Биология - это наука о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Современная биологическая наука - результат длительного процесса развития.
Краткий исторический очерк развития биологии
Интерес к растениям и животным, вероятно, возник у наших предков еще до того, как появился Homo sapiens. Обезьянолюди и человекообезьяны - наши предшественники в эволюции - без сомнения, очень рано познали ряд практических сведений, например, какие растения пригодны в пищу, какие животные опасны, а на каких можно охотиться ради их мяса или меха, где встречаются эти растения и животные и т.д. Некоторые представления доисторического человека о современных ему животных дошли до нас в виде наскальных изображений на стенах пещер.
Древние цивилизации Китая, Месопотамии и Египта накопили множество сведений о растениях и животных и одомашнили крупный рогатый скот, овец, свиней, кошек, гусей и уток. Греческие философы, жившие в VI-V веках до н.э. - Анаксимандр, Ксенофан, Эмпедокл и другие, - выдвигали различные умозрительные теории о происхождении растений и животных. Аристотель (384-322 годы до н.э.), один из величайших греческих философов, в некоторых сочинениях рассматривал биологические проблемы. Сделанные им описания животных вполне удовлетворительны, и в них нетрудно узнать ряд современных видов. Широта и глубина биологических интересов Аристотеля поразительны: например, он тщательно изучил развитие цыпленка, размножение акул и пчел. Он развил теорию, согласно которой растения и животные, постепенно изменяясь, поднимались вверх по "лестнице природы", побуждаемые внутренним стремлением к более сложной и более современной организации.
Греческий врач Гален (131-201 годы н.э.) экспериментировал на животных и производил вскрытия. Будучи первым физиологом-экспериментатором, он сделал ряд важных открытий, касающихся функций головного мозга и нервов, и доказал, что артерии содержат кровь, а не воздух. В вопросах анатомии человека он оставался непререкаемым авторитетом на протяжении примерно тринадцати веков, хотя в его описаниях имеются довольно существенные ошибки: дело в том, что Гален вскрывал свиней и обезьян, а не трупы людей. Плиний (23-79 годы н.э.) составил энциклопедическую компиляцию (37 томов!), содержащую сведения о всевозможных животных и местах их обитания; это была удивительная смесь реальных фактов и вымыслов.
Переход к эпохе Возрождения начинался медленно и был возвещен трудами таких ученых, как Роджер Бэкон (1214-1294) и Альберт Великий (1206-1280), которых интересовали все области естественных наук и философия. Гениальный Леонардо да Винчи (1452-1519) был не только инженером и изобретателем, но также анатомом и физиологом. Некоторые из его многочисленных оригинальных наблюдений из области биологии стали известны лишь намного позже, когда были расшифрованы его записи.
Андрей Везалий (1514-1564) - бельгиец, который был профессором Падуанского университета в Италии, - вскрывал человеческие трупы и делал четкие зарисовки того, что он видел, при этом он обнаружил много неточностей в анатомических описаниях Галена. Везалий подчеркивал, что следует опираться не на авторитет Галена, а на тщательные оригинальные наблюдения. Этим он навлек на себя критику и в конце концов был вынужден покинуть должность профессора. Большой вклад в понимание процессов кровообращения внес английский врач Уильям Гарвей (1578-1657), получивший образование в Падуанском университете, где ранее преподавал Везалий. Раньше врачи безоговорочно принимали теорию Галена о том, что кровь образуется в печени из пищи и поступает в органы тела, где полностью используется. Полагали, что в сердце нет мышечной ткани, и что оно лишь пассивно расширяется под действием втекающей в него крови. Гарвей, основываясь на прямых наблюдениях, доказал, что кровь используется многократно, вновь и вновь проходя один и тот же путь. Гарвей заключил, что артерии соединены с венами очень тонкими сосудами, замыкающими круг кровообращения, хотя он и не мог их видеть.
Создание микроскопа открыло новые возможности для изучения биологических проблем. Одними их первых микроскоп использовали Р. Гук (1635-1703), М. Мальпиги (1628-1694), А. ван Левенгук (1632-1723) и Я. Сваммердам (1637-1680), которые исследовали строение растительных и животных тканей. Д. Рэй (1627-1705) и К. Линней (1707-1778) создали систему классификации растений и животных, ввели биноминальную номенклатуру (с использованием двух наименований - родового и видового), которая позволила дать каждой форме растений и животных определенной научное название. Эту номенклатуру впервые последовательно применил Линней в 10-м издании своей "Системы природы" (1758).
