Современные проблемы биологии и поиски их решения

Современные проблемы биологии

Три основные проблемы биологии

По мнению многих, 21 век считается веком биологии. Будущее напрямую зависит от ее успехов.

Сегодня биологи пытаются решить множество задач, которые позволят им оказать движущее влияние не только на естествознание, но и на человеческий прогресс в целом. Среди прочих — вопросы, решаемые генетикой, молекулярной биологией, физиологией и биохимией мышц, желез, нервной системы и органов чувств (это процессы памяти, возбуждения и торможения в НС). Также это вопросы, относящиеся к фото- и хемосинтезу, энергетике и продуктивности природных процессов, их целостность и целесообразность, прогресс и др.

Обобщая, можно сказать, что биология сегодня интересуется тремя основными проблемами:

1. Механизмами возникновения жизни. На сегодня единой концепции не существует.
2. Изменчивостью. Здесь также нет единства относительно ее механизмов.
3. Эволюцией. А именно, ролью механизмов изменчивости в процессе эволюции.

Прочие биологические проблемы

Однако есть и другие проблемы современной биологии.

Одна из них — строение и функции макромолекул. Доказано, что у биологически важных макромолекул полимерная структура. Это значит, что они состоят из многочисленных однородных, но не одинаковых звеньев. Белки образуются при помощи 20 видов незаменимых аминокислот, нуклеиновые кислоты включают в себя 4 вида нуклеотидов, а полисахариды — комплекс моносахаридов. Первичная их структура выражается в последовательности размещения мономеров в сложных биополимерах.

Установление первичной структуры макромолекул — начальный этап изучения этой структуры. Первичная структура многих белков и некоторых видов РНК уже определена учеными.

Важнейшая задача молекулярной биологии сегодня — разработка методов определения последовательности нуклеотидов в цепях РНК и ДНК.

Почти всегда цепь биополимера свернута в спираль (вторичная структура), а в случае наличия связей между радикалами аминокислот, сложенные определенным образом — третичную структуру. Когда позднее они соединяются и образуют макромолекулярные комплексы, возникает четвертичная структура.

Пока не совсем понятно, как первичная структура определяет вторичную и третичную. Также неясно, каким образом от третичной и четвертичной структур зависит каталитическая активность и специфичность действия. Молекулы белка образуют внутриклеточную компоненты, когда присоединяются к мембранам и объединяются с липидами и нуклеиновыми кислотами в надмолекулярные структуру. Рентгеноструктурный анализ позволил установить третичную структуру некоторых белков (к примеру, гемоглобина), а также изучить функциональное строение многих ферментов. Одна из важных проблем современной биологии — изучение структуру макромолекул и выяснение ее влияния на сложные и многообразные их функции.

Следующий вопрос биологии — регуляция функций клеток. Имеется в виду механизм включения генов на молекулярном уровне, регуляция процессов в клетках, тканях и органах, целью которой является обеспечение относительной стабильности системы, особенно, когда условия окружающей среды постоянно меняются.

Отличительная черта процессов, которые происходят в живой системе — взаимная согласованность и зависимость от процессов регуляции, обеспечивающих поддержание относительной стабильности системы даже при изменчивых условиях среды. При помощи изменения набора и интенсивности синтеза структурных и ферментных белков, а также влияния на их ферментную активность, можно достичь регуляции внутриклеточных процессов. Также это достигается путем изменения скорости транспортировки веществ через клеточную оболочку и прочие биологические мембраны. Синтез белка зависит от синтеза молекул РНК. Из этого следует, что одно из мест регуляции синтеза белка — это начало синтеза на гене молекулы РНК (то есть, включение гена).

На данный момент только для бактерий определена одна из схем, по которой регулируется усвоение питательных веществ. Это происходит путем включения и выключения генов, определяющих синтез необходимых ферментов.

Важнейшей задачей молекулярной биологии сегодня является изучение молекулярного механизма включения генов. Особенно это важно в отношении многоклеточных организмов. Есть предположение, что скорость синтезирования белка можно регулировать непосредственно на месте синтеза: на рибосомах. Изменение ферментативной активности — база более оперативной системы регуляции. Это изменение возможно в результате взаимодействия определенных веществ с молекулой фермента и обратимой модификации ее третичной структуры.

Фермент отвечает за катализацию начальной реакции в цепи химических превращений, конечным продуктом которой является вещество, подавляющее его активность. Как результат — устанавливается система обратной связи, автоматически поддерживающая постоянную концентрацию конечного продукта. Наблюдается прямая зависимость скорости клеточных химических процессов и темпа поступления (или выведения) в клетку, ее ядро и митохондрии определенных веществ. Такой процесс определяется свойством биологических мембран и ферментов. Полного представления о регуляции внутриклеточных процессов нет — это и является предметом активных исследований ученых.

Следующая проблема — индивидуальное развитие организмов. В рамках этой проблемы ученые пытаются выяснить механизмы дифференцирования на всех стадиях: от синтеза белка до момента, когда появляются конкретные свойства клеток. Также изучается перестройка клеток, приводящая к образованию органов, а также создание теории онтогенеза. Известно, что любой организм, развивающийся половым путем, начинает свой путь с зиготы. Это одна оплодотворенная клетка (яйцо), многократное деление которой образует много клеток. В каждой из новых клеток есть ядро с определенным полным набором хромосом: оно содержит гены, отвечающие за все свойства и признаки конкретного организма. При этом, каждая клетка развивается по-своему. В процессе развития каждой клетки в работу включаются только те гены, которые ответственны за определенную функцию — необходимую для развития определенной ткани или органа.

