Канке В.А., Лукашина Л.В. Концепция современного естествознания Теория и практика

включающие: 1) виды, 2) роды, 3) семейства, 4) порядки, 5) классы, 6) типы, 7) царства, 8) домены. Так, человек разумный (homo sapiens) в качестве вида принадлежит к роду людей, семейству гоминид, классу млекопитающих, типу хордовых, царству животных, домену эукариотов.

Домены представляют собой верхний уровень биологической систематики. Для них, естественно, характерна некоторая филогения (история развития). О ней дает представление изображенное на рис. 6.1 филогенетическое дерево, построенное на основании анализа рибосомных рибонуклеиновых кислот (рРНК).

Рис. 6.1. Филогения трех доменов живых организмов

Основной структурной единицей биологической систематики является вид. По состоянию на 2011 г. число описанных видов составляло примерно 1,7 млн. По распространенным оценкам, это приблизительно десятая часть ныне существующих видов. Трудно оценить число видов растений и животных, населявших нашу планету в течение всей истории ее существования, ведь в окаменелостях сохранились останки их малой части, видимо, меньше чем 1% от их общего числа. Всего видов было не менее 1 млрд.

Мы неслучайно обратились к вопросу о биологическом разнообразии. Оно свидетельствует о том, что биологические явления — это не мимолетный момент в развитии нашей планеты, в том числе человека. Они представляют собой массовое и закономерное явление. Что касается жизнеспособности как отдельного вида, так и всей биосферы в целом, то она, как доказывается в биологии, в существенной степени зависит от величины биоразнообразия. Оно оказывается одной из преференций человека, естественно, заинтересованного в своем благополучии. В этой связи трудно переоценить значение биологии. В ее отсутствие человечество не смогло бы успешно освоиться в существующем мире биоразнообразия, которое при всей его актуальности не лишено и таких тенденций развития, которые представляют для человека значительную угрозу.

Обратившись к биологии, нам, естественно, хотелось бы в первую очередь понять ее самое сокровенное содержание, т.е. принципы и законы, которые единственно позволяют человеку успешно существовать в его биологическом окружении. Но сделать это очень непросто, ибо история раз-

241

вития биологического знания представляет собой сложнейший процесс, насыщенный многочисленными проблемными аспектами. Нам не остается ничего другого, как обратиться непосредственно к этой истории, надеясь извлечь из нее актуальные концептуальные уроки. В этой связи резонно обратиться к содержанию табл. 6.1.

242

Работы Аристотеля и Плиния Старшего не удовлетворяют научным критериям. Постулируемое Аристотелем существование животных душ так и не было подтверждено. Плиний Старший был, безусловно, эрудитом. В основном он описывал некоторые наблюдения биологических явлений, обсуждая заодно и их практическое значение для людей.

Что касается работы К. Линнея, то она сохранила свое значение по настоящий день, он по праву считается основателем биологической систематики. Другое дело, что в современном понимании всякая систематика нуждается в обосновании, которого, по сути, в работах Линнея не было. В силу этого обстоятельства многие исследователи связывают начало биологии как науки с другими авторами, а именно с Т. Шванном, Ч. Дарвином и Г. Менделем. Их труды относятся к историческому периоду длительностью 26 лет (1839—1865). По историческим меркам это незначительный период времени. Но именно в этот период указанными исследователями были сделаны открытия, которые в определяющей степени определили развитие биологии на последующие полтора века, вплоть до наших дней. Определяющий вектор развития биологии состоял в микродинамическом объяснении жизнедеятельности сложных организмов, входящих в состав определенных видов.

Подобие естественных наук

В различных разделах естествознания наблюдается поразительное подобие. Физики объясняют макропроцессы посредством взаимодействием элементарных частиц. Химики рассматривают взаимодействия электронов с атомами. Биологи начинают свои объяснения с биомолекул и клеток. Микродинамика является ключом к пониманию макродинамики.

