3. Основные концепции современной биологии

Концепция - это взаимосвязанная группа понятий, гипотез, теорий, объясняющих какое-нибудь фундаментальное явление или свойство природы. Основные биологические концепции объясняют феномен и свойства жизни.

1. Концепция системной многоуровневой организации жизни: все живые объекты являются системами разного уровня сложности, они образуют непрерывную иерархию уровней структурно-функциональной организации.

2. Концепция материальной сущности жизни: жизнь материальна, ее физико-химическую основу составляет обмен веществ и энергии. В философском смысле это означает первичность материи и вторичность сознания (материализм).

Материя – совокупность вещества и поля. Вещество обладает массой покоя, а поле – нет. Живая материя представляет собой особо сложное вещество и сложное многофакторное поле. Именно уровень сложности делает материю живой, хотя внутри нее действуют простые физические и химические законы.

3. Концепция биологической информации и самовоспроизведения жизни: живые организмы воспроизводятся на основе собственной (генетической) информации при взаимодействии с внешней (эпигенетической) информацией. Результатом этого взаимодействия является индивидуальное развитие организмов (онтогенез).

4. Концепция саморегуляции живых систем: живые системы поддерживают относительное постоянство своих внутренних связей и условий функционирования (гомеостаз) на основе сочетания прямых положительных и обратных отрицательных связей.

5. Концепция самоорганизации и биологической эволюции: живой мир возник в результате самоорганизации из неживых химических систем и претерпевает необратимое историческое развитие (филогенез) на основе наследственной изменчивости и естественного отбора организмов, наиболее приспособленных к меняющимся условиям среды.

4. Основные направления современных биологических исследований

В современной биологии существуют три – четыре фундаментальных проблемы, решение которых может привести к революции в естествознании и в жизни человечества в целом. Это происхождение жизни, эволюция живых организмов, взаимоотношения биосферы и человечества, здоровье человека и, возможно, некоторые другие. Несмотря на огромный объем знаний о молекулярных и генетических механизмах жизни, мы не можем полно ответить ни на один из поставленных вопросов. Наоборот, чем больше мы узнаем о жизни, тем больше возникает вопросов и сомнений в правильности, казалось бы, незыблемых догм. И в этом нет ничего парадоксального – такова логика развития естествознания.

Происхождение жизни — одна из важнейших проблем биологии. Её не снимает маловероятное предположение о занесении жизни на Землю из других миров (теория панспермии). Необходимо выяснить, в каких условиях зарождалась жизнь на Земле (это произошло несколько млрд лет назад), и попытаться моделировать процессы, которые при этом могли происходить, реконструируя экспериментально последовательные этапы возникновения жизни.

Так, на основании данных о физическом и химическом состоянии атмосферы и поверхности Земли в ту эпоху получены теоретические и экспериментальные доказательства возможности синтеза в первичном океане аминокислот и мононуклеотидов, установлена принципиальная возможность их полимеризации в короткие цепочки — пептиды и олигонуклеотиды. Однако следующий этап происхождения жизни пока не изучен.

Естественный отбор может играть роль в эволюции только по отношению к саморазмножающимся структурам, способным хранить и многократно воспроизводить содержащуюся в них информацию. Этим требованиям удовлетворяют только нуклеиновые кислоты (преимущественно ДНК), способные к репликации. Самокопирование других химических соединений пока неизвестно. Основная трудность теории, т. о., состоит в том, что для удвоения нуклеиновых кислот нужны ферменты, а для создания белков нужны нуклеиновые кислоты.

Как только появляется пробионт (первичная саморазмножающаяся систем), начинают действовать уже открытые Дарвином принципы. Поскольку существуют пробелы в теории возникновения жизни на Земле, трудно оценить вероятность возникновения жизни во внеземных условиях. Исходя из астрономических данных о множественности планетных систем во Вселенной и из достаточно высокой вероятности возникновения условий, совместимых с жизнью, многие учёные допускают множественное возникновение жизни. Однако существует и иная точка зрения, что земная жизнь чрезвычайно редкое, практически уникальное явление в обозримом участке окружающей нас части Галактики.

Теория эволюции. Почти за 150 лет, прошедших со времени появления книги Ч. Дарвина «Происхождение видов...», огромная сумма фактов подтвердила принципиальную правильность построенного им эволюционного учения. На основе дарвинизма и генетики создана синтетическая теория эволюции. Однако на многие важные вопросы ещё нет ответов. Так, известны понятия микроэволюция и макроэволюция. Популяция считается элементарной единицей эволюционного процесса, а мутационный процесс, изоляция, волны численности, естественный отбор рассматриваются как основные эволюционные факторы. Однако неясно, действуют ли только эти факторы на макроэволюционном уровне, т. е. «выше» видообразования, или в возникновении крупных групп организмов (родов, семейств, отрядов и т.д.) участвуют иные, пока неизвестные факторы и механизмы.

