Естествознание семинар

1. Принцип историзма-фундаментальный принцип наук о живом. Основные этапы становления идеи развития в биологии

Принцип историзма- Этот один из основных принципов исторической методологии. Он определяет особенности исторической науки как таковой.

Принцип историзма находится в центре структуры исторического познания, выражает особенности и своеобразие объекта исторического познания. Историзм – это принцип подхода к действительности как к изменяющейся (развивающейся) во времени. Само понятие историзма впервые проявляется в конце XIX века (это не значит, что историческую действительность воспринимали как изменяющуюся именно с этого времени). Историзм в этот период вводится как принцип, способ исторического мышления.

Принцип историзма является фундаментальным принципом наук о живом, поскольку он требует рассматривать любые биологические явления не как нечто раз и навсегда данное, а как результат длительного и закономерного процесса развития. Этот подход утверждает, что понять современное состояние жизни — её формы, функции и взаимосвязи — можно только через изучение её прошлого, через раскрытие её исторической преемственности.

Становление идеи развития в биологии прошло сложные и противоречивые этапы. В додарвиновский период господствовали метафизические представления о неизменности видов, основанные на креационизме, где всё многообразие жизни объяснялось единовременным актом творения. Однако этой статичной картине предшествовали догадки и накопление фактов, которые подготовили почву для эволюционной идеи. Так, в XVIII веке Карл Линней, создавая свою искусственную систему классификации, хотя и исходил из идеи постоянства видов, непреднамеренно показал родственные связи между ними через их сходство. Жан-Батист Ламарк в начале XIX века предложил первую целостную, хотя и умозрительную, теорию эволюции, в которой ввёл принцип исторического развития организмов под прямым влиянием среды и наследования приобретённых признаков.

Переломным моментом стал публикация в 1859 году труда Чарльза Дарвина «Происхождение видов», который заложил научные основы принципа историзма. Дарвин не просто доказал факт эволюции, но и предложил материалистический механизм её осуществления — естественный отбор на основе наследственной изменчивости. Его теория дала причинное объяснение адаптации и видообразования, превратив идею развития из философской гипотезы в строгую научную теорию. Дальнейшее развитие биологии в XX веке, и особенно синтез дарвинизма с генетикой, позволил понять механизмы наследственности и изменчивости, углубив исторический подход. Современная биология, опираясь на данные палеонтологии, эмбриологии, молекулярной биологии и биогеографии, рассматривает весь живой мир как единый и непрерывный процесс исторического развития, где принцип историзма служит ключом к пониманию любого уровня организации жизни — от молекулярного до биосферного.

1. Принцип устойчивого термодинамического равновесия живых систем-всеобщий закон биологии. Статистический и динамический аспекты равновесия

Принцип устойчивого термодинамического равновесия живых систем является всеобщим законом биологии, поскольку он описывает фундаментальное условие существования жизни как процесса. В отличие от неживых объектов, стремящихся к максимальному беспорядку и тепловому равновесию с окружающей средой, живые системы находятся в состоянии устойчивого неравновесия. Это означает, что организм, будучи открытой системой, постоянно обменивается с внешней средой энергией и веществом, чтобы поддерживать внутри себя стабильное и строго упорядоченное состояние, характеризующееся низким уровнем энтропии. Это динамическое постоянство и есть проявление устойчивого термодинамического равновесия, которое возможно только благодаря непрерывному протеканию биохимических процессов. Данный принцип имеет два взаимосвязанных аспекта. Статистический аспект равновесия проявляется в том, что на макроуровне, в течение определенного времени, параметры системы остаются относительно постоянными — поддерживается гомеостаз, например, постоянная температура тела, pH, концентрация солей. Это создает иллюзию статичности, однако это постоянство является результатом колоссальной работы. Динамический аспект раскрывает суть этого процесса, показывая, что макроскопическое постоянство обеспечивается непрерывными и противоположно направленными потоками веществ и энергии. Процессы анаболизма и катаболизма, синтеза и распада, поглощения и выделения энергии находятся в динамическом балансе. Таким образом, жизнь — это не статичное равновесие, а устойчивое стационарное состояние, поддерживаемое постоянной работой против уравнивания градиентов и деградации, что и составляет суть всеобщего закона биологии.