Это означает, что фундаментом биологии являет молекулярная биология, в том числе молекулярная генетика (вспомним работы Менделя) и цитология, теория клеток (вспомним Шванна). Что касается принципа эволюции (вспомним Дарвина), то он является сквозным для всей современной биологии. Он часто дополняется принципом гомеостаза, согласно которому биологическая система препятствует ее изменениям, но тем не менее изменяется.

По историческим основаниям триумфальное шествие молекулярной биологии началось лишь после открытия двухцепочечной структуры ДНК, т.е. во второй половине XX в. Это обстоятельство позволяет выявить три больших периода в развитии биологии. Первый период, от 1839 г. до начала XX столетия, — это классическая биология. Второй период, вплоть до 1950-х гг., — это синтетическая теория эволюция, ядро которой составляет классическая генетика. Третий период начинается с открытия Уотсона и Крика — это современная биология с характерным для нее акцентом на молекулярной биологии, биологического аналога квантовой физики и квантовой химии. Введенное нами различение трех периодов развития биологии, конечно же, очень грубо. Мы постараемся его уточнить в последующих параграфах.

Выводы

•Биология — это отрасль науки, которая состоит из многих групп наук.

•Предмет биологии включает все разнообразие биологических явлений.

243

•Разнообразие биологических явлений имеет закономерный характер. Без него трудно представить себе судьбу Вселенной.

•Началом биологической науки является комплекс идей, развитых Т. Шванном,

Ч.Дарвином и Г. Менделем.

•Подобно тому, как физика кульминировала в квантовой теории поля, а химия в квантовой химии, биология достигла своей высшей концептуальной стадии развития благодаря молекулярной биологии, в которой центральное место принадлежит молекулярной генетике.

6.2. Понятие жизни и проблема происхождения жизни

Феномен жизни всегда привлекал внимание ученых. Знаменитый вопрос «Что такое жизнь?», возможно, до сих пор не получил ясного ответа. В названии своей знаменитой книги Ч. Дарвин использовал выражение «борьба за жизнь»: «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь». В названии же третьей главы этой книги им используется выражение «борьба за существование». Используя понятие существования, заимствованное им у политэконома Т. Мальтуса, Дарвин имел в виду не только борьбу за жизнь, но и другие факторы соревнования животных, ограничивающие быстрый рост их популяций. Выражению «борьба за существование» он придавал метафорический смысл. Это означает, что существование не является биологическим признаком существ. Впрочем, многие авторы полагают, что существование — это вполне конкретный признак. Отметим со всей определенностью, что такое понимание является ошибочным.

Существование не является признаком

Существовать — это означает, что некоторый объект обладает признаком, величина которого измеряется. Но, что важно, этим признаком не является существование. Нет ни одной науки, и биология здесь не исключение, в которой бы измерялся признак существования.

Обратимся теперь к характеристике феномена жизни. Так как она не является объектом, то ей остается претендовать на статус элементарного либо системного признака. К признакам живого существа относятся обмен веществ энергией и информацией; гомеостаз, т.е. сохранение состояния динамического равновесия; самовоспроизведение себе подобных, самообновление, саморазвитие, пространственное движение, наследование свойств предков; индивидуальность и способность к образованию биогеоценозов и экосистем; раздражимость, реакция на среду и приспособление к ней; реализация инстинктивных и приобретенных форм поведения; смертность. Мы перечислили полтора десятка признаков, каждый из которых так или иначе может быть измерен. Но вряд ли следует включать в этот список жизнь. Дело в том, что в различных книгах признаки живого существа фигурирует в качестве признаков самой жизни. По сути, признается, что жизнь не является элементарным признаком. Признак всегда обладает той или иной величиной. Если бы жизнь была элементарным признаком, то указанная величина давно была бы найдена. Но пока этого не случилось.

244

Таким образом, жизнь не является элементарным признаком. Но не исключено, что она является более сложным признаком, например системным. Пикантность ситуации состоит в том, что все попытки обнаружить среди системных признаков жизнь также не привели к успеху.

Актуальный вывод

Жизнь не является ни системным признаком, ни элементарным. Термин «жизнь» разумно использовать не иначе, как обозначение целого ряда специфических признаков тех организмов, которые входят в компетенцию биологии.

