Основы биологической картины мираСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА. Биология картина


биология Фотографии, картинки, изображения и сток-фотография без роялти

#46389612 - science, chemistry, biology, medicine and people concept - close..

Похожие изображения

Добавить в Лайкбокс

#50765911 - Biochemistry science concept with DNA molecule on blue background

Похожие изображения

Добавить в Лайкбокс

#51129866 - science, chemistry, biology, medicine and people concept - close..

Похожие изображения

Добавить в Лайкбокс

#54215330 - Real fluorescence microscopic view of human neuroblastoma cells

Похожие изображения

Добавить в Лайкбокс

#53578123 - science, chemistry, biology, medicine and people concept - close..

Похожие изображения

Добавить в Лайкбокс

#53627992 - science, chemistry, biology and people concept - close up of..

Похожие изображения

Добавить в Лайкбокс

ru.123rf.com

12 методов в картинках: структурная биология

Науки о жизни идут по пути от крупного к мелкому. Совсем недавно биология описывала исключительно внешние черты животных, растений, бактерий. Молекулярная биология изучает живые организмы на уровне взаимодействий отдельных молекул. Биология структурная — исследует процессы в клетках на уровне атомов. Если хотите узнать, как «увидеть» отдельные атомы, как работает и «живет» структурная биология и какие использует приборы, вам сюда!

Генеральный партнер цикла — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Одна из главных миссий «Биомолекулы» — докопаться до самых корней. Мы не просто рассказываем, какие новые факты обнаружили исследователи — мы говорим о том, как они их обнаружили, стараемся объяснить принципы биологических методик. Как вытащить ген из одного организма и вставить в другой? Как проследить в огромной клетке за судьбой нескольких крошечных молекул? Как возбудить одну крохотную группу нейронов в огромном мозге?

И вот мы решили рассказать о лабораторных методах более системно, собрать воедино в одной рубрике самые главные, самые современные биологические методики. Чтоб было интереснее и нагляднее, мы густо проиллюстрировали статьи и даже кое-где добавили анимации. Мы хотим, чтобы статьи новой рубрики были интересны и понятны даже случайному прохожему. И с другой стороны — чтобы они были так подробны, что даже профессионал мог бы обнаружить в них что-то новое. Мы собрали методики в 12 больших групп и собираемся сделать на их основе биометодический календарь. Ждите обновлений!

Зачем нужна структурная биология?

Как известно, биология — это наука о жизни. Появилась она в самом начале XIX века и первые сто лет своего существования была сугубо описательной. Главной задачей биологии в то время считали найти и охарактеризовать как можно большее количество видов различных живых организмов, чуть позже — выявить родственные связи между ними. Со временем и с развитием других областей науки из биологии выделились несколько ветвей с приставкой «молекулярный»: молекулярная генетика, молекулярные биология и биохимия — науки, изучающие живое на уровне отдельных молекул, а не по внешнему виду организма или взаиморасположению его внутренних органов. Наконец, совсем недавно (в 50-х годах прошлого века) появилась такая область знания, как структурная биология — наука, изучающая процессы в живых организмах на уровне изменения пространственной структуры отдельных макромолекул. По сути, структурная биология находится на стыке трех различных наук. Во-первых, это биология, потому что наука изучает живые объекты, во-вторых, физика, поскольку используется широчайший арсенал физических экспериментальных методов, а в-третьих, химия, так как изменение структуры молекул — объект именно этой дисциплины.

Структурная биология изучает два основных класса соединений — белки (основное «рабочее тело» всех известных организмов) и нуклеиновые кислоты (главные «информационные» молекулы). Именно благодаря структурной биологии мы знаем, что ДНК имеет структуру двойной спирали, что тРНК нужно изображать в виде винтажной буквы «Г», а в рибосоме есть большая и малая субъединицы, состоящие из белков и РНК в определенной конформации.

Глобальная цель структурной биологии, как и любой другой науки, — «понять, как все устроено». В какую форму свернута цепь белка, который заставляет клетки делиться, как изменяется упаковка фермента во время химического процесса, который он осуществляет, какими местами взаимодействуют гормон роста и его рецептор — вот вопросы, на которые отвечает эта наука. Более того, отдельной целью является накопление такого объема данных, чтобы на эти вопросы (по еще неизученному объекту) можно было ответить на компьютере, не прибегая к дорогостоящему эксперименту.

Например, нужно понять, как работает система биолюминесценции у червей [1] или грибов — расшифровали геном, на основании этих данных нашли нужный белок и предсказали его пространственную структуру вместе с механизмом работы. Стоит, правда, признать, что пока такие методы существуют только в зачаточной стадии, и точно предсказать структуру белка, имея только его ген, еще невозможно [2]. С другой стороны, результаты структурной биологии имеют применение в медицине. Как надеются многие исследователи, знания о структуре биомолекул и о механизмах их работы позволят разрабатывать новые лекарства на рациональной базе, а не методом проб и ошибок (высокопроизводительного скрининга, если говорить строго), как это делается чаще всего сейчас. И это не научная фантастика: уже есть много лекарств, созданных или оптимизированных с применением структурной биологии [3].

История структурной биологии

Рисунок 1. Важные этапы на пути структурной биологии. Чтобы увидеть рисунок в полном размере, нажмите на него.

История структурной биологии (рис. 1) достаточно коротка и стартует в начале 1950-х, когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, основываясь на данных Розалинд Франклин по дифракции рентгеновских лучей на кристаллах ДНК, собрали из винтажного конструктора модель известной сейчас всем двойной спирали [4]. Чуть раньше Лайнус Полинг построил первую правдоподобную модель α-спирали, одного из базовых элементов вторичной структуры белков (рис. 2) [5].

Рисунок 2а. На заре структурной биологии. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик рядом с моделью двойной спирали ДНК, собранной из конструктора.

Рисунок 2б. На заре структурной биологии. Лайнус Полинг рядом с моделью α-спирали белка.

Спустя пять лет, в 1958 году, была определена первая в мире структура белка — миоглобина (белка мышечных волокон) кашалота (рис. 3). Выглядела она, конечно, не так красиво, как современные структуры, но это была значительная веха развития современной науки.

Рисунок 3а. Первая пространственная структура белковой молекулы. Некрасивая структура миоглобина низкого разрешения из статьи в Nature 1958 года [6].

Рисунок 3б. Первая пространственная структура белковой молекулы. Джон Кендрю и Макс Перутц демонстрируют пространственную структуру миоглобина, собранную из специального конструктора.

Следующая структура белка (лизоцима) появилась лишь через семь лет, но затем события ускорились. В 1968 году была получена структура гемоглобина, в 1971 — инсулина, в 1975 году получили структуру транспортной РНК (рис. 4).

Рисунок 4. Пространственная структура транспортной РНК.

Рисунок 5. Структура бактериородопсина, полученная на основе данных электронной микроскопии.

Важнейшее событие для структурных биологов произошло в 1971 году: появилась база данных PDB (Protein Data Bank), которая сейчас содержит все пространственные структуры белков, которые были получены различными методами. В 1972 году база данных содержала всего две структуры, в 1974 — 12, сегодня в ней можно найти 126 000 различных пространственных структур, из которых 117 000 — белки. В 1975 году произошло целых два «впервые». Впервые удалось получить структуру мембранного белка — бактериородопсина, — и сделали это впервые при помощи электронной микроскопии (рис. 5) [7].

Через 10 лет, в 1984–1985 годах, первые структуры определили методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса. С того момента произошло несколько ключевых открытий: в 1985 году получили структуру первого комплекса фермента с его ингибитором, в 1994 году определили структуру АТФ-синтазы [8], главной «машины» электростанций наших клеток (митохондрий), а уже в 2000 г. получили первую пространственную структуру «фабрики» белков — рибосомы, состоящей из белков и РНК (рис. 6) [9]. В 21 веке развитие структурной биологии пошло семимильными шагами, сопровождаясь взрывным ростом количества пространственных структур. Были получены структуры многих классов белков: рецепторов гормонов и цитокинов, G-белоксопряженных рецепторов, толл-подобных рецепторов, белков иммунной системы и многих других [10–15].

Рисунок 6а. Пространственная структура АТФ-синтазы, полученная в 1994 году. Работа удостоилась нобелевской премии.

Рисунок 6б. Пространственная структура рибосомы, полученная в 2000 году. Работа удостоилась нобелевской премии.

