Вопрос Аксиомы биологии

 

Аксиома 1. Все живые организмы состоят из фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в поколение. Наследуется не структура, а описание структуры и инструкция по ее изготовлению. Жизнь на основе одного только генотипа и фенотипа невозможна, т.к. при этом нельзя обеспечить ни самовоспроизведения структуры, ни ее самоподдержания (Д. Нейман, Н.Винер).

Аксиома 2. Генетические программы не возникают заново, а реализуются матричным способом. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения. Жизнь - это матричное копирование с последующей самосборкой копий (Н.К. Кольцов).

Аксиома 3. В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате многих причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными. Отбор случайных изменений не только основа эволюции жизни, но и причина ее становления, потому что без мутаций отбор не действует. (Эта аксиома основана на принципах статистической физики и принципе неопределенности В. Гейзенберга).

Аксиома 4. В процессе формирования фенотипа случайные изменения генетических программ многократно усиливаются, что делает возможным их селекцию со стороны факторов внешней среды. Из-за усиления в фенотипах случайных изменений эволюция живой природы принципиально непредсказуема (Н.В. Тимофеев-Ресовский).

Этих положений достаточно для объяснения всех феноменов живой природы – от возникновения первого сократимого волокна или первой молекулы фермента до становления мыслящего мозга? На первый взгляд может показаться, что выдвинутые аксиомы сводят биологию к физике и химии. Но разве рассмотренные в этих очерках аксиомы характерны для неживой природы? Где же тут сведение? Появилось уже хлесткое определение «редукционизм». Здесь выводится биология из химии и физики. Это не редукционизм, а дедукционизм. Если говорить о редукционизме, то только в том смысле, что все эти положения прямо вытекают из положений физики и химии и только в этом понимании «сводятся» к ним. Ибо, что значит – объяснить? Это и есть свести сложное явление к более простым, для нас уже понятным, объясненным. Естествоиспытатель в наши дни обязан быть редукционистом, иначе он рискует остаться просто болтуном. Вот, например, что пишет о редукционизме философ Р. С. Карпинская: «…если вопрос о редукционизме рассматривать в методологическом плане, то сущностью «сведения» сложных биологических процессов к более простым является обнаружение на молекулярном (или ином, более простом по отношению к изучаемому) уровне таких фундаментальных характеристик, которые при их теоретическом обобщении позволят сформулировать некие абстрактные понятия, выступающие начальным пунктом движения познания «вверх», ко все более сложным уровням биологической организации. Эти понятия должны работать на всех уровнях, наполняясь все более конкретным, все более богатым содержанием». В этой цитате подчеркивается необходимость неких абстрагированных заключений (аксиомы). Кроме того, формулируются условия, которым должны соответствовать аксиомы.

1. Хотя они (аксиомы) выводятся на молекулярном уровне (деление организма на генотип и фенотип, матрицирование генотипа, ошибки матрицирования, усиление ошибок, делающее их доступным отбору), с их помощью можно познать более сложные уровни биологической организации.

2. Они должны быть всеобщими, проявляться на всех уровнях и во всех случаях. Частные закономерности должны выводиться из них, как теоремы из аксиом. И включение в систему аксиом «лишней», не работающей на всех уровнях, такая же, если не худшая, ошибка, как включение неверной, не обоснованной фактами и противоречащей принципам физики и химии.

С этой точки зрения рассмотрим вопрос: достаточна ли эта система аксиом, не следует ли чего - либо добавить к ней? Остановимся для примера еще на одном положении. Его можно было бы выразить двумя словами: генетическая рекомбинация. Генетическая рекомбинация – обмен частями генетических программ – возникла, по видимому, на чрезвычайно ранней стадии становления жизни. У самых простейших организмов – бактериофагов – описан сложный процесс обмена кусками ДНК. После заражения бактериальной клетки фагом в ней образуется 30–50 копий молекул ДНК, реплицированных с материнской молекулы, впрыснутой в бактерию. Дочерние молекулы могут спариваться, сближаться гомологичными частями; затем в зонах спаривания происходят разрывы нитей ДНК, обмен скрещенными участками и последующая сшивка. Все это очень напоминает хорошо известный генетикам перекрест хромосом у высших организмов – кроссинговер, при котором хромосомы обмениваются гомологичными частями. В результате, если в одной молекуле ДНК произошла одна мутация, а в другой – другая, они могут объединиться в генетической программе фага и совместно попасть под действие отбора. Рекомбинация оказалась выгодной, допускающей объединение генетических изменений у разных организмов.