Обратимся теперь к теме, которую обычно характеризуют как происхождение жизни. И это выражение с научной точки зрения сомнительно. Строго говоря, речь идет о происхождении биологических объектов, тех самых, с которыми имеет дело биология в качестве отрасли знания. Достаточно хорошо известно, что эти объекты появились на Земле около 4 млрд лет назад. Ученые ищут ответ, например, на такие вопросы: «Как и почему появились биологические объекты?», «Имеет ли их специфика какой-то вполне определенный источник?»

Следует отметить, что до появления молекулярной генетики вопрос о происхождении биологических объектов казался в высшей степени загадочным. Механизм беспримерного скачка от физических и химических процессов к биологическим явлениям считался насыщенным многочисленными таинственными обстоятельствами. Открытия молекулярных генетиков и биохимиков в корне изменили ситуацию. Теперь теории о происхождении биоявлений стали строиться от имени наук. Абсолютному большинству ученых, занимающихся проблемой происхождения биологических объектов, кажется, что от главной биологической молекулы ДНК до молекул сугубо физического и химического содержания всего несколько шагов. Впрочем, сделать их никак не удается.

Следует отметить, что энтузиасты теорий происхождения жизни, как правило, придерживаются линии редукционизма. Они уверены, что биологические объекты являются закономерным результатом, который исчерпывающим образом можно объяснить, оставаясь в пределах физики

ихимии. Редукционисты полагают, что молекулы ДНК синтезируются при определенных условиях. Именно их необходимо определить. Если это удастся сделать, то происхождение жизни будет в основном постигнуто. Все остальное дело техники научных доказательств. Отметим некоторые достижения ученых, стремящихся объяснить феномен возникновения биологических объектов.

А.И. Опарин в 1920—1930-х гг. показал, что при определенных условиях, включающих специфические катализаторы, самопроизвольно образуются коацерватные капли, представляющие собой группы полимерных соединений, обладающих некоторыми свойствами, характерными для протоплазмы клеток.

С. Л. Миллер и Х. К. Урей показали в 1953 г. экспериментально, что, пропуская электрический разряд через водород-аммиак-метановую смесь, можно получить органические вещества, в том числе аминокислоты, сахара

ижирные кислоты.

245

В1979 г. М. Эйген развил теорию гиперциклов, обеспечивающих самоорганизацию предбиологических систем.

В1986 г. У. Гилберт развил идею РНК-мира. Имеется в виду, что возникновение первых биологических объектов было связано не с ДНК,

ас РНК.

Вначале 1990-х гг. С. Кауфманом и Г. Мороуитцом был развит подход, во многом противоположный концепции РНК-мира. На этот раз акцент делается не на нуклеиновых кислотах, а на феномене клетки. Имеется в виду, что возникновение биологических объектов происходит при переходе от доклеточных образований к клеткам. Поэтому следует проводить четкое различение между теми и другими. Что же касается самих клеток, то они образуются в результате проявления в мире химического синергетических эффектов, которые приводят к образованию системных объектов.

В1990-х гг. достаточно интересная теория была также развита Г. Вэхтерсхойзером, ставшая известной как концепция железа-серы-мира. Имеется в виду, что даже простейшим генетическим механизмам предшествуют некоторые формы метаболизма. Метаболизм здесь означает цикл химических реакций, которые производят энергию в форме, которая может использоваться другими процессами. Идея состоит в том, что, как только установился примитивный метаболический цикл, он начал производить более сложные составы.

Заслуживает внимания также информационно-физическая концепция возникновения жизни, развиваемая Д. С. Чернавским. Он подчеркивает, что в первичных условиях нуклеотид не «кодировал», а катализировал синтез белка. Если бы было иначе, то вероятность возникновения жизни была бы ничтожно малой. Как видим, Чернавский предпринимает попытку объединить достоинства представлений о гиперциклах, реализующихся при катализации белка, с установками генетического подхода с его акцентом на кодировании.