С появлением в 2010-х годах новых технологий регистрации и обработки изображений криоэлектронной микроскопии появилось множество сложных структур мембранных белков в сверхвысоком разрешении [16], [17]. Прогресс структурной биологии не остался незамеченным: за открытия в данной области были вручены 14 нобелевских премий, из них пять — уже в 21 веке.

Методы структурной биологии

Исследования в области структурной биологии ведут при помощи нескольких физических методов, из которых только три позволяют получать пространственные структуры биомолекул в атомарном разрешении. Методы структурной биологии основаны на измерении взаимодействия исследуемого вещества с различными видами электромагнитных волн или элементарных частиц. Все методики требуют значительных финансовых ресурсов — стоимость оборудования часто поражает воображение.

Рентгеноструктурный анализ

Рисунок 7. Общая схема рентгеноструктурного анализа.

Исторически первый метод структурной биологии — рентгеноструктурный анализ (РСА) (рис. 7). Еще в начале 20 века выяснили, что по картине дифракции рентгеновских лучей на кристаллах можно изучать их свойства — тип симметрии ячейки, длину связей между атомами и пр. Если же в ячейках решетки кристаллов находятся органические соединения, то можно вычислить координаты атомов, и, следовательно, химическую и пространственную структуру этих молекул. Именно так была получена в 1949 году структура пенициллина, а в 1953 году — структура двойной спирали ДНК.

Казалось бы, все просто, но есть нюансы.

Во-первых, нужно как-то получить кристаллы, причем их размер должен быть достаточно большим (рис. 8). Если для не очень сложных молекул это выполнимо (вспомните, как кристаллизуются поваренная соль или медный купорос!), то кристаллизация белков — это сложнейшая задача, требующая неочевидной процедуры поиска оптимальных условий. Сейчас это делается при помощи специальных роботов, которые готовят и мониторят сотни различных растворов в поисках «проросших» кристаллов белков [18], [19]. Однако на заре кристаллографии получение кристалла белка могло занимать годы ценного времени.

Рисунок 8а. С чем работает рентгеноструктурный анализ. Кристаллы белков, выращенные в космосе, под микроскопом.

Рисунок 8б. С чем работает рентгеноструктурный анализ. Дифракционная картина, на основании которой получают структуры белков.

Во-вторых, на основе полученных данных («сырых» дифракционных картин; рис. 8) нужно структуру «рассчитать». Сейчас это также рутинная задача, однако 60 лет назад, в эру ламповой техники и перфокарт, было далеко не так просто.

В-третьих, даже если получилось вырастить кристалл, то совсем не обязательно, что будет определена пространственная структура белка: для этого во всех узлах решетки белок должен иметь одну и ту же структуру, что далеко не всегда так.

Ну и в-четвертых, кристалл — далеко не естественное состояние белка. Изучать белки в кристаллах — это как изучать людей, впихнув их вдесятером в малогабаритную прокуренную кухню: можно узнать, что у людей есть руки, ноги и голова, но поведение может быть не совсем таким, как в комфортной обстановке. Тем не менее, рентгеноструктурный анализ — это наиболее распространенный метод определения пространственных структур, и 90% содержимого PDB получено при помощи этого метода.

РСА требует мощных источников рентгеновских лучей — ускорителей электронов или лазеров на свободных электронах (рис. 9). Такие источники стоят дорого — несколько миллиардов долларов США, — но обычно один источник используют сотни или даже тысячи групп по всему миру за достаточно символическую плату. В нашей стране мощных источников нет, поэтому большинство ученых ездит из России в США или Европу для анализа полученных кристаллов. Подробнее об этих романтичных исследованиях можно прочесть в статье «Лаборатория перспективных исследований мембранных белков: от гена к ангстрему» [20].

Устройство лазера на свободных электронах

Как уже было сказано, для рентгеноструктурного анализа необходим мощный источник рентгеновского излучения. Чем мощнее источник, тем меньшим размером кристаллов можно обойтись, и тем меньше мучений придется испытать биологам и генным инженерам, пытающимся получить несчастные кристаллы. Рентгеновское излучение проще всего получить, ускоряя пучок электронов в синхротронах или циклотронах — гигантских кольцевых ускорителях. Когда электрон испытывает ускорение, он излучает электромагнитные волны в нужном диапазоне частот. В последнее время появились новые сверхмощные источники излучения — лазеры на свободных электронах (XFEL) [21].

Принцип работы лазера достаточно простой (рис. 9). Сначала электроны разгоняются до высоких энергий при помощи сверхпроводящих магнитов (длина ускорителя 1–2 км), а потом проходят через так называемые ондуляторы — наборы магнитов разной полярности.

Рисунок 9. Принцип работы лазера на свободных электронах. Пучок электронов ускоряется, проходит через ондулятор и излучает гамма-кванты, которые попадают на биологические образцы.

Проходя через ондулятор, электроны начинают периодически отклоняться от направления пучка, испытывая ускорение и испуская рентгеновское излучение. Поскольку все электроны движутся одинаково, то излучение усиливается за счет того, что другие электроны пучка начинают поглощать и переизлучать рентгеновские волны одной и той же частоты. Все электроны испускают излучение синхронно в виде сверхмощной и очень короткой вспышки (длительностью менее 100 фемтосекунд). Мощность рентгеновского луча настолько высока, что одна короткая вспышка превращает небольшой кристалл в плазму (рис. 10) [22], однако за те несколько фемтосекунд, пока кристалл цел, можно получить изображение высочайшего качества благодаря высокой интенсивности и когерентности луча. Стоимость такого лазера составляет 1,5 миллиарда долларов, а в мире работает всего четыре такие установки (находятся в США (рис. 11), Японии, Корее и Швейцарии). В 2017 году планируется ввод в эксплуатацию пятого — европейского — лазера, в строительстве которого участвовала и Россия.

Рисунок 10. Превращение белков в плазму за 50 фс под действием импульса лазера на свободных электронах. Фемтосекунда = 1/1000000000000000 доли секунды.

Рисунок 11. Карта лазера на свободных электронах LCLS (США).

Криоэлектронная микроскопия

Электронный микроскоп — это аналог оптического микроскопа [23], использующий пучок быстрых электронов вместо света. Разрешающая способность обычных микроскопов ограничена длиной волны света и составляет около 200 нм; применение быстрых электронов позволяет повысить разрешение до 0,05 нм. Чтобы получить изображение, молекулы нужно зафиксировать, а вокруг образца создать высокий вакуум. Для этого объект замораживают при температуре жидкого азота, что и называется криоэлектронной микроскопией. Если заморозку провести достаточно быстро, то удастся получить любую макромолекулу в естественном окружении — в растворе, в отличие от кристаллографических методов или методов негативного контраста, когда высушенный образец обрабатывается антителами или другими агентами.

При исследовании биомолекул электронным микроскопом получается набор двумерных изображений, соответствующих различным ориентациям молекулы. Если ранее эти двумерные изображения и были финалом исследования, то сейчас появились вычислительные методы анализа двумерных проекций молекулы, восстановления трехмерного распределения электронной плотности и, следовательно, получения трехмерной структуры белка или нуклеиновой кислоты (рис. 12) [24]. Благодаря развитию вычислительных методов и разработке новых чувствительных детекторов, криоэлектронная микроскопия набирает сумасшедшую популярность в последние 2–3 года, особенно в применении к мембранным белкам большого размера и целым вирусам (которые тяжело исследовать другими методами) [25], [26]. Наблюдается взрывной рост числа структур белков, полученных на электронном микроскопе: сейчас уже около 1% (1300) структур в базе PDB.

Рисунок 12. Изображения липид-белковых нанодисков размером 10–15 нм, полученные под криоэлектронным микроскопом.

Метод имеет только один существенный недостаток: им нельзя работать с «маленькими» объектами массой менее 60 000 атомных единиц — из-за низкой контрастности изображений и сложности анализа проекций. Интересные данные можно получить при помощи криоэлектронной томографии — трехмерное изображение органелл клеток, конечно, не в атомарном разрешении, но в достаточном для наблюдения структуры некоторых белков (например, АТФаз) в естественном окружении [27–30]. Стоимость криоэлектронного микроскопа находится в «разумных» пределах 5–10 млн долларов США. В России есть несколько криоэлектронных микроскопов, наиболее современный из которых расположен в Курчатовском институте в Москве и используется для получения структур белков самого высокого разрешения.

