Общая биология представляет собой интегрирующую науку. Она объединяет все биологические науки на теоретическом и практическом уровнях. Общая биология изучает закономерности жизни на всех уровнях ее организации, механизмы биологических процессов и явлений, пути развития органического мира и его рациональное использование. Общая биология также играет объединяющую роль в системе знаний о живой природе, поскольку в ней систематизируются ранее изученные факты, совокупность которых позволяет выявить основные закономерности органического мира.
Целью общей биологии является осуществление разумного использования, охрана и воспроизведение природы.
Методы изучения, используемые в общей биологии
Общая биология как наука активно использует методы других наук, которые позволяют изучать и решать поставленные задачи. Существует следующая классификация методов изучения, которыми пользуется общая биология:
Палеонтологический метод, или морфологический метод изучения. Данный метод основан на том, что глубокое внутренне сходство организмов может показать родство сравниваемых форм (гомология, аналогия органов, рудиментарные органы и атавизмы).
Сравнительно-эмбриологический метод изучения. Этот метод заключается в выявлении зародышевого сходства.
Комплексный метод изучения представляет собой метод тройного параллелизма.
Биогеографический метод изучения позволяет проанализировать общий ход эволюционного процесса в самых разных масштабах (сравнивание флор и фаун, особенности распространения близких форм, изучение реликтовых форм).
Популяционный метод изучения характеризуется способностью улавливать направления естественного отбора по изменению распределения значений признака в популяциях на разных стадиях ее существования или при сравнении разных популяций.
Иммунологический метод исследования позволяет с большой степенью точности выявить «кровное родство» разных групп.
Генетический метод изучения заключается в определении генетической совместимости сравниваемых форм и степени их родства.
Паразитологический метод изучения. Доказано, что эволюция паразитов и хозяев протекает сопряжено, а в некоторых группах паразиты оказываются специфическими для видов, родов и семейств. Поэтому по присутствию определенных паразитов порой можно с большой точностью судить о филогенетических связях видов – хозяев этих паразитов.
Связь общей биологии с естественными и другими науками
Современная общая биология связана в различных аспектах с другими науками, такими как медицина, ветеринария, экология, сельскохозяйственные и лесоводческие науки, биотехнология, охрана окружающей среды, а также с физикой, химией, математикой и, информатикой.
Существует такие прикладные области использования знаний общей биологии, как биотехнология, генная и клеточная инженерия.
Биотехнология представляет собой прикладную отрасль, в которой происходит производственное использование биологических агентов (микроорганизмы, растительные клетки, животные клетки, части клеток – клеточные мембраны, рибосомы, митохондрии, хлоропласты) для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений. В биотехнологических процессах также используются такие биологические макромолекулы, как рибонуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) и белки – чаще всего ферменты. ДНК или РНК необходима для переноса чужеродных генов в клетки. Основной задачей современной биотехнологии является создание новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов, имеющих хозяйственно ценные признаки, стабильно передающиеся по наследству.
Генная инженерия заключается в использовании совокупности приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы. Генная инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии, используя методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология.
Клеточная инженерия представляет собой прикладную отрасль науки, благодаря которой осуществляется конструирование клеток нового типа. С использованием клеточной инженерии из отдельных клеток получают целые, нормально развитые организмы с применением методов клеточной селекции и соматической гибридизации. Например, с помощью метода клеточной селекции можно выделить лишь одну клетку, размножить ее и прорастить в питательной среде, в результате чего можно получить большое количество растений.
Практическое значение общей биологии
Основы общей биологии широко применяются в медицине для изучения и борьбы с инфекциями и паразитическими заболеваниями; в биотехнологии для биосинтеза белков, антибиотиков, витаминов и гормонов; в сельском хозяйстве для селекции высокопродуктивных пород животных и сортов растений и микроорганизмов; в охране природы для разработки и внедрения методов рационального и рачительного природоиспользования.
Значение биологии для медицины
Отечественный врач Давыдовский И.В. писал: «Медицина, взятая в плане теории – это прежде всего общая биология». Например, исследование Л. Пастера (1862 г.), доказавшие невозможность самопроизвольного зарождения жизни в современных условиях, позволило сделать открытие микробного происхождения процессов гниения и брожения. Это произвело значительный переворот в медицине и обеспечило развитие хирургии. В практику хирургов вошли антисептика (предохранение химическими веществами ран от заражения), а затем асептика (стерилизация предметов, соприкасающихся с раной). И.И. Мечников, изучая пищеварение у низших многоклеточных животных, открыл явление фагоцитоза, что затем способствовало появлению понятия «иммунитет». Исследования И.И. Мечникова о межвидовой борьбы у микроорганизмов явились предпосылкой открытия антибиотиков, роль которых в медицине переоценить невозможно. Советский исследователь Б.П. Токин открыл у растений летучие вещества – фитонциды, нашедшие широкое применение в медицине. Открытия общей генетики способствовали дальнейшему развитию медицинской генетики. Исследования в области экологии паразитов позволили врачам успешно бороться с инфекционными и инвазионными заболеваниями человека.
