Становление современного естествознания

История генетики, как пример смены научной парадигмы.

Генетика - наука  о закономерностях и материальных основах изменчивости и наследственности организмов. Она является основой  селекции, на ее базе создана синтетическая  теория эволюции.

Генетика прошла в своем развитии 7 этапов и явилась примером смены научной парадигмы:

1 этап Опыты  Менделя 1865 г. Он установил  законы наследственности, скрещивая  горох. 2 этап Исследования Вейсмана  показали что половые клетки  являются обособленными от остального  организма и не подвержены  влиянию, действовавшему на соматические ткани. 3 этап Гуго де Фриз - открывает существование наследуемых мутаций, предполагая, что новые виды возникают в следствие их воздействия.

4 этап Томас  Морган - создал хромосомную теорию  наследственности, в соответствии  с которой каждому виду присуще свое число хромосом.

5 этап Меллер - 1927г. установил, что генотип  может изменятся под действием рентгеновских лучей. Отсюда берут начало некоторые мутации.

6 этап Татум  и Бидл в 1941 г. выявили ген.  Основу процессов биосинтеза.

7 этап Исследования  Уотсона и Крика, которые предложили  модель молекулярной структуры  ДНК и механизма ее репликации. Выяснили, что именно ДНК отвечает  за перенос информации.

Биологи прежних  лет в целом строили исследования «сверху вниз». Они брали целый организм, разнимали его на части, далее изучали отдельные клетки и т.д. Новая же биология, построенная на принципах генетики, начинает с другого конца и поднимается с самого низа вверх. Она изучает простейшие компоненты живого организма, пренебрегая остальным и постепенно восходит на макро уровень. В этом и состоит историческое значение генетики, поэтапное открытие которой сравнимо разве ж только с революцией, которая привела к смене научной парадигмы. Изменились не только методы исследования живых организмов но и представления людей о таких понятиях, как наследственность, изменчивость и т. д. Сегодня человечество уже строит целые программ («Геном человека») - основная цель которых состоит в прочтении наследственности в ДНК человека, изучении сочетания связок генов, их динамики, функционального значения. Вцелом открытие генетики - это прорыв в биологии. Революция в ней была подготовлена всем ходом могущественного развития идей и методов мендилизма и хромосомной теории наследственности. Современная Молекулярная генетика - это истинное детище всего XX века, которое на новом уровне впитало в себя прогрессивные итоги развития хромосомной теории наследственности, теории мутации, теории гена, методов цитологии и генетического анализа.[2]

Биологическая наследственность. ДНК и генетический код.

На путях  молекулярных иследований в течении  последних 20 лет генетика претерпела поистене революционные изменения. Она является одной из самых блестящих  участниц в общей революции современного естествознания. Благодаря ее развитию в практику вошли новые могущественные методы управления и познания наследственности, оказавшие влияние на сельское хозяйство, медицину и производство. Основным в этой революции было раскрытие молекулярных основ биологической наследственности. Оказалось, что сравнительно простые молекулы ДНК несут в своей структуре запись генетической информации и она  действует в клетке по принципам управляющих систем. Эти открытия создали единую платформу генетиков, физиков и химиков в анализе проблем наследственности. Вопреки старым воззрениям на всеобъемлющую роль белка как основу жизни, новые открытия показали, что в основе приемственности жизни лежат молекулы нуклеиновых кислот. Под их влиянием в каждой клетке формируются специфические белки. Управляющий аппарат клетки собран в ее ядре, точнее - в хромосомах, из линейных наборов генов. Каждый ген, являющийся элементарной единицей наследственности, вместе с тем представляет собой единичный участок цепи ДНК, отвечающий за информацию о структуре одной молекулы белка. Генетический код заключает в себе правило перевода информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот. Он триплетен (3 осн = 1 амин. Кисл), универсален (одинаков в ядрах на Земле), вырожден (т.е. имеет начало и конец). Как показали исследования по молекулярной биологии, осн. Механизм с помощью которого ДНК передает и перерабатывает ген. Информацию  - явл. петля обратной связи, т.е. ДНК содержащая всю информацию, участвует в последовательности реакций, в ходе которых вся информация кодируется в виде последовательности протеинов. Некоторые ферменты осущ. Обратную связь, активируя автокаталитический процесс репликации ДНК, позволяющий копировать ген. Информацию. (сравнимо с печатаньем фоток) Далее идет стадия транскрипции - переноса самого кода ДНК путем образования одноцепочной молекулы и РНК на одной нити ДНК, и наконец стадия трансляции - это синтез белка на основе ген. кода. Такое взаимодействие молеукл ДНК, белков и РНК лежит в основе жизнедеятельности клетки и ее воспроизведения. Поскольку явление наследственности, в общем смысле этого понятия, есть воспроизведение по поколениям сходного типа обмена веществ, очевидно, что общим субстратом наследственности является клетка в целом.

