Философские проблемы биологии

Биология – это наука, предметом которой является изучение живых существ. Несмотря на то, что жизнь в разных ее проявлениях и интересовала исследователей еще с древнейших времен, говорить о биологии как о естественной науке в современном смысле этого термина можно не ранее, чем с середины XIX века, когда было создано эволюционное учение Чарльза Дарвина. Учение Дарвина – это первая теория, где был описан естественный механизм приспособления и изменения живого. Среди вопросов биологии, которые имеют философское значение, следует указать:

1. На проблемы, связанные с пониманием механизмов эволюции;

2. На проблему понимания жизни как специфического явления.

Следует заметить, что идея эволюции живого была знакома уже античности. Например, Эмпедокл в V веке до н.э. говорил, что организмы образуются на основе случайного сочетания отдельных органов, причем нежизнеспособные сочетания вымирают, а удачные сохраняются. Несмотря на это до XIX века общепринятым было мнение, что все разнообразие живой природы возникло сразу в результате акта божественного творения и с тех пор существует в неизменном виде.

В начале XIX в. целостную концепцию эволюции живого создал Жан Батист Ламарк. Ламарк высказал идею о том, что организмы изменчивы, их виды существуют не вечно и неизменно, а постоянно преобразуются в другие виды. Общей тенденцией исторических изменений организмов он считал постепенное совершенствование их организации, движущей силой которой является изначальное стремление природы к прогрессу. По мнению Ламарка, изменения организмов, приобретенные в течение жизни в ответ на изменения условий существования, наследуются их потомками.

Значимость идей Ламарка состоит в том, что он отказаться от рассмотрения мира живого как того, что существует вечно и в неизменном виде, попытавшись рассмотреть разные формы жизни как продукт эволюции. Тем не менее, теория Ламарка не удовлетворяет требованиям, которые предъявляются к научному знанию. И не только потому, что предположение о наследовании потомками полезных свойств и признаков, которые приобрели их родители, является фактически неверным, но, в первую очередь потому, что в рамках этой теории содержится предположение, которое несовместимо со стандартами естественнонаучного объяснения. Дело в том, что предположение об изначальном стремлении к прогрессу тех форм жизни, которые не обладают развитой психикой в виде сознания, не может быть объяснено на рациональной основе.

Основные принципы и механизмы биологической эволюции как естественного процесса впервые были описаны Ч. Дарвином в работе «Происхождение видов путем естественно отбора» (1859). С точки зрения Дарвина, все многообразие живой природы является результатом действия трех взаимосвязанных факторов:

1. Наследственности;

2. Изменчивости;

3. Естественного отбора.

При этом наследственностью называется общее свойство всех организмов сохранять и передавать признаки своего строения и функций от предков к потомству. Изменчивость представляет собой общее свойство организмов приобретать новые признаки, которые обусловливают различие между особями в пределах одного вида. Естественным отбором называют процесс выживания наиболее приспособленных организмов, который ведет к повышению численности одних особей по сравнению с другими.

Процесс эволюции в самых общих чертах выглядит следующим образом. Особи, обладающие наследственными изменениями, которые полезны в условиях определенной среды, лучше приспосабливаются к условиям этой среды и в результате могут сохраняться и оставить после себя большое количество потомства. Особи с вредными для данных условий наследственными изменениями хуже приспосабливаются к среде и поэтому чаще гибнут и дают меньшее количество потомства (или вообще не дают).

Современная теория биологической эволюции, которую принято называть синтетической, отличается от дарвиновской тем, что:

1. Элементарной эволюционной единицей является популяция, а не вид;

2. Механизм наследственности и изменчивости описывается с помощью аппарата генетики.

Согласно этой теории, наличие наследственности обусловлено существованием генетического кода, передающегося последующим поколениям от родителей. Механизмами возникновения изменчивости являются, во-первых, возникновение случайных комбинаций уже имеющихся свойств, наследуемых от родителей последующими поколениями, во-вторых, случайные изменения генетического кода в результате мутагенного воздействия окружающей среды. Возникшие новые свойства генетически закрепляются в последующих поколениях при условии, что они оказались полезными для организмов данного вида. В качестве теста на целесообразность признаков выступает естественный отбор, повышающий вероятность выживания удачной особи и ее участия в дальнейшем воспроизводстве популяции.

Несмотря на логическую стройность теории эволюции и наличие громадного количества согласующегося с ней экспериментального материала, в настоящее время существует ряд, до сих пор, не решенных проблем. К таким проблемам следует отнести вопрос о механизме возникновения самого генетического кода, который носит универсальный характер для всего живого, независимо от уровня организации и вида. Не поддаются пока объяснению и аномально высокие темы биологической эволюции на ее отдельных этапах.

