Что значит представители в биологии
ОТДЕЛ (в биологии)
Смотреть что такое «ОТДЕЛ (в биологии)» в других словарях:
ОТДЕЛ — в биологии таксономическая категория (ранг) в систематике растений. В отделы (иногда сначала в подотдел) объединяют близкие по происхождению классы. Напр., классы двудольных и однодольных образуют отдел цветковых. Всего в систематике растений… … Большой Энциклопедический словарь
ТИП (в биологии) — ТИП, в биологии таксономическая категория (ранг) в систематике животных. В типы (иногда сначала в подтип) объединяют близкие по происхождению классы. Напр., типы хордовых включают классы земноводных, пресмыкающихся, птиц, млекопитающих и др. Все… … Энциклопедический словарь
Институт математических проблем биологии РАН — (ИМПБ РАН) Международное название The Institute of Mathematical Problems of Biology RAS (IMPB RAS) Основан … Википедия
Институт биологии внутренних вод — РАН (ИБВВ РАН) Международное название Institute of Biology of Inside Water RAS … Википедия
Институт биологии Внутренних вод — РАН (ИБВВ РАН) Международное название Institute of Biology of Inside Water RAS Основан 1956 … Википедия
Институт биологии внутренних вод АН СССР — Институт биологии внутренних вод РАН (ИБВВ РАН) Международное название Institute of Biology of Inside Water RAS Основан 1956 … Википедия
Институт биологии внутренних вод им. И. Д. Папанина — Институт биологии внутренних вод РАН (ИБВВ РАН) Международное название Institute of Biology of Inside Water RAS Основан 1956 … Википедия
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина — Институт биологии внутренних вод РАН (ИБВВ РАН) Международное название Institute of Biology of Inside Water RAS Основан 1956 … Википедия
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН — Институт биологии внутренних вод РАН (ИБВВ РАН) Международное название Institute of Biology of Inside Water RAS Основан 1956 … Википедия
Институт биологии внутренних вод им. Папанина — Институт биологии внутренних вод РАН (ИБВВ РАН) Международное название Institute of Biology of Inside Water RAS Основан 1956 … Википедия
Что такое генная инженерия и зачем вмешиваться в природу организмов
Содержание:
Генная инженерия — это современное направление биотехнологии, объединяющее знания, приемы и методики из целого блока смежных наук — генетики, биологии, химии, вирусологии и так далее — чтобы получить новые наследственные свойства организмов.
Перестройка генотипов происходит путем внесения изменений в ДНК (макромолекулу, обеспечивающую хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) и РНК (одну из трех основных макромолекул, содержащихся в клетках всех живых организмов).
Если внести в растение, микроорганизм, организм животного или даже человека новые гены, можно наделить его новой желательной характеристикой, которой до этого он никогда не обладал. С этой целью сегодня генная инженерия используется во многих сферах. Например, на ее основе сформировалась отдельная отрасль фармацевтической промышленности, представляющая собой одну из современных ветвей биотехнологии.
История развития
Истоки
Основы классической генетики были заложены в середине XIX века благодаря экспериментам чешского-австрийского биолога Грегора Менделя. Открытые им на примере растений принципы передачи наследственных признаков от родительских организмов к их потомкам в 1865 году, к сожалению, не получили должного внимания у современников, и только в 1900 году Хуго де Фриз и другие европейские ученые независимо друг от друга «переоткрыли» законы наследственности.
Параллельно с этим шел процесс формирования знаний о ДНК. Так, в 1869 году швейцарский биолог Фридрих Мишер открыл факт существования макромолекулы, а в 1910 году американский биолог Томас Хант Морган обнаружил на основе характера наследования мутаций у дрозофил, что гены расположены линейно на хромосомах и образуют группы сцепления. В 1953 году было сделано важнейшее открытие — американец Джон Уотсон и британец Фрэнсис Крик установили молекулярную структуру ДНК.
