История системного подхода в науке и технике

3.26 Селекция, экология, клонирование, генетический код

Отбор действует преимущественно на уровне популяции. Поэтому в качестве неотъемлемого компонента в СТЭ вошла генетика популяций, т.е. изучение наследственных процессов в популяциях растений и животных; с генетикой популяций тесно связаны также включенные в СТЭ эволюционные аспекты - экологии - науки о связи организмов с условиями их местообитаний. Генетика приобретает в настоящее время огромное прикладное значение. Помимо уже давно применяемых методов улучшения пород домашних животных и сортов культурных растений с помощью искусственного мутагенеза, теперь начинают распространяться и приемы генной инженерии - целенаправленного изменения генов, вплоть до операций на генах и в целом воздействия на наследственную природу. С 1997 г. развернулись опыты по клонированию - генетическому копированию животных, в том числе из вегетативных клеток (ибо геном, т.е. набор генов организма, во всех клетках тождествен). Потенциально этот метод применим и к людям, но этические аспекты допустимости выведения “двойников” вызывают ожесточенные споры.

3.27 Цитология, биохимия, физико-химическая биология

По разнообразию своих уровней, от молекулярного до биосферного, с живой материей не может сравниться ни одна из других форм существования природы. Естественно, что мы не можем здесь подробно рассмотреть все эти уровни. Остановимся специально на одном из них, в известном смысле ключевом для понимания жизни на клеточном. Еще в классический период естествознания клетка была признана универсальной ячейкой всего живого. Сейчас так нельзя сказать безоговорочно, есть и доклеточные формы жизни (вирусы), и организмы с нетипичной (безъядерной) клеткой - прокариоты, например, бактерии и сине-зеленые водоросли. Но в целом всеобщая роль клетки с ее характерными структурами признается и сейчас. Именно клетка является той “ячейкой” организации, на уровне которой впервые в полной мере проявляются все свойства жизни как таковой: целостность, обмен со средой (открытость), целесообразное реагирование, сложность строения, способность к размножению.

Чтобы лучше понять современные представления о биологической клетке, полезно остановиться на некоторых сведениях из прошлого экспериментальных и описательных в биологии. Реальная эффективность экспериментального подхода в этой области проявилась почти одновременно с успехами эксперимента в физике (и раньше, чем в химии), а именно с 1628 г., когда У. Гарвей открыл кровообращение и определил его важные параметры (в частности, количество крови, выбрасываемое сердцем при каждом сокращении). В целом же для биологии XVII - первой половины XIX вв. характерно преобладание описательных исследований, развитию которых способствовало открытие огромного числа новых видов в эпоху великих географических открытий XVII в. и затем в ходе экспедиций XVIII - XIX вв., проникших в труднодоступные районы внутренней Африки, Сибири, Америки и других регионов.

Благодаря изобретению микроскопа в середине XVII в., перед учеными открылся мир микроорганизмов и клеточных, а затем и субклеточных структур. Клетка была описана английским натуралистом Р. Гуком (1635-1703) в 1665 г. в труде “Микрография”, но лишь в 1838-1839 гг. немецкий зоолог Т. Шванн оценил ее значение как основной ячейки строения организма, т.е. создал клеточную теорию - учение о том, что клетка представляет собой универсальную ячейку всех живых организмов. В основном эта теория сохраняет свое значение, хотя открыты и бесклеточные организмы - вирусы. Впрочем их не всегда признают за живые, поскольку они могут кристаллизироваться наподобие неживых объектов. Но им свойственны размножение делением и другие характерные свойства живого, о которых см. раздел 4.1.

3.28 Возникновение жизни на Земле

Наибольшее распространение получила гипотеза происхождения жизни, разработанная А.И. Опариным. Согласно этой гипотезе, первым этапом предбиологического процесса было перемещение тяжелых элементов к центру Земли, легких - на ее поверхность. Это происходило 5-4 млрд. лет назад, когда Земля была очень горячей. Атмосфера состояла из водорода и его соединений (воды, точнее, водяного пара; метана, аммиака, цианистого водорода и т.д.). В ней под действием излучения Солнца возникли сравнительно несложные органические вещества: сахара, аминокислоты, уксусная, молочная, муравьиная кислота и др. Этот процесс удается воспроизвести в лаборатории.