По-видимому, первый из указанных механизмов изменчивости – простой случайный перебор комбинаций признаков родителей – не способен объяснить появление качественно новых признаков. Возникновение таких «скачков» обычно связывают с мутациями, случайно приводящими к удачным результатам. Однако создается стойкое впечатление, что вероятность мутации, столь удачной, чтобы ее результат действительно повлиял на вероятность выживания особи, чрезвычайно мала, поскольку полезными являются не отдельные новые признаки, а их совокупность. Каждый из приобретенных признаков, взятый в отдельности, с большой вероятностью может оказаться вредным. Об этом, в частности, говорил уже один из современников Дарвина – Сент-Джордж Майварт. По его мнению, естественный отбор не может объяснить начальных стадий возникновения полезных приспособлений, поскольку слабо выраженные изменения не могут быть полезными. Решение этой проблемы он видел в признании того, что новая форма живого приобретает все свои отличительные особенности как бы сразу, в законченном виде.

Также один из основателей генетики, Гуго де Фриз полагал, что новые виды появляются не путем накопления и отбора мелких изменений, а в результате «больших» мутаций, редких и внезапных. Сказанное легко пояснить на воображаемом примере «технической эволюции». Если бы, например, при производстве автомобилей у одной из моделей случайно из-за невнимательности сборщиков появилось крыло самолета, эта модель вряд ли была бы приобретена заказчиком и неминуемо погибла бы в ходе «естественного отбора» – задолго до того, как по аналогичной невнимательности на других участках сборки стали бы устанавливать правое крыло, хвостовое оперение, соответствующий двигатель и другие признаки самолета, без которых он является бесполезной вещью.

Следует также заметить, что до сих пор вызывает дискуссии само определение понятия «жизни», без которого не может быть проведено четкое разделение между объектами неживой природы и органическим миром.

При характеристике живых систем обычно указывают на следующие их основные признаки:

- Обмен веществ. Живые организмы постоянно обмениваются с окружающей средой веществом и энергией. Только за счет этого процесса может быть обеспечена их упорядоченность;

- Размножение и развитие. Все живое обладает эффективным механизмом самовоспроизводства. Все живые системы обладают способностью эволюционировать;

- Раздражимость и поддержание гомеостаза. Живое способность реагировать на внешнее воздействие изменением своих физико-химических и физиологических свойств. При не слишком сильном воздействии характер реакции живого всегда таков, чтобы обеспечить сохранение организма в оптимальном состоянии. Такое сохраняемое устойчивое состояние и называется гомеостазом;

- Иерархичность организации. Все живое демонстрирует выраженную иерархическую структуру – пирамиду подчиненных уровней организации. Мир живой природы представляет собой совокупность биологических систем разного уровня организации и различной соподчиненности. Обычно выделяют 5 уровней организации живого: молекулярно-генетический, клеточный, уровень организмов, популяционно-видовой и биогеоценотический;

- Целостность и целесообразность. Все иерархические уровни организации живого функционируют согласованно, что находит выражение в целесообразности устройства живых организмов. Например, отдельные виды клеток, тканей или органов существуют в организме не «сами по себе», а являются элементами сложно организованной системы, их существование и функциональная активность могут быть поняты только в рамках организма как сложного целого;

- Функциональная асимметрия. Живые существа отличаются высокой асимметрией строения и функционирования. Наиболее яркий пример – хиральность (асимметрия левого и правого). Вещества биологического происхождения поворачивают плоскость поляризации света всегда в одну и ту же сторону. Аминокислоты белков являются левовращающимися изомерами. Существуют и аминокислоты правого вращения, но они не участвуют в построении живых систем.

Проблема в том, что практически для каждого из перечисленных признаков, взятых в отдельности, можно привести примеры объектов неживой природы, которые обладают указанными свойствами. Так, в качестве примеров небиологической эволюции можно привести эволюцию звезд и планет, эволюцию атомных ядер в процессе их синтеза в недрах звезд, эволюцию элементарных частиц на первых стадиях существования Вселенной. Элементы целесообразности в «поведении» неживых объектов можно обнаружить, обращаясь к описанию природы на языке экстремальных принципов. Например, луч света, двигаясь от одной точки пространства к другой, всегда идет по кратчайшей траектории, а не как-то иначе. Пример небиологического размножения – это процесс роста кристаллов или операция «копирование» в информатике. Небиологический гомеостазис – это какая-либо естественная или техническая система, которая функционирует в соответствии с принципом отрицательной обратной связи. Например, термостат как элемент системы охлаждения двигателя, благодаря которому в случае выхода температурного режима на закритический уровень, происходит автоматическое перенаправление движения охлаждающей жидкости по более объемному контуру, в результате чего достигается снижение температуры.

