Достижение современного естествознания в биологии

Дарвин выделил  две основные формы изменчивости:  

- определенную изменчивость - способность всех особей одного  и того же вида в определенных  условиях внешней среды одинаковым  образом реагировать на эти  условия (климат, почву); 

- неопределенную  изменчивость, характер которой  не соответствует изменениям  внешних условий.

В современной терминологии неопределенная изменчивость называется мутацией.

Мутация - неопределенная изменчивость в отличие от определенной носит наследственный характер. По Дарвину, незначительные изменения в первом поколении усиливаются в последующих. Дарвин подчеркивал, что решающую роль в эволюции играет именно неопределенная изменчивость. Она связана обычно с вредными и нейтральными мутациями, но возможны и такие мутации, которые оказываюся перспективными.

Неизбежным результатом  борьбы за существование и наследственной изменчивости организмов, по Дарвину, является процесс выживания и  воспроизведения организмов, наиболее приспособленных к условиям среды, и гибели в ходе эволюции неприспособленных - естественный отбор.

Механизм естественного  отбора в природе действует аналогично селекционерам, т.е. складывает незначительные и неопределенные индивидуальные различия и формирует из них у организмов необходимые приспособления, а также  межвидовые различия. Этот механизм выбраковывает  ненужные формы и образовывает новые  виды.

Во времена Дарвина  наследственность представляли как  некое общее свойство организма, присущее ему как целому. В связи  с этим шотландский инженер Флеминг  Дженкин вошел в историю биологии, выдвинув возражения против теории Дарвина. Он считал, что новые полезные признаки некоторых особей данного вида должны быстро исчезнуть при скрещивании с другими, более многочисленными особями.

Возражения Дженкина сам Дарвин считал очень серьезным, окрестив "кошмаром Дженкина". Эти возражения были опровергнуты только когда стало ясно, что аппарат наследственности сформирован отдельными структурными и функциональными единицами - генами.

Законы  наследственности

В 1865 году были опубликованы результаты работ по гибридизации сортов гороха, где были открыты важнейшие  законы наследственности. Автор этих работ - чешский исследователь Грегор Мендель показал, что признаки организмов определяются дискретными наследственными факторами. Однако эти работы оставались практически неизвестными почти 35 лет - с 1865 по 1900.

В 1900 году законы Менделя  были переоткрыты независимо сразу тремя учеными - Г. де Фризом в Голландии, К.Корренсом в Германии и Э.Чермаком в Австрии.

Итак, дискретные наследственные задатки были открыты в 1865 году Менделем. В 1909 датский ученый В. Иогансен назвал их генами (от греч. слова "происхождение"). К настоящему времени установлено, что ген - единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака, т.е. единица наследственной информации - представляет собой участок молекулы ДНК (или РНК у некоторых вирусов) хромосомы.

Хромосомы - это структурные  элементы ядра клетки, которые состоят  из молекулы ДНК и белков, содержат набор генов с заключенной  в них наследственной информацией. Хромосомная теория наследственности, разработанная в 1910-1915 годах в  трудах А.Вейсмана, Т.Моргана, А. Стертеванта, Г.Дж. Меллера и др., утверждает, что передача признаков и свойств организма от поколения к поколению (наследственность) осуществляется в основном через хромосомы, в которых расположены гены.

В 1944 году американскими  биохимиками (О.Эвери и др.) было установлено, что носителем свойства наследственности является ДНК. С этого времени началось быстрое развитие науки, исследующей основные проявления жизни на молекулярном уровне. Тогда же впервые появился новый термин для обозначения этой науки - молекулярная биология.

Молекулярная биология исследует, каким образом и в  какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, превращение энергии  в живых клетках и другие явления  обусловлены структурой и свойствами биологически важных молекул (главным  образом белков и нуклеиновых  кислот).

В 1953 году была расшифрована структура ДНК (Ф.Крик, Д.Уотсон). Расшифровка  структуры ДНК показала, что молекула ДНК состоит из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, каждая из которых выступает в качестве матрицы для синтеза новых аналогичных цепей. Свойство удвоения ДНК обеспечивает явление наследственности.

