканей; цитология, исследующая строение живых клеток; бактериология и вирусология, изучающие соответствующие живые организмы; молекулярная био- логия, исследующая живые организмы не только на молекулярном, но и на более глубоком, атомарном уровне. Эта многоплановость комплекса биологических наук обусловлена чрезвычайным многообразием живого мира. К настоящему времени биологами обнаружено и описано более одного миллиона видов животных и около полумиллиона растений. Но поскольку мир растений и животных исследован далеко не полностью, количество неописанных видов оценивается по меньшей мере еще в один миллион. Кроме того, существует великое множество видов микроорганизмов: вирусов и бактерий. Важнейшим инструментом познания этого мира служит категория «живого», являющаяся ключевой, исходной для всей многообразной системы биологических наук. Значение этой категории возрастает по мере того, как биология проникает все глубже в сущность живого, исследуя жизнь на молекулярном уровне. В этих условиях становится все очевиднее как глубокое единство живой и неживой природы, так и качественное своеобразие, специфика живого. Так что же такое жизнь, живая природа? 7.2. Сущность живого, его основные признаки Интуитивно мы понимаем, что есть живое и что есть мертвое. Но при попытке определить сущность живого возникают определенные трудности. Эти трудности подметил уже французский философ-просветитель Дени Дидро. «Я могу понять, — писал он, — что такое агрегат, ткань, состоящая из крохотных чувствительных телец, но живой организм!.. Но целое, система, представляющая собой единый организм, индивидуум, сознающий себя как единое целое, выше моего понимания! Не понимаю, не могу понять, что это такое!» Вероятно, именно с этими трудностями связано существование в биологической литературе множества не вполне удачных и совсем неудачных определений этого понятия. Так, один из авторов предлагает следующее, довольно странное определение: «Живой организм — это тело, слагаемое из живых объектов; неживое тело — слагаемое из неживых объектов». Несостоятельность данной дефиниции связана с ошибкой, именуемой в логике «кругом в определении», т.е. с неудачной попыткой определить «неизвестное через непонятное». Не вполне приемлемым является и определение жизни, данное в свое время немецким философом Ф. Энгельсом, который определял жизнь как способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой. Уязвимость этого определения связана с тем, что в нем не соблюдается другое требование логики, требующее использования в определении лишь такого признака или их совокупности, которые свойственны только данному понятию и отсутствуют у других понятий. Простой пример показывает, что состоять из белков и обмениваться веществами с окружающей средой могут и мертвые объекты. Так, живая мышь и горящая свеча с физико-химической точки зрения одинаково имеют в своем составе белки и находятся в одинаковом состоянии обмена веществ, равно потребляя кислород и выделяя углекислый газ. Но в одном случае этот сходный процесс обмена веществ происходит в результате свойственного живым организмам процесса дыхания, а в другом — в результате процесса горения. Таким образом, оказывается, что обмен веществ является хотя и необходимым, но недостаточным критерием для определения жизни, так же, как и наличие белков. Учитывая этот негативный опыт, современная биология, в соответствии с логическими правилами определения понятий, следует по пути перечисления всех необходимых и существенных признаков живых организмов, которые отличают их от неживых объектов. При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойств дает представление о специфике жизни. К числу необходимых и существенных свойств живого относят следующие. Живые организмы являются высокоорганизованными структурами. Уровень их организованности значительно выше, чем тот, который достигнут неживыми системами. Это своего рода острова упорядоченности в окружающем их океане беспорядка. Высшим проявлением этого важнейшего свойства всего живого является человек и созданный им социальный, общественный организм, наиболее ярким выражением упорядоченности которого являются выработанные людьми общечеловеческие нормы нравственности. Но для того чтобы поддержать достигнутый уровень упорядоченности, живые системы могут существовать только как неравновесные и незамкнутые, открытые. Они должны постоянно взаимодействовать с окружающей их неживой средой, заимствуя у нее вещества, энергию и перерабатывая их в необходимые для поддержания жизни формы. Для осуществления этого обмена живые организмы прямо или косвенно используют солнечную энергию. Основную роль в осуществлении обмена веществ, или метаболизма, в живых организмах играют белковые соединения, замечательным свойством которых является их высокий химизм, т.