Трудности связанные с пониманием феномена жизни привели к появлению доктрины витализма, согласно которой в живых организмах присутствует особая «жизненная сила», наличие которой и «объясняет» специфику живых организмов. Концепция витализма обладает достаточно длительной историей и своими корнями уходит в античность и более ранние периоды (анимизм). Примером виталистских воззрений древности можно считать взгляды Аристотеля, в особенности его учение о causa finalis (целевой причине) и энтелехии как внутренней силе, которая потенциально заключает в себе цель и окончательный результат. Энтелехия в смысле Аристотеля – это, например, сила, благодаря которой из семени березы вырастает береза, а из семени елки – елка.

Пожалуй, самым известным сторонником витализма в более-менее близкий к нам период времени является эмбриолог Ганс Дриш, который в работе «Витализм. Его история и система» (1905) основываясь на ряде экспериментальных данных попытался обосновать тезис о том, что жизнь – это совершенно своеобразное и неразложимое далее элементарное начало, главной характеристикой которой является присущая ему специфическая целостность. По мнению Дриша, особенности живого вещества – в первую очередь, феномен его целесообразности – невозможно объяснить исходя из действия лишь одних физико-химических сил, но следует говорить о как бы об особых органических силах (однако, не имея в виду при этом какой бы то ни было «сверхъестественный» и чуждый закономерностям природы принцип). «Внутренняя форма» или целесообразность, по его мнению, также специфична, как, например, сила тяжести. Платон и, в особенности, Аристотель были гораздо ближе к пониманию сущности жизни, чем более поздние исследователи, которые стали подходить к описанию последней с позиции лишь механической причинности.

С точки зрения Дриша, проблема, связанная с правильной интерпретацией феномена жизни, во многом состоит в том, что у нас даже нет разработанных категориальных средств для адекватного выражения идеи витализма за исключением собственных субъективных представлений, которые были получены на основе интроспективных наблюдений за собственной волей как фактором, который действует сообразно какой-либо цели.

В этом смысле физическая доктрина оснащена гораздо лучше, так как для выражения ее принципов существую такие основополагающие понятия, как «субстанция» и «причинность». Дело, однако, в том, что в случае наблюдения за живым часто можно наблюдать факты как бы целесообразного поведения, которое оказывается свойственным даже отдельным тканям и элементам живого. Например, рубцовая ткань, которая развивается при ранениях сухожилий, превращается в сухожильную ткань, структура которой определяется направлением натяжения сухожилий. При повреждениях мозга его корковые участки могут в значительной степени заменять друг друга, в результате чего следует говорить не о морфологическом восстановлении утраченных частей, а об их функциональной замене (т.е. о вступление в новую функцию определенных мозговых участков, которые до этого имели другое назначение). По мнению Дриша, такие факты могут быть гораздо лучше истолкованы в рамках доктрины энтелехии как функциональной целесообразности, нежели чем с позиции механической причинности, с точки зрения которой они вообще не объяснимы.

Иной подход к интерпретации феномена жизни избрал физик Эрвин Шредингер, который в книге «Что такое жизнь с точки зрения физики?» (1944) предпринял попытку описать последнюю в рамках категорий квантовой механики, термодинамики и кибернетики. Для Шредингера жизнь – это, прежде всего, открытая система, которая благодаря обмену веществом и энергией с окружающей средой понижает свою энтропию. Например, пища, которую потребляет хищник, и за счет которой он строит собственный организм, является гораздо более высокоупорядоченной структурой, чем то вещество, которое высвобождается в результате его жизнедеятельности. Мутацию, в результате которой происходит изменение наследуемой информации, по мнению Шредингера, можно описать как квантовый скачек, в результате которого происходит переструктурирование атомов, из которых состоят хромосомы. «Молекулы жизни» (согласно современным представлениям – дезоксирибонуклеиновая кислота), с точки зрения Шредингера, подобны апериодическому кристаллу, которые как и обычные периодические кристаллы (например, лед, соль) способны при наличии необходимых условий воспроизводить собственные структуры, копируя себя.

Согласно современным представлениям, химическую основу живого составляют шесть элементов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. В сумме они составляют более 97 % веса живых организмов. В составе биосистем также присутствуют также такие элементы, как натрий, калий, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель. Весовая доля этих компонентов составляет 1,6%. Кроме названных в составе живых систем присутствует еще около 20 элементов.