1. Концепция происхождения живого

Современная концепция происхождения живого, сложившаяся в естествознании, представляет собой синтез теоретических моделей и экспериментальных данных, которые в совокупности описывают вероятный путь от неорганической материи к первым живым организмам. В своей основе эта концепция опирается на принцип историзма и эволюционного развития, предполагающий, что жизнь возникла на Земле в результате закономерных физико-химических процессов, растянувшихся на сотни миллионов лет. Фундаментом послужила гипотеза А. И. Опарина и Дж. Холдейна, согласно которой первичная атмосфера Земли была восстановительной и в условиях мощных энергетических воздействий из неорганических соединений синтезировались простые органические молекулы. Эта идея была блестяще подтверждена в экспериментах С. Миллера и Г. Юри, где в моделируемых условиях ранней Земли из аммиака, метана, водорода и воды под действием электрических разрядов образовывались аминокислоты. Следующим ключевым этапом концепции является возникновение биологических полимеров — белков и нуклеиновых кислот, и их коацервация, то есть формирование обособленных в водной среде капель, которые могли избирательно поглощать вещества извне и становиться прообразом клеточной структуры. Наибольшую сложность представляет вопрос о возникновении механизма наследственности, и здесь центральное место занимает гипотеза «мира РНК», которая предполагает, что первые самовоспроизводящиеся системы были основаны на молекулах РНК, способных одновременно и хранить генетическую информацию, и катализировать химические реакции. Завершающей стадией этого грандиозного процесса стало образование липидных мембран, которые окружили эти сложные комплексы, что привело к возникновению первых примитивных протоклеток, способных к росту и примитивному делению, и ознаменовало начало биологической эволюции. Таким образом, современная концепция рассматривает происхождение жизни как длительный, многоэтапный процесс самоорганизации материи, подчиняющийся фундаментальным законам физики и химии, который привел к формированию систем, обладающих всеми ключевыми свойствами живого.

Сегодня проблема происхождения жизни исследуется широким фронтом различных наук. В зависимости от того, какое наиболее фундаментальное свойство живого исследуется (вещество, информация, энергия), все современные концепции происхождения жизни можно условно разделить:

1. Концепция субстратного происхождения жизни (А. Опарин)

2. Концепция энергетического происхождения (И. Пригожин, А. Волькенштейн)

3. Концепция информационного происхождения (А.Н. Колмогоров, А.А. Ляпунов)

Другая же учебная литература утверждает, что существует пять концепций возникновения жизни:

1. Креационизм - божественное сотворение живого.

2. Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества (её придерживался ещё Аристотель, который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы).

3. Концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда.

4. Концепция панспермии - внеземного происхождения жизни. Она опиралась на обнаружение при изучении метеоритов и комет «предшественников живого» - органических соединений, которые возможно сыграли роль «семян».

5. Концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам. У этой концепции два варианта. Согласно одному, происхождение жизни - результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого. Согласно другой точке зрения, происхождении жизни - результат закономерной эволюции материи. [4, с.204]

Все концепции ставят целью определить тот низший порог, с которого начинает действовать естественный отбор на биологическом уровне, а значит, начинают функционировать биологические законы. Однако ниже этой границы действуют другие законы - закономерности эволюционной химии, то есть совсем иная форма естественного отбора.

В 1969 году А.П. Руденко предложил химический аспект происхождения жизни [7, с.76]. Используя положение Ч. Дарвина о естественном отбое и принцип усложнения и направленности эволюции, он заложил теоретическую базу.

Современные биологи доказывают, что универсальной формулы жизни (то есть такой, которая исчерпывающе отображала бы её сущность) нет и не может быть. Концепция креационизма полагает, что жизнь была сотворена Богом (возникла в рамках религиозного мировоззрения). Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой её сотворил Бог. Эта концепция имеет много сторонников.