Разновидности мутаций. Мутации - материал эволюции.

Мутация - Редкие, случайно возникающие стойкие изменения генотипа, затрагивающие весь геном (совокупность генов), целые хромосомы или их части. Конечный эффект мутации - изменение свойств белков. Мутационная изменчивость играет роль главного поставщика наследственных изменений. Именно она является первичным материалом всех эволюционных преобразований. Принята распространенная классификация мутаций на Соматические и половые, последние делятся на три вида: Генные, Хромосомные, Геномные. Генные мутации – наиболее частые. Они затрагивают изменения в структуре и порядке генов. Их делят на синонимичные (замена триплета, без замены аминокислоты), несинонимичные (мутации в несин. Триплетах с последующей заменой аминокислоты и изменением структуры белка: 99% - летальны, 0, 01% - материал для эволюции) нонсенс (замена триплета на начало, конец или стоп сигнал 99% - летальны, 0, 01% - материал для эволюции) Мутации отдельных генов происходят редко,все они как правило случайны. Хромосомные мутации - также играют важную эволюционную роль. Они связаны с изменением части или участка хромосом. Прежде всего необходимо указать на удвоение генов в одной хромосоме, т.к именно благодаря этому в процессе эволюции накапливается генетический материал. Нарастание сложности организации живого в ходе историч. развития в значительной степени опиралось на увеличение  количества генетического материала. Геномные мутации - приводят к кратному изменению всего генома. Частный случай полипойдия - кратное увеличение числа хромосом у растений. У животных встречается крайне редко. Она характеризуется более крупными размерами и мощным ростом. Сущ. и др. классификация мутаций на Аутосомные и мутации в половых хромосомах. Первые часто смертельны для организма (болезнь дауна, синдром кошачьего крика). Вторые связаны с измененями в половых хромосомах (синдром Жанны Дарк, Тернера, «ген преступности»). Также существуют более мелкие классификации мутаций на: доминантные рецессивные, вредные и полезные, летальные и полулетальные и т.д. В естественных условиях они появляются под влиянием факторов внешней и внутренней среды. К ним относятся химические факторы (компоненты табака, формальдегиды, кофеин, пищевые консерваты и т.д), физические факторы (ионизирующее излучение), биологические факторы (вирусы). Одна из наиболее важных задач современной генетики является получение направленных мутаций, для достижения управления наследственностью. [2]

