Раздел III. Биология в современном естествознании. Познавательное и мировоззренческое значение биологии.

Тема12. Феномен жизни с точки зрения биологии.

Проблема происхождения жизни.  «Белковая» гипотеза и её недостатки. Как считал американский генетик Герман Меллер (1890 - 1967): жизнь возникла в форме гена – элементарной единицы наследственности – путём случайного сочетания атомных групп и молекул, встречавшихся в водах первичного океана (не пользуется признанием). С появлением союза биохимии и генетики появилась гипотеза Уотсона-Крика (1953), объясняющая каким образом информация записывается в молекуле ДНК заключённую в белковую оболочку. План молекулы ДНК не может быть случайным, а огромное количество информации не возникает внезапно. Источником эволюции может быть только информация, а не вещество. Предположительно первыми организмами были РНК, имевшие информационный план, причём без обязательной его трансляции. Но для нормального развития необходим мощный катализатор.

А.И. Опарин о роли химической эволюции в происхождении жизни. Теория Опарина включает разработку эволюции процессов обмена веществ. Он считал, что механизм запасения солнечной энергии с помощью хлорофилла достаточно сложен и не мог возникнуть быстро, как и процесс окисления некоторых неорганических соединений, например, серы или железа, используемый некоторыми организмами для биосинтеза.

Концепция «генобиоза». Уникальность РНК как информационной молекулы. Участок цепи ДНК, ответственный за синтез одной белковой цепи, называется структурным геном.  Гены управляют синтезом белков, составляющих протоплазму, переключаясь, время от времени с построения собственной копии (аутокатализ) на построение иных молекул (гетерокатализ). Генетическая информация содержится в наборе генов, которые контролируют синтез соединений, обеспечивающих удвоение ДНК при определённых условиях. Генетическая информация, или совокупность генов, регулирует целенаправленную деятельность любой живой клетки через последовательность расположения оснований. РНК синтезирует на ДНК. Матричные мРНК передают инструкции (информацию) рибосомам (внутриклеточным частицам сост. из рибосомной РНК и белков), отвечающим за синтез клеточного белка. Транспортные тРНК доставляют аминокислоты к рибосомам.

Тема 13. Молекулярно - генетический уровень описания в биологии.

Расшифровка структурной организации генетического материала Ф. Жакобом и Ж. Моно. Два французских учёных из института Пастера изучали механизм регуляции генной активности (Н.П.65г.). По теории Жакоба и Моно, в ДНК кроме структурных генов, несущих информацию о процессах биосинтеза, есть гены-операторы и гены-регуляторы. Последние кодируют синтез специфического вещества – репрессора (ограничивающий, сдерживающий), который присоединяется к гену-оператору и может регулировать работу структурного гена, отвечающего за синтез белка, вплоть до прекращения процесса синтеза. Но, если в клетку попадает вещество, называемое индуктором, то репрессор соединяется с ним, освобождая ген-оператор. Начинается синтез информационной РНК, которая служит матрицей для производства белка.  После того, как вещество-индуктор израсходуется, репрессор, непрерывно воспроизводимый геном-редуктором, связывается вновь с геном-оператором – и цикл повторяется. Так работает обратная связь на молекулярном уровне.

Гипотеза Уотсона и Крика, поясняющая механизм саморепликации ДНК. Уотсон и Крик в своей статье о расшифровке структуры ДНК (1953г.) отметили, что такая структура хорошо объясняет  и процесс «воспроизводства» этой молекулы. Т.е. при рассоединении цепей возможно присоединение новых нуклеотидов к каждой из них, тогда около каждой старой возникает новая цепь, точно ей соответствующая (Н.П.62г.). Происходит своеобразное деление на два, что очень удовлетворило биологов, т.к. и клетки и, и хромосомы воспроизводятся путём деления на два.

Современные достижения и возможности генной инженерии. Генная инженерия, раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием in vitro  новых комбинаций генетического материала, способного размножаться в клетке хозяине и синтезировать конечные продукты обмена. На основе генной инженерии возникла отрасль фарм. пром., названная «индустрией ДНК» и представляющая собой одну из современных ветвей биотехнологии. Произведён инсулин человека (хумулин). В 1981г. процесс выделения генов и получение из них различных цепей был автоматизирован. Генная инженерия в сочетании с микроэлектроникой предвещают возможности управлять живой материей почти так же, как научились управлять неживой.