У бактерий перенос генетической информации осуществляется от клетки к клетке непосредственно кусками ДНК (трансформация), в результате изучения этого процесса и была доказана роль ДНК как субстрата наследственности. Известно, что генетическая рекомбинация у высших организмов гораздо сложнее. И у них есть кроссинговер. Но в отличие от бактерий геном у них настолько велик, что не может быть объединен в одной хромосоме. Эукариоты – имеют в клетках от двух (у малярийного плазмодия и лошадиной аскариды) до тысячи и более хромосом, «томов» генетических программ. Перед каждым делением клетки генетические программы реплицируются. Однако так бывает не всегда. Перед наступлением полового процесса происходит мейоз – редукционное деление. Хромосомы при нем не делятся, а расходятся по клеткам, из которых потом формируются половые. Слияние половых клеток восстанавливает прежнее количество хромосом возникает новая генетическая программа, с которой организм входит в жизнь. При смене поколений эти программы рассыпаются, чтобы заново возникли другие. Генетическая рекомбинация непрерывно тасует их, как карты, поставляя отбору поистине неисчерпаемый материал. Здесь есть и отрицательная сторона: какая нибудь сверхудачная комбинация хромосом бесследно исчезает в новом поколении, у гениальных родителей появляются заурядные дети.

Так, может быть, генетическая рекомбинация непреложный закон живого есть пятая аксиома? Но, дело обстоит не столь просто. Многие организмы потеряли способность к генетической рекомбинации и благоденствуют, мы не имеем права исключать их из мира живого. Таковы всем известные амебы и инфузории потерявшие способность образовывать половое ядро, все формы, размножающиеся партеногенетическим путем, без оплодотворения (а их многие тысячи – от простейших до некоторых пород индеек). Наконец, так называемые апомиктические растения, образующие семена из нормальных, диплоидных клеток с двойным набором хромосом, хотя бы одуванчики, каждую весну золотым потопом заливающие наши газоны. Или же растения в принципе способные к рекомбинации, но размножаемые черенками клубнями, отводками (картофель бананы и т. д.). Кроссинговер, казалось бы, шире распространен, чем половой процесс, но, например, самцы дрозофил к нему не способны. Отсюда делаем вывод: наличие генетической рекомбинации – не безусловный критерий живого. Это не условие жизни, а ее завоевание, не аксиома, а теорема (правда, одна из самых основных).

Алексей Владимирович Яблоков, предложил в качестве пятой аксиомы так называемое «давление жизни», геометрическую прогрессию размножения. Рассмотрим этот вопрос.

Еще Дарвин указывал, что такой важный фактор эволюции, как борьба за существование, вытекает из «быстрой прогрессии, в которой все органические существа стремятся размножиться». Математики назвали такой рост геометрической прогрессией. Известно, что в таком случае прирост идет лавинообразно, на нем и основан рост делящихся атомов урана в ядерной бомбе. Таких примеров биологи приводили много. Дарвин писал, что «слон плодится медленнее всех известных животных», но за 740–750 лет потомство одной пары составило бы около 19 миллионов особей. Если же мы возьмем организмы с более быстрым темпом размножения, величины получаются буквально астрономические. Многократно упоминавшаяся нами плодовая мушка дрозофила за один год дала бы столько потомства, что оно покрыло бы землю слоем в миллион миль толщиной, пара воробьев за десять лет расплодилась бы до 257 716 983 636 особей. Можно сказать, что это все теоретические выкладки, ничего подобного в природе не бывает. Не совсем так: если вид попадает в благоприятные условия, не ограничивается пищевыми ресурсами и не имеет врагов, численность его возрастает фантастически. Так бурно разросся упоминавшийся Дарвином чертополох в Аргентине, так размножались европейские кролики в Австралии и американская тля филлоксера на европейских виноградных лозах.