Научные подходы к определению жизни

Со второй половины ХХ века стали отчётливо проявляться двумя основными подходами к определению жизни - субстратный и функциональный. Сторонники первого в трактовки сущности жизни обращают внимание на тот субстрат (белок и молекулы ДНК), который является носителем основных свойств живого, которые рассматривают жизнь с точки зрения её основных свойств (обмен веществ).

Современное естествознание существенно обогатило представление о природе материального носителя, которым является целостная система взаимосвязанных биополимеров - белков, нуклеиновых кислот и другие. Современно наукой обосновано положение о многообразии форм жизни и о том, что их носителями выступают живые системы различной степени сложности. При этом выделяются следующие уровни организации живого: организменный, популяционно-видовой, биоценотический и биосферный.

Поэтому на протяжении многих веков менялись взгляды на проблему возникновения жизни. Один из главных вопросов, дискутируемых сегодня - вопрос о сущности жизни: является ли она просто чрезвычайно упорядоченным состоянием атомов и молекул, из которых состоит «живое существо», или существуют пока не открытые элементарные частицы жизни, переводящие обычные физические вещества в живое состояние.

1. Значение работ Л. Пастера для понимания особенностей мирового эволюционного процесса

Работы Луи Пастера имели фундаментальное значение для понимания мирового эволюционного процесса, хотя сам он непосредственно не занимался теорией эволюции. Своими открытиями Пастер заложил экспериментальные и методологические основы, которые коренным образом изменили представления о возникновении и развитии жизни на Земле. Прежде всего, его блестящие эксперименты по опровержению теории самозарождения жизни установили принципиальный закон — «всё живое из живого». Это утвердило идею непрерывности жизни и ее преемственности, что является краеугольным камнем эволюционного учения, поскольку эволюция предполагает постепенное изменение поколений, связанных общим происхождением, а не их спонтанное возникновение из неживой материи. Кроме того, Пастер, исследуя процессы брожения и открыв мир микроорганизмов, невидимо и мощно влияющих на глобальные биогеохимические циклы, невероятно расширил рамки эволюционного процесса. Он показал, что эволюция — это не только макроскопический мир растений и животных, но и колоссальная, древнейшая сфера микробиологической жизни, которая была его первой и необходимой ступенью. Его работы в области инфекционных болезней, доказавшие роль специфических микроорганизмов в эпидемиях, косвенно выявили еще один мощный фактор эволюции — борьбу за существование на уровне взаимодействия видов «хищник-жертва» в системе патоген-хозяин. Таким образом, Пастер, разорвав порочный круг идеи самозарождения, очистил поле для научного изучения исторического развития жизни от ее истоков до современного состояния, подчеркнув универсальность и всеобщность эволюционных принципов для всей биосферы, включая невидимый невооруженным глазом микромир.

Основные работы Пастера:

• Доказал, что брожение – биологический процесс, вызываемый микроорганизмами.

• Сделал вывод, что каждый тип брожения вызывается определенными специализированными видами микробов.

• Предложил пастеризациюдля борьбы с посторонними микроорганизмами, вызывающими болезни пива, вина.

• Пастер изучал возбудителей инфекционных болезней животных и человека, предложил способы борьбы с ними – вакцины.

• Открыл явление анаэробиоза (жизнь микроорганизмов без кислорода).

1. Гипотеза Опарина

Наиболее доказательна выглядит гипотеза происхождения жизни в историческом прошлом в результате биохимической эволюции. Ее авторы: академик, биохимик А.Опарин (1923) и английский физиолог С.Холдейн (1929).

Суть гипотезы А.Опарина является возникновение жизни из неживого вещества произошло в результате естественных процессов во Вселенной при длительной эволюции материи. Жизнь есть свойство материи, которое появилось на Земле в определенный момент ее истории. Процессы возникновения жизни протекали сначала многие миллиарды лет в масштабе Вселенной, а потом сотни миллионов лет на Земле. Произошло это путем хим. Эволюции в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-хим процессов. Появление жизни он рассматривал как единственный процесс перехода хим эволюции на качественно новый уровень-биохим эволюцию

Опарин выделил несколько этапов биохимической эволюции, конечной целью которых явилось примитивная живая клетка. Эволюция шла по схеме:

1. Геохимическая эволюция планеты Земля, синтез простейших соединений (СО₂ NH₃ H₂O и т.д.).