е. способность к активному взаимодействию с другими веществами. Глубокое осознание неразрывной связи живого с окружающей природной средой является необходимой предпосылкой решения современной цивилизацией возникших перед ней острых экологических проблем. Живые организмы в отличие от неживых в процессе своего развития быстро усложняются. Это свойство к усложнению и дальнейшему совершенствованию проявляется не только на уровне развития всего мира живого и составляющих его групп, т.е. в филогенезе, но и в процессе развития каждого отдельного организма, т.е. в онтогенезе, Так, у растения или животного в ходе его индивидуального развития появляются новые ветви или новые органы, отличающиеся не только по своей форме, но и по своему химическому составу от породивших их структур. Причем формы развития на этих двух уровнях как бы повторяют друг друга; как говорят биологи, «онтогенез повторяет филогенез». Развитие человеческого эмбриона (онтогенез), например, как бы воспроизводит в миниатюре всю историю эволюции человеческого рода (филогенез). Еще одним уникальным признаком живого является его способность к самовоспроизведению, размножению. Эта способность живых организмов оценивается как самое существенное их свойство. На химическом уровне этот признак живого связан с особыми свойствами самовоспроизведения, копирования, которыми обладают входящие в состав всех живых организмов наряду с белками нуклеиновые кислоты. Именно эти химические структуры обеспечивают способность живых организмов передавать потомкам информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Данная информация содержится в образуемых из нуклеиновых кислот генах — мельчайших единицах наследственности, локализованных во внутриклеточных структурах. Именно генетический материал определяет целенаправленное, упорядоченное развитие организма. Вот почему потомки оказываются похожими на родителей. Однако в процессе передачи информации потомству ее со- держание не остается неизменным, оно подвергается разного рода случайным воздействиям, изменяется, перестраивается, искажается, или, как говорят биологи, мутирует. Под влиянием мутаций потомки оказываются не только похожими на родителей, но и отличаются от них, чем и обеспечивается развитие видов. Обобщая и несколько упрощая все изложенное о специфике живого, можно свести его отличительные признаки к трем главным: метаболизм, или обмен веществ; способность к передаче наследственной информации и самовоспроизведению; изменчивость под воздействием мутаций, или мутабильность. На базе этих основных признаков может быть сформулировано следующее краткое определение сущности живого. Жизнь — есть форма существования высокоорганизованных неравновесных, открытых систем, в структуре которых решающую роль играют белки и нуклеотиды; эти системы способны к обмену веществ, самовоспроизведению путем передачи наследственной информации и изменчивости на основе мутаций. Приведенное определение жизни в настоящее время является общепринятым среди биологов1. Вместе с тем следует отметить, что в последнее время появились и некоторые иные, новейшие формулировки сущности жизни, которые активно обсуждаются учеными. Одно из таких определений предложил известный американский физик Фрэнк Типлер в своей сенсационной книге «Физика бессмертия» (1995). «Мы не хотим, — пишет он, — привязывать определение жизни к молекуле нуклеиновой кислоты, потому что можно вообразить себе существование жизни, которая к этому определению не подходит. Если к нам в космический корабль явится внеземное существо, химическую основу которого составляет не нуклеиновая кислота, то нам все равно захочется признать его живым». И это произойдет, по мнению Типлера, потому, что жизнь представляет собой лишь информацию особого рода, которая может существовать сама по себе, независимо от тех или иных ее химических носителей. «Я, — заключает американский ученый, — определяю жизнь как некую закодированную информацию, которая сохраняется естественным отбором». Однако шок в научном мире вызвало не столько это определение, сколько защищаемое Типлером положение о существовании бога в качестве источника этой информации и о возможно- сти воскрешения мертвых и вечной жизни всех людей, коль скоро эта жизнь сводится к чистой информации. Именно эти утверждения американского физика бьши оценены многими учеными как «удар по репутации науки», которая традиционно не связывает себя ни с категорией бога, ни с другими догматами церкви1. Дискуссионным является до сих пор не только вопрос о сущности жизни, но и теснейшим образом связанная с ним проблема происхождения живого, его зарождения и развития. 