Жизнь использует любой ресурс, любую возможность для размножения. Это и есть «давление жизни». Но даже если численность организмов какого либо вида остается стабильной, потенциал его размножения – мощный резерв, поставляющий материал отбору. Но возможно ли сказать что это аксиома? Все же – нет, это следствие, вытекающее автоматически из принципа матричного воспроизведения. Это тоже не аксиома, а теорема, и тоже одна из главных, на которой основана вся современная биология.

Предложенные Б.M. Медниковым аксиомы это попытка решить одну из современных проблем теоретической биологии. Поэтому предстоит дальнейшая работа по созданию основных положений в биологии по средствам объединения и анализа накопившихся фактов и избавление биологии от физикализма.

Вопрос 17. Проблема системной организации в биологии. Организованность и целостность живых систем. Механицизм и витализм: трактовка биологической целостности. Организмическое движение в биологии ХХ века.

 

Путь осознания целостности применительно к целостности живого был очень сложным. В познании живой системы аналитический подход: разложение, членение, углубление во все более тонкие структуры (генетика, молекулярная биология), внешнее вмешательство в жизнь разрушает ее организацию: существо становится веществом.

Представить мир как систему означает, что любой объект, любое явление, событие – нечто сложное, некая совокупность или компонент системы. Рассмотрение предмета как системы требует:

1) выявление феномена целостности и определение целого, его состава;

2) выявление закономерностей соединения частей в целое;

3) выявление законов его структуры.

Исторически механицизм выступал в качестве господствующего направления научной мысли на протяжении 16-18 веков и составлял исторически обусловленную ограниченность естествознания. Эта ограниченность оправдана тем, что механика в то время была самой развитой наукой.

Механицизм понимается, как метод «сведения» сложных явлений к их более простым составляющим, метод разложения целого на части, неспецифичные для целого. В 19 веке Галилей, Ньютон, Лаплас, Гоббс, Ламетри, Гольбах: предпосылкой существования естествознания считали существование одного типа связи в любом предмете – механической связи. Основная формула механицизма:

ЦЕЛОЕ = (СУММА ЧАСТЕЙ)

Познай все части и познаешь все. Но скоро выяснилась, что с помощью такого подхода нельзя объяснить: 1) целесообразность в устройстве организма; 2) способность к регенерации (восстановление утраченных органов); 3) направленность развития.

Развитию механицизма как естественнонаучного мировоззрения способствовали успехи физики и химии второй половины 19 века и первой половины 20 века, открытие в живых телах свойств и законов движения (в физико-химическом смысле) неорганических тел.

Тогда как другая крайняя позиция – витализм (от лат. vitalis –жизненный, живой) – выдвигает свой вариант формулы:

ЦЕЛОЕ ≠ (СУММА ЧАСТЕЙ)

Целое = (сумма частей + Х)

Х – различные названия (энтелехия, доминанта). Витализмутверждает, что живое не сводится только к физико-химическим явлениям, в нем действуют еще и специфические нематериальные витальные факторы. Главными представителями В. были Дриш, И. Рейнке, Икскюль. Основные принципы, отстаиваемые ими: телеологическая причинность и целостность в объяснении живого. Основные принципы витализма: 1). целесообразность организмов; 2). нерасчленимость живого на части, элементы; 3). немашинность в понимании структуры и поведения живых систем.

Полно естественнонаучный витализм выразил в своей концепции немецкий биолог и философ Ханс (Ганс) Дриш (1867-1941). Х. Дриш проводил эксперименты над зародышами морских ежей и других животных (зародыш медуз, некоторых червей, ланцетников, рыб). Дриш делает основной вывод: развитие живого направляет некая нематериальная, непознаваемая сила – душа, которую он вслед за Аристотелем назвал энтелехией (от греч. энтелес – законченный, совершенный)

Сильная сторона витализма: критика механистических взглядов на биологическую причинность. Ряд феноменов, которые витализм считал специфически биологическими (способность регулировать нарушение целостности, самоусложнение пространственной организации, достижение одного конечного результата разными путями), рассматриваются сейчас как типичные проявления самоорганизации любых достаточно сложных систем, а специфика живого не отрицается, но связывается с единством происхождения и развития жизни.

