Биология предмет,
задачи, значение, методы, концепции
ВВЕДЕНИЕ
Предмет и задачи биологии
Значение общей биологии
Методы биологии
Основные концепции современной биологии
ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ БИОЛОГИИ
Биология - совокупность наук о жизни, о живой природе (греч. bios -
жизнь, logos - учение). Современная биология - очень разнообразная
и развитая область естествознания. Различают ряд частных
биологических наук по объектам исследования, такие как зоология (о
животных), ботаника (о растениях), микробиология (о бактериях),
вирусология (о вирусах), и другие, еще более мелкие подразделения
(орнитология - о птицах, ихтиология - о рыбах, альгология - о
водорослях и т.д.). Другое подразделение биологических наук - по
уровням организации и свойствам живой материи: молекулярная
биология и биохимия (химические основы жизни), генетика
(наследственность), цитология (клеточный уровень), эмбриология,
биология развития (индивидуальное развитие организмов), анатомия и
физиология (строение и принципы функционирования организмов),
экология (взаимоотношения организмов с окружающей средой), теория
эволюции (историческое развитие живой природы).
Живой мир очень многообразен. Существует около 2 млн видов
животных, около 500 тыс. видов растений, сотни тысяч грибов, тысячи
видов и еще больше штаммов (разновидностей) бактерий. Многие виды
еще не описаны. Структурная сложность, типы питания, жизненные
циклы, исторический возраст этих групп организмов очень сильно
различаются (сравните хотя бы организацию и образ жизни человека и
его домашних спутников - таракана, комнатного растения, микробов и
вирусов). Но все организмы должны иметь нечто общее, что отличало
бы их от неживой природы. Это - обмен веществ и энергии,
способность к размножению и развитию, изменчивость и адаптивная
эволюция. Выявлением и характеристикой этих общих свойств живых
организмов и их системных комплексов с неживой природой занимается
так называемая общая биология. По сути перед общей биологией стоит
задача познать сущность жизни, ответить на вопрос - что есть жизнь.
Именно эта общая концептуальная часть биологии предлагается в
современной модели гуманитарного образования. Для чего это
нужно?
ЗНАЧЕНИЕ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ
Теоретическое и гуманитарное значение общей биологии состоит прежде
всего в формировании материалистического мировоззрения. Основной
вопрос философии - о соотношении материи (бытия) и сознания - по
сути вопрос биологический. От выбора позиции (что первично -
материя или сознание) складывается либо материалистическое, либо
идеалистическое понимание природы и общества, формируются
принципиально разные подходы в пользовании объектами природы, в
оценке социальных явлений, в выработке политических стратегий. К
сожалению, многие политики и даже философы с необыкновенной
легкостью отдают свои предпочтения различным (часто просто модным)
идеалистическим построениям, порой даже не задаваясь вопросом о
том, что такое материя. Развитие реальной демократии и свободы
совести в нашей стране породили волну совершенно неосмысленного
обращения людей к мистике, астрологии и прочим маргинальным
проявлениям культуры. В то время как огромный массив накопленных
реальных научных знаний остается для большинства населения
неизвестным и невостребованным. Задачи средней школы в этом плане
выполняются с низкой эффективностью. Поэтому общее
естественнонаучное просвещение студентов гуманитарных
специальностей стало актуальной задачей современного образования
именно в плане становления научного мировоззрения.
Другая гуманитарная задача биологии состоит в формировании у
современного человека экологического мышления, суть которого
заключается в осознании себя частью природы и понимании
необходимости охранять и рационально использовать природные
ресурсы. Актуальность задачи несомненна, если учесть, что по
некоторым прогнозам нынешние темпы и технологии промышленного
освоения Земли уже через 50-100 лет приведут к необратимым
изменениям среды обитания человечества. Это означало бы постепенное
вымирание человека и большинства других объектов живой природы как
биологических видов (что случилось, например, с динозаврами) и, в
лучшем случае, замещение современных экологических сообществ
новыми, более приспособленными к измененной среде обитания. Таким
образом, понимание основ биологии и экологии необходимо каждому
человеку и в особенности его технократической, гуманитарной и
политической элите с целью сохранения и устойчивого развития
биосферы Земли.