Отсюда одна из проблем биологии развития — механизм включения генов в процессе дифференциации клеток. Сегодня ученые знают только о некоторых факторах, оказывающих влияние на такое включение: неоднородность цитоплазмы оплодотворенной яйцеклетки, влияние тканей эмбриона друг на друга, действие определенных гормонов. Гены отвечают за контроль синтеза белков.

При этом, признаки и свойства многоклеточного организма — это не только особенности его белков. Они определяются тем, каким образом дифференцируются клетки, которые различаются строением и функциями, взаимосвязями, образованием определенных тканей и органов. Все еще непонятен механизм дифференциации клеток на стадии от начала синтеза белков до возникновения определенных свойств клеток, приводящих к формированию органов. Есть предположение, что решающее значение в этом за белками оболочек клеток. Поэтому так важна стройная теория онтогенеза.

Следующий вопрос — рациональная организация человеческой жизнедеятельности. Здесь же — разработка проблемы продления жизни.

Далее — вопрос биологического старения. Различные теории старения приводят разные аргументы того, почему оно происходит. Точного ответа нет, зато есть различные теории: генетическая, механическая и другие.

Не менее важный вопрос — развитие организмов на планете в ходе истории ее существования. Ученые пытаются раскрыть зависимости между приобретенными в ходе эволюции приспособлениями принципиального характера или отдельными приспособлениями. Есть некоторая сумма фактов, подтверждающая правильность эволюционного учения Дарвина. Однако есть множество важных положений, которые все еще не разработаны. В данном случае под популяцией понимают элементарную единицу эволюционного процесса, а под элементарным эволюционным явлением — устойчивое изменение наследственных особенностей популяции.

Это позволило выделить основные эволюционные факторы: мутационный процесс, пространственная изоляция, волны численности, естественный отбор. Мутация — это эволюционный материал. Нет понимания, только ли эти факторы действуют на макроэволюционном уровне (выше образования видов), или образование более крупных групп организмов связано с другими неизвестными механизмами и факторами.

В решении этого вопроса помогают механизмы наблюдаемого, в некоторых случаях — направленного развития определенных групп. Может быть это связано с определенными ограничениями: они накладываются генетическим набором и строением организмов. Важная задача на будущее — вскрыть сложные зависимости между приобретенными в процессе эволюции приспособлениями (носят они принципиальный характер или являются конкретными приспособлениями, ведущими к развитию определенной группы, в связи со средой обитания). Важно раскрыть закономерности, вызывающие появление совершеннейших приспособлений в одном случае, и становящихся причиной успешного выживания примитивных организмов в другом.

Происхождение жизни — еще одна важная проблема биологии. В рамках этой проблемы ученые выясняют причины и условия появления жизни на Земле, моделируют процессы, которые при этом происходят, восстанавливают методом эксперимента последовательные этапы возникновения жизни на планете.

Также есть вопрос, касающийся изучения сложных физиолого-генетических функций организма. Касательно растений — генетика фотосинтеза, азотфиксация. Касательно животных — поведение, реакции на стрессовые факторы.

Интересным вопросом является биосфера и человечество. Здесь ученые пытаются: исследовать биосферу как диалектическое единство живой и неживой природы, неотъемлемым элементом которого выступает круговорот веществ и энергии в природе; изучить законы биосферы, чтобы охарактеризовать ее состояние в конкретный период и спрогнозировать будущее планеты и человечества; изучить современное состояние и разработать перспективные направления в хозяйственной деятельности человека в масштабах планеты; обозначение необходимости в охране и приумножении богатств, чтобы сохранить равновесие между природой и человеком.

Стремительный рост населения планеты заставляет задуматься о пределах биологической производительности биосферы Земли. Сохранение современных способов ведения хозяйства и темпов роста численности через 100-200 лет может привести к тому, что половине населения не будет хватать как пищи и воды, так и кислорода для дыхания.

Есть проблемы и в создании достаточного потенциала продовольствия для растущей человеческой популяции. Эта проблема затрагивает биотехнологию, селекцию растений — создание более продуктивных новых форм, устойчивых к негативным факторам, с реконструированными геномами, а также создание трансгенных видов растений.

Постоянный вопрос на повестке — биология и проблема техники. Речь идет об изучении биологических процессов и строения живых организмов для получения новых возможностей в решении научно-технических задач (в рамках технической или промышленной биохимии, промышленной микробиологии), воспроизведении и моделировании биологических процессов и отдельных функций организмов, их конструирование на базе прототипов новых технических систем и устройств (вопросы бионики).

Развитие генной инженерии или генетической реконструкции — важная проблема биологии последних лет. Одна из задач комплекса естественных наук сегодня — научиться предвидеть отдаленные последствия вмешательства человека в естественные процессы. Эту задачу помогают решать глубокие научные исследования закономерностей жизненных явлений. Обозначенный раздел молекулярной биологии связан с целенаправленным конструированием новых генов, которых еще нет в природе, при помощи генетических и биохимических методов. Предвидение последствий этого конструирование в будущем — тоже задача биологии.

И последняя, но не менее важная проблема — расшифровка геномов растений, животных и человека. Ученые пытаются понять процессы дифференциации и развития генных наборов, создать новые искусственные геномы, заменить дефектные участки геномов, научиться контролировать активности генов.

Важно отметить, что все перечисленные проблемы биология в состоянии решить только при условии тесного взаимодействия с другими науками: физикой, химией, кибернетикой, прочими отраслями науки и техники. Очевидно, что многие вопросы удастся решить только в будущем.