Таким образом, существуют различные подходы к проблеме возникновения биологических объектов. Все авторы настаивают на актуальности своих теорий. Но критики этих теорий придерживаются противоположного мнения. Многие из них указывают, что окончательный успех в объяснении происхождения жизни не может состояться без формирования биологических объектов из исходных физических частиц непосредственно «в пробирке». До этого дело пока не дошло. Однако не приходится сомневаться, что если биологические объекты будут созданы «в пробирке», то критики тут же обнародуют свой новый вердикт: создать — не значит объяснить. В той или иной форме возродится сомнение в возможности объяснить биологическое без биологии.

Абсолютное большинство исследователей, пытающихся объяснить происхождение жизни, уверены, что биологию можно вывести из физики и химии. На наш взгляд, они не принимают во внимание дискретность наук. История развития науки показывает, что она действительно существует. Невозможно из физики вывести биологию, а из биологии экономику. Объяснение жизни имеет место в рамках биологии, а не физики. При этом, разумеется, должны изучаться и междисциплинарные связи биологии

246

с физикой и химией, что как раз и имеет место в рамках биофизики и биохимии. Что же касается программы сведения биологии к физике и химии, то она, на наш взгляд, обречена на провал. Природа, осуществив переход от физических и химических процессов к биологическим явлениям, совершила скачок. Он должен восприниматься именно таковым, а не в качестве некоторого непрерывного процесса, который может быть объяснен в рамках физики.

Выводы

•Существование не является признаком биологических объектов.

•Термин «жизнь» является обозначением совокупности признаков, характерных для организмов. Жизнь не является ни элементарным, ни системным признаком.

•Феномен жизни объясняется исключительно в рамках биологии, а не в физике или химии. Указанное объяснение включает учет междисциплинарных связей биологии, которые находят свое выражение в биофизике и биохимии.

•Объяснить скачок от физических и химических явлений к биологическим процессам посредством физики или же любой другой науки невозможно.

6.3. Генетика и ее главные принципы

Генетика занимает в современной биологии центральное место. Она в значительной мере определяет концептуальное устройство современной биологии. Имея это в виду, мы вначале представим кратко некоторые исторические факты, актуальные для оценки статуса генетики, а затем в систематическом виде.

247

Перечисленные выше вехи позволили представить в целостном виде генетику в качестве биологической теории. Укажем на ее актуальные положения.

1.Биологическая (наследственная) информация заключена в нуклеиновых кислотах ДНК и РНК.

2.Она определяет способность организма синтезировать определенные вещества.

3.Эти вещества (ферменты, белки и пр.) приводят к образованию определенных признаков организма.

4.ДНК состоит из дезоксирибозы, фосфорной кислоты и четырех азотистых оснований (аденина, цитозина, гуанина, тимина). Сходный состав имеет РНК (в него вместо дезоксирибозы входит рибоза, а вместо тимина урацил). В ДНК две нити нуклеиновых кислот образуют двойную спираль за счет спаривания их оснований (аденин и гуанин одной нити спариваются соответственно с тимином и цитозином другой нити).

5.Кодирование наследственной информации определяется последовательностью линейно расположенных в ДНК четырех различных нуклеотидов. Генетический код содержит информацию для установления порядка расположения аминокислот в полипептиде. Единицей кодирования являет триплет (кодон).

6.Элементарная единица наследственности называется геном.

7.Важнейшими этапами передачи наследственной информации является транскрипция (перенос информации с ДНК на РНК) и трансляция (перенос информации с РНК на аминокислотную последовательность полипептидов).

8.Все живые организмы оказываются единством фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения

впоколение (аксиома А. Вейсмана).

248

9.Существуют естественные и искусственные механизмы регуляции генной активности.

10.Передача наследственной информации происходит также при делении клеток (митоз и мейоз) и скрещивании.

11.Мутации нарушают устойчивость генных механизмов.

12.В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате различных причин изменяются случайно и ненаправленно (1-я аксиома Ч. Дарвина).

13.Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипа многократно усиливаются (аксиома Н. В. Тимофеева-Ресовского).

14.Многократно усиленные изменения генетических программ подвергаются отбору условиями внешней среды (2-я аксиома Ч. Дарвина).