Большую роль в развитии физиологии сыграли Р. Декарт (1596-1650), Ч. Белл (1774-1842) и Ф. Мажанди (1783-1855), внесшие значительный вклад в понимание функций головного мозга и спинномозговых нервов. И. Мюллер (1801-1858) изучал свойства нервов и капилляров; написанный им учебник физиологии возбудил большой интерес к этой области и послужил стимулом для многочисленных исследований. К. Бернар (1813-1878) - один из активных пропагандистов экспериментальной физиологии - обогатил наши знания о функциях печени, сердца, головного мозга и плаценты. Д. Хантер (1728-1793) и Ж. Кювье (1769-1832) одними их первых стали изучать сходные образования у различных животных, положив начало развитию сравнительной анатомии. Р. Оуэн (1804-1892) ввел представление о гомологии и аналогии. Кювье был также одним из первых исследователей ископаемых форм, его считают основателем палеонтологии. Несмотря на это, Кювье твердо верил в неизменность видов и вел ожесточенные споры с Ламарком, который в 1809 г. выдвинул теорию эволюции, основанную на представлении о передаче по наследству приобретенных признаков.
В последние сто лет биология развивалась поистине поразительными темпами. За это время сформировались такие ее разделы как цитология, генетика, теория эволюции, биохимия, биофизика, другие области. Открытия в области химии и физики и непрерывное совершенствование физических и химических методов исследования создали возможность по-новому подойти к изучению многих биологических проблем.
Некоторые основные обобщения биологических наук
Одно из основных обобщений биологии состоит в том, что все явления жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с помощью этих законов. Вплоть до начала XX века большинство людей, в том числе и большая часть биологов, были убеждены, что жизненные процессы в самой своей основе чем-то отличаются от процессов, происходящих в неживых системах. Позднее в результате успехов в понимании химических и физических явлений стало ясно, что и множество проявлений жизни, хотя они гораздо более сложны, можно объяснить в понятиях физики и химии, не привлекая для этого таинственную "жизненную силу". Свойства живых клеток и организмов, казавшиеся в свое время столь загадочными, становятся вполне понятными. Многие сложные процессы, свойственные живым системам, уже можно при надлежащих условиях воспроизвести в пробирке.
Другое важнейшее обобщение биологии - клеточная теория. В ее современной форме эта теория утверждает, что все живые организмы - животные, растения и бактерии - состоят из клеток и из продуктов их жизнедеятельности. Новые клетки образуются путем деления существовавших ранее клеток. Все клетки в основном сходны по химическому составу и обмену веществ; активность организма как целого слагается из активности и взаимодействия отдельных клеток. Клетки впервые описал Р. Гук, который рассматривал кусочек пробки под одним из весьма несовершенных микроскопов XVII века. То, что он при этом увидел, были на самом деле стенки отмерших клеток. Лишь спустя почти двести лет биологи поняли, что главную роль играет не стенка клетки, а ее внутреннее содержание. Подобно многим другим основополагающим концепциям, клеточная теория не есть плод мысли и исследований одного ученого. Авторами этой теории обычно считают ботаника М. Шлейдена и зоолога Т. Шванна, которые в 1838 г. впервые констатировали, что растения и животные представляют собой скопление клеток, расположенных в определенном порядке. Как это случалось и во многих других областях науки, Шлейден и Шванн, не будучи первыми авторами, провозгласившими некий принцип, тем не менее, сформулировали его столь ясно и убедительно, что идея приобрела популярность и, в конце концов, была принята большинством биологов того времени.
По современным представлениям, клетка - это элементарная живая система, основа строения и жизнедеятельности всех животных и растений. Клетки существуют как самостоятельные организмы (например, простейшие, бактерии) и в составе многоклеточных организмов, в которых имеются половые клетки, служащие для размножения, и клетки тела (соматические), различные по строению и функциям (например, нервные, костные, мышечные, секреторные). Размеры клеток варьируются в пределах от 0,1-0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Живой организм состоит из миллиардов самых разнообразных клеток. Их форма колеблется от совсем простой до самой причудливой, напоминающей паука, снежинку, звездочку и все что угодно. В каждой клетке различают две основных части: ядро и цитоплазму. Клетки растений, как правило, покрыты твердой оболочкой. Структурными элементами ядра клетки являются хромосомы, содержащие молекулы ДНК, в которых заключена наследственная информация организма. В хромосомах в линейном порядке расположены гены. Ген - единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака. Совокупность всех генов организма составляет его генетическую конституцию - генотип.
По-видимому, нет таких случаев, на которые не распространялось бы третье обобщение: все живое происходит только от живого. По существу, это логическое следствие клеточной теории, которое впервые четко сформулировал Р. Вирхов: "Все живые клетки возникают из предсуществующих живых клеток". Иными словами, самопроизвольное образование клетки из неживой материи невозможно. Представление о том, что даже такие довольно крупные организмы, как черви, лягушки и крысы, могут возникнуть путем самопроизвольного зарождения, оставалось широко распространенным вплоть до конца XVII века, пока оно не было, наконец, опровергнуто классическими экспериментами итальянцем Ф. Реди в 1680 г.