Ядерный магнитный резонанс

Рисунок 13. Химическая формула и спектр ЯМР этилового спирта. Схематически показана разница энергий двух спиновых состояний ядра водорода.

Метод спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) имеет мало общего с ядерными реакторами, бомбами и прочими потенциальными причинами всемирного апокалипсиса. Метод изучает электромагнитные взаимодействия между ядрами (спинами ядер) в молекуле (рис. 13). Некоторые типы взаимодействий зависят от расстояния между ядрами или от угла вращения вокруг какой-нибудь химической связи, поэтому, если измерить большое количество таких взаимодействий, то можно восстановить пространственную структуру молекулы [31]. Чтобы получить возможность изучать спины ядер, молекулу нужно сначала поместить в сильное магнитное поле, которое создает магнит из сверхпроводников (поскольку спин, как крохотный магнит, взаимодействует со внешним магнитным полем). Эти магниты имеют гигантские размеры (высота до 5 метров) и стоят несколько миллионов долларов (рис. 14). Магнитное поле внутри ЯМР-спектрометра может достигать 23 тесла. Для сравнения, магнитное поле земли — 32 микротесла (в миллион раз меньше!), а 5 миллитесла (в 10 000 раз меньше) — напряженность магнитного поля, создаваемого магнитиком для холодильника.

Рисунок 14а. ЯМР-спектроскопия для структурной биологии. Один из мощнейших ЯМР-спекрометров в мире, установленный в Бирмингеме (Великобритания).

Рисунок 14б. ЯМР-спектроскопия для структурной биологии. Типичные двумерные спектры ЯМР, которые используются для исследования пространственной структуры белков.

Метод ЯМР-спектроскопии не только хорош, но и плох. К его несомненным преимуществам можно отнести возможность изучать молекулы в природном окружении — растворе, — а также потенциальную возможность исследовать не только структуру, но и подвижность биомолекул на различных участках. Среди минусов — длительность и дороговизна экспериментов и ограничения по размеру объектов исследования (масса молекулы не должна превышать 50–100 тысяч а.е.м.). Эксперимент ЯМР может длиться несколько недель из-за низкой чувствительности метода. При этом белки и нуклеиновые кислоты нужно обогащать редкими стабильными изотопами углерода (13С) и азота (15N), поскольку ядра обычных изотопов этих элементов не наблюдаются в ЯМР-спектрах в силу ряда причин, связанных с особенностью их спина.

Существует также модификация ЯМР-спектроскопии для изучения не жидких объектов, таких как белки в мембране или волокнах (фибриллах) — ЯМР твердого тела. Чтобы изучать белки вне раствора, нужно с бешеной скоростью (100 000 оборотов в секунду) вращать образец под «магическим» углом к направлению магнитного поля в 54,73 градуса [32].

При помощи ЯМР-спектроскопии определены около 10% пространственных структур в базе PDB. В России есть несколько сверхмощных чувствительных ЯМР-спектрометров, на которых ведут работы мирового уровня. Самая большая ЯМР-лаборатория не только в России, но и на всем пространстве к востоку от Праги и к западу от Сеула, расположена в Институте биоорганической химии РАН (Москва) [33].

Устройство ЯМР-спектрометра

ЯМР-спектрометр — замечательный пример торжества технологии над разумом. Как мы уже упоминали, для использования метода ЯМР-спектроскопии необходимо мощное магнитное поле, поэтому сердцем прибора является сверхпроводящий магнит — катушка из специального сплава, погруженная в жидкий гелий (−269 °C). Жидкий гелий нужен для достижения сверхпроводимости. Чтобы гелий не испарялся, вокруг него строят огромную цистерну с жидким азотом (−196 °C). Хоть это и электромагнит, он не потребляет электричества: сверхпроводящая катушка не имеет сопротивления. Однако, магнит нужно постоянно «подкармливать» жидким гелием и жидким азотом (рис. 15). Если не уследить, то произойдет «квенч»: катушка нагреется, гелий взрывоподобно испарится, а прибор сломается (см. видео). Также важно, чтобы поле в образце длиной 5 см было крайне однородным, поэтому в приборе присутствуют пара десятков небольших магнитов, нужных для тонкой настройки магнитного поля.

Рисунок 15. Автор текста рядом со своим карманным ЯМР-спектрометром.

Видео. Запланированный «квенч» 21,14-теслового ЯМР-спектрометра.

Чтобы проводить измерения, нужен датчик — специальная катушка, которая как генерирует электромагнитное излучение, так и регистрирует «обратный» сигнал — осцилляцию магнитного момента образца. Чтобы повысить чувствительность в 2–4 раза, датчик охлаждают до температуры −200 °C, тем самым избавляясь от тепловых шумов. Для этого строят специальную машину — криоплатформу, которая охлаждает гелий до нужной температуры и прокачивает его рядом с детектором.

Методы на основе рассеяния излучения

Есть целая группа методов, которая опирается на явление рассеяния света, рентгеновских лучей или пучка нейтронов. Данные методы по интенсивности рассеяния излучения/частиц на различных углах позволяют определять размер и форму молекул в растворе (рис. 16). При помощи рассеяния невозможно определить структуру молекулы, однако его можно использовать как подспорье при использовании другого метода, например, ЯМР-спектроскопии. Приборы для измерения рассеяния света относительно дешевы и стоят «всего» около 100 000 долларов, в то время как другие методы требуют наличия под рукой ускорителя частиц, который может создать пучок нейтронов или мощный поток рентгеновского излучения.

Рисунок 16. Кривые малоуглового рассеяния рентгеновских лучей для нескольких белков различной формы.

Перенос флуоресценции

Другим методом, при помощи которого нельзя определить структуру, но можно получить кое-какие важные данные, является резонансный перенос энергии флуоресценции (FRET) [34]. Метод использует явление флуоресценции — способность некоторых веществ поглощать свет одной длины волны, испуская свет другой длины волны. Можно подобрать пару соединений, у одного из которых (донора) испускаемый при флуоресценции свет будет соответствовать характерной длине волны поглощения второго (акцептора). Облучать донор лазером нужной длины волны и измерять флуоресценцию акцептора. Эффект FRET зависит от расстояния между молекулами, поэтому, если ввести донор и акцептор флуоресценции в молекулы двух белков или разные домены (структурные единицы) одного белка, можно изучать взаимодействия между белками или взаимное расположение доменов в белке [35]. Регистрация осуществляется при помощи оптического микроскопа, поэтому FRET является дешевым, хотя и малоинформативным методом, использование которого сопряжено со сложностями в интерпретации данных.

Компьютерное моделирование

Рисунок 17. Иногда мощности самого большого компьютера недостаточно, чтобы смоделировать поведение одной-единственной молекулы белка.

Наконец, нельзя не упомянуть о «методе мечты» структурных биологов — компьютерном моделировании (рис. 17). Идея метода состоит в том, чтобы, пользуясь современным знанием о строении и законах поведения молекул, моделировать поведение белка в компьютерной модели. Например, используя метод молекулярной динамики [36], можно в реальном времени отслеживать движения молекулы или процесс «сборки» белка (фолдинг) [37] за одним «но»: максимальное время, которое можно обсчитать, не превышает 1 мс [38], что чрезвычайно мало, но притом требует колоссальных вычислительных ресурсов (рис. 18) [39]. Можно исследовать поведение системы в течение более длительного времени, только достигается это за счет неприемлемой потери точности.

Рисунок 18. Суперкомпьютер ANTON, созданный специально для задач структурной биологии.

Компьютерное моделирование активно используется для анализа пространственных структур белков. При помощи докинга ищут потенциальные лекарства [40], [41], которые имеют высокую склонность к взаимодействию с белком-мишенью. В настоящий момент точность предсказаний все еще невелика, однако докинг позволяет существенно сузить круг потенциально активных веществ, которые необходимо проверить для разработки нового лекарства.

Применение в народном хозяйстве

Основным полем практического применения результатов структурной биологии является разработка лекарств или, как это сейчас модно говорить, драг-дизайн. Существует два способа разработать лекарство на основе структурных данных: можно начинать от лиганда или от белка-мишени. Если уже известно несколько лекарств, действующих на белок-мишень, и получены структуры комплексов белок-лекарство, можно создать модель «идеального лекарства» в соответствии со свойствами «кармана» связывания на поверхности молекулы белка, выделить необходимые черты потенциального лекарства и провести поиск среди всех известных природных и не очень соединений. Можно даже построить зависимости между свойствами структуры лекарства и его активностью. Например, если у молекулы есть сверху бантик, то ее активность выше, чем у молекулы без бантика. И чем больше бантик заряжен, тем лучше работает лекарство. Значит, из всех известных молекул нужно найти соединение с самым большим заряженным бантиком.

