Общая биология и генетика

ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ И ГЕНЕТИКА

Биология (греч. biologia; от bios — жизнь, logos— учение) — совокупность наук о живой природе. Термин «биология» предложен Ж.Ламарком в конце XVIII века. Биология — слишком обширная наука для того, чтобы один исследо­ватель мог охватить ее. Поэтому большинство биологов являются специалиста­ми в какой-либо одной ее отрасли: ботанике или зоологии, анатомии или физиологии, гистологии или эмбриологии, экологии, теории эволюции, ге­нетике и т.д. Несмотря на многогранность биологии, есть в этой науке основные, всеобъ­емлющие обобщения — такие, как клеточная теория (М.Шлейден, 1838 г.; Т.Шванн, 1839 г.), теория эволюции органического мира, основные положе­ния которой сформировал Ч.Дарвин (1859 г.), законы наследственности (Г.Мендель, 1865 г.) и др. Подготовленные всем ходом предыдущего развития наук, они определяют их будущее и составляют фундамент последующих ис­следований в разных областях естествознания.

Теория эволюции органического мира

Продолжающаяся эпоха Великих географических открытий открывала пе­ред европейцами новые, необъятные пространства. В 1606 г. голландские мо­реплаватели впервые увидели Австралию. В 1741 г. В. Беринг достиг берегов Аляски. Кругосветные экспедиции второй половины XVIII века имели своим следствием расширение не только географических горизонтов, но и биологических зна­ний о растительном и животном мире новых земель. Пришло время системати­зации приобретенных знаний.

Воспринимая природу как единое целое, ученые стремились выявить раз­нообразие организмов и установить взаимосвязь между ними. К концу XVII в. стало очевидно, что описание организмов невозможно без создания иерархи­ческой системы и установления родственных отношений между группами, что привело к формированию представлений об историческом развитии органичес­кого мира.

Элементы этой идеи прослеживаются в произведениях древнегреческих философов — от Фалеса до Аристотеля. Многие философы и естествоиспыта­тели эпохи Возрождения и Нового времени высказывали мысль о взаимосвязи форм живой природы. Так, немецкий философ Г.Лейбниц (1646—1716 гг.) представлял мир как единый гармоничный ряд усложняющихся форм расте­ний и животных, изначально созданных Богом. Швейцарский натуралист Ш.Бонне (1720—1793 гг.) развивал идею о «лестнице существ» (1745 г.) как отражении прогрессирующего усложнения органического мира. Ж.Бюффон (1707 — 1788 гг.) выдвинул смелую гипотезу о развитии Земли (1748 г.). Под­разделив «естественную историю» Земли на семь периодов, он предположил, что растения, затем животные, а потом и человек появились в последние пе­риоды развития планеты. Бюффон допускал также, что одни формы могут превращаться в другие под влиянием климата или условий существования и что имеется «непрерывная иерархия от самого низшего растения до самого высокоорганизованного животного».

Огромное влияние на формирование эволюционных идей ученых несколь­ких поколений оказали принципы систематики органического мира, которые разработал шведский врач и натуралист Карл Линней (1707 — 1778 гг.) — первый секретарь Шведской академии наук, основанной в 1739 году. В его знаменитом труде «Система природы», (1735 г.), 12 раз издававшемся при жизни автора, были впервые предложены основы класси­фикации «трех царств природы» (растений, животных и минералов). Каждое из царств он разделил на классы, отряды, роды, виды и подвиды; для всех орга­нических видов ввел обязательную бинарную (двойную) номенклатуру, в которой вид обозначался двумя названиями — родовым и видовым. Линней впер­вые отнес человека (род Ното) к классу млекопитающих (отряду приматов), что в то время требовало от ученого достаточной смелости. Отметим, что Лин­ней не сомневался в неизменности природы и ее целесообразности.

К.Линней был избран членом академий наук Германии (1754 г.), Швеции (1739 г.), Великобритании (1753 г.), России (1754 г.), Франции (1762 г.). Это свидетельствует о его огромном влиянии на развитие мирового естествознания. Труды Линнея способствовали формированию идей Ж.Кювье, Ж.Ламарка и Ч.Дарвина.