Вышеуказанные положения выработаны в результате вековых усилий энтузиастов биологической науки. Каковы же те концепты, которые играют

впонимании природы генетики решающую роль? Это понятия гена, генного механизма и биологической информации.

В отличие от теории Дарвина генетика является не феноменологической, а ярко выраженной динамической теорией. В качестве таковой она должна четко указывать на те импульсы, которые запускают и поддерживают биологические процессы. Да и сами эти процессы должны быть представлены в виде некоторых механизмов, т.е. совокупности последовательных состояний и процессов.

Что касается химической стороны дела, то она представляется биологу достаточно очевидной: химики объясняют химическое взаимодействие, а не концептуальное содержание биологических процессов. Но в чем именно состоит концептуальное содержание биологического механизма? Самым распространенным ответом на этот вопрос являются два принципа, разработанные Ф. Криком в 1958—1970 гг.

Два принципа молекулярной биологии

Гипотеза последовательности есть утверждение о том, что существует перенос информации от нуклеиновой кислоты к белку: ДНК РНК белок.

Центральная догма есть отрицание, гласящее, что перенос информации от белков к нуклеиновой кислоте не существует: белок РНК ДНК белок.

Наглядное представление об этих принципах дает рис. 6.2, на котором изображен треугольник Крика. Трансфер (переход) генетической информации: ДНК РНК белки является универсальным для всех без исключения клеточных организмов.

ДНК

РНК Белок

Рис. 6.2. Треугольник Крика

249

Круговые стрелки символизируют процессы репликации (удвоения молекул ДНК или РНК). Сплошными стрелками представлены переходы общего типа. Пунктирные стрелки представляют переходы специального типа. Наличие таких переходов не противоречит центральной догме молекулярной биологии постольку, поскольку они не охватывают разом все три компонента биомолекулярной системы, т.е. ДНК, РНК и белок. Не противоречит центральной догме также и невозможность осуществления репликации, транскрипции и трансляции без ферментов, как правило, состоящих из белковых молекул и молекул РНК. Ферменты не осуществляют перенос информации, а лишь определяют его скорость.

В данном месте во избежание недоразумений непременно следует обсудить возможность использования в молекулярной генетике широко распространенного выражения «основная догма молекулярной биологии». Догма — это положение, т.е. принцип, некоторой теории, которое принимается на веру, причем какая-либо критика в ее адрес не допускается. С учетом сказанного мы вопреки терминологии, использованной Ф. Криком, безусловно гениального ученого, назвали два сформулированных им положения принципами. Они действительно являются принципами, ибо определяют весь концептуальный строй молекулярной генетики. Их содержание не раскрыть без понятий репликации, транскрипции и трансляции, которые позволяют представить механизмы переноса и кодирования биологической информации.

Выводы

•Молекулярно-генетические представления имеют полуторавековую историю. Они постоянно совершенствовались и в конечном счете привели к созданию развитой науки, а именно молекулярной генетики.

•Основным положением молекулярной генетики являются принципы последовательности: ДНК РНК белок, включающий подпринцип кодирования: генетический код содержит информацию для установления порядка расположения аминокислот

вполипептиде.

•Часто принцип последовательности дополняется принципом невозможности его альтернативы.

•Понятия репликации, транскрипции и трансляции позволяют представить механизмы переноса и кодирования биологической информации. Наряду с принципами молекулярной генетики они имеют основополагающее значение.

6.4. ÄÍÊ è ÐÍÊ

Дизоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислота (ДНК и РНК) являются высокомолекулярными органическими соединениями, биополимерами, состоящими из нуклеотидов. В их названии кроме принадлежности к кислотам отображено два обстоятельства: принадлежность к ядру (лат. nucleus) клетки и наличие в составе сахара, а именно дизоксирибозы в ДНК и рибозы в РНК. Кроме сахара в состав ДНК и РНК входят фосфатные группы (остатки фосфорной кислоты) и азотистые основания: аденин, гуанин, и цитозин, а также тимин (в ДНК) и урацил (в РНК). Азотистые основания часто обозначаются начальными буквами их названий (русский

250