Другой способ — используя структуру мишени, на компьютере провести поиск соединений, которые потенциально способны с ней взаимодействовать в нужном месте. При этом обычно используют библиотеку фрагментов — небольших кусочков веществ. Если найти несколько хороших фрагментов, которые взаимодействуют с мишенью в разных местах, но близко друг от друга, можно построить из фрагментов лекарство, «сшив» их между собой. Существует много примеров успешной разработки лекарств при помощи структурной биологии. Первый успешный случай датируется 1995 годом: тогда был одобрен к применению дорзоламид — лекарство от глаукомы.

Общая тенденция в биологических исследованиях все больше склоняется не только к качественному, но и количественному описанию природы. Структурная биология — яркий тому пример. И есть все основания полагать, что она будет и дальше приносить пользу не только фундаментальной науке, но и медицине, и биотехнологиям.

  1. Биолюминесценция: возрождение;
  2. Торжество компьютерных методов: предсказание строения белков;
  3. Heping Zheng, Katarzyna B Handing, Matthew D Zimmerman, Ivan G Shabalin, Steven C Almo, Wladek Minor. (2015). X-ray crystallography over the past decade for novel drug discovery – where are we heading next?. Expert Opinion on Drug Discovery. 10, 975-989;
  4. Alan R. Fersht. (2008). From the first protein structures to our current knowledge of protein folding: delights and scepticisms. Nat Rev Mol Cell Biol. 9, 650-654;
  5. На заре молекулярной графики;
  6. J. C. KENDREW, G. BODO, H. M. DINTZIS, R. G. PARRISH, H. WYCKOFF, D. C. PHILLIPS. (1958). A Three-Dimensional Model of the Myoglobin Molecule Obtained by X-Ray Analysis. Nature. 181, 662-666;
  7. R. Henderson, P. N. T. Unwin. (1975). Three-dimensional model of purple membrane obtained by electron microscopy. Nature. 257, 28-32;
  8. Jan Pieter Abrahams, Andrew G. W. Leslie, René Lutter, John E. Walker. (1994). Structure at 2.8 Â resolution of F1-ATPase from bovine heart mitochondria. Nature. 370, 621-628;
  9. Wimberly B.T., Brodersen D.E., Clemons W.M. Jr., Morgan-Warren R.J., Carter A.P., Vonrhein C. et al. (2000). Structure of the 30S ribosomal subunit. Nature. 407, 327–339;
  10. Зрительный родопсин — рецептор, реагирующий на свет;
  11. Новый рубеж: получена пространственная структура β2-адренорецептора;
  12. Структуры рецепторов GPCR «в копилку»;
  13. Нобелевская премия по химии (2012): за рецепторы наших первого, третьего и четвертого чувств;
  14. Иммунологическая Нобелевская премия (2011);
  15. Толл-подобные рецепторы: от революционной идеи Чарльза Джейнуэя до Нобелевской премии 2011 года;
  16. Razi A., Britton R.A., Ortega J. (2017). The impact of recent improvements in cryo-electron microscopy technology on the understanding of bacterial ribosome assembly. Nucleic Acids Res. 45, 1027–1040;
  17. Rafael Fernandez-Leiro, Sjors H. W. Scheres. (2016). Unravelling biological macromolecules with cryo-electron microscopy. Nature. 537, 339-346;
  18. Ловля бабочек, или чем структурная геномика поможет биологии;
  19. Структурная геномика меняет курс;
  20. Лаборатория перспективных исследований мембранных белков: от гена к ангстрему;
  21. Фемтосекундные рентгеновские лазеры — кристаллография будущего;
  22. Neutze R., Wouts R., van der Spoel D., Weckert E., Hajdu J. (2000). Potential for biomolecular imaging with femtosecond X-ray pulses. Nature. 406, 752–757;
  23. Микроскопия в домашних условиях;
  24. L. Zhang, J. Song, Y. Newhouse, S. Zhang, K. H. Weisgraber, G. Ren. (2010). An optimized negative-staining protocol of electron microscopy for apoE4*POPC lipoprotein. The Journal of Lipid Research. 51, 1228-1236;
  25. D. Sirohi, Z. Chen, L. Sun, T. Klose, T. C. Pierson, et. al.. (2016). The 3.8 A resolution cryo-EM structure of Zika virus. Science. 352, 467-470;
  26. Karl Bertram, Dmitry E. Agafonov, Wen-Ti Liu, Olexandr Dybkov, Cindy L. Will, et. al.. (2017). Cryo-EM structure of a human spliceosome activated for step 2 of splicing. Nature. 542, 318-323;
  27. Получена первая полная реконструкция эукариотической клетки в трехмерном пространстве;
  28. Молекулярная модель синаптической везикулы;
  29. В полном объеме: синаптические везикулы в трехмерной модели синапса;
  30. L. A. Baker, I. N. Watt, M. J. Runswick, J. E. Walker, J. L. Rubinstein. (2012). Arrangement of subunits in intact mammalian mitochondrial ATP synthase determined by cryo-EM. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109, 11675-11680;
  31. Matthias Huber, Anja Böckmann, Sebastian Hiller, Beat H. Meier. (2012). 4D solid-state NMR for protein structure determination. Phys. Chem. Chem. Phys.. 14, 5239;
  32. Xavier L. Warnet, Alexandre A. Arnold, Isabelle Marcotte, Dror E. Warschawski. (2015). In-Cell Solid-State NMR: An Emerging Technique for the Study of Biological Membranes. Biophysical Journal. 109, 2461-2466;
  33. Сверхпроводящие магниты и рецепторы биомембран: Лаборатория биомолекулярной ЯМР-спектроскопии ИБХ РАН;
  34. Рулетка для спектроскописта;
  35. Marko Sustarsic, Achillefs N Kapanidis. (2015). Taking the ruler to the jungle: single-molecule FRET for understanding biomolecular structure and dynamics in live cells. Current Opinion in Structural Biology. 34, 52-59;
  36. Молекулярная динамика биомолекул. Часть I. История полувековой давности;
  37. Проблема фолдинга белка;
  38. Миллисекундный барьер взят!;
  39. Ledford H. (2010). Supercomputer sets protein-folding record. Nature News;
  40. Драг-дизайн: как в современном мире создаются новые лекарства;
  41. Виртуальные тропы реальных лекарств.

biomolecula.ru

Биология - Биологическая картина мира

Биология - Биология - Биологическая картина мира

08 февраля 2011

Оглавление:1. Биология2. Биологи3. Биологический метод4. Биологическая картина мира5. Уровни организации жизни6. Биологическая литература

Существует пять принципов, объединяющих все биологические дисциплины в единую науку о живой материи :

  • Клеточная теория. Клеточная теория — учение обо всём, что касается клеток. Все живые организмы состоят, как минимум, из одной клетки, основной функциональной единицы каждого организма. Базовые механизмы и химия всех клеток во всех земных организмах сходны; клетки происходят только от ранее существовавших клеток, которые размножаются путём клеточного деления. Клеточная теория описывает строение клеток, их деление, взаимодействие с внешней средой, состав внутренней среды и клеточной оболочки, механизм действия отдельных частей клетки и их взаимодействия между собой.
  • Эволюция. Через естественный отбор и генетический дрейф наследственные признаки популяции изменяются из поколения в поколение.
  • Теория гена. Признаки живых организмов передаются из поколения в поколение вместе с генами, которые закодированы в ДНК. Информация о строении живых существ или генотип используется клетками для создания фенотипа, наблюдаемых физических или биохимических характеристик организма. Хотя фенотип, проявляющийся за счёт экспрессии генов, может подготовить организм к жизни в окружающей его среде, информация о среде не передаётся назад в гены. Гены могут изменяться в ответ на воздействия среды только посредством эволюционного процесса.
  • Гомеостаз. Физиологические процессы, позволяющие организму поддерживать постоянство своей внутренней среды независимо от изменений во внешней среде.
  • Энергия. Атрибут любого живого организма, существенный для его состояния.