Позднее возник ряд концепций, получивших обобщенное название организмическое движение в биологии – это группа концепций ХХ века в области методологии естествознания, использующая понятие “организм” и “организация” и связанные с ним понятия организации целостности. Органицизм занимает центр. место среди организмических концепций. Термин был предложен (1918) физиологом Дж. Холдейном. Главное влияние на представителей этого направления оказали взгляды Дж. Вуджера и Л. Берталанфи.

Этот взгляд нашел отражение в психобиологии Адольфа Мейера (Meyer, 1948; Rennie, 1954), психосоматическом направлении в медицине (Dunbar, 1954) и в фундаментальной работе Когхилла, посвященной развитию нервной системы и поведения (Coghill, 1929). Наиболее значительные предшественники организмической концепции в области медицины – выдающийся английский невролог Хьюлингс Джексон (Jackson, Н., 1931) и знаменитый французский физиолог Клод Бернар (Bernard, С., 1966). Ведущим представителем организмической теории явился Курт Гольдштейн, выдающийся нейропсихиатр. Во многом на основе наблюдения и исследований солдат, получивших повреждения мозга во время Первой Мировой войны, а также предшествовавших исследований речевых нарушений, Гольдштейн пришел к заключению, что ни один симптом пациента не может рассматриваться просто как продукт частного органического поражения или заболевания, а должен анализироваться как проявление всего организма

Наиболее значительное влияние на концепцию органицизма оказали работы Людвига фон Берталанфи (1901-1972). Концепция Берталанфи основывается на представлении о том, что “живой организм – не конгломерат отдельных элементов, а определенная система, обладающая организованностью и целостностью”.

Из концепции органицизма Берталанфи, которую он дополнил использованием ряда положений об организмах как открытых системах, находящихся в состояниях подвижного равновесия со средой возникла общая теория систем. В то время в биологии было распространено представление, восходящее к Р. Вирхову: …“каждое животное является суммой неизменных единиц, из которых каждая отдельно взятая содержит все необходимое для жизни”….

Под системой Берталанфи подразумевает комплекс элементов, которые находятся в состоянии взаимодействия.

Понятие “целое” в общей теории систем, есть ни что иное, как некое относительно стабильное состояние, которое лучше всего определяется термином “гомеостазис” (Берталанфи). Слово «целостность» появляется в определении «системы» как ее существенное свойство.

Согласно Берталанфи система обладает следующими признаками:

1) принцип целостности, т.е. такой высокий уровень организованности, при котором свойства системы не сводятся к сумме свойств элементов. Целостная система обладает специфическими качествами, которых лишены элементы в отдельности и которые возникают благодаря взаимодействию элементов. Изменение любого элемента оказывает воздействие на все другие и ведет к изменению всей системы, и, наоборот, изменение любого элемента зависти от всех других элементов системы.

2) принцип открытости, т.е. интенсивный обмен веществом, энергией, информацией между системой и внешней средой. Благодаря обмену со средой организму удаётся поддерживать энтропию на низком уровне, т.е. сохранять высокую упорядоченность.

3) Динамичность, т.е. постоянное обновление элементов системы, при сохранении общего равновесия и устойчивой структуры.

4) Активность, т.е. существенное преобразование внешней среды.

Принцип целостности у Берталанфи направлен как против механицизма, так и против витализма. По замечанию Берталанфи, витализм исходил из механистического понимания организма как суммы клеток, лишенных активности, только реагирующей на внешние стимулы, а механическое понимание не может объяснить явление регуляции, а также процессы происхождения и развития организмов. Именно понимание целого у Берталанфи и отграничивает организмическую концепцию от механицизма и неовитализма.

Согласно системному взгляду, существенными свойствами организма, или живой системы, являются свойства целого, которыми не обладает ни одна из его частей. Новые свойства возникают из взаимодействий между частями. Эти свойства нарушаются, когда система распадается на изолированные элементы. Хотя мы можем распознать индивидуальные части в любой системе, эти части не изолированы, и природа целого всегда отличается от простой суммы его частей.

Как известно, все живые системы – это открытые неравновесные системы. Открытая система заимствует извне вещество или энергию и одновременно выводит в среду использованное вещество и отработанную энергию. При этом энтропия (степень беспорядка) не накапливается в системе, а удаляется окружающую среду. Отсюда ясно, что открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества.