7.3. Происхождение жизни Для более полного понимания любого явления необходимо рассмотреть его не только в статике, с точки зрения основных признаков, но и в динамике — в плане возникновения и развития. Дополняя и уточняя друг друга, эти два подхода помогают составить более глубокое представление о сущности предметов и явлений окружающей нас действительности. Это относится и к познанию феномена жизни. В современной культуре существуют две главных концепции происхождения живых существ: религиозная, креационистская, и научная, эволюционистская. Несмотря на претензии на непогрешимость, которые пытается предъявить каждая из этих концепций, с научной точки зрения они обе носят лишь вероятностный, гипотетический характер. Креационистская (от лат. creatio — сотворение) теория, если изложить ее содержание, не опираясь на те или иные религиозные догмы, представляет собой основанное на вере религиозное учение о чудесном сотворении мира, в том числе и жизни, богом из ничего, из пустоты. Наиболее последовательно это учение представлено в монотеистических религиях — иудаизме, христианстве, исламе. Креационизм утверждает постоянство, неизменность видов живых организмов, сотворенных богом в результате единовременного акта. Так, в Библии акт творения, якобы продолжавшийся всего шесть дней, изображается следующим образом. 1-й день: Бог создал небо и землю, а также свет и воду, т.е. материал, который стал началом единой Вселенной. 2-й день: Бог создал небо, которое разделило воды верхние и нижние. 3-й день: Бог указал воде место, куда течь, чтобы обнажилась суша. Затем он покрыл сушу травами и деревьями. 4-й день: Бог создал солнце, луну и звезды. 5-й день: Бог создал «пресмыкающихся, душу живую» в воде. 6-й день: бог создал и «зверей земных по роду их», и человека «по образу Своему, по образу Божию»1. Таким образом, согласно библейскому тексту, для создания всего живого Богу хватило нескольких дней. Эволюционистская концепция — представляет собой научную теорию, основанную на человеческом разуме; она связывает возникновение жизни с длительным процессом универсальной эволюции природы, взаимодействий порядка и хаоса и ее самоорганизации, упорядочения на определенном этапе. Эволюционизм является результатом тщательных экспериментальных и теоретических исследований и весьма детально разработан современным естествознанием. И по своему содержанию, и по используемым методам эти концепции практически противоположны. Однако в современных условиях усиления взаимной терпимости религии и науки наметилось некоторое их сближение. Некоторые современные ученые, как уже говорилось выше, размышляя о целях универсальной, в том числе и биологической, эволюции Вселенной, порой используют категорию Высшего Разума, близкую, по сути к понятию бога. Что же касается теологов, то они внимательно анализируют новейшие достижения естествознания, правда, главным образом для того, чтобы подвергнуть их жесткой критике с позиций креационизма2. Эволюционная теория сегодня ищет новые аргументы для своего подтверждения в достижениях всей совокупности естественных наук. В частности, для ее дальнейшего обоснования используется теория самоорганизации, созданная во второй половине прошлого века русским ученым, специалистом в области физической химии, лауреатом Нобелевской премии И. Р. Пригожиным. Согласно его идеям, положившим начало новой науке о самоорганизации систем — синергетике, наша Вселенная явилась . результатом длительного процесса саморазвития, самоорганизации. Основными характеристиками этого процесса, по мнению Пригожина, являются как постепенное, плавное развитие, так и его перерывы в виде взрывов, революций и катастроф, ведущих к качественным сдвигам в развитии материи. В этих процессах велика роль и закономерности, и случайности1. В свете фундаментальной естественно-научной теории самоорганизации дарвиновская теория биологической эволюции предстала как частный случай, как момент, или этап, в универсальной эволюции Вселенной. Решающим моментом в истории Земли, образовавшейся около 6 млрд лет тому назад в составе Солнечной системы, а затем и в истории развития жизни на ней, было появление атмосферы. В ее составе кроме водорода появились также азот, углерод и кислород. Атмосфера молодой Земли постоянно подвергалась мощным воздействиям непрерывных изменений высоких температур, давления, радиации. Результатом этих процессов стали химические реакции, приведшие к появлению первых молекул органического