Клеточная теория

Клетка — базовая единица жизни. Согласно клеточной теории, всё живое вещество состоит из одной или более клеток, либо из продуктов секреции этих клеток. Например, раковины, кости, кожа, слюна, желудочный сок, ДНК, вирусы. Все клетки происходят из других клеток путём клеточного деления, и все клетки многоклеточного организма происходят из одной оплодотворённой яйцеклетки. Даже протекание патологических процессов, таких как бактериальная или вирусная инфекция, зависит от клеток, являющихся их фундаментальной частью.

Эволюция

Центральная организующая концепция в биологии состоит в том, что жизнь со временем изменяется и развивается посредством эволюции, и что все известные формы жизни на Земле имеют общее происхождение. Это обусловило сходство основных единиц и процессов жизнедеятельности, упоминавшихся выше. Понятие эволюции было введено в научный лексикон Жаном-Батистом Ламарком в 1809 году. Чарльз Дарвин через пятьдесят лет установил, что её движущей силой является естественный отбор, так же как искусственный отбор сознательно применяется человеком для создания новых пород животных и сортов растений. Позже в синтетической теории эволюции дополнительным механизмом эволюционных изменений был постулирован генетический дрейф.

Эволюционная история видов, описывающая их изменения и генеалогические отношения между собой, называется филогенез. Информация о филогенезе накапливается из разных источников, в частности, путём сравнения последовательностей ДНК или ископаемых останков и следов древних организмов. До XIX века считалось, что в определённых условиях жизнь может самозарождаться. Этой концепции противостояли последователи принципа, сформулированного Уильямом Гарвеем: «всё из яйца», основополагающего в современной биологии. В частности, это означает, что существует непрерывная линия жизни, соединяющая момент первоначального её возникновения с настоящим временем. Любая группа организмов имеет общее происхождение, если у неё имеется общий предок. Все живые существа на Земле, как ныне живущие, так и вымершие, происходят от общего предка или общей совокупности генов. Общий предок всех живых существ появился на Земле около 3,5 млрд. лет назад. Главным доказательством теории общего предка считается универсальность генетического кода.

Теория гена

Схематический вид ДНК, первичного генетического материала

Форма и функции биологических объектов воспроизводятся из поколения в поколение генами, которые являются элементарными единицами наследственности. Физиологическая адаптация к окружающей среде не может быть закодирована в генах и быть унаследованной в потомстве. Примечательно, что все существующие формы земной жизни, в том числе, бактерии, растения, животные и грибы, имеют одни и те же основные механизмы, предназначенные для копирования ДНК и синтеза белка. Например, бактерии, в которые вводят ДНК человека, способны синтезировать человеческие белки.

Совокупность генов организма или клетки называется генотипом. Гены хранятся в одной или нескольких хромосомах. Хромосома — длинная цепочка ДНК, на которой может быть множество генов. Если ген активен, то последовательность его ДНК копируется в последовательности РНК посредством транскрипции. Затем рибосома может использовать РНК, чтобы синтезировать последовательность белка, соответствующую коду РНК, в процессе, именуемом трансляция. Белки могут выполнять каталитическую функцию, транспортную, рецепторную, защитную, структурную, двигательную функции.

Гомеостаз

Гомеостаз — способность открытых систем регулировать свою внутреннюю среду так, чтобы поддерживать её постоянство посредством множества корректирующих воздействий, направляемых регуляторными механизмами. Все живые существа, как многоклеточные, так и одноклеточные, способны поддерживать гомеостаз. На клеточном уровне, например, поддерживается постоянная кислотность внутренней среды. На уровне организма у теплокровных животных поддерживается постоянная температура тела. В ассоциации с термином экосистема под гомеостазом понимают, в частности, поддержание растениями постоянной концентрации атмосферной двуокиси углерода на Земле.

Энергия

Выживание любого организма зависит от постоянного притока энергии. Энергия черпается из веществ, которые служат пищей, и посредством специальных химических реакций используется для построения и поддержания структуры и функций клеток. В этом процессе молекулы пищи используются как для извлечения энергии, так и для синтеза биологических молекул собственного организма.

Первичным источником энергии для 99 % земных существ является световая энергия, главным образом солнечная. Световая энергия посредством фотосинтеза превращается растениями в химическую в присутствии воды и некоторых минералов. Часть полученной энергии затрачивается на наращивание биомассы и поддержание жизни, другая часть теряется в виде тепла и отходов жизнедеятельности. Общие механизмы превращения химической энергии в полезную для поддержания жизни называются дыхание и метаболизм.

Просмотров: 10442

www.muldyr.ru

Основы биологической картины мираСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА

ТОП 10:

 

Одной из основных задач современного естествознания является познание сущности жизни. Дать научное определение жизни, указать на принципиальное отличие живого от неживого -— довольно сложная проблема. Ее решение требует верного ответа на вопрос, в чем именно заключается специфика биологической формы существования материи. Современная биология утверждает единство живой материи, представляя мир живого как огромную систему, где каждый компонент обладает собственными специфическими свойствами и соединяется с другими особым типом связей. Развитие биологических знаний приводит к постепенной трансформации представлений о сущности жизни, единстве космической и биологической эволюции, взаимодействии биологического и социального в человеке. Новые биологические данные изменяют ту картину мира, которая на протяжении длительного времени формировалась физикой. Открытия в биологии сегодня все больше определяют развитие всего естествознания. Именно поэтому современная научная картина мира невозможна без биологических знаний. Более того, биология становится тем фундаментом, на котором строятся новые мировоззренческие принципы, определяющие самосознание человека.

Структура биологического знания

 

Современная наука биология определяется как совокупность наук о живой природе, многообразии существовавших и существующих живых организмов, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. В соответствии с этим биология изучает как общие, так и частные закономерности живого во всех его проявлениях (обмен веществ, воспроизводство, наследственность, изменчивость, приспособляемость и др.).

Биология прошла длительный и трудный путь, включающий в себя три наиболее крупных этапа, принципиально различающихся между собой своей главной идеей: период систематики, эволю­ционный период и период биологии микромира. Обстоятельное знакомство с биологической картиной мира требует начинать ее изучение со знакомства с этими основными периодами становления биологического знания. Отмеченные периоды не имеют четких временных границ, так же как и резких переходов.

Период систематики

Как и всякая естественная наука, биология в начале своего становления развивалась как описательная (феноменологическая) наука. Главной ее задачей было изучение природы в ее естественном состоянии. Для этого наблюдались, описывались и систематизировались явления живой природы. Именно в этот период сложился натуралистический подход к изучению жизни. Началом научного подхода послужила постоянно растущая совокупность практических знаний, получаемых человеком в процессе его взаимодействия с окружающим природным миром. Накапливающиеся знания необходимо было систематизировать и одновременно систематизировать и объекты, составлявшие предмет практических интересов человека. Идея систематики зародилась в античности, и первым систематизатором науки был Аристотель, который собрал накопившийся до его времени фактический материал и сделал первую попытку классификации животных и растений, основанную на понятии целесообразности.

Систематизации биологических знаний древнегреческий мыслитель посвятил ряд сочинений: «История животных», «О частях животных», «О возникновении животных». Аристотель разделил царство животных на две группы: имеющие кровь и лишенные крови. Среди имеющих кровь он выделял: четвероногих живородящих, птиц, четвероногих и безногих яйцеродящих, безногих живородящих и рыб. Соответственно, лишенные крови делились на: мягких (головоногих), мягкокожих, многоногих (раки), многоногих членистых и раковинных безногих (моллюски и морские ежи). Кроме того, Аристотель выделил ряд групп, переходных между этими двумя. Человеку Аристотель отвел место на вершине животных, имеющих кровь (антропоцентризм). Благодаря его сочинениям хаотичные знания о живом приобрели относительно упорядоченный характер, и это обстоятельство дает основание считать, что становление биологии как науки началось в те далекие времена.

Свое дальнейшее развитие систематизация биологических знаний получила в XVIII в. в трудах шведского ученого Карла Линнея, предложившего в своем сочинении «Система природы» стройную иерархию всех животных и растений. В основе систе­матики Линнея лежит вид, близкие виды объединяются в роды, сходные роды в отряды, а отряды -— в классы. Именно Линней ввел точную терминологию для описания растений и животных, а также бинарную (двойную) номенклатуру: обозначение каждого вида двумя терминами -— названием рода и вида по латыни. Кроме того, Линней точно определил соотношение между различными систематическими группами -— классами, отрядами, родами, видами и подвидами, четко выделив названные таксоны и показав их иерархическую соподчиненность.