Структурную основу живых организмов составляют биополимеры – высокомолекулярные природные соединения, которые представляют собой цепочки очень длинных молекул со сложной пространственной структурой. Основные биополимеры это белки и нуклеиновые кислоты. Белки играют исключительно важную роль во всех живых организмах. Вот некоторые основные функции белков:

- белки представляют собой строительный материал, из которого состоят многие элементы клетки;

- белки являются катализаторами (ферментами) многих биохимических реакций;

- белки обеспечивают все виды движений, которые присущи организмам;

- особые белки (антитела) обезвреживают попавшие в организм чужеродные вещества и клетки, обеспечивая тем самым защиту организма.

Наряду с белками исключительно важную роль в живой системе играют нуклеиновые кислоты, которые осуществляют хранение и передачу генетической информации во всех живых организмах. В частности, именно нуклеиновые кислоты обеспечивают воспроизводство белков той же структуры и того же состава, которые имеются у родительской клетки. Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Молекула ДНК представляет собой две полимерные цепи, которые состоит из четырех типов нуклеотидов: аденин, гуанин, тимин и цитозин, которые принято обозначать символами А, Г, Т, Ц. Последовательность звеньев-нуклеотидов – это код, особенностями которого определяют наследуемые признаки живых организмов.

Таким образом, молекулярный смысл понятия «ген» следующий: он представляет собой последовательность 4 нуклеотидов, несущих в себе информацию о структуре белка. Определенная последовательность нуклеотидов – это генетический код, который определяет последовательность аминокислот в синтезируемом белке. Важнейшей особенностью генетического кода является его универсальность. Все биологические организмы, начиная с простейших и кончая высшими животными, в своей основе имеют один и тот же генетический код, который, естественно, отличается длиной. Универсальный характер генетического кода ставит проблему механизма его возникновения, а степень различие в элементах кода между разными видами живого позволяет судить о степени их генетического родства.

Вопрос о происхождении жизни также имеет философское значение, так как его решение имеет прямое отношение к соответствующей картине мира. Концепция креационизма, то есть идея о «сотворенности» живого каким-либо другим существом не соответствует стандартом рационального знания. Вместо ответа на вопрос «Как именно возникло живое?» предлагается отказ от обсуждения этой проблемы. В силу того, что не существует никаких фактов, которые могли бы даже косвенно подтвердить эту «теорию», она в соответствии со стандартами научного знания является бессмысленной.

Мнение о том, что жизнь существовала «всегда», также находится за пределами научных представлений. Так потому, что данная позиция противоречит более общим представлениям об универсальном эволюционизме, в том числе современным знаниям об этапах развития Вселенной. Согласно концепции панспермии, жизнь возникла в удаленной точке Вселенной, а потом была случайно занесена на Землю (например, посредством метеоритов). В строгом смысле слова эта концепция не предлагает никакого механизма для объяснения феномена первичного возникновения жизни, а лишь переносит вопрос в какое-то другое место Вселенной.

Единственный взгляд, который не противоречит современной научной картине – это представление о естественном возникновении живого из неорганических соединении. Другое дело, что детали этого процесса пока изучены на недостаточном уровне. В качестве данных, которые подтверждают эту теорию можно указать на доказанный факт происхождения органических веществ из неорганических. В частности, в 1953 году химик Стенли Миллер экспериментально доказал возможность синтеза органических соединений из неорганических. Пропуская электрический разряд через смесь Н₂, Н₂О, СН₄ иNН₃, он получил набор нескольких аминокислот и органические кислоты. Общая схема биохимической эволюции принимается сегодня большинством биологов, однако по деталям процесса нет единого мнения. Например, случайное сочетание нуклеотидов, необходимое для возникновения одной молекулы ДНК, оказывается практически невероятным. По мнению современного астрофизика Фреда Хойла, возникновение живого в результате случайных взаимодействий молекул столь же малоправдоподобно, как утверждение, что ураган, пронесшийся над местной свалкой, может привести к самосборке такого сложного устройства, как современный самолет.

Строгий количественный анализ механизмов жизни и эволюционных процессов представляет собой очень сложную задачу, решение которой, видимо, следует отнести к будущему. Исследования в этом направлении тормозятся слабой математизации биологии, что вызвано сложностью последней. Возможно, что дальнейшие исследования в этих направлениях могут привести к существенно новым и неожиданным результатам, которые будет способны повлиять на не только на представления о механизмах живого, но и всего естествознания в целом.