Расшифровка структуры  ДНК была революцией в молекулярной биологии, которая открыла период важнейших открытий, общее направление  которых - выработка представлений  о сущности жизни, о природе наследственности, изменчивости, обмена веществ и др.

В соответствии с  молекулярной биологией, белки - это  очень сложные макромолекулы, структурными элементами которых являются аминокислоты. Структура белка задается последовательностью  образующих его аминокислот. При  этом из 100 известных в органической химии аминокислот в образовании  белков всех организмов используется только двадцать. До сих пор не ясно, почему именно эти 20 аминокислот синтезируют  белки органического мира. Вообще, в любом существе, живущем на Земле, присутствуют 20 аминокислот, 5 оснований, 2 углевода и 1 фосфат.

Развитие  экосистем

Основанием всем системы современной эволюционной биологии выступает синтетическая  теория эволюции, принципиальные положения  которой были заложены работами С.С.Четверикова, Р.Фишера, С.Райта, Дж.Холдейна, Н.П.Дубинина и др.

Элементарной клеточкой  синтетической теории эволюции является популяция - совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая  себя в течение большого числа  поколений. Элементарной единицей наследственности выступает ген. Наследственное изменение  популяции в каком-либо определенном направлении осуществляется под  воздействием таких эволюционных факторов, как мутационный процесс, популяционные  волны, изоляция, естественный отбор.

Таким образом, в  синтетической теории эволюции на первый план выступает не оногенез - совокупность преобразований, происходящих в организме от зарождения до конца жизни, т.е. индивидуальное развитие организма, а развитие популяций.

Онтогенетический  уровень организации жизни на Земле связан с жизнедеятельностью отдельных биологических особей, дискретных индивидуумов, а популяционный  уровень надындивидуален.

Популяция- это совокупность особей одного вида, населяющих определенную территорию, более или менее изолированную  от соседних совокупностей того же вида.

Виды - это системы  популяций. Популяции и виды как  надындивидуальные образования  способны к существованию в течение  длительного времени и к самостоятельному эволюционному развитию.

Популяции - это генетические открытые системы, т.к. особи из разных популяций иногда скрещиваются. Виды являются наименьшими генетически  закрытыми системами.Совокупность совместно обитающих популяций разных видов живых организмов называется биоценозом.

Биоценоз - совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих участок среды с более  или менее однородными условиями  существования и характеризующихся  определенными взаимосвязями между  собой и приспособленностью к  условиям окружающей среды (например, биоценоз озера, леса и т.д.). Совокупность растений на участке с одинаковыми  природными условиями, которые взаимодействуют  друг с другом и со своим окружением, называется фитоценозом или растительным сообществом. Растительное сообщество (фитоценоз) - совокупность видов растений на однородном участке, находящихся  в сложных взаимоотношениях между  собой и с условиями окружающей среды (лес, степь, луг и т.д.). Фитоценоз  характеризуется определенным видовым  составом, строением и сложением. Фитоценоз - это часть биоценоза.

Биоценозы входят в  качестве составных частей в еще  более сложные системы, представляющие собой взаимообусловленный комплекс живых и абиотических компонентов, связанных между собой обменом  веществ и энергией - в биогеоценозы.

Биогеоценоз - это  однородный участок земной поверхности  с определенным составом живых (биоценоз) и абиотических косных (приземной  слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.) компонентов и динамическим взаимодействием между ними (обменом веществ и энергии). Термин предложил В.М.Сукачев (1940 г). Иногда этот термин употребляется как синоним экосистемы. Раздел биологии, изучающий экологические системы (биоценозы, биогеоценозы), называется биогеоценология.

В развитии экосистем  большую роль играют организмы, способные  самостоятельно синтезировать органическое вещество из неорганических соединений. Эти организмы называются автотрофами.