Эволюционный период

 

В основе систематики живого у Аристотеля лежит принцип развития живых организмов от простого к сложному с человеком на вершине пирамиды животного мира. Этот принцип систематики сохранялся в науке два тысячелетия и продолжает сегодня жить в виде идеи эволюции. Однако при всех плюсах системного подхода биология все же нуждалась еще и в понимании механизмов, явлений и процессов, происходящих на разных уровнях жизни и живых организмов. Поэтому от традиционной описательной биологии ученые перешли к изучению анатомии и физиологии растений и животных, процессов жизнедеятельности организмов в целом и их отдельных органов, а затем -— все дальше вглубь живой природы, к изучению жизни на клеточном и молекулярно-генетическом уровнях. Таким образом, интерес ученых обратился к проблеме развития живой природы, а для биологии это означало переход на новый этап развития, получивший название эволюционного.

Французский биолог Ж.Б. Ламарк разработал первую эволюционную теорию, изложив ее в своей книге «Философия зоологии» (1809 г.). Ламарк первым заговорил об изменении организмов под влиянием окружающей среды и передаче приобретенных признаков потомкам. Однако Ламарк в своей теории опирался на ряд неверных исходных положений, из-за этого ему не удалось решить вопрос о соотношении внутренних и внешних факторов эволюции.

Значительный вклад в развитие биологии на данном этапе внесла теория катастроф французского ученого Ж. Кювье. Он считал, что природные силы, действующие теперь и господствовавшие в прошлом, качественно отличаются друг от друга. Поэтому в прошлом периодически могли происходить глобальные природные катаклизмы, прерывающие спокойное течение геологических и биологических процессов на Земле, и в результате почти полностью менялся не только облик Земли, но и ее органический мир. Причины этих катастроф наука установить не в силах, но можно сделать вывод, что именно катастрофы привели к появлению все более сложных органических форм.

Своего высшего развития в данный период биология достигла в теории эволюции Ч. Дарвина, изложенной им в книге «Происхождение видов путем естественного отбора». Эволюционная теория Дарвина построена на трех постулатах: изменчивости, наследственности и естественном отборе. Изменчивость -— это способность организмов приобретать новые свойства и признаки и изменять их по разным причинам. Именно изменчивость стала первым и главным звеном эволюции. Наследственность — это способность живых организмов передавать свои свойства и признаки последующим поколениям. Естественный отбор является результатом борьбы за существование и означает выживание и успешное размножение наиболее приспособленных организмов. Под действием естественного отбора группы особей одного вида из поколения в поколение накапливают различные приспособительные признаки и в результате приобретают настолько существенные отличия, что превращаются в новые виды.

Период микромира

 

Благодаря теории эволюции, достижениям генетики и ряду других естественных наук, развитие биологии перешло на новый качественный уровень, который называется периодом микромира. Свое название он получил потому, что современная биология является экспериментальной наукой на уровне микромира и занимается преимущественно изучением процессов, происходящих на молекулярном уровне.

Современный этап развития биологического знания характеризуется тесной связью не только с другими дисциплинами естествознания, но и с гуманитарным и социальным знанием. Успехи биофизики и биохимии, молекулярной биологии и генетики позволяют говорить о прорыве наших знаний в сущность живого. Однако, все ближе подходя к разгадке тайны жизни, человечество сталкивается с множеством мировоззренческих проблем, решение которых необходимо для его самосохранения и выживания. В связи с этим биология оказывается тесно связанной с практическими нуждами людей.

Несмотря на то, что современная биология смогла осуществить анализ и классификацию огромного числа животных и растительных организмов, она тем не менее не сумела описать весь природный мир. До сих пор описано только две трети существующих видов, т. е. 1,2 млн животных, 5000 тыс растений, сотни тысяч грибов, около 3 тыс. бактерий. Однако в современной биологии произошли существенные методологические изменения. В XX в. биологическое знание приобрело объяснительный характер. Современная биология использует генетический и системно-структурный подходы. В рамках первого рассматриваются вопросы происхождения и эволюции живой материи, причины, механизмы и особенности биогенеза. В рамках второго изучаются различные уровни организации живого вещества, принципы их функционирования, особенности их взаимосвязи.

Таким образом, современная биология представляет собой динамичное, меняющееся на глазах, знание. Лавинообразное накопление новых экспериментальных данных подчас опережает возможности его теоретической интерпретации и объяснения. В биоло­гии стремительно растет число междисциплинарных исследований на стыке с другими естественными науками. В структуре биологического знания сегодня насчитывается более 50 частных наук, например ботаника, зоология, генетика, молекулярная биология, анатомия, морфология, цитология, биофизика, биохимия, палеонтология, эмбриология, экология и др. Такое многообразие научных дисциплин объясняется главным образом сложностью основного объекта биологических исследований -— живой материи.

Структуру биологии как науки можно рассматривать с нескольких точек зрения: по объектам, по свойствам, по уровням организации живого, можно выделять в ней основные этапы и биологические парадигмы. По объектам исследования биологию подразделяют на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию. По свойствам, проявлениям живого существует следующая классификация: эмбриология -— наука, изучающая зародышевое (эмбриональное) развитие организмов; физиология -— наука о функционировании организмов; морфология -— наука о строении живых организмов; молекулярная биология -— наука об образе жизни сообществ растительного и животного мира, их взаимосвязях с окружающей средой; генетика -— наука о наследственности и изменчивости. По уровню организации живых организмов выделяют: анатомию -— науку о макроскопическом строении животных и человека; гистологию -— науку о строении тканей; цитологию -— науку о строении живых клеток.

Уровни организации жизни

 

Жизнь характеризуется диалектическим единством противоположностей: она одновременно целостна и дискретна. Органический мир представляет собой единое целое, так как составляет систему взаимосвязанных частей (существование одних организмов зависит от других), и в то же время дискретен. Он состоит из отдельных единиц -— организмов, или особей. Каждый живой организм дискретен, так как состоит из отдельных органов, тканей, клеток, но вместе с тем каждый из органов, обладая определенной автономностью, действует как часть целого. Каждая клетка состоит из органоидов, но функционирует как единое целое. Наследственная информация передается генами, но ни один из генов вне всей совокупности не определяет развитие признака.

С дискретностью жизни связаны различные уровни организации органического мира, которые можно определить как дискретные состояния биологических систем, характеризуемых соподчиненностъю, взаимосвязанностью, специфическими закономерностями. При этом каждый новый уровень отличается особыми свойствами и закономерностями прежнего, низшего уровня, поскольку каждый организм, с одной стороны, состоит из подчиненных ему элементов, а с другой -— сам является элементом, входящим в состав какой-то макробиологической системы. На всех уровнях жизни проявляются такие ее атрибуты, как дискретность и целостность, структурная организация, обмен веществом, энергией и информацией. Существование жизни на всех уровнях подготавливается и определяется структурой низшего уровня. Например, характер клеточного уровня организации определяется молекулярным и субклеточным уровнями, организменный — клеточным, тканевым.

Структурные уровни организации жизни чрезвычайно многообразны, но основными являются молекулярный, клеточный, онтогенетический, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный.

Молекулярный уровень

 

Молекулярный уровень - это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, являющихся началом основных процессов жизнедеятельности. На молекулярном уровне обнаруживается удивительное однообразие дискретных единиц жизни. Жизненный субстрат для всех животных, растений, вирусов составляет всего 20 одних и тех же аминокислот и 4 одинаковых азотистых основания, входящих в состав молекул нуклеиновых кислот. На этом уровне элементарными структурными единицами являются гены. Наследственная информация у всех живых организмов заложена в молекулах ДНК. Наследственная информация хранится и передается при участии молекул РНК. В связи с тем что с молекулярными структурами связано хранение, изменение и реализация наследственной информации, этот уровень иногда называют молекулярно-генетическим.

Клеточный уровень

 

Данный уровень базируется на основной структурной и функциональной единице всех живых организмов -— клетке. На клеточном уровне также отмечается однотипность всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. В истории жизни на нашей планете был такой период (3,5 млрд лет назад), когда все организмы находились на этом уровне организации.