В последние годы стало ясно, что, хотя в настоящее время самопроизвольного зарождения жизни не происходит, оно все-таки, вероятно, произошло миллиарды лет назад, когда жизнь впервые появилась на нашей планете. И если в наше время самозарождение живых организмов в высшей степени маловероятно, то в ту первоначальную эпоху, в совершенно иных условиях среды оно, по-видимому, действительно происходило. Теория происхождения первых живых существ из неживой материи была выдвинута Порлюгером, Дж. Холдейном, Р. Бейтнером, но особенно детально она разработана отечественным биохимиком академиком А. И. Опариным в его книге "Возникновение жизни" (1936).
Живые организмы и составляющие их клетки - это преобразователи, которые превращают химическую энергию пищи - энергию, первоначально уловленную зелеными растениями из солнечного света, - в электрическую, механическую или какую-либо иную форму, в которой она может быть использована живыми организмами. Каждая живая клетка обладает весьма эффективными и сложными механизмами для преобразования энергии. Лучистая энергия солнечного света - главный источник энергии для всех форм жизни на Земле. Первое из важнейших преобразований энергии на нашей планете осуществляют зеленые растения. Они превращают лучистую энергию Солнца в химическую. Последняя запасается в форме связей, соединяющих атомы в определенных молекулах, например, в глюкозе. Этот первый этап преобразования энергии называется фотосинтезом. Химическая энергия используется затем для синтеза углеводов и других веществ из двуокиси углерода (СО2) и воды (Н2О). Второй важнейший этап в цепи преобразований энергии на нашей планете совершается во всех клетках, как растительных, так и животных, при дыхании. В процессе дыхания химическая энергия углеводов и других молекул в результате окисления этих молекул преобразуется в биологически полезную энергию. Использование клетками таких пищевых веществ, как глюкоза, происходит путем ряда реакций с образованием аденозинтрифосфата (АТФ). На третьем этапе в цепи преобразования химическая энергия, полученная из пищевых веществ и связанная в форме АТФ, используется клетками для совершения разнообразных видов работы. АТФ служит источником энергии, необходимой для передачи нервных импульсов, для мышечного сокращения, для синтеза сложных макромолекул из более простых составных частей и для множества других жизненных функций. При осуществлении всех этих биологических функций энергия в конце концов рассеивается в окружающую среду в бесполезной для организма форме - в форме тепла.
Представление об эволюции живых организмов - одно из важнейших обобщений биологической науки. Все многочисленные формы растений и животных, существующие ныне, произошли от существовавших ранее более простых организмов путем постепенных изменений, накапливавшихся в последовательных поколениях, - такова сущность этой великой объединяющей концепции биологии. Элементы этой идеи в неявной форме содержались в произведениях некоторых греческих философов, от Фалеса до Аристотеля, живших до нашей эры. Мысли об эволюции органического мира высказывали многие философы и естествоиспытатели в период с XIV по XIX века. Однако лишь после того, как Ч. Дарвин опубликовал в 1859 г свою книгу "Происхождение видов путем естественного отбора", теория эволюции привлекла к себе всеобщее внимание. В этой книге Дарвин привел массу подробных фактических данных и убедительных доводов в пользу того, что органическая эволюция действительно имеет место.
Для того чтобы объяснить, каким образом может происходить эволюция, Дарвин выдвинул теорию естественного отбора. Согласно этой теории, любая группа животных или растений имеет тенденцию к изменчивости. Организмов каждого вида рождается больше, чем может найти себе пищу и выжить. Между множеством рождающихся особей происходит борьба за существование. Те особи, которые обладают признаками, дающими им какое-либо преимущество в этой борьбе, имеют больше шансов выжить, чем особи, лишенные таких признаков. Выжившие организмы передают эти выгодные признаки своему потомству, так что благоприятные изменения передаются последующим поколениям. Ядро теории Дарвина составляет концепция борьбы за существование и "выживания наиболее приспособленных", передающих выгодные признаки своему потомству. Эта концепция занимала центральное место в биологической теории на протяжении последующих ста лет. С некоторыми поправками, внесенными в нее позднейшими открытиями в области генетики и эволюции, ее принимает и большинство современных биологов.
Современная биология - комплекс наук о живой природе
В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе. Его структуру можно рассматривать с разных точек зрения:
- по объектам исследования биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию;
- по свойствам, проявлениям живого в биологии выделяются: морфология, изучающая строение живых организмов; физиология, изучающая процессы функционирования организмов; молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток; экология, рассматривающая образ жизни растений и животных и 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 тканей; цитология - наука о строении живых клеток.