Затем абиогенным путем, в отсутствии свободного кислорода (он появился в атмосфере позднее, под действием зеленых растений) были синтезированы более сложные соединения, включая аденозинтрифосфат (АТФ) - богатое энергией соединение, впоследствии играющее центральную роль в энергетическом балансе организмов. В процессе охлаждения земли водяной пар превращался в воду, образовался “первичный бульон” - водный раствор аммиака, двуокиси углерода, метана и упомянутых более сложных органических соединений. В результате их полимеризации возникли линейные полимеры: полипептиды и полинуклеотиды. Последние способны к самокопированию почти так называемого комплементарного связывания их нуклеотидов (мономеров): аденина с урацилом, гуанина и уитозином. Этот процесс сам по себе идет очень медленно, но мог быть ускорен тем, что среди образовавшихся к тому времени полипептидов некоторые были катализаторами, т.е. могли, не расходясь сами, ускорять матричный синтез и урацила на аденине, цитозина на изанине. При этом путем отбора, т.е. отмирания нежизнеспособных комбинаций, сохранялись лишь “удачные” комбинации катализаторов и нуклеиновых кислот, т.е. (сначала РНК, затем более сложный ДНК), т.е. образовался генетический код. Так появились первые организмы (гетеротрофы, поскольку свободного кислорода еще не было, и прокариоты или даже еще более примитивные).

Однако главная и далеко еще не решенная проблема, связанная с появлением жизни и первых организмов, заключается в выяснении процессов, приведших к формированию генетического кода. Оно относится к древнейшим временам, видимо, еще к стадии химической эволюции, поскольку даже для прокариотной клетки, например, бактериальной, характерно наличие двойной спирали ДНК, правда, несколько более примитивного типа, чем у эукариотов. Бактерии, как и все клеточные организмы, содержат оба типа нуклеиновых кислот, ДНК и РНК, вирусы - только одну из них. Однако неизвестно, является ли простота вирусов первичной или вторичной. Во всяком случае, современные вирусы не могли существовать раньше клеточных организмов, ибо живут, только паразитируя на них.

Половой процесс возник на стадии прокариот; он имеется, например, у бактерий, хотя и не обязателен (существует наряду с простым делением). Во всяком случае наследственность и изменчивость представлены уже на самих ранних этапах происхождения жизни, причем в самом общем плане на основе тех же генетических механизмов, что и сейчас. Поэтому можно считать, что генетика является столь же универсальной по применимости биологической дисциплиной, как биохимия или биофизика.

Клетки, действительно возникшие, скорее всего, симбиогенным путем, (продолжали захватывать более мелкие аэробные клетки, которые, будучи богаты АТФ, эволюционировали, с одной стороны в митохондрии - энергетические центры клеток; с другой, в фотосинтезирующие хлоропласты) около 3 млрд. лет назад образовали многообразные скопления - колонии. По видимому, это были уже не стадии эукариотной жизни. В результате “разделения труда" между клетками колонии возникли многоклеточные организмы. Этот процесс знаменовал переход от древнейшей, архейской эры в истории Земли к протерозойской - “эре первичной жизни" (название достаточно условное, так как появлению многоклеточных предшествовала эволюция доклеточных и одноклеточных организмов в течение по меньшей мере одного - двух млрд. лет). Вплоть до палеозойской эры, около 1 млрд. лет назад, на Земле господствовали сравнительно примитивные животные (губки, кишечнополостные) и водоросли. В течение палеозойской эры, закончившейся около 200 млн. лет назад, растения постепенно усложнялись, вплоть до голосеменных, а из животных бурно развивались беспозвоночные (моллюски, гигантские ракоскорпионы, иглокожие - кембрийский период); затем - в силурийском периоде - осуществляется выход на сушу беспозвоночных, несколько позднее, в каменноугольном периоде - позвоночных. Первоначально это были земноводные (стегоцефалы), затем от них произошли уже более свободные от водной стихии, даже в своем размножении, пресмыкающиеся.