Онтогенетический уровень

 

Этот уровень возник в результате формирования живых организмов. Основной единицей жизни этого уровня выступает отдельная особь, а элементарным явлением — онтогенез. Биологическая особь может быть как одноклеточным, так и многоклеточным организмом, однако в любом случае она представляет собой целостную, самовоспроизводящуюся систему. Онтогенез -— процесс индивидуального развития организма от рождения через последовательные морфологические, физиологические и биохимические изменения до смерти, процесс реализации наследственной информации. Минимальной живой системой, кирпичиком жизни является клетка, изучением которой занимается цитология. Изучением функционирования и развития многоклеточных живых организмов занимается физиология. В настоящее время не создана единая теория онтогенеза, поскольку не установлены все причины и факторы, определяющие индивидуальное развитие организма.



infopedia.su

Занятие 2. Современная эволюционная биология. Биологическая картина мира.

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 6Следующая ⇒
План семинара: Вопросы к семинару
1. Основные проблемы современной эволюционной биологии. 1. Сделайте краткие доклады об ученых-создателях биологических учений по обобщенному плану: К.Линей, А.Брайн, Ж.-Б. Ламарк, Л.Пастер, Мечников, Ч.Дарвин, А.И. Опарин, … обобщенный план: I Основание Общий анализ эпохи, в которую жил ученый. Тип его мировоззрения, отношение к религии, власти, научные ориентиры (идеи, личности, …), послужившие толчком к его научной деятельности II Ядро Основное содержание его учения, система идей, научные законы и принципы, методы Ill Следствия Основные труды, где нашли свое применение его научные идеи. Место теории в научной картине мира IV Общее критическое истолкование Положительные и отрицательные моменты с точки зрения современных научных знаний. Роль учения в развитии науки 2. Геронтология и эволюционная биология (взаимосвязь, перспективы развития). 3. Эволюционная биология и эволюционная медицина
2. Современные представления о сущности жизни. «Биологическая эволюция» как одна из основ концепций биологических теорий (дарвинизм, менделизм, синтетическая теория эволюции, популяционно-генетический подход). Биологические эпохи. 1. Перечислите основные факторы и движущие силы эволюции. 2. С чем связан биологический прогресс? 3. Что такое микро- и макроэволюция? Чем отличается макроэволюция от микроэволюции? 4. В чем состоят особенности синтетической теории эволюции? 5. В чем состоит отличие эволюционной теории Ч. Дарвина от синтетической теории эволюции? 6. В чем суть современного популяционно-генетического подхода? 7. Что такое биологические эпохи? Какие биологические эпохи выделяют?
3. Генетика и эволюция (принципы и законы эволюционной теории). Генетический уровень биологических структур Свойства ДНК, РНК и генов. 1. Развитие биологии в XX веке. Современные концепции генетики 2. Каков механизм генетической эволюции? Как объясняет эволюционная теория целесообраз­ность в природе? 3. Что изучает генетика? Охарактеризуйте структуру и функции генов. Каково значение генетики для практики? 4. Что такое мутации и мутагены? Каковы виды мутаций? 5. Какая связь имеется между случайностью и необхо­димостью в живой природе? 6. Можно ли говорить об этике в генетике и нужно ли это делать?
4. Законы генетики Менделя. Цикличность эволюции. 1. Напишите минисочинение отвечая на вопрос: «Представляет ли опасность клонирование человека? Почему?» Ответ обоснуйте. 2. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем. 3. В чем заключается суть цикличности эволюции? 4. Свойство генов по Г. Докинзу.
5. Основные идеи современной БКМ: необратимость биопроцессов, их направленность, неэнтропийность, статичность на макроуровне и коэволюционность. 1. Выполните самостоятельную работу «Система идей современной физической картины мира», применив свои знания по физике в области биологии. Какие из идей современной физики можно отнести к биологии? Какие биологические открытия могут подтвердить те или иные физические идеи? 2. Рассмотрите развитие идей квантования, симметрии, близкодействия в 2. биологических системах (на примере электролиза, биофотохимических реакций и фотосинтеза) 3. Рассмотрите основные идеи современной БКМ: необратимость биопроцессов, их направленность, неэнтропийность, статичность. В чем их основная суть?

 

Тема 9. Учение о биосфере

План семинара: Вопросы к семинару
1. Понятие и свойства биосферы. Круговорот веществ и энергии в биосфере. 1. По обобщенному плану описания явления попытайтесь письменно описать различные природные явления (гроза, снегопад, ветер, наводнение, радуга, землетрясение, цунами, извержение вулкана, горообразование, …) 2. Круговорот веществ и энергии в биосфере: на примере опишите эти явления.
2. Концепции биосферы. Функции и организация биосферы 1. Система «Природа – биосфера – человек» и ее противоречия 2.Солнечная энергия – практически единственный источник тепла и света на Земле. Количество солнечного света закономерно изменяется в течение года и суток. Его биологическое действие обусловлено его интенсивностью, спектральным составом, сезонной и суточной периодичностью
3. Биосфера и цивилизация. Биосфера и человек. 1. Развитие цивилизации и жизнь как био­логический круговорот веществ. 2. Взаимосвязь Космоса и его законов с человечеством. 3. Глобальные проблемы кризиса цивилизации. Понятие, сущность, причины обострения.
4. Понятие ноосферы. Биосфера и ноосфера. Человек, биосфера и космические циклы. 1. Как научиться прогнозировать последствия антропогенного влияния деятельности человека на состояние природы и общества? 2. Как прийти к пониманию того, что в коэволюционном процессе развития природы и общества законы природы приоритетны, а любое разрушение природных и культурных ценностей безнравственно? 3. Человек всегда старался объявить себя господином всего живого на Земле и постоянно стремился утвердить собственное величие. Но не слишком ли много он на себя берет? Задумайтесь на словами И.В. Гете: «Научиться господствовать легко, управлять – трудно». Прав ли он? Почему?
5. Влияние деятельности человека на биосферу. Антропогенные воздействия на биосферу и охрана природы 1. Концепция биосферы В. И. Вернадского. Основные компоненты биосферы. 2.Космос и человек: А. Чижевский о роли космоса в жизни человека 3. Переход биосферы в ноосферу: прогноз и реальность 4. Задачи по созиданию ноосферы 5. Единство биосферы и человека
6. Космизм русских. 1. Обоснуйте сходства и различия в трех течениях русского космизма: религиозно-философском, поэтическо-художественном, естественно-научном. 2. Подготовьте доклады о русских мыслителях-космистах (Бердяев Н.А.,Вернадский В.И., Чижевский А.Л., Федоров Н.Ф., Соловьев В.С., Рерих Н.К., Рерих Е.И., Циолковский К.Э., Флоренский П.А., Холодный Н.Г., Булгаков С.Н., Муравьев В.Н., Сухово-Кобылин А.В., МанеевА.К., Купресич В.Ф. и др.) используя обобщенный план. обобщенный план: I Основание Общий анализ эпохи, в которую жил ученый. Тип его мировоззрения, отношение к религии, власти, научные ориентиры (идеи, личности, …), послужившие толчком к его научной деятельности II Ядро Основное содержание его учения, система идей, научные законы и принципы, методы Ill Следствия Основные труды, где нашли свое применение его научные идеи. Место теории в научной картине мира IV Общее критическое истолкование Положительные и отрицательные моменты с точки зрения современных научных знаний. Роль учения в развитии науки 3. Учение В.И. Вернадского о ноосфере и его современное развитие в геофи­зиологии - науке о Земле как едином организме.
7. Человек как космическое существо. Необратимость времени и будущее человечества. 1. Биосфера, ноосфера и цивилизация 2. Наука как основной фактор ноосферы 3. Диалог западной и европейской культуры – будущее человечества?

 



cyberpedia.su

9.Современная биологическая картина мира

К рубежу ХIХ-ХХ вв. биология, как и физика, подошла в состоянии глубокого кризиса своих оснований. Он проявился в многообразии и противоречии оценок и интерпретаций сущности эволюционной теории и интенсивно накапливавшихся данных в области генетики. Выход из кризисной ситуации был найден лишь в 20-40-х годах ХХ в. на основе объединения принципов генетики и теории эволюции в синтетической теории эволюции.

Во второй половине ХХ в. радикальные преобразования произошли в молекулярной биологии. В это время были открыты важнейшие закономерности молекулярного уровня организации живого. Были выявлены структура и функции молекул ДНК, РНК и рибосом в процессах наследственности и белкового обмена, закономерности процесса редупликации ДНК; расшифрована структура около двух сотен белков; произведен химический и ферментативный синтез гена; доказана универсальность генетического кода; было установлено существование так называемых мозаичных генов, выявлены мобильные генетические структуры, и др.