вещества. Дальнейшее взаимодействие органических веществ привело к образованию основных химических компонентов живого: нуклеотидов и белков. Нуклеотиды первыми среди органических веществ в процессе их самоорганизации приобрели способность самовоспроизведения, самокопирования, а белки обнаружили свойство высокой химической активности и способность на этой основе создавать самые различные структуры с разнообразными функциями. Поэтому именно из этих двух органических веществ — нуклеотидов и белков — и возникли на Земле около 5 млрд лет тому назад первые простейшие живые организмы, способные передавать наследственную информацию и осуществлять обмен веществ. Именно на этом этапе завершился продолжавшийся многие миллиарды лет процесс добиологической эволюции и начался качественно новый, гораздо более динамичный период биологической эволюции. Этот знаменательный момент перехода от неживого к живому, от сложных органических веществ к простейшим живым организмам в истории универсальной эволюции до сих пор остается «белым пятном» в естествознании. Биологи пока не пришли к единому мнению о деталях данного процесса. Цен- тральной неисследованной проблемой происхождения жизни является научное воспроизведение возникновения механизма наследственности. Оценивая сложившуюся ситуацию, английский биолог, лауреат Нобелевской премии Фрэнсис Крик признает: «Мы не видим пути от первичного бульона до естественного отбора. Можно прийти к выводу, что происхождение жизни — чудо, но это свидетельствует только о нашем незнании». Так или иначе, но возникновение на основе молекулярных трансформаций первых живых существ стало величайшей революцией в развитии природы, которая положила начало качественно новому процессу — конкуренции между живыми организмами, который и был впервые описан Ч. Дарвиным, создавшим теорию биологической эволюции. Содержанию этой теории, и сегодня сохраняющей свое значение важнейшего обобщения в биологической науке, будет посвящен один из последующих разделов данной главы. Конечно, со времен Дарвина естествознание ушло далеко вперед; процесс возникновения и развития жизни описывается сегодня не только с помощью дарвиновской теории, но и на основе теории самоорганизации, созданной И. При-гожиным, которая раскрывает на атомно-молекулярном уровне механизмы добио-логической эволюции, создавшей физико-химические предпосылки возникновения живого. Совмещение дарвиновской теории эволюции с новейшей теорией самоорганизации, а также с открытиями современной генетики и создание на этой основе универсальной теории эволюции природы является одним из крупнейших достижений современного естествознания. Причем отметим, универсальная теория эволюции обосновывается наукой не только теоретически, но также и экспериментально, проведением множества физических, химических и биологических опытов в различных научных центрах многих стран, в том числе и в России. Большой вклад в исследование проблем перехода от сложных органических веществ к простым формам жизни внес выдающийся русский биохимик академик А. И. Опарин. Его экспе- риментами убедительно подтвержден вышеописанный процесс универсальной эволюции, результатом которой и стало возникновение жизни на Земле. Отметим, что рассмотренные выше концепции происхождения жизни — религиозная и научная — продолжают сохранять свое влияние. Это связано с тем, что существуют они как бы в разных измерениях, в разных сферах духовной жизни. Креационистская концепция, основанная на вере, признает в качестве истин положения, которым нет доказательств в научном смысле. В результате она оказывается за рамками научного исследования. Религия и наука — эти две сферы человеческого постижения действительности — изначально по своим методам исключают друг друга. Для ученого истина всегда содержит элемент гипотезы, предварительности, но для верующего теологическая истина абсолютна. Кроме указанных концепций происхождения жизни на Земле существуют и некоторые другие. Одной из них, пользующейся особой популярностью у писателей-фантастов, а также у уфологов, является концепция панспермии, или внеземного происхождения жизни. Эта концепция исходит из представления о возможности переноса живых организмов с одного космического тела на другое. Согласно панспермии, рассеянные в мировом пространстве зародыши жизни переносятся с метеоритами или перемещаются сами по себе под давлением светового излучения; подобным образом появилась будто бы и жизнь на Земле, ее источником стали занесенные из космоса споры микроорганизмов. По сути эта теория не дает объяснения рассматриваемой проблеме, а лишь переносит ее в какое-то другое место Вселенной.