2. Образование органических соединений аминокислот из неорганических, накопление их в первичном океане.

3. Постепенное усложнение органических соединений – образование белковых структур.

4. Создание вокруг белков водной оболочки – создание водных комплексов.

5. Слияние комплексов и образование коацерватов, способных обмениваться веществом и энергией с окружающей средой.

6. Поглощение коацерватами металлов и образование ферментов.

7. Образование вокруг коацерватов мембран.

8. Выработка у коацерватов механизмов саморегуляции и самообразования.

Согласно теории, можно выделить 5 этапов становления и развития жизни на планете

Кроме весомых плюсов теория имеет достаточно сомнительные недостатки, которые не делают теорию официальной, но считают общепринятой:

• Например, одним из минусов теории биохимической эволюции является отсутствие объяснения возникновения механизма коацерватов полноценной, сформированной клетки.

• Отсутствие объяснения появления способности к самовоспроизведению тоже смущает ученых и оставляет вопрос открытым.

• Помимо этого, есть еще более важный аргумент ставящий теорию под сомнение: момент образования белковых структур имеет очень грубую неточность- как аминокислоты без участия ферментов смогли образовать эти самые белковые структуры? Как образовались первые ферменты? На каком этапе это произошло и что стало толчком к этому?

Все неточности не позволяют раз и навсегда ответить на вопрос возникновения жизни и признать данную теорию единственной верной.

1. Биоэнергоинформатика. Триединство вселенной: материя, энергия, информация.

Биоэнергоинформатика-  направление в псевдонауке, предполагающее наличие во Вселенной, помимо известных форм материи, ещё и сверхъестественного, первичность идеального (называемого «информационным взаимодействием») по отношению к материальному.

С точки зрения биоэнергоинформатики, Вселенная является информационно единой, построена в соответствии с некоторым общим замыслом, и её следует рассматривать как живую систему.

Научное сообщество рассматривает биоэнергоинформатику как псевдонауку и современное суеверие. Первоначально объектом изучения биоэнергоинформатики были необъяснимые (по заявлению биоэнергоинформатиков) «аномальные» явления (парапсихологические феномены и т. п.).

 Концепция триединства вселенной, рассматривающая материю, энергию и информацию как фундаментальные и взаимосвязанные сущности, находит свое полное и совершенное воплощение в живой природе. В контексте биологии это единство перестает быть абстрактной идеей и становится конкретным принципом организации, который можно наблюдать на молекулярном уровне. Живой организм — это не просто совокупность химических веществ, а высокоинтегрированная система, где органическое вещество, химическая энергия и молекулярная информация образуют неразрывную связь, где каждый элемент не существует без другого. Материя здесь выступает в роли физического субстрата и носителя — это белки, ДНК, РНК и другие биомолекулы. Энергия, запасаемая в основном в форме АТФ, является движущей силой всех без исключения процессов — от синтеза новых молекул до их транспорта внутри клетки. Однако ключевым, управляющим компонентом этой триады является информация. В биологии информация — это не абстрактное понятие, а конкретная программа, записанная с помощью молекулярных алфавитов: нуклеотидов в ДНК и аминокислот в белках. Эта программа не только пассивно хранится в генах, но и активно функционирует, направляя все процессы жизнедеятельности. Принцип комплементарного взаимодействия молекул, лежащий в основе репликации ДНК, сборки белков и передачи сигналов, обеспечивает точность считывания, копирования и исполнения информационных команд. Таким образом, именно информация, будучи воплощенной в структуре материи и питаемой клеточной энергией, выступает тем руководящим началом, которое определяет пространственную организацию биомолекул, их функции и, в конечном счете, поддерживает феномен жизни как упорядоченного состояния материи.