В настоящее время знания общей биологии успешно применяются в молочной, мясной и рыбной промышленностях.
ПОНЯТИЕ О ЖИЗНИ
Одно из определений понятия «жизнь» более 100 лет назад дал Ф. Энгельс (1898 г.). Согласно его определению, «жизнь есть способ существования белковых тел, при этом непременным условием жизни является постоянный обмен веществ, с прекращением которого прекращается и жизнь».
В то же время, согласно определению понятия «жизнь» по М.В. Волькенштейну (1965 г.), «жизнь – это живые тела, существующие на Земле, которые представляют собой открытые саморегулирующие и самовоспроизводящие системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».
По современным представлениям, жизнь – это способ существования открытых коллоидных систем, обладающих свойствами саморегуляции, воспроизведения и развития на основе геохимического взаимодействия белков, нуклеиновых кислот других соединений вследствие преобразования веществ и энергии из внешней среды.
Жизнь возникает и протекает в виде высокоорганизованных целостных биологических систем. Биосистемами являются организмы, их структурные единицы (клетки, молекулы), виды, популяции, биогеоценозы и биосфера.
Свойства и признаки живых систем
Упорядоченность. Все биосистемы характеризуются высокой упорядоченностью, которая может поддерживаться только благодаря протекающим в них процессам.
Клеточное строение. Все живые организмы имеют клеточное строение, за исключением вирусов.
Метаболизм. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее вещества, необходимые для питания и дыхания, и выделяя продукты жизнедеятельности.
Репродукция, или самовоспроизведение. Этот процесс определяет способность живых систем воспроизводить себе подобных.
Наследственность. Данное свойство заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение.
Изменчивость. Это способность организмов приобретать новые признаки и свойства за счет изменения биологических матриц – молекул ДНК.
Рост и развитие. Рост – процесс, в результате которого происходит изменение размеров организма (за счет роста и деления клеток). Развитие – процесс, в результате которого происходит качественное изменение организма.
Приспособленность. Это соответствие между особенностями биосистем и свойствами среды, с которой они взаимодействуют.
Раздражимость. Способность живых организмов избирательно реагировать на внешние или внутренние воздействия. Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществляется через посредство нервной системы и называется рефлексом.
Дискретность. Отдельный организм или иная биологическая система (вид, биоценоз др.) состоит из отдельных изолированных, т. е. обособленных или отграниченных в пространстве, но, тем не менее, связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство.
Авторегуляция. Это способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов – гомеостаз.
Ритмичность. В биологии под ритмичностью понимают периодические изменения интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия).
Энергозависимость. Живые тела представляют собой «открытые» для поступления энергии системы. Под «открытыми» системами понимают динамические, т. е. не находящиеся в состоянии покоя системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне.
Целостность. Вся живая материя определенным образом организована, подчинена ряду специфических законов, характерных для неё.
Уровни организации живых систем
Молекулярный уровень. Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, состоит из биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ.
Клеточный уровень. Клетка – структурная и функциональная единица, а также единица развития всех живых организмов, обитающих на Земле. На клеточном уровне сопрягаются передача информации и превращение веществ и энергии.
Организменный уровень. Элементарной единицей организменного уровня служит особь, которая рассматривается в развитии – от момента зарождения до прекращения существования – как живая система. На этом уровне возникают системы органов, специализированных для выполнения различных функций.
Популяционно-видовой уровень. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, в которой создается популяция – надорганизменная система. В этой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования – процесс микроэволюции.
Биогеоценотический уровень. Биогеоценоз – совокупность организмов разных видов и различной сложности организации с факторами среды их обитания.
Биосферный уровень. Биосфера – совокупность всех биогеоценозов, система, охватывающая все явления жизни на нашей планете.
Структурно-иерархический принцип организации живых систем
Система – множество однородных или разнородных отдельностей, находящихся в более прочных, чем с окружающей средой, отношениях и связях друг с другом, и поэтому образующих некую целостность. Согласно определению автора учения о функциональных системах П.К. Анохина, «системой можно назвать только такой комплекс избирательно вовлеченных компонентов, у которых взаимодействие приобретает характер взаимосодействия компонентов на получение фокусированного полезного результата». Природные системы чаще всего организованы по иерархическому принципу построения. По определению Дж. Николиса (1989 г.), «иерархическая система представляет собой ансамбль взаимодействующих частей, который состоит из последовательно вложенных одна в другую взаимодействующих субъединиц». Иерархия природных систем – соподчинение функциональных и структурных систем Вселенной, при котором меньшие подсистемы составляют бóльшие системы, сами являющиеся подсистемами более крупных систем.