Открытые системы обладают еще одним свойством. При определенных неравновесных условиях в открытой системе за счет внутренних перестроек между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к коллективному поведению ее элементов, в результате чего могут возникнуть упорядоченные структуры. Эту особенность системы назвали самоорганизацией, а сами структуры – диссипативными (Пригожин).

Принципы общей теории систем позволили увидеть специфические черты живых систем:

а) общая теория систем позволила увидеть иерархию структур в живых системах, входящих в состав общих, обладающих некоторой свободой функций.

б) общая теория систем позволила установить, что целое воздействует на части путем определенных каналов управления (например, путем нервной системы).

Понимание связей между структурами живого привело к тому, что концепция системности живого, приложимая к организму, виду, экосистеме, биосфере прочно вошла в биологию.

Системный подход к пониманию эволюции живых организмов сформулировал в начале XX в. наш соотечественник, основоположник учения о биосфере В.И. Вернадский. Эволюция живых организмов осуществляется в экосистемах, которые по-видимому, сформировались на самых ранних этапах биопоэза.

1. Живая материя так же, как и неживая, принимает форму, разрешённую условиями.

-радиальная форма кроны больших растений с вертикальным стволом "разрешается" гравитацией,

-торпедовидная форма тела активно подвижных водных организмов - законами гидродинамики,

-размеры и масса птиц, летающих машущим полётом, лимитируется законами аэродинамики

-условия для размеров и функции клеток заданы физическими и химическими законами и процессами. Масса клетки не может быть очень большой из-за диффузных ограничений, так как она возрастает линейно, пропорционально кубу, а поверхность, через которую осуществляется диффузия - квадрату.

2. Лишь совсем недавно биологи пришли к пониманию генома живого организма как глубочайшим образом переплетенной сети и начали изучать деятельность этой сети исходя из системной точки зрения. геном», формирует обширную взаимосвязанную сеть, с множеством петель обратной связи, в которой гены прямо и косвенно регулируют деятельность друг друга. Организация генома определяет эволюционную универсальность многих физиологических систем и позволяет быстро и эффективно осуществлять рекомбинационные перестройки копий генов и их частей.

Например, реорганизация кодирующих участков генома происходит в ответ на стрессовые воздействия (например, тепловой шок) и носит адаптивный характер. Способность активации мобильных генетических элементов (МГЭ) в ответ на стрессовые воздействия приводит в организме к изменениям, которые наследуются. Создание новых функционирующих систем посредством рекомбинации копий генов или их частей экзонов, кодирующих отдельные домены белков, лишь частный случай использования имеющихся структур в создании новых [

3. Как самоорганизующиеся, рассматриваются различные процессы в человеческом организме:, образование тканей, движение сердечной мышцы, распространение нервных импульсов, синхронизация электрических импульсов клеток сердца и нейронных сетей (самоорганизация нейронов - синхронизация активности в группах нейронов и сигнала двух взаимосвязанных нейронов - обнаружена в клеточной культуре), секреции инсулина клетками гепатопанкреаса и многие другие.

-явление морфогенеза (отдельные клетки бывают только недифференцированными, специализация развивается в соответствующем окружении других клеток)

4. Пример пространственной самоорганизации: синхронизированное коллективное поведение насекомых, птиц, рыб (миграция, перелеты, и т.д) уже рассматривается как пример самоорганизации, самосборки. Популяции животных самоорганизуются и функционируют как интегрированное целое, обладающее новыми свойствами (регуляция динамики популяций - временные колебания численности видов)

5. В 1969 году специалист по химии атмосферы Джеймс Лавлок обосновал и обнародовал теорию Гайя, согласно которой планета Земля как целое представляет собой живую, самоорганизующуюся систему.

Согласно этой теории целостности эволюция не может быть ограничена приспособлением организмов к окружающей среде, поскольку сама эта среда формируется сетью живых систем, способных к приспособлению и творчеству. То есть эволюция живых организмов настолько тесно сопряжена с эволюцией окружающей их среды, что вместе они составляют единый эволюционный процесс.