Эта многоплановость комплекса биологических наук обусловлена чрезвычайным многообразием живого мира. К настоящему времени биологами обнаружено и описано более 1,5 млн. видов животных, около полумиллиона видов растений, несколько сот тысяч видов грибов, более 3 тыс. видов бактерий. Причем мир живой природы исследован далеко не полностью. Число неописанных видов оценивается примерно в 1 миллион.
Категория "живого"
В развитии биологии выделяют три основных этапа:
1) систематики (К. Линней);
2) эволюционный (Ч. Дарвин);
3) биологии микромира (Г. Мендель).
Каждый из них связан с изменением представлений о мире живого, самих основ биологического мышления, со сменой биологических парадигм. Благодаря развитию современной биологии микромира, познанию молекулярных структур живого отчетливее стало просматриваться единство природы, органического и неорганического мира, специфика живого. Важнейшим инструментом дальнейшего познания этого мира служит категория "живого", являющаяся ключевой, исходной для всей системы биологических наук. Так что же такое жизнь, живая природа?
Интуитивно мы все понимаем, что есть живое и что - мертвое. Однако при попытке определить сущность живого возникают трудности. Так, один из авторов предложил следующее "глубокомысленное" определение: живой организм - это тело, слагаемое из живых объектов; неживое тело - слагаемое из неживых объектов. Но кроме подобных, явно бессодержательных, имеются и другие, научные определения. Однако и они на поверку оказываются неполными и потому уязвимыми. Широко известно, например, определение, данное Ф. Энгельсом, что жизнь - это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой. Но ведь и живая мышь, и горящая свеча с физико-химической точки зрения находятся в одинаковом состоянии обмена веществ с внешней средой, равно потребляют кислород и выделяют углекислый газ, но в одном случае - в результате дыхания, а в другом - в процессе горения. Этот простой пример показывает, что обмениваться веществами с окружающей средой могут и мертвые объекты. Таким образом, обмен веществ является хотя и необходимым, но недостаточным критерием определения жизни, впрочем, как и наличие белков. Можно сделать вывод, что дать точное определение жизни весьма непросто. Это люди поняли очень давно. Так, французский философ-просветитель Д. Дидро писал: "Я могу понять, 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!"
Современная биология при описании живого идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни.
С учетом современного уровня знаний одно из наиболее полных определений жизни дал российский ученый Волькенштейн: "Существующие на Земле живые тела представляют собой разноуровневые открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, имеющие в своем составе биополимеры (белки и нуклеиновые кислоты) и фосфорорганические соединения". Здесь подчеркивается значение нуклеиновых кислот, обеспечивающих преемственность признаков и свойств. Хотя, например, под это определение подходит жизнь компьютерных вирусов при замене белков и нуклеиновых кислот (биологический носитель) на электромагнитную материю (электромагнитный носитель). Интересно, что в Интернете открыт специальный сайт, где каждый может дать собственное определение жизни.
Таким образом, вопрос об отличии живого и не живого до сих пор остается дискуссионным. С принципиальной точки зрения отличия живого и неживого заключаются в наличии комплекса признаков и их более качественном состоянии. Один из самых ярких примеров - игра Каспарова с суперкомпьютером, где качеству мышления противостоит скорость и объем расчетов. Каспаров проиграл, но компьютер не стал от этого живым.
Для наиболее общего описания свойств биологических систем достаточно адекватными оказались принципы кибернетики, т.е. управления и связи (Н. Винер). Очень важно для общего понимания общих свойств живых систем уметь анализировать коммуникационные цепи и контуры управления для различных уровней биологической организации. Своеобразие живых систем, показатель более высокого уровня их организации по сравнению с неживыми - это постоянное "принятие решений", адаптация к изменениям микроокружения, "перенормировка вероятностей" и выбор наиболее целесообразного способа поведения. При этом характерен именно информационный аспект жизненных процессов, т.к. организмы способны сортировать и оценивать информацию, исходящую как извне, так и из внутренней среды организма, по ее значимости для процессов самовоспроизведения и сохранения жизнеспособности.
Резюме:
1. Живая материя - всего лишь структурная часть материи вообще, так как имеется множество общих свойств.
2. Вместе с тем живая материя принципиально отличается от неживой по комплексу признаков.
3. При этом отличия скорее качественные, более сложно организованные, активно возбуждаемые живой природой.
4. Хотя все люди безошибочно, но часто не осознанно, отличают живое от неживого, эта проблема еще не решена окончательно с научной и морально-философской точки зрения.