Достижения молекулярной биологии расширили и углубили понимание важных атрибутов жизни: способность к самовоспроизводству, наследственность, обмен веществ, трансформация энергии в живом и т.д. Фундаментальные открытия в области молекулярной биологии стали возможными благодаря применению таких эмпирических методов, как рентгеноструктурный анализ, ступенчатое центрифугирование, электронная микроскопия, электронно-микроскопическая гистохимия, микроспектральный анализ и др.

Основные направления изменения методологических установок биологического познания в ХХ в.

  • Формируется качественно новое представление объекта познания — полисистемное видение биологического мира, отказ от моноцентризма и организмоцентризма.

  • Складывается качественно новая познавательная ситуация, требующая явного указания на условия познания, на особенности субъект-объектных отношений.

  • Установление диалектического единства ранее противопоставлявшихся друг другу подходов: единство описательно-классифицирующего и объяснительно-номотетического; операций расчленения, редукции с процессами интегрирующего воспроизводства целостности; структурного и исторического подходов; функционально-целевого и статистически-вероятностного и др.

  • Углубление единства эмпирических исследований с процессом интенсивной теоретизации биологического знания, включающим его формализацию, математизацию, аксиоматизацию, методологизацию и др.

Современная биология стоит, по-видимому, на пороге понимания молекулярных основ сущности живого, что позволит революционизировать медицину, сельское хозяйство, сам образ жизни человека. Качественно новые подходы наметились в решении двух важнейших мировоззренческих проблем: проблеме происхождения жизни и проблеме происхождения человека (антропосоциогенеза).

Мировоззренческая нацеленность биологии реализуется в двух направлениях:

1) на человека, на выявление взаимосвязей биологического и социального в человеке; способов функционирования биологического в социальном. Все в большей степени человек становится исходной «точкой отсчета» биологической науки, от него, для него и на него будет непосредственно ориентироваться познание живого.

2) на мир, на выявление закономерностей включенности живого в эволюцию Вселенной, перспектив биологического мира в развитии мира космического. Это направление раскрывается, прежде всего, через взаимосвязь биологических и астрономических наук.

Истоки единства астрономических и биологических знаний уходят в прошлое, в период становления мифологического сознания, чувственно-образные обобщения которого строились, в частности, и на базе единства ритмики некоторых биологических объектов и астрономических явлений. В Х1Х – ХХ вв. основной формой интегрирования этих двух отраслей познания выступила астробиология — поиск и исследование имеющимися в нашем распоряжении средствами (астрономические наблюдения, космические аппараты) неземных форм жизни.

Во второй половине ХХ в. складывается новый подход. Он связан с антропным принципом в космологии. Содержание этого принципа: возникновение человечества, познающего субъекта (а значит, и предваряющего в эволюции Вселенной социальную форму материи органического мира) было возможным в силу того, что крупномасштабные свойства нашей Вселенной именно таковы, какими они являются; если бы они были хотя бы чуть-чуть другими, Вселенную просто некому было бы познавать.

Данный принцип указывает на наличие глубокого внутреннего единства закономерностей исторической эволюции Вселенной с предпосылками возникновения и эволюции органического мира (вплоть до антропосоциогенеза), на существование некоторого типа универсальных системных связей, определяющих целостный характер существования и развития Вселенной, Мира как определенного системно организованного фрагмента бесконечно многообразной материальной природы (принцип универсального эволюционизма).

studfiles.net

8. Классическая биологическая картина мира

Развитие биологического познания с эпохи античности до середины ХУШ в. было периодом накопления общих предпосылок для перехода на уровень систематизированного научно-исследовательского процесса, превращения биологии в науку. В плеяде выдающихся биологов XVIII века — Ж. Бюффон (1707 — 1788) и К. Линней (1707—1778).

Ж. Бюффон в своих трудах изложил концепцию трансформизма: ограниченная изменчивость видов и происхождение видов в пределах относительно узких подразделений (от одного единого предка) под влиянием среды. Исследователь догадывался о роли искусственного отбора, сформулировал идею единства живой природы и единства плана строения живых существ.

К. Линней создал утонченную систему искусственной классификации, подытожил в ней длительный исторический период эмпирического накопления биологических знаний, описал свыше 10 тыс. видов растений и свыше 4 тыс. видов животных. Вместе с тем Линней осознавал ограниченность задачи создания искусственной системы и ее возможности и считал, что естественная система есть тот идеал, к которому должна стремится биологическая систематика.

В XVIII в. идеи естественной классификации развивались, например, Б. Жюсье. Постановка вопроса о «естественном средстве» предполагала выявление объективных закономерностей единого плана строения живого.

Важнейшим событием в истории биологии Х1Х в. является создание Ч. Дарвином теории эволюции органического мира. Эта теория позволила представить прогрессивное развитие органических форм как процесс приспособления биологических организмов к изменяющимся условиям среды под влиянием естественного отбора.

В основу своей теории Дарвин положил следующие принципы:

  • принцип наследственности и изменчивости;

  • принцип борьбы за существование;

  • принцип естественного отбора.

Принцип наследственности и изменчивости предполагает, что не любое изменение организма передается по наследству. Дарвин разграничивает два вида изменчивости — определенная и неопределенная.

Определенная изменчивость — это способность всех особей одного вида определенным образом реагировать на изменения условий внешней среды (климат, пищу и др.). Определенная изменчивость не наследуется, а значит, не поставляет материал для органической эволюции.

Неопределенная изменчивость — это происходящие в самых различных направлениях изменения организма, вызванные опосредующим воздействием внешней среды. Неопределенная изменчивость носит наследственный характер, и незначительные отличия в первом поколении усиливаются в последующих поколениях. Дарвин подчеркивал, что решающую роль в эволюции играют именно неопределенные изменения.

Неопределенная изменчивость связана обычно с вредными и нейтральными мутациями, но среди них встречаются и такие мутации, которые в определенных условиях оказываются перспективными и способствуют прогрессу органических форм. В середине ХХ в. в связи с развитием молекулярной биологии была приоткрыта завеса над тайной природы неопределенной изменчивости.

Принцип борьбы за существование отражает очень важную общую особенность органического мира: каждый вид производит особей больше, чем их выживает до взрослого состояния. Остальные особи гибнут в «борьбе за жизнь», в «борьбе за существование». Такая борьба является необходимым условием органического прогресса.

Принцип естественного отбора указывает на тот реальный механизм, который позволяет осуществлять выбраковку ненужных форм и образование новых видов. В конечном итоге в живых остаются лишь такие организмы, которые обладают в данных условиях среды более благоприятными свойствами; эти свойства передаются по наследству и способствуют образованию новых видов.

В ХIХ в. сложились методологические установки классической биологии.

  • Признание объективного, независящего от сознания и воли человека, существования органических форм.

  • Классическая биология исходила из того, что мир живого имеет определенные объективные закономерности, порядок, структуру; эти закономерности познаваемы средствами науки.

  • Классическая биология концентрировалась лишь на одном качественно определенном уровне организации живого (организменном либо клеточном, реже — тканевом), который одновременно считался и первичным. Классическая биология была организмоцентричной. Надорганизменные уровни (колонии, популяции, вид, биоценоз, биогеоценоз, биосфера) рассматривались как производные, вторичные, для которых характерны лишь аддитивные, неинтегративные свойства. Это — ориентация на моносистемность.

  • Классическая биология исходила из представления о том, что органический мир есть, с одной стороны, некое многообразие форм, явлений, процессов, а, с другой стороны, одновременно он должен представлять и некоторое единство.

  • Важнейшей установкой классической биологии было представление о том, что природа живого может быть понята и объяснена только через знание его истории. История же органического мира может и должна получить научно-рационалистическое объяснение.

Основой познания является наблюдение. Начинаясь с наблюдения, оно продолжается на уровне мыслительных процедур. К таким процедурам относятся: описание, систематизация, классификация, сравнение и др. Мыслительные процедуры не вносят в содержание биологического знания никаких новых моментов, они лишь перерабатывают то, что получено в процессе наблюдения. Наблюдение как бы «переливает» содержание объекта в сознание субъекта. Эксперимент в классической биологии еще не рассматривался как важный метод эмпирического познания.

Кроме того, классической биологии свойственна ориентация на неизменность факторов эволюции. Классическая биология исходила из того, что методологические установки биологического познания исторически не развиваются.

studfiles.net