Тема 14. Онтогенетические и популяционно-биоценотические уровни описания в биологии.

Определение онтогенеза. Сфера онтогенетического уровня организации живого. Онтогенез (от греч. on,  ontos  - сущее и генез), онтогения, индивидуальное развитие особи, вся совокупность её преобразований от зарождения (оплодотворение яйцеклетки, начало самостоятельной жизни органа вегетативного размножения или деление материнской одноклеточной особи) до конца жизни (смерть или новое деление особи). Согласно современным представлениям, в клетке, с которой начинается онтогенез, заложена определённая программа дальнейшего развития организма в виде кода наследственной информации. Эта программа реализуется при О. между ядром и цитоплазмой в каждой клетке зародыша, между разными её клетками и между клеточными комплексами.

Понятие «трофическая цепь». Типы трофии.  Трофическая цепь, пищевая цепь, цепь питания, взаимоотношения между организмами, через которые в экосистеме происходит трансформация вещества и энергии; группы особей (бактерии, грибы, растения и животные), связанные друг с другом отношением пища-потребитель. Существует два основных типа трофической цепи – пастбищные и детритные. В пастбищной Т. ц. (цепь выедания) основу составляют автотрофные организмы, затем идут потребляющие их растительноядные животные (т.е. зоопланктон, питающийся фитопланктоном), потом хищники (консументы) 1-го порядка (пр. рыбы, потребляющие зоопланктон), хищн. 2-го порядка (пр. судак, питающийся др. рыбами) и т.д. В детритных Т. ц. (цепи разложения), наиболее распространённых в лесах, где большинство продукции растений не потребляется растительными животными, а отмирает, подвергаясь разложению сапротрофными организмами и минерализации. Трофический уровень – организмы, объединённые типом питания.

Понятие «биоценоз». Проблема метаболического взаимодействия на популяционно-биоценотическом уровне. Ценоз (общий) – любое сообщество организмов (биоценоз) – фитоценоз, микробоценоз, зооценоз. Биоценоз – совокупность животных, растений, грибов и микроорганизмов, совместно населяющих (проживающих) участок суши или водоёма. Биоценоз – составная часть биогеоценоза. Различают: пространственную структуру Б. – размещен. разн. видов друг относительно друга в пространстве (ярусность леса); видовую структуру Б. – определяемую видовым составом его населения и соотношением численностей (биомасс) и трофическую (пищевую) структуру, основу которой составляют переплетающиеся трофические цепи. Структура Б. Устойчива во времени (гомеостаз) за счёт взаимодействующих всех его компонентов. Метаболизм – обмен веществ. Обе стороны метаболизма – анаболизм и катаболизм – тесно взаимосвязаны во времени и пространстве (анаболизм – реакция М., приводящая к биосинтезу сложных соединений из более простых (использование энергии), а катаболизм – ферментивное расщепление сложных соединений на более простые (запас свободной энергии системы уменьшается)). В Б. существуют связи, основанные на том, что одни организмы становятся субстратом для других; создают для других необходимый микроклимат; обеспечивают нормальное размножение организмов (опыление насекомыми) или их расселение (распространение семян кедра белками).          

Тема 15. Биосферный уровень описания в биологии.

Логика перехода от понятий «биоценоз» и «биогеоценоз» к понятиям «экосистема» и «биосфера». Экосистемы могут иметь произвольные границы (от капли воды до биосферы в целом), в то время как биогеоценоз всегда занимает определённую территорию. Биосфера – оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяется совокупной деятельностью живых организмов (Вверх – 20-25 км. Вниз суши – 2-3 км., ниже дна океана – 1-2 км.).

Идея «живого вещества» – центральная идея учения В.И. Вернадского. Заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит Вернадскому, на которого большое воздействие оказали работы В.В. Докучаева о почве как о естественноисторическом теле. Основы учения изложены в книге «Биосфера» (1926г.). Область жизни – организмы и среда их обитания. Центральное звено в концепции – представление о живом веществе. «Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, её определяющей. Для того, чтобы в этом убедиться, мы должны выразить живые организмы как нечто целое и единое. Так выраженные организмы представляют живое вещество, т.е. совокупность всех живых организмов, в данный момент существующих, численно выраженное в элементарном химическом составе, в весе, в энергии. Оно связано с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием, питанием и размножением.» («Химическое строение…», стр. 52.).