В течение мезозойской эры, приблизительно 200-100 млн. лет назад, шло иссушение климата Земли в связи с бурными горообразовательными процессами. Рептилии заняли господствующее положение и завоевали все среды обитания, вплоть до воздушной (летающие ящеры). Поздний мезой (меловой период) - время появления и стремительного распространения по всей суше известковых растений. Это также время появления млекопитающих, победивших рептилий в борьбе за существование благодаря ряду крупных эволюционных преобразований, открывших пути к дальнейшей эволюции (такие преобразования часто называют ароморфозами, в отличие от менее значительных, чисто приспособительных изменений - идиоадаптаций): благодаря более совершенной заботе о потомстве (внутриутробное развитие, вскармливание детенышей молоком), четырех камерному сердцу и полному разделению венозной и артериальной частей кровеносной системы, образованию волосяного покрова, совершенствованию коры головного мозга, преобладанию условных рефлексов над безусловными, что обеспечило более гибкое приспособление к среде.

Общей базой всех этих эволюционных процессов был естественный отбор. За мезозойской эрой последовала кайнозойская, важнейшим событием в ходе которой была с точки зрения эволюции смена естественного отбора, как доминирующего механизма эволюции, более сложными, социальными механизмами. Речь идет о возникновении человека, т.е. об антропогенезе.

3.29 Проблема возникновения и эволюции человека

Происхождение человека также входит со времен Дарвина в круг проблем, изучаемых теорией эволюции. В настоящее время наиболее вероятной признается концепция, согласно которой предки человека - рамапитеки отделились от человекообразных обезьян в миоцене, т.е.12-15 миллионов лет назад. Фрагменты челюстей рамапитеков находят в Индии, Кении и даже в Европе (Венгрия). Потомками рамапитеков был прямоходящий и изготовлявший каменные орудия Homo habilis (“человек умелый”), а также близкие к нему виды, жившие 3,5-2 млн. лет назад. Их остатки найдены в 1960-1970-х гг. в Танзании и Кении. Ближе к нам питекантропы и синантропы, жившие несколько сотен тысяч лет назад. Они уже употребляли огонь. Еще ближе к нам, появившиеся около 200 тысяч лет назад и создавшие элементы цивилизации (жилища, религия) неандертальцы. Наконец, человек современного вида - кроманьонец - появился на Земле около 80 тысяч лет назад. Движущими факторами антропогенеза (так называют процесс историко-эволюционного формирования человека) явились естественный отбор и мутации, в сочетании с позднейшими факторами: речью, трудом, социальностью.

3.30 Исследования поведения животных и человека

Важным направлением современной биологии, во многом смыкающимся с такими областями гуманитарного знания, как психология, социология, социальная психология и др., является также исследование поведения животных и человека. В биологическом плане это направление основывается на достижениях физиологии. Что касается изучения поведения человека и высших животных (млекопитающих), здесь основополагающим продолжает оставаться изучение условных рефлексов, открытых И.П. Павловым. Вместе с тем значительное развитие получили концепции “социальности" поведения животных, изучение явлений иерархии и доминирования в группах, коммуникации и т.д. Любопытным открытием явилось явление импринтинга - процесса на ранних этапах онтогенеза, в ходе которого животные научаются определенным действиям и связывают их с тем, кто осуществлял научение (или даже просто присутствовал при этом).К. Лоренц обнаружил, что если, учась передвигаться по суше, утята видели его, а не собственную мать-утку, то потом следовали за ним так же, как должны были бы следовать за матерью. Важным направлением развития науки на грани биологии и общественных наук является исследование группового поведения, иногда обозначаемое как социобиология. С ее помощью в группах приматов и других животных обнаружены такие явления, как иерархия, забота о слабых, сложные формы коммуникации.

3.31 Междисциплинарный характер современной биологии

В течение XIX столетия и особенно в XX в. (очевидно, эта тенденция сохранится и в XXI столетии) биологическое исследование все в большей мере приобретает междисциплинарный характер. Математика, физика, химия вошли в биологическое исследование как методы и компоненты. Физическая химия и химическая биофизика особенно важны в этом контексте. “Без преувеличения можно сказать, что именно современная физико-химическая биология как бы в единый комплекс объединила биологические дисциплины, которые ранее по объективному признаку считались самостоятельными. Сказанное относится не только к экспериментальным наукам, развитие которых всецело определяется характером и уровнем используемых ими физико-химических методов. Этими же методами пользуется сегодня … традиционная биология. Например, цитология и морфология издавна оценивались как описательные науки, а биохимия - как типично экспериментальная, имеющая независимый путь развития и накапливающая собственный багаж знаний. Какую же роль в судьбе этих наук сыграла физико-химическая биология?