Проблемы  теории эволюции. Системы Аристотеля , Линнея, Ламарка

Теория эволюции занимает особое место в изучении истории жизни. Она явл. фундаментом для всего естествознания. Применительно к живым организмам эволюцию можно определить, как постепенное развитие сложных организмов из предсуществующих более простых с течением времени. Представление об эволюции берет свое начало от Аристотеля(384-322 до н. э.) Именно он первым сформулировал теорию непрерывного развития живого из неживой материи, создав представление о «лестнице природы» применительно к миру животных. Во всех орг. телах он  различал две стороны: материю, обладающую различными возможностями и форму – душу. Аристотель различал три вида души: растительная, присущая растениям; чувствующая, свойственная животным и разумная, которой наделён  только человек. Большой вклад в создание сист. взглядов о теории эволюции внес Карл Линней (1707-1778). Он предложил систему: класс àотряд àрод àвид. Под последним он понимал группу организмов, происходящих от общих предков и дающих при скрещивании плодовитое потомство. Всех животных Линней разделил на 6 классов (млекопитающие, птицы, амфибии, рыбы, насекомые и черви) поместив Человека рядом с обезьянами, оговорившись что близость в системе не говорит о кровном родстве. Вопроса о происхождении видов для Линнея не существовало. Он полагал, что все виды созданы «всемогущим творцом». Выдающаяся заслуга в создании первого эволюционного учения принадлежит франц. естествоиспытателю Ламарку (1744-1829).Он изложил историю развития органич. мира, отвергая идею постоянства видов и противопоставляя ей их изменяемость. Ламарк не сомневался, что живое происходит от неживого. Он считал, что природа создает простейшие животные существа, а сложные организмы возникают путем их медленного и постепенного усложнения. Такое процесс Ламарк назвал градацией. По его мнению все живые существа как бы поднимаются по ступенькам лестницы, Однако Ламарк допустил серьезные ошибки прежде всего в понимании факторов эволюционного процесса, выводя их из якобы присущего всему живому стремления к совершенству. Также неверно он понимал причины приспособленности , прямо связывая их с влиянием окружающей среды. Это породило очень распространенные, но научно необоснованные представления о наследовании признаков, приобретаемых организмами под непосредственным воздействием среды. Но при всех крупных недочетах идеи Ламарка легли в основу первой эволюционной теории[1]

Теория  Дарвина. Синтетическая теория эволюции

Весь ход  развития XIX века неудержимо вел к  формированию нового взгляда на природу  и эволюцию. Естественные науки к  этому времени накопили огромное количество фактов, которые нельзя было совместить с метафизическими представлениями о неизменяемости природы. Следствием всего этого явилось возникновение навой теории, разработчиком которой стал Чарльз Дарвин.

Основные принципы своего эволюционного учения он свел к следующим положениям: 1.Каждый вид способен к неограниченному размножению.

2.Ограниченность  жизненных ресурсов препятствует  реализации потенциальной возможности  размножения. (Большая часть особей  гибнет в борьбе за существование  и не оставляет потомства).

3.Гибель или  успех в борьбе за существование носят избирательный характер. Организмы одного вида отличаются друг от друга совокупностью признаков. В природе преимущественно выживают и оставляют потомство те особи, которые лучше приспособлены. Такое избирательное выживание и размножение наиболее приспособленных организмов Ч. Дарвин назвал естественным отбором.

4.Под действием  естественного отбора, происходящего  в разных условиях, группы особей  одного вида из поколения в  поколение накапливают различные  приспособительные признаки. Они  приобретают настолько существенные отличия, что превращаются в новые виды.

Крупнейшие  ученые в разных странах способствовали распространению эволюционной теории Дарвина, защищали ее от нападок и  сами вносили вклад в ее дальнейшее развитие. Дарвинизм оказал сильнейшее влияние не только на биологию, но и на общечеловеческую культуру, способствуя развитию естественнонаучных взглядов о появлении и развитие живой природы и самого человека. Современная генетика привела к новым представлениям об эволюции, которые получили название синтетической теории эволюции (Неодарвинизма). Ее можно определить как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков,  детерминированных генетически. Такой взгляд, не только подтвердил теорию Дарвина, но и объяснил ее на качественно новом уровне. Механизм эволюции стал рассматриваться, как состоящий из двух частей: случайные мутации на генетическом уровне и наследование наиболее удачных с точки зрения приспособления к окружающей среде мутаций, т.к. их носители выживают и оставляют потомство.