Математическое моделирование экосистем. Имитационная система биосферы. Имитационное моделирование экологических процессов. С появлением понятий биоценоза и биогеоценоза в биологических исследованиях стали применять методы математического моделирования. В математическом моделировании рассматриваются ситуации: конкуренция – сосуществование; хищник – жертва; симбиоз. Очень сложно моделировать гидробиоценоз из-за его многообразия (акватроны). Для моделирование биоценозов с учётом экологических процессов и возникающих перед человечеством проблем строятся глобальные модели экологии, рассчитанные на работу больших ЭВМ. В ВЦ АН СССР с 80-х г. рассмотрение задачи было разбито на три блока: климата, биоты и человеческой деятельности.  

Тема 16. Эволюционная парадигма в науке. Эволюционная биология.

Истоки эволюционизма в биологии. Ч. Дарвин о естественном отборе, наследственности и изменчивости. Три типа изменчивости. Согласно креационизму ( лат. creative - творческий) – событие можно вычислить. В 1650г. архиепископ Ашер из Ирландии – Бог сотворил мир в октябре 4004г. до н.э., а в 9 часов утра 23 октября и человека (анализ Библии). Теория спонтанного зарождения жизни (Вавилон, Египет, Китай) восходит к Эмпидоклу и Аристотелю – частица вещества содержит «активное начало». Платон – самозарождение существ из земли в процессе гниения. Теория вечного существования жизни. Теория панспермии – перенос Жизни во вселенной (Либих, Кельвин, Гельмгольц). Метеоритные родоначальники жизни. В 1975г. в лунном грунте найдены предшественники аминокислот. Эволюционизм живой материи аналогичен всем остальным процессам (К.А. Тимирязев). Коацерватная  (собранный, накопленный) гипотеза Опарина – решающая роль отводиться белкам. Циклы эволюционных скачков (случайностей) в хим. процессах при появлении белка (Эйген 1971г.).Телеологический способ мышления – целенаправленность эволюции материи и происхождения человека (Опарин, Орлов, Т. де Шарден). Ч Дарвин с позиции материалистической эволюции орг. жизни объяснил эволюционные процессы (влияние геол. эвол. земли Ч.Лайеля) «Происхождение видов путём естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь»(1859). Дарвин выделил два осн. формы изменчивости: неопределённая (главн.) и определённая. Следствиями естественного отбора являются видообразование (с адаптацией), дивергенция, прогрессивная эволюция. При изменении генотипа (генный отпечаток - наследственность) говорят о генотипической изменчивости.

Понятие микроэволюции и макроэволюции. Главная проблема макроэволюции. Биологическая эволюция и глобальный эволюционизм. Микроэволюция, совокупность эволюционных процессов, протекающих в популяциях вида и приводящих к изменениям генофондов этих популяций и образованию новых видов (происходит на основе мутационной изменчивости под контролем естественного отбора). Макроэволюция, эволюционные преобразования, ведущие к образованию таксонов более высокого ранга, чем вид (родов. семейств, отрядов, классов и т.д.). Это интегрированное выражение микроэволюции. Макроэволюция не имеет специфических механизмов. Биологическая эволюция на основе макроэволюционных процессов характеризует общие тенденции, направления и закономерности эволюции органического мира.

Современная геохронологическая шкала. Роль геохронологии в обосновании достоверности эволюционного процесса. Понятие глобального эволюционизма. Геохронологическая шкала, шкала геол. времени, показывающая последовательность и соподчинённость этапов развития земной коры и ограничения мира Земли. Последовательность отложений отражается в т.н. стратиграфической шкале (Эон (эонотема), Эра (эрамема), Период (система), Эпоха (отдел), ярусы и изотопные датировки млн. лет, определяют её разделы). Общая стратиграфическая шкала и соответствующая ей геологическая шкала последнего отрезка истории земли – фанерозоя (моложе 570 млн. л.) была утверждена на Международном геологическом конгрессе в Болонье в 1881 г. Относительная геохронология определяет возраст по относительному возрасту горных пород и окаменелым остаткам (палеонтологическая летопись). Изотопная Г.ш. устанавливает возраст горных пород в единицах астрономического времени. Эволюция (биоэволюция – 3,5 млрд. лет) после кембрийского взрыва формообразования (570 млн. лет) снизилась, но идёт быстрое приспособляемость к новым факторам среды.