Электронно-микроскопическая цитология воедино слилась с биохимией. Она “заговорила" на языке биохимии, а биохимия обрела новую роль: она стала топографической (от греч. topos - место, местность + grapho - пищу) биохимией клетки и получила возможность “вписать” процессы обмена веществ в общую картину цитологических структур. Появилась реальная возможность совместить субмикроскопическую и молекулярную системы клетки с функциями составляющих эти системы компонентов. Осуществилась давняя мечта биологов об объединении знаний о структуре и функциях организма в целом. Прямым следствием этого оказалось то, что традиционное разделение биологии на науки о строении - цитологию, гистологию, анатомию, морфологию - и науки, исследующие физиолого-биохимические процессы - физиологию и биохимию - в значительной мере утратило свой первоначальный смысл.

Таким образом, в биологии второй половины XX в. явственно обозначилась двойственная тенденция в ее развитии. С одной стороны, объективная и дисциплинарная специализация вследствие вычленения и конкретизации все новых объектов, требующих и особых подходов к их изучению. С другой стороны, происходит объективно-методическая интеграция биологических наук: проявляется тенденция к формированию как бы единого фронта наук, выявить границы между которыми становится все труднее" [1].

3.32 Взаимосвязь человека и природы

В наше время человеческая деятельность все более активно вторгается в природу, создавая на поверхности Земли практически современно новую экологическую среду. Соответственно в экологии и географии все большее место занимают исследования, так или иначе связанные с анализом последствий деятельности человека. Можно отметить направления, ориентированные на изучение культурных ландшафтов, антропогенных черт окружающей среды, результатов хозяйственной деятельности человека. На грани между биологией и физической географией возникла междисциплинарная область исследований - экология, изучающая динамику популяций и их приспособленности к среде, эффекты от воздействия человека на природу, процессы взаимодействия человека и природы. Важнейшими для экологии понятиями стали введенные в тридцатых годах понятия экосистемы (совокупность совместно обитающих животных и растений и их абиотической, т.е. неживой среды; понятие введено А. Тэнсли в 1935 г.) и биогеоценоза (единство организмов, населяющих определенный участок земли, и его ландшафтных, водных и почвенных условиями; понятие введено В.Н. Сукачевым в 1936 г.). Оба понятия характеризуют биогеоценотический уровень организации (см.2.3.). Различие между ними лежит в том оттенке, что в понятие биогеоценоза делается ударение на единстве организмов с их средой, в то время как “экосистема”, напротив, констатирует совместное наличие организмов и среды; и еще в том, что Сукачев подчеркивает такой компонент среды, как почву.

Это отнюдь не случайно, поскольку почвоведение как наука о почве - поверхностном слое земной коры, несущем растительный покров и характеризуемом качественно особым свойством - плодородием - родилась в России и была создана в 1860-1880-х гг. трудами Ф.И. Рупрехта и В.В. Докучаева. Двадцатый век и в этой области принес переворот, поскольку К.К. Гедройц в 1910-х гг. создал новое междисциплинарное направление - коллоидную химию почв и обнаружил в почвах “поглощающий”, или коллоидный комплекс, определяющий динамику почвенных процессов. Благодаря этому открытию Гедройцу удалось создать эффективную теорию мелиорации почв.

Учения об экосистеме и биогеоценозе сыграли важнейшую роль в построении концепций биосферы и ноосферы (см. ниже). Здесь же необходимо подчеркнуть наряду с огромным значением деятельности человека для окружающей среды еще и другую сторону вопроса - неотъемлемость человека от природных корней его существования. В основе всех сложнейших видов человеческой деятельности лежат достижения эволюции, хотя конечно, сами эти виды деятельности далеко не сводятся к своей биологической основе и не исчерпываются ею. Например, интеллектуальная деятельность была бы невозможна без накапливаемых в течение жизни условных рефлексов; управление механизмами, в том числе такими сложными, как компьютеры - без сенсорной базы человека (органов чувств с их характерным диапазоном, включая слух, цветное зрение и т.д.), возникшей в ходе эволюции и являющейся ее наследием. Собственно именно из-за этой неразрывности природного и интеллектуального, знание современных естественнонаучных концепций является необходимым специалистов в области гуманитарных наук.