Практическое значение биологии состоит в том, что она является
научной основой всех технологий производства продовольствия.
Возможности экстенсивного воспроизводства продуктов питания на
Земле практически исчерпаны. Целинные земли России и Казахстана,
освоенные в 50-е и 60-е годы нашего столетия, явились чуть ли не
последними резервами пахотных земель. Огромные площади ежегодно
выводятся из сельскохозяйственного использования в результате их
засоления, опустынивания, превращения в дно искусственных водоемов
при строительстве гидроэлектростанций. По этим причинам современное
сельское хозяйство обречено развиваться на основе интенсивных
технологий. Простое возделывание овощей или пшеницы, выращивание
скота, птицы и т.п. требует знания условий и динамики их
размножения и роста, особенностей минерального и органического
питания, совместимости с другими культурами, отношения к сорнякам,
паразитам, бактериям и вирусам, которыми буквально кишит наша общая
среда обитания. Особое значение в 20 веке приобрели методы
генетических модификаций и селекции объектов сельскохозяйственного
производства. Выведение новых пород животных и сортов растений,
приспособленных к конкретным местным условиям - давняя практика. Но
современная селекция не может базироваться на основе проб и ошибок,
она использует точные, математизированные законы генетики. В
процветающих фермерских хозяйствах США и других развитых стран
селекционно-генетическая работа столь же обычна и обязательна, как
и ежедневная уборка коровника или прополка грядок. Генетик здесь
одна из самых востребованных профессий. В последние годы быстрыми
темпами развиваются и новые биотехнологии, основанные на генной и
клеточной инженерии, клонировании, получении трансгенных (с
пересаженными генами), или генетически модифицированных (GM),
организмов. Освоенные вначале на бактериях, эти методы уже
используются для получения химерных животных и растений с заранее
спланированными свойствами. И хотя GM-технологии в растениеводстве
и животноводстве встречают у потребителей настороженный прием, по
сути речь идет о биотехнологической революции, о формировании новой
культуры и практики природопользования. И все эти вопросы находятся
в поле исследования современной биологии.
Совершенно особое гуманитарно-практическое значение имеет биология
как теоретическая основа медицины. Причины и механизмы большинства
патологий (болезней) кроются в нарушениях работы генов и их
продуктов - клеточных белков. Понять эти причины и механизмы -
значит наполовину решить и проблему их устранения или лечения
больного человека. Взаимодействие клеток с вирусами, сожительство с
бактериями, формирование иммунитета к новым и новым антигенам,
возникновение неконтролируемого ракового роста клеток, молекулярная
природа памяти, развитие наркозависимости, причины старения ... -
это огромный и нескончаемый перечень проблем, решаемых
сегодня медико-биологической наукой. Отдельной главой стоит
производство современных лекарств, в котором химики-фармацевты все
более уступают место молекулярно-клеточным биологам.
Геннно-клеточные инженерные технологии способны дать экологически и
генетически чистые лекарства, а пересаженные гены могут вообще
устранить хроническую болезнь, например, сахарный диабет.
В последние годы впрямую встала и проблема искусственного
производства человека. Искусственное оплодотворение (при
необходимости преодолеть мужское бесплодие) - давно и успешно
решаемая задача. Но появилась принципиально новая технология
зачатия и размножения путем клонирования потомства вообще без
мужских половых клеток. Пока это сделано на животных (в Японии с
1990 г. выводят клонированных коров, в Великобритании получена
знаменитая овечка по кличке Долли), но и в отношении человека
методических препятствий для клонирования уже нет. Зато возникает
масса чисто гуманитарных, этических и даже юридических проблем,
решать которые можно имея хотя бы общее понимание биологического
существа дела.