Любая природная система составлена естественными структурами и образованиями (подсистемами), группирующимися в функциональные компоненты на высших уровнях иерархической организации.
Структурные уровни и функциональные ряды в организации систем природы
Природные системы образуют четыре функциональных ряда, выделенных по функциональному критерию эволюции. Каждый ряд подразделен на уровни по принципу вложения.
Живые компоненты представлены во втором функциональном ряду (в качестве обязательных наряду с неживыми) и в третьем ряду (как целостные системы)
Современная (синтетическая) теория эволюции
Теория Ч. Дарвина – А.Р. Уоллеса в 20-м веке была значительно расширена и разработана в свете современных данных генетики (которая во времена Ч. Дарвина ещё не существовала), палеонтологии, молекулярной биологии, экологии, этологии (науки о поведении животных) и получила название неодарвинизма или синтетической теории эволюции.
Новая, синтетическая теория эволюции представляет собой синтез основных эволюционных идей Ч. Дарвина, прежде всего, его идей о роли естественного отбора, в сочетании с новыми результатами биологических исследований в области наследственности и изменчивости.
Современная теория эволюции имеет следующие особенности:
она ясно выделяет элементарную структуру, с которой начинается эволюция – это популяция;
выделяет элементарное явление (процесс) эволюции – устойчивое изменение генотипа популяции;
шире и глубже истолковывает факторы и движущие силы эволюции;
четко разграничивает микроэволюцию и макроэволюцию (впервые эти термины были введены в 1927 г. Ю.А. Филипченко, а дальнейшее их уточнение и развитие получили в трудах выдающегося биолога-генетика Н.В. Тимофеева-Ресовского).
Микроэволюция – это совокупность эволюционных изменений, происходящих в генофондах популяций за сравнительно небольшой период времени и приводящих к образованию новых видов.
Макроэволюция связана с эволюционными преобразованиями за длительный исторический период, которые приводят к возникновению надвидовых форм организации живого.
Изменения, изучаемые в рамках микроэволюции, доступны непосредственному наблюдению, тогда как макроэволюция происходит на протяжении длительного периода времени, и её процесс может быть только реконструирован и мысленно воссоздан. Как микро- так и макроэволюция происходят, в конечном итоге, под влиянием изменений в окружающей среде.
Важнейшими аргументами в пользу эволюционной теории является так называемая палеонтологическая летопись, т.е. обнаруживаемые ископаемые формы живых организмов и биогенетический закон Геккеля («онтогенез повторяет филогенез»).
Основные законы эволюции
Многочисленные исследования, проведенные в рамках вышеупомянутых наук, позволили сформулировать следующие основные законы эволюции.
Скорость эволюции в разные периоды неодинакова и характеризуется тенденцией ускорения. В настоящее время она протекает быстро, и это отмечается появлением новых форм и вымиранием многих старых;
Эволюция различных организмов происходит с разной скоростью;
Эволюция не всегда идет от простого к сложному. Существуют примеры «регрессивной» эволюции, когда сложная форма давала начало более простым (некоторые группы организмов, например, бактерии, сохранились только благодаря упрощению своей организации);
Эволюция затрагивает популяции, а не отдельные особи и происходит в результате мутаций, естественного отбора и дрейфа генов.
Последнее весьма важно для понимания различия между дарвиновской теории эволюции и современной теорией (неодарвинизмом).
Основные факторы эволюции
Современная теория эволюции, обобщая данные многочисленных биологических исследований, позволила сформулировать основные факторы и движущие силы эволюции. Первым важнейшим фактором эволюции является мутационный процесс, который исходит из признания факта, что основную массу эволюционного материала составляют различные формы мутаций, т.е. изменений наследственных свойств организмов, возникающих естественным путем или вызываемых искусственно. Второй важнейший фактор представляет собой популяционные волны, часто называемые
«волнами жизни». Они определяют количественные флуктуации (отклонения от среднего значения) численности организмов в популяции, а также области её обитания (ареала). Третьим основным фактором эволюции признается обособленность группы организмов.
К перечисленным основным факторам эволюции добавляют такие как частота смены поколений в популяции, темпы и характер мутационных процессов и др. Важно помнить, что все перечисленные факторы выступают выступают не изолированно, а во взаимосвязи и взаимодействии друг с другом. Все эти факторы являются необходимыми, однако, сами по себе они не объясняют механизма эволюционного процесса и его движущей силы.