3.33 Современный уровень знаний в науках о Земле

Если говорить только о новом времени, то в области наук о Земле роль, сходную с ролью дарвинизма в биологии, сыграли работы Ч. Лайелля (1797-1875), доказавшие однородность физических факторов, формировавших поверхность Земли, сейчас и в отдаленные геологические эпохи. Это помогло решить продолжавшийся в течение XVIII - первой половины XIX в. спор “вулканистов” и “нептунистов”, выдвигавших на первый план соответственно факторы, связанные с деятельностью вулканов и с работой воды. В налаживании связи между геологическими и биологическими дисциплинами особую роль сыграл опубликованный в 1875 г. в Вене труд Э.Ф. Зюсса “Возникновение Альп”, где введено важнейшее понятие биосферы - оболочки Земли, являющейся областью распространения жизни и ареной деятельностью организмов. Благодаря этому получила законченный вид модель Земли как шара (или близкого к шару слегка сплюснутого “геоида”), в центре которого находится массивное ядро, а по периферии от него - сферические оболочки, “геосферы”: мантия, литосфера (она же земная кора - твердая, каменистая оболочка Земли) и гидросфера - прерывистая водная оболочка (моря, океаны, озера, реки и т.д.). Очевидно, что биосфера охватывает часть гидросферы (кроме некоторых глубоководных участков или водоемов, перенасыщенных солями) и самые нижние слои атмосферы, а на поверхности суши образует сплошной - если учитывать микроорганизмы - покров. Но при этом не обращалось специального внимания на деятельность человека, по существу надстраивающую над биосферой еще одну оболочку. Концепция биосферы эффективно способствовала приданию завершенности всей системе классического естествознания.

Появившиеся в результате обновления в течение XX в. естественно-научных представлений практически во всем их объеме, новые концепции природы и материи не могли не коснуться и области исследований строения Земли. Открытие П. Кюри и М. Склодовской в 1899-1903 гг. явления радиоактивного распада позволило разработать методику определения абсолютного возраста горных пород. Возраст Земли оказался равным не нескольким десяткам миллионов лет, как полагали ранее, а, по крайней мере, двум-трем миллиардам лет. Начальные этапы истории Земли стало возможным связать с космогонической эволюцией.

Была выявлена общность химического состава Земли и метеоритов. Изучена история земной атмосферы. Древнейшая атмосфера была весьма разреженной и состояла в основном из паров воды и из углекислого газа, современная же атмосфера образовалась как вторичная, причем весь свободный кислород в ней возник как продукт фотосинтеза, а азот - в результате вулканических извержений.

Выяснена структура такого грозного и опасного явления, как землетрясение. Его очаг представляет собой разрыв в земной коре, на глубине в большинстве случаев 20-30 км. На основании “стандартной” модели Земли, в основе которой лежат рассмотренные нами представления о земной коре, мантии и ядре, разработан метод определения очагов землетрясения - “сейсмический годограф

3.34 Учение Вернадского о биосфере и ноосфере

Важнейшим достижением в области наук о Земле в XX в. - достижением, которое в значительной мере относится и к биологическим, гуманитарным и техническим наукам, объединяя их в единое целое - было создание В.И. Вернадским (1863-1945) учения, глубоко укоренившегося в традициях русского естественнонаучного и философского мышления. Непосредственно же Вернадский исходил из концепций своего учителя, В.В. Докучаева (1846-1903), которые на основе своих исследований строения почв значительно углубил существовавшее и ранее учение о зональной структуре биосферы и области человеческого обитания на Земле (ойкумены), стал разрабатывать новые глобальные обобщения, получившие с двадцатых годов мировое признание. Прежде всего, Вернадский углубил учение Зюсса о биосфере, показав, что ее компоненты - атмосферный, гидросферный и литосферный (биосферы частично перекрывается с литосферой, т.е. земной корой, а именно с ее верхней частью) - непрерывно обмениваются потоками вещества и энергии (так называемые биогеохимические циклы миграции вещества и энергии).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8