Возможно, что все макроэволюционные явления сводятся к изменению на внутривидовом уровне, а может быть существуют некие специфические факторы макроэволюции. В пользу этого говорит то, что иногда наблюдается как бы направленное развитие групп, что, возможно, зависит от существования «запретов», накладываемых строением и генетической конституцией организма.

Так, первоначально непринципиальное изменение, связанное с приобретением предками хордовых спинной струны — хорды, впоследствии определило разные пути развития крупных ветвей животного мира: 1) возникновение внутреннего скелета и централизованной нервной системы, развитие головного мозга с преобладанием условных рефлексов над безусловными у позвоночных; 2) возникновение наружного скелета и развитие нервной системы иного типа с преобладанием чрезвычайно сложных безусловных рефлексов у беспозвоночных. Исследование подобных «запретов», механизмов их появления и исчезновения в ходе эволюции — важная задача, которая позволит решить проблему так называемой «канализации развития».

Другие нерешённые проблемы: творческая роль естественного отбора, прогрессивный характер исторического развития и др.

Биосфера и человечество. Проблема состоит в том, что биосфера Земли имеет недостаточную продуктивность, чтобы обеспечить продовольствием и кислородом растущее население земного шара. Прогнозы таковы: к 2025 г. население Земли составит 8,3 млрд человек, затем наступит стабилизационный период, и к концу ХХI в. ожидается 11 млрд человек, т.е. почти удвоение популяции по сравнению с сегодняшним днем. При этом почти 70% прироста населения ожидается в развивающихся странах, т.е. там, где ситуация с продовольствием наиболее напряженная. Т.е. через 100 лет при сохранении современных способов ведения земного хозяйства и тех же темпах роста численности человечества почти половине людей не хватит не только пищи и воды, но и кислорода для дыхания.

Вот почему в короткий срок, за время жизни 2—3 поколений людей необходимо, во-первых, организовать строгую охрану природы и ограничивать в разумных пределах многие промыслы и прежде всего истребление лесов; во-вторых, приступить к обширным мероприятиям, направленным на резкое повышение биологической производительности земной биосферы и интенсификацию биологических круговоротов. Биосфера Земли не только снабжает человечество пищей и органическим сырьём, но и поддерживает в равновесном состоянии газовый состав атмосферы, растворы природных вод и круговорот воды на Земле. Поэтому ущерб, наносимый человеком работе биосферы, не только снижает продукцию органического вещества на Земле, но и нарушает химическое равновесие в атмосфере и природных водах.

Если человечество перейдёт к повышению средней плотности зелёного покрова Земли (для чего имеются технические возможности), то этим путём биологическая производительность Земли может быть резко, в 2—3 раза, повышена. С этой целью необходимо продуманно вводить в биогеоценозы растения с высоким «коэффициентом полезного действия» фотосинтеза. За счёт введения в культуру из огромного запаса диких видов новых групп микроорганизмов, растений и животных можно ещё в 2—3 раза повысить полезную человеку биологическую продуктивность биосферы. Огромные возможности открывает и генетическая инженерия культурных растений. Агротехнике также предстоит переход на новые формы, резко повышающие урожай (одно из реальных направлений — переход от монокультур к поликультурам). Наконец, люди должны будут научиться улавливать на выходах из биологических круговоротов не малоценные, мелкомолекулярные продукты конечной минерализации органических остатков, а крупномолекулярное органическое вещество (типа сапропелей).

Все преобразовательные мероприятия, которые человек должен проводить в биосфере, невозможны без знания биоразнообразия живых организмов и их взаимоотношений, что предполагает необходимость инвентаризации животных, растений и микроорганизмов в разных районах Земли, ещё далеко не завершенной, и глубокого изучения проблем экологии.

Здоровье человека. Эта сложнейшая и традиционная проблема биологии включает изучение причин возникновения и механизмов патогенеза, а также разработку принципиально новых подходов к лечению и профилактике различных заболеваний: соматических и психических, инфекционных и наследственных, сердечно - сосудистых и онкологических и др. Совершенно очевидно, что без помощи молекулярной биологии и генетики невозможно создать лекарство от рака, увеличить продолжительность жизни и т.д.

Мы рассмотрели 4 фундаментальные проблемы современной биологии. Наряду с ними существуют не столь глобальные, но также весьма важные частные проблемы, в том числе: изучения механизмов индивидуального развития, фотосинтеза и азотфиксации, устранения продовольственного дефицита, создания энергетики на основе биотехнологий и др.

Человечеству дан единственный воспроизводящийся ресурс – биологический. Все остальные ресурсы исчерпаемы. Именно поэтому приоритеты в науке на следующее тысячелетие постепенно смещаются в пользу наук о жизни, поэтому ХХI век будет веком биологии.