1. Эволюция как развитие изучаемого процесса. Механизмы эволюции

Эволюция представляет собой процесс закономерного и направленного развития изучаемых систем во времени, приводящий к качественным изменениям их структуры, функций и сложности. В биологии эволюция понимается как необратимое историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов. Основным механизмом, движущей силой эволюции является естественный отбор, который действует на основе наследственной изменчивости в популяциях организмов. Наследственная изменчивость поставляет тот сырой материал для отбора — разнообразные мутации и генетические комбинации, которые возникают случайным образом. Естественный отбор сохраняет и накапливает те из них, которые дают их носителям преимущества в выживании и размножении в конкретных условиях среды, что в конечном итоге ведет к возрастанию адаптированности организмов и формированию новых видов. Помимо естественного отбора, важную роль в эволюционном процессе играют и другие факторы, такие как дрейф генов — случайные изменения частот аллелей в малых популяциях, поток генов — обмен генетической информацией между популяциями, а также изоляция — возникновение барьеров, препятствующих скрещиванию и ведущих к генетической дивергенции. Таким образом, эволюция предстает как сложный процесс, управляемый совокупностью случайных факторов, поставляющих изменчивость, и направляющего фактора — естественного отбора, который и придает эволюции творческий, адаптивный характер.

1. Дарвинская триада-три уровня организации материального мира

Триада Дарвина состоит из наследственности изменчивости и естественного отбора.

Первым звеном этой триады является изменчивость, которая служит основным источником разнообразия в живой природе. Дарвин понимал, что двух абсолютно одинаковых особей не существует, и это разнообразие, эта стохастичность и неопределенность, является объективной характеристикой мира, создающей поле возможностей для возникновения новых организационных форм. Именно изменчивость поставляет тот сырой материал, без которого невозможно развитие.

Вторым ключевым звеном выступает наследственность — свойство, обеспечивающее преемственность между поколениями. Это не просто передача точных копий признаков, а передача генетической программы, нормы реакции, которая определяет развитие особи в конкретных условиях среды. Наследственность выражает влияние прошлого на будущее, обеспечивая устойчивость органических форм, но не предопределяя будущее однозначно из-за присущей миру случайности. Она является механизмом, фиксирующим и накапливающим те изменения, которые возникают благодаря изменчивости.

Третьим, направляющим звеном триады является естественный отбор. Это процесс, в котором происходит избирательное выживание и размножение наиболее приспособленных особей. Интенсивное размножение организмов приводит к борьбе за существование, и в этой борьбе преимущество получают носители полезных наследственных изменений. Таким образом, естественный отбор, действуя как фильтр, отбирает из всего многообразия, созданного изменчивостью, те варианты, которые наилучшим образом соответствуют условиям окружающей среды, и с помощью наследственности закрепляет их в последующих поколениях.

В своей совокупности дарвиновская триада раскрывает универсальный механизм развития: изменчивость создает разнообразие, наследственность сохраняет и передает его, а естественный отбор сортирует это разнообразие, придавая эволюции направленный и адаптивный характер. Этот принцип причинности, основанный на взаимодействии случайности (изменчивость) и закономерности (отбор при посредничестве наследственности), является фундаментальным не только для биологии, но и для понимания развития сложных систем в целом.

1. Классы механизмов эволюции. Основная особенность механизмов эволюции

В явлениях самой различной природы важнейшую роль играют классы механизмов эволюции, среди которых можно выделить два:

1. Адаптационные;

2. Катастрофические, или пороговые.

Адаптационный механизм эволюции - это логическая цепочка, которая приспосабливает данную систему (или организм) к окружающей среде. Конечно же, сюда входят дарвиновские механизмы естественного отбора. Подобные же механизмы действуют и в физических и в химических процессах, используются в технике и общественном строе.

Основная особенность адаптационных механизмов - это то, что они позволяют нам в принципе предвидеть результаты действия механизма, т. е., развитие событий, а значит, прогнозировать эти события. Это происходит потому, что адаптация, т. е., самонастройка, обеспечивает развивающейся системе определенную стабильность в данных конкретных условиях внешней среды. Это значит, что, изучая особенности среды, мы можем представить, предвидеть тенденцию в изменении параметров системы, которые будут происходить под действием этих механизмов. Этим пользуются селекционеры, формируя отбор должным образом. В физике и технике используются механизмы обратной связи, о которых мы будем говорить позднее.