МЕТОДЫ БИОЛОГИИ
Говоря о методах науки в широком смысле, имеют в виду не конкретные
технологические приемы (методики), а методологические принципы,
подходы к изучению объектов, явлений, их связей. В общем методы
биологии те же, что и в других естественных науках.
Процесс научного познания принято разделять на две стадии:
эмпирическую и теоретическую. Это разделение не абсолютно, так как
эмпирическая стадия всегда развивается на основе
предсуществующих теорий или гипотез, а на теоретической стадии
обычно возникает необходимость в эмпирической проверке выдвигаемых
новых гипотез.
На эмпирической стадии используются следующие методы.
Наблюдение - изучение объектов живой природы в естественных
условиях существования. Это - непосредственное наблюдение (в
буквальном смысле) за поведением, расселением, размножением
животных и растений в природе, визуальное или инструментальное
определение характеристик организмов, их органов, клеток,
химический анализ состава и обмена веществ. Для этих целей в
современной биологии применяют как традиционные средства полевых
исследований - от бинокля до глубоководных аппаратов с
видеокамерами ночного видения, так и сложное лабораторное
оборудование - микроскопы, в том числе спектральные и электронные,
биохимические анализаторы, радиоактивные метки, ультрацентрифуги,
разнообразную измерительную аппаратуру.
Экспериментальный метод (опыт) предполагает исследования живых
объектов в условиях экстремального действия факторов среды -
измененной температуры, освещенности или влажности, повышенной
нагрузки, токсичности или радиоактивности, измененного режима или
места развития (удаление или пересадка генов, клеток, органов,
интродукция животных и растений, космические полеты и т.п.).
Экспериментальный метод позволяет выявить скрытые свойства,
потенции, пределы адаптивных (приспособительных) возможностей живых
систем, степень их гибкости, надежности, изменчивости.
Сравнительный (исторический) метод выявляет эволюционные
преобразования биологических видов и их сообществ. Сопоставляют
анатомическое строение, химический состав, структуру генов и другие
признаки у организмов разного уровня сложности. При этом
исследуются не только ныне живущие организмы, но и давно вымершие,
сохранившиеся в виде окаменелых останков в палеонтологической
летописи.
Любой из названных подходов требует количественного учета и
математического описания структур и явлений. Биология все более
становится точной наукой, хотя выявляемые в ней закономерности
носят обычно вероятностный характер и описываются методами
вариационной статистики. Это означает, что то или иное событие не
строго детерминировано (предопределено), а ожидается с той или иной
степенью вероятности. На основе выявляемых статистических
закономерностей можно осуществлять математическое моделирование
биологических процессов и прогноз их развития. Например, можно
построить модель состояния жизни в водоеме через энное время при
изменении одного, двух или более параметров (температуры,
концентрации солей, наличия хищников и др.). Такие приемы стали
возможны благодаря проникновению в биологию идей и принципов
кибернетики - науки об управлении.
Системный метод , как и кибернетический подход, относится к
категории новых междисциплинарных методов исследования. Живые
объекты рассматриваются как системы, то есть совокупности
элементов с определенными отношениями. С учетом иерархичности живых
систем каждый объект может рассматриваться одновременно как система
и как элемент системы более высокого порядка. Поэтому принципы
системной организации справедливы для всех уровней - от
макромолекул до биосферы Земли.