Французский зоолог Жорж Кювье (1769— 1832 гг.) разрабо­тал понятие о типах в зоологии и впервые объединил в один тип позвоночных классы млекопитающих, птиц, амфибий и рыб. Он заложил основы палеонто­логии и сравнительной анатомии, и тем самым подвел фундамент под буду­щую эволюционную теорию. Занимаясь педагогической работой, он создал в Парижском Университете факультет естественных наук.

Жан Ламарк (1744— 1829 гг.) — французский естествоиспытатель, ученик и последователь французских мате­риалистов и просветителей XVIII в. — сформулировал первую теорию эволюци­онного развития живых существ. Основные положения натурфилософской концепции Ламарка изложены в его трудах «Естественная история растений» (1803 г.) и «Философия зоологии» (1809 г.). Занима­ясь сравнительной анатомией беспозвоночных, он первым разделил животных на позвоночных и беспозвоночных и ввел эти понятия.

Ламарк утверждал, что между видами животных нет резких граней; виды не являются постоянными, — они изменяются под влиянием окружающей сре­ды, приобретая новые свойства, и наследуют эти приобретенные признаки. Таким образом, Ламарк считал, что признаки, возникающие адекватно воз­действующим факторам окружающей среды, передаются по наследству. Глав­ным фактором адаптации он считал упражнения или неупражнения органов, а также образование новых органов. Он выступал против концепции префор­мизма (см. с. 347), утверждая, что «все живые тела происходят одни от других», и развиваются при этом не из «предсуществующих зародышей».

Но теория Ламарка содержала и несколько идеалистических положений. Так, он полагал, что прогресс в развитии организмов объясняется их внутренним «стремлением» к самосовершенствованию. Его учение впоследствии приобре­ло форму ламаркизма — философской концепции второй половины XIX в., ставшей после смерти Ламарка антитезой дарвинизма. Это, однако, не умаляет исторических заслуг самого Ламарка, предложившего первую целостную тео­рию эволюции. Это понимал и высоко ценил один из величайших биологов мира, основоположник эволюционного учения — Чарлз Дарвин.

Чарльз Дарвин (1809—1882 гг.) оставил огромное научное наследие, которое насчитывает более 8000 страниц. Его основополага­ющий труд «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохране­ние избранных пород в борьбе за жизнь» вышел в свет в 1859 г. В последующих работах Дарвина «Из­менение домашних животных и культурных растений» (1868 г.), «Происхожде­ние человека и половой отбор» (1871 г.) и других эволюционное учение полу­чило свое дальнейшее развитие. После окончания Кембриджского университета Ч. Дарвин принял участие в кругосветном путешествии на корабле «Бигл» (1831 —1836 гг.), во время кото­рого он познакомился с удивительным многообразием «природной лаборато­рии эволюции». В течение 20 лет он собирал и анализировал материалы, экспе­риментировал и систематизировал. Основываясь на огромном фактическом ма­териале, он пришел к убеждению, что существующие на Земле животные и растения произошли от ранее распространенных видов в результате эволюции. Главными факторами эволюции Дарвин считал изменчивость, наследственность и естественный отбор в условиях «борьбы за существование» (понятие, вве­денное Дарвином).

К идее естественного отбора Дарвин пришел через знакомство с трудами по политэкономии своего соотечественника Адама Смита (1776 г.), который писал о разделении труда в обществе, борьбе за существование и искусствен­ном отборе как результате этой борьбы. Таким образом, Дарвин дал естествен­нонаучное обоснование возникновению приспособительных признаков, в про­тивовес представлениям об изначальной целесообразности существующего мира.

Ф.Энгельс назвал теорию Дарвина в числе трех основных естественно-на­учных открытий XIX в. В 1859 г. в письме к К.Марксу он писал: «...до сих пор никогда еще не было столь грандиозной попытки доказать историческое раз­витие в природе, да к тому же еще с таким успехом».

Чарльз Дарвин был избран почетным доктором Кембриджского, Боннско­го, Бреславского и Лейденского университетов, членом-корреспондентом Петербургской (1867 г.) и Берлинской (1878 г.) академий наук.