Движущая сила эволюции заключается в действии естественного отбора, который является результатом взаимодействия популяций и окружающей среды. Результатом же самого естественного отбора является устранение от размножения (элиминация) отдельных организмов, популяций, видов и других уровней организации живых систем. Следует иметь в виду, что трактовка естественного отбора как процесса выживания сильнейших, наиболее приспособленных некорректна, так как, с одной стороны, в ряде случаев бессмысленно говорить о большей или меньшей приспособленности, с другой – даже при явно меньшей степени приспособленности, допускается возможность размножения.
Формы естественного отбора
Естественный отбор в процессе эволюции принимает различные формы. Можно выделить три основных формы естественного отбора: стабилизирующий отбор, движущий отбор и дизруптивный отбор.
Стабилизирующий отбор – это форма естественного отбора, направленная на поддержание и повышение устойчивости реализации в популяции среднего, ранее сложившегося признака или свойства. При стабилизирующем отборе преимущество в размножении получают особи со средним выражением признака. Эта форма отбора как бы охраняет и усиливает новый признак, устраняя от размножения все особи, фенотипически заметно уклоняющиеся в ту или другую сторону от сложившейся нормы.
Упомянутое ранее биохимическое единство жизни на Земле - это один из результатов стабилизирующего отбора. Действительно, аминокислотный состав низших позвоночных и человека почти один и тот же. Биохимические основы жизни оказались надежными для воспроизведения организмов независимо от уровня их организации.
Стабилизирующий отбор в течение миллионов поколений оберегает сложившиеся виды от существенных изменений, от разрушающего действия мутационного процесса, выбраковывая уклонения от приспособительной нормы. Эта форма отбора действует до тех пор, пока не изменяются существенно условия жизни, в которых выработаны данные признаки или свойства вида.
Движущий (направленный) отбор – это отбор, способствующий сдвигу среднего значения признака или свойства. Такой отбор способствует закреплению новой нормы взамен старой, пришедшей в несоответствие с изменившимися условиями. Результатом такого отбора является, например, утрата некоторого признака. Так в условиях функциональной непригодности органа или его части естественный отбор способствует их редукции, т.е. уменьшению или исчезновению.
Дизруптивный (разрывающий) отбор – это форма отбора, благоприятствующая более чем одному фенотипу, и действующая против средних, промежуточных форм. Эта форма отбора проявляется в тех случаях, когда ни одна из групп генотипов не получает абсолютного преимущества в борьбе за существование из-за разнообразия условий, одновременно встречающихся на одной территории. В одних условиях отбирается одно качество признака, в других – другое. Дизруптивный отбор направлен против особей со средним, промежуточным характером признаков и ведет к установлению полиморфизма, т.е. множества форм в пределах одной популяции, которая как бы «разрывается» на части.
Некоторые современные исследователи справедливо полагают, что синтетическая теория эволюции не является достаточно всеобъемлющей моделью развития жизни и разрабатывают системную теорию эволюции, в которой подчеркивается следующее:
Эволюция протекает в открытых системах, и необходим учет взаимодействия биосферных геологических и космических процессов, которое, по-видимому, дает импульс для развития живых систем. Значительные события из истории жизни должны, таким образом, рассматриваться в связи с развитием планеты.
Эволюционные импульсы распространяются от высших системных уровней к низшим: от биосферы к экосистемам, сообществам, популяциям, организмам, геномам. Прослеживание причинно-следственных связей не только «снизу вверх» (от генных мутаций к популяционным процессам), как это свойственно традиционному подходу, но и «сверху вниз», позволяет не уповать всякий раз на случайность при построении модели эволюции.
Характер эволюции изменяется с течением времени, т.е. эволюционирует сама эволюция. При этом, значение тех или иных признаков приспособленности и неприспособленности, по которым осуществляется естественный отбор, в процессе эволюции и биологического прогресса падает или возрастает, как, например, роль индивидуального развития, роль индивида в историческом развитии.
Направленность эволюции определяется системными свойствами, задающими её цель, что позволяет нам понять смысл биологического прогресса. Действительно, в живых системах стационарное состояние соответствует минимальному производству энтропии. Физический смысл производства энтропии применительно к живым системам заключается в отмирании живой материи в форме гибели организмов, т.е. образованию мертвой массы («мортмассы»), и производство энтропии тем выше, чем выше отношение мортмассы к биомассе. Это отношение падает при движении по эволюционной лестнице от простых организмов к сложным. Согласно теореме И. Пригожина, в открытых системах стационарное состояние соответствует минимуму производства энтропии. Такие системы, следовательно, имеют цель, определенное состояние, к которому они стремятся. Это позволяет объяснить, почему эволюция не остановилась на уровне бактериальных сообществ, а продвинулась дальше по пути, который привел к появлению высших животных и человека.
Спасибо за внимание!