Широкое развитие системного движения в современной науке, в том
числе и в биологии, означает постепенный переход от анализа к
синтезу. Анализ - это дискретный подход, углубление в
структуру и функции отдельных элементов системы - внутри клетки,
внутри организма, внутри экологического сообщества. Синтез означает
интегративный подход, изучение целостных характеристик системы -
клетки, организма, биоценоза. Исследование всегда совершается
сначала от общего к частному - анализ, а потом от частного к
общему, но на новом уровне познания этого общего - синтез. С
аналитическим подходом в биологии связаны открытия химической и
микроструктурной организации живых объектов, выяснение видового
разнообразия среди животных, растений, микроорганизмов, выявление
генетической неоднородности организмов внутри популяций и другие
внутренние характеристики систем. Постепенно объем накопленных
аналитических данных становился достаточным для перехода к их
синтезу. Так возникли синтетическая теория эволюции,
нейро-гуморальная физиология, современная иммунология,
молекулярно-клеточная биология, новая мегасистематика организмов,
основанная на их комплексной характеристике - от экологии и
анатомии до молекулярной генетики. Решается актуальная задача
современного естествознания - создание целостной биологической
картины мира.
Повышение интереса к синтезу в науке свидетельствует о переходе от
эмпирической к теоретической стадии познания. От получения
фактов, через их обобщение начинается выдвижение новых гипотез,
далее обычно следует их повторная эмпирическая проверка (новые
наблюдения, эксперименты, сравнения, моделирования). Эмпирическая
проверка ведет либо к опровержению гипотезы, либо к ее
подтверждению с той или иной степенью вероятности. Высоко
достоверные гипотезы становятся законами, из них слагаются теории.
Но и эти законы, теории носят относительный характер, так как рано
или поздно могут быть пересмотрены.
Материал нашего пособия как раз и содержит такие общие
теоретические, концептуальные положения современной биологии, хотя
в определенной мере мы будем приводить и их эмпирические
обоснования. Для начала сформулируем эти положение в общем виде,
чтобы яснее были видны конечные цели и пути нашего экскурса в общую
биологию.
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ
Та или иная естественнонаучная концепция представляет некую
взаимосвязанную группу понятий, гипотез, теорий, объясняющих
какое-нибудь фундаментальное явление или свойство природы. Основные
биологические концепции объясняют феномен и свойства жизни. К
настоящему времени еще не сложилась какая-либо определенная система
биологических концепций. Разные авторы формулируют и комбинируют их
по-разному, хотя суть от этого обычно не страдает. Мы
предлагаем свой вариант из пяти концептуальных обобщений
современной биологии.
1. Концепция системной многоуровневой организации жизни: все живые
объекты являются системами разного уровня сложности. Биологические
системы образуют непрерывную иерархию уровней
структурно-функциональной
организации.
2. Концепция материальной сущности жизни: жизнь материальна, ее
физико-химическую основу составляет обмен веществ и энергии. В
философском смысле это означает первичность материи и вторичность
сознания (материализм).
3. Концепция биологической информации и самовоспроизведения жизни:
живые организмы воспроизводятся на основе собственной
(генетической) информации при взаимодействии с внешней
(эпигенетической) информацией. Результатом этого взаимодействия
является индивидуальное развитие организмов
(онтогенез).
4. Концепция саморегуляции живых систем: живые системы поддерживают
относительное постоянство своих внутренних связей и условий
функционирования (гомеостаз) на основе сочетания прямых
положительных и обратных отрицательных
связей.
5. Концепция самоорганизации и биологической эволюции: живой мир
возник в результате самоорганизации из неживых химических систем и
претерпевает необратимое историческое развитие (филогенез) на
основе наследственной изменчивости и естественного отбора популяций
организмов, наиболее приспособленных к меняющимся условиям
среды.
Предложенная схема не является перечнем биологических дисциплин и в
этом смысле не соответствует традиционному построению учебников по
обшей биологии (наиболее типичный план включает последовательно
главы по биохимии и молекулярной биологии, цитологии, биологии
индивидуального развития, генетике, теории эволюции, экологии).
Формулируя концепции, мы использовали синтетический подход, хотя
некоторые из них базируются преимущественно на одной-двух ключевых
дисциплинах. Учащимся предлагается самим, используя общедоступную
учебную литературу и комбинируя информацию из разных глав, найти
дополнительный материал по предложенным концепциям современной
биологии.