Теория естественного отбора встретила многочисленных сторонников и противников. С середины 1860-х годов эволюционный подход стали применять в морфологии, эмбриологии, палеонтологии; появились первые эксперимен­тальные исследования эволюции. Итогом этой многогранной работы ученых разных стран мира стало создание современной синтетической теории эволю­ции (СТЭ). Принципиальным стержнем этой теории является представление о естественном отборе как движущей силе эволюции и популяции. Основы СТЭ заложены трудами Ф.Г.Добржанского «Генетика и происхождение видов» (1937 г.), Дж. Хаксли «Эволюция. Современный синтез» (1942 г.), Э.Майера «Систематика и происхождение видов» (1942 г.), а также Н.В.Тимофеева-Ре­совского (по использованию радиации в изучении гена, 1935 г.) и многих других зарубежных и отечественных ученых.

Учение Дарвина открыло новый исторический подход к изучению законо­мерностей живой природы и способствовало дальнейшему развитию всех био­логических наук.

Учение о наследственности и изменчивости

Серьезным научным подтверждением эволюционной теории явилось от­крытие законов наследственности, которое сделал чешский естествоиспыта­тель Грегор Мендель (1822—1884 гг.) — монах (позднее — аббат) доминиканского монастыря на территории Чехии. Мендель стал основоположником одного из важнейших направлений современной биологии — генетики (греч.genetica; от genetikos — относящийся к происхождению). Этот термин предложил Уильям Бейтсон (1861-1926 гг.) в 1906 г. В течение 10 лет Мендель проводил опыты по гибридизации различных сортов гороха (рис. 166), сравнивая их по нескольким признакам (окраска цветов, цвет горошин, их шерохова­тость). Он впервые установил правила генетического опыта: скрещивание линий одного вида, резко отличаю­щихся по стабильным признакам; учет признаков в первом и последующих по­колениях гибридов; строгий количе­ственный учет результатов эксперимен­та. В результате своих опытов Мендель пришел к заключению, что растения содержат наследственные факторы, которые при скрещивании передают­ся потомству и переходят от поколе­ния к поколению. Он впервые заговорил о дискретных наследственных единицах (лат. discretus— прерывистый, состоящий из отдельных частей), которые позднее назовут «генами». Мендель установил законы наследственности и из­ложил их в труде «Опыты над растительными гибридами» (1865 г.), ставшем впоследствии классическим.

Однако наука того времени еще не была готова к восприятию идей Менде­ля. Его открытие не получило адекватной оценки и долгое время оставалось в тени. Оно не было известно и Ч.Дарвину, тогда как именно теория Менделя разрешала «самое опасное возражение», которое, по словам самого Дарвина, когда-либо было сделано его теории. Это — утрата вновь приобретенных при­знаков в последующих поколениях.

Заслуженное признание открытия Менделя состоялось лишь в 1900 г., ког­да Карл Эрих Корренс (1864—1933 гг., Германия), Хуго де Фрис (1848 —1935 гг., Голландия) и Эрих Чермак-Зейзенегг (1871 — 1962 гг., Австро-Венгрия) почти одновременно повторно от­крыли законы наследственности Менделя. Только после этого была найдена и повторно опубликована (1901 г.) забытая работа Менделя, и были заложены основы учения о мутации (лат.mutatio— изменчивость). С этого времени ведет свое начало экспериментальная генетика — наука о наследственности и измен­чивости организмов.

Термин «хромосома» («цветные тельца»; от греч. chroma — цвет, soma — тело) появился в 1888 г. (его ввел Г. Вальдейер). Термин «ген» был введен в 1909 г. датским ученым В. Иоганнсеном, который назвал так содержащиеся в хромосо­мах носители наследственности (от греч.genos — род, происхождение).

В 1911 г. американский ученый Томас Хант Морган (1866 — 1945 гг.) начал опыты на хромосомах дрозофилы, пришел к заключению о линейном расположении генов в хромосоме (1915г.) и сформулировал хромосомную теорию наследственности (Нобелевская премия 1933г.). Его ученик Герман Джозеф Мёллер (1890—1967 гг.) также был удос­тоен Нобелевской премии (1946г.) за открытие в 1927г. «возникновения мута­ций под действием рентгеновских лучей». Это дало генетикам инструмент для воздействия на гены и позволило ученым-эволюционистам понять причины изменчивости. Бурное развитие генетики привело к формированию новых на­учных направлений — молекулярной генетики и молекулярной биологии.