Автотрофы - это организмы, синтезирующие из неорганических веществ (главным образом воды, двуокиси углерода, неорганических соединений азота) все необходимые для жизни  органические вещества, используя энергию  фотосинтеза (все зеленые растения - фототрофы) или хемосинтеза (некоторые бактерии - хемотрофы).

Автотрофы служат первичной  биотической основой для сложения биогеоценозов.

Организмы, использующие для питания органические вещества, произведенные другими организмами, называются гетеротрофами. К гетеротрофным  организмам относится человек, все  животные, грибы, большинство бактерий, вирусов.

Автотрофные растения и микроорганизмы представляют жизненную  среду для гетеротрофов. Складывается биогеоценотический комплекс, который  может существовать веками.

Пространство, включающее околоземную атмосферу и наружную оболочку Земли, освоенное живыми организмами  и находящееся под влиянием их жизнедеятельности, называется биосферой.

Биосфера Земли  образуется всей совокупностью биогеоценозов, связанных между собой круговоротом веществ и энергии. Она представляет собой область активной жизни, охватывающую нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. В  биосфере живые организмы и среда  их обитания органически связаны  и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. Термин "биосфера" введен в 1875 г. Э.Зюссом. Учение о биосфере как  об активной оболочке Земли, в которой  совокупная деятельность живых организмов (в том числе человека) проявляется  как геохимический фактор планетарного масштаба и значения, создал В.И.Вернадский (1926 г.).

Антропология  как наука

Наука о происхождении  и эволюции человека, образовании  человеческих рас и о нормальных вариациях физического строения человека называется антропологией.

Антропология как  самостоятельная наука сформировалась в середине XIX века. Основные разделы  антропологии: морфология человека, учение об антропогенезе, расоведение.

Процесс историко-эволюционного  формирования физического типа человека, первоначального развития его трудовой деятельности, речи, а также общества называется антропогенезом или антропосоциогенезом.

Проблемы антропогенеза  стали изучаться в XVIII веке. До этого  времени господствовало представление, что человек и народы всегда были и являются такими, как их создал творец. Однако постепенно в науке, культуре, общественном сознании утверждалась идея развития, эволюции, в том числе  и применительно к человеку и  обществу.

Однако даже Ламарк не решался довести до логического  завершения идею эволюции животных и  человека и отрицать роль бога в  происхождении человека (в своей "Философии зоологии" он писал  об ином происхождении человека, чем  только лишь от животных).

Революционную роль в учении об антропогенезе сыграли  идеи Дарвина. Он писал: "Тот, кто  не смотрит, подобно дикарю, на явления  природы как на нечто бессвязное, не может больше думать, чтобы человек  был плодом отдельного акта творения".

Человек одновременно и биологическое существо, и социальное, поэтому антропогенез неотрывно  связан с социогенезом, представляя собой по сути единый процесс антропосоциогенеза.

Носитель  генетической информации

Структура ДНК

Хранение и передачу наследственной информации в живых  организмах обеспечивают природные  органические полимеры — нуклеиновые  кислоты. Различают их две разновидности  — дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК). В состав ДНК входят азотистые  основания (аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц)), дезоксирибоза С5Н10О4 и остаток фосфорной кислоты. В состав РНК вместо тимина входит урацил (У), а вместо дезоксирибозы — рибоза (С5Н10О5). Мономерами ДНК и РНК являются нуклеотиды, которые состоят из азотистых, пуриновых (аденин и гуанин) и пиримидиновых (урацил, тимин и цитозин) оснований, остатка фосфорной кислоты и углеводов (рибозы и дезоксирибозы).

Молекулы ДНК содержатся в хромосомах ядра клетки живых организмов, в эквивалентных структурах митохондрий, хлоропластов, в прокариотных клетках и во многих вирусах. По своей структуре молекула ДНК похожа на двойную спираль. Структурная модель ДНК в виде двойной спирали впервые предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном (р. 1928) и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком (р. 1916), удостоенными вместе с английским биофизиком М. Уилкинсоном (р. 1916), получившим рентгенограмму ДНК, Нобелевской премии 1962 г.