Раздел IV. Пути синтеза естественных наук и необходимость взаимосвязи естественнонаучного и гуманитарного знаний.

Тема 17. Пути синтеза естественных наук.

Единство на основе генезиса. Универсальный эволюционный подход. Понятие «нового эволюционного синтеза». Современная эволюционная теория часто называется «синтетической теорией эволюции». Она объединяет данные генетики, палеонтологии, молекулярной биологии, экологии, этологии (поведение животных). Хотя не создано пока твёрдо установленных законов эволюции, но есть подкреплённые опытными фактами гипотезы, составляющие в совокупности теорию.

Основные принципы синергетики, снимающие границы между живой и неживой природой. Принцип кооперации фундаментальных наук и их методов. Основным принципом синергетики является принцип подчинения, когда система находящаяся в процессе временной эволюции, переходя из одного состояния в другое новое состояние, у неё не все параметры состояния имеют одинаковое значение. Быстрые переменные (параметры) можно выразить через медленные, которые называются параметрами порядка (функции параметров порядка), в результате чего количество параметров уменьшается. 

Роль антропного принципа в объединении естественных наук. Глобальный эволюционизм и антропный принцип. Эволюционное развитие представляет собой систему, в которую непосредственно включен и человек. Историю человечества можно описать как переходы от порядка к хаосу и от хаоса к порядку через организм самоорганизации. Как и в любой неравновесной системе, эти переходы совершаются через точки бифуркации, вблизи которых развитие становится не предсказуемым. Возрастает роль коллективных взаимодействий, в том числе и в науке, что открывает новые возможности познания мира и самого человека.

Тема 18. Необходимость привлечения гуманитарного знания для осмысления естественно научной картины мира.

Причины неизбежности включения человека в целостную картину мироздания. Природная и сверхприродная (культурная) сущность человека. Представление о единстве человека и природы получили термин русского космизма. Это новая мораль и особая ответственность человека перед окружающей природой и Вселенной (И.В. Кирееевский, Н.Ф. Фёдоров, Ф.М. Достоевкий, Л.Н. Толстой, И.М. Сеченов, Д.И. Мендилеев, К.Э. Циолковский, В.И. Вернадский). Существуют теории, которые говорят о единстве всего механизма Вселенной и важности её каждого отдельного компонента. Антропоцентрический подход отвергает исключительность жизни на Земле и соглашается с мыслями Джордано Бруна о множественности обитаемых миров.

Естествознание и современная религия. Влияние религиозных принципов и исходные принципы естественнонаучного мировоззрения.  Сейчас проблемы науки и религии не противопоставляют друг другу, как ранее. Наука объяснила появление мира после Большого Взрыва, начиная с 10-3  с. Известны законы её эволюции, но никто не может судить, что было до Взрыва, который толкуется, как создание мира его Творцом. «Религия – это признание человеком некой невидимой высшей силы, осуществляющей контроль над его судьбой и имеющей право требовать подчинения, почтения и поклонения» (Оксфордский словарь). В странах Востока учёные считают, что перекосы допущенные на Западе и открытия современной физики (квантовой теории) предлагают человечеству «два пути: первый ведёт к Будде, второй – к бомбе; учёный должен сделать выбор». 

Естествознание и философия. Проблема методологической обоснованности естествознания и роль философии в решении этой проблемы. Роль диалектики в построении универсальной эволюционной модели. Философия русского космизма сыграла роль в стремлении освоения воздушного и космического пространства и достижении всемирных успехов на этом пути. Когда наука заходит в тупик, проявляется связь времён и пытливые умы оборачиваются к мыслям древних философов. Покорение природы через использование научной мысли ведёт к гибели человечества. Проблемы глобальны, и только одними технологиями и естественнонаучными исследованиями их не решить. Известный философ К. Поппер (Лондонская школа экономики) говорил, что все теории имеют временную силу – их правильность никогда не может быть доказана, можно доказать только их неправильность. Считается, что только немногие учёные могут приблизиться к истине в порядке исключения. Философы утверждают, что наука далека от того, чтобы всё в ней было истинно, поэтому по отношению к ней возрастает скептицизм, по крайней мере, в отношении её служения познанию природы. В наше время укрепляется представление, что мы живём в бесконечно таинственной и бесконечно познаваемой Вселенной, ибо решение каждого вопроса влечёт за собой много новых вопросов.