Системная теория эволюции, понятие эволюции в синергетике

Развитие любой  биологической системы связано  с эволюцией систем более высокого ранга, в которые она входит в  качестве элемента. Эта теория получила название Системной теории эволюции. Она предполагает рассмотрение взаимодействий «сверху -вниз» : от биосферы к экосистеме  сообществам организмам и т.д. Такой подход позволяет выделить первичные связи, которые традиционный взгляд «снизу-вверх» воспринимает как случайные и незначительные. В мире, как мы знаем, постоянно идет процесс возникновения нового, эволюции и развития разного рода систем. Согласно эволюционной теории Дарвина, живая природа развивается в направлении усовершенствования и усложнения всё новых видов растений и животных. Причем гибель или успех в  ходе этого процесса борьбе за существование носят избирательный характер и в природе преимущественно выживают и оставляют потомство те особи, которые лучше приспособлены. («Выживает сильнейший» - принцип естественного отбора). Спрашивается, как исходя из этого объяснить эти явления с позиций синергетики. И возможно ли это? Оказывается возможно! Возникновение нового всегда кажется невероятным чудом. Ответить на вопрос, как это происходит синергетика решила совместно с новой неравновесной термодинамикой, теорией открытых систем. В частности в открытых неравновесных системах согласно теории Ильи Пригожина стационарное состояние соответствует минимальному производству энтропии. А процесс эволюции связан с процессом накопления свободной энергии и уменьшением энтропии. Кибернетическая система обладает устойчивостью при достаточном внутреннем разнообразии . Разный уровень порядка рождает новый, более высокий уровень в органическом мире и мы видим, как биологическое разнообразие организмов проявляется на молекулярно-кинетическом, популяционном, видовом и биоценотических уровнях. Эволюция - это вечная самоорганизация, поиск структурами своих оптимумов в меняющихся условиях. Сущность ее в синергетике - это вечная борьба хаоса и порядка, структурного и безструктурного во Вселенной. В этой борьбе может работать бифуркационный принцип (пример с волосатым слоном). Возникающие случайности могут привести систему к повышенной неравновесности - флуктуации, т.е. отклонениям от среднего значения - и как следствие могут возникать мутации, поддержанные окружающей средой. Возврат назад практически не возможен и мутации становятся материалом эволюции, двигая ее вперед в постоянное развитие. [2]

Биосфера - глобальная открытая система. Биоразнообразие.

В буквальном переводе термин “биосфера” обозначет сферу жизни. Именно в  таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским палеонтологом Зюссом. Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими естествоиспытателями.Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы.

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании  земной коры, был Ж.Б.Ламарк (1744 – 1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. В современном понимании биосфера  – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых и не живых организмов. Такое толкование дал Вернадский. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, располагаясь в диапазоне от 10 км. Вглубь земли да 33 над ней. Изучая распределение хим. элементов по поверхности земли Вернадский пришел к выводу о том, что практически нет ни одного элемента табл. Менделеева, который не включался бы в живое вещество. Ученый при этом подчеркивал важное значение энергии и называл живые организмы - механизмами ее превращения. Т. е. по средствам их солнечная энергия преобразуется в энергию гео-химических процессов - это приводит не только к дифференциации хим. элементов, но и к росту разнообразия, накоплению информации и уменьшению энтропии. Совокупность всех живых организмов биосферы составляет ее биоразнообразие. [3]

Прогрессивное развитие сообществ. Понятие кризиса.

Древнейшее  биотическое сообщество , которое  существовало в узкой шельфовой  зоне протерозойских морей, характеризовалось  небольшой биомассой и высокой  продуктивностью. В дальнейшем происходил процесс увеличения биомассы и уменьшения продуктивности сообщества. Выделят 2 закономерности прогрессивного развития: 1 с прогрессом коэффициент формирования жизни ( продукция / биомасса) уменьшается, а сложность возрастает. Или 2 увеличивается разнообразие, т.к. сокращение энтропии возможно лишь при условии эффективного использования энергетических ресурсов, которые требую усложнение структуры сообщества. Прогрессивное развитие характеризуется общими тенденциями: 1. При смене доминирующих групп флоры и фауны последующие формы богаче чем предыдущие. 2. Появление новых групп, сопровождается появлением новых экологических ниш. 3. Увеличивается продолжительность жизни организмов 4. Снижается конкуренция между видами. 5. Повышается замкнутость биогенного круговорота.