Свойства адаптационных механизмов эволюции:

Никакие внешние и внутренние возмущения не способны вывести систему за пределы того обозримого коридора, того канала эволюции, который заготовила природа для развития этой системы.

Под действием механизмов адаптационного типа границы этого коридора очерчены объективными законами нашего мира, более или менее близки друг к другу и достаточно обозримы в перспективе.

Путь развития в этом случае предсказуем с достаточной степенью точности.

Катастрофические, или пороговые, механизмы эволюции имеют совершенно другую природу, но для них тоже дарвиновская триада полностью сохраняет свой смысл. Суть этих механизмов: существует некоторое критическое значение внешнего воздействия (эффект «последней капли»), выше которого прежняя форма уже существовать не может. Старая организация системы разрушается, т. е., физическая система обладает пороговыми состояниями, переход через которые ведет к резкому качественному изменению протекающих в ней процессов, к изменению организации. Причем переход системы в новое состояние в этой пороговой ситуации не однозначен, так же, как неоднозначен и характер ее новой организации. То есть существует целое множество возможных структур, в рамках которых будет развиваться система. И предсказать заранее, какая из структур реализуется, нельзя. Предсказать нельзя в принципе, так как это зависит от тех неизбежно присутствующих случайных воздействий внешней среды, которые в момент перехода через пороговое состояние и будут определять отбор.

Главная особенность рассматриваемого типа механизмов - это неопределенность будущего, которая является следствием того, что будущее состояние системы при переходе ее характеристик через пороговое состояние определяется, прежде всего, случайностью, а она присутствует везде. Система как бы забывает свое прошлое. В этой точке как бы происходит разветвление путей эволюции и предсказать, по какой ветви пойдет развитие дальше, нельзя. Обратного ходя эволюции уже нет (разбитая чашка, даже склеенная, есть разбитая чашка). Пороговые механизмы свойственны не только неживой природе, но и процессам, протекающим в мире живой природы и общества.

Учеными, например, установлено, что на Земле более или менее регулярно происходит повышение солнечной активности (существует 11-летний цикл солнечной активности), в результате которого резко меняются условия жизни на Земле, появляются мутанты. Повышение фоновой радиации после Чернобыльской катастрофы также привело к резкому возрастанию числа мутантов. Повышение солнечной активности стимулировало быстрое вымирание старых видов растений и животных и появление новых. Поэтому катастрофические состояния биосферы - столь же естественные элементы эволюционного процесса, как и адаптация и внутривидовая борьба.

1. Закон дивергенции

Закон дивергенции описывает фундаментальную тенденцию развития, характеризующуюся непрерывным усложнением и ростом разнообразия организационных форм материи. В биологической эволюции дивергенция, или расхождение признаков, является основным направлением, наблюдаемым у видов, происходящих от общего предка. Этот процесс начинается на популяционном уровне и обусловлен различиями в условиях среды, к которым дочерние виды по-разному приспосабливаются под действием естественного отбора, при определенной роли дрейфа генов. Ярким примером служит эволюция конечностей млекопитающих: рука человека, крыло летучей мыши, ласт морского льва и копыто лошади, будучи гомологичными органами, демонстрируют расхождение из-за адаптации к разным экологическим нишам, направляемое отбором мелких уклонений в строении конечности общего предка. Молекулярно-генетические исследования подтверждают, что дивергенция — основной путь эволюции: гены, контролирующие давно сложившиеся функции, дивергируют медленно под действием стабилизирующего отбора и дрейфа, в то время как эволюция молодых генов, например опсинов, имеет приспособительный характер и направляется естественным отбором. Суть закона заключается в том, что с ростом сложности системы возрастает число возможных путей её дальнейшего развития, что ведет к расхождению признаков. Этот закон носит универсальный характер, проявляясь не только в живой природе, но и в мире неживой материи и в обществе.