На подъеме
К концу 1960-х годов генетика активно развивалась, а ее важными объектами стали вирусы и плазмиды. Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов, а в 1970-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции превращения ДНК.
Генная инженерия как отдельное направление исследовательской работы зародилась в США в 1972 году, когда в Стэнфордском университете ученые Пол Берг, Стэнли Норман Коэн, Герберт Бойер и их научная группа внедрили новый ген в бактерию кишечной палочки (E. coli), то есть создали первую рекомбинантную ДНК.
Техника ПЦР была впервые разработана в 1980-х годах американским биохимиком Кэри Маллисом. Будущий лауреат Нобелевской премии по химии (1993 года), обнаружил в специфический фермент — ДНК-полимеразу, который участвует в репликации ДНК. Этот фермент буквально считывает отрезки цепи нуклеотидов молекулы и использует их в качестве шаблона для последующего копирования генетической информации.
Новая эра
В 1996 году методом пересадки ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки на свет появилось первое клонированное млекопитающее — овца Долли. Это событие стало революционным в истории развития генной инженерии, потому что впервые стало возможным серьезно говорить о создании клонов и выращивании живых организмов на основе молекул.
Технологии генной инженерии
Генная инженерия за короткий срок оказала огромное влияние на развитие различных молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться на пути познания генетического аппарата.
Так, появилась технология CRISPR — инструмент редактирования генома. В 2014 году MIT Technology Review назвал его «самым большим биотехнологическим открытием века». Он основан на защитной системе бактерий, которые производят специальные ферменты, позволяющие им защищаться от вирусов.
«Каждый раз, когда бактерия убивает вирус, она разрезает остатки его генома, будь то ДНК или РНК, и сохраняет их внутри последовательности CRISPR, как в архив. Как только вирус атакует снова, бактерия использует информацию из «архива» и быстро производит защитные белки Cas9, в которых заключены фрагменты генома вируса. Если вдруг эти фрагменты совпадают с генетическим материалом нынешнего атакующего вируса, Cas9 как ножницами разрезает захватчика, и бактерия снова в безопасности», — поясняет Алевтина Федина, медицинский директор Checkme.
Уникальное открытие состоялось в 2011 году, когда биологи Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье обнаружили, что белок Cas9 можно обмануть. Если дать ему искусственную РНК, синтезированную в лаборатории, то он, найдя в «архиве» соответствие, нападет на нее. Таким образом, с помощью этого белка можно резать геном в нужном месте — и не просто резать, а еще и заменять другими генами.
Теоретически, технология CRISPR может позволить редактировать любую генетическую мутацию и излечивать заболевание, которое она вызывает. Но практические разработки CRISPR в качестве терапии еще только в начальной стадии, и многое еще непонятно.
Есть и другие методы генной инженерии, например, ZFN и TALEN.
Где и как применяется генная инженерия
Медицина
Уже сейчас активно применяется инсулин человека (хумулин), полученный посредством рекомбинантных ДНК. Клонированные гены человеческого инсулина были введены в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали. С 1982 года компании США, Японии, Великобритании и других стран производят генно-инженерный инсулин.
Кроме того, несколько сотен новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику. Среди лекарств, находящихся в стадии клинического изучения, препараты, потенциально лечащие артрозы, сердечно-сосудистые заболевания, онкологию и СПИД. Среди нескольких сотен генно-инженерных компаний 60% заняты именно разработкой и производством лекарственных и диагностических средств.
«В медицине среди достижений генной инженерии сегодня можно выделить терапию рака, а также другие фармакологические новинки — исследования стволовых клеток, новые антибиотики, прицельно бьющие по бактериям, лечение сахарного диабета. Правда, пока все это на стадии исследований, но результаты многообещающие», — говорит Алевтина Федина.
Сельское хозяйство
В сельском хозяйстве одна из важнейших задач генной инженерии — получение растений и животных, устойчивых к вирусам. В настоящее время уже есть виды, способные противостоять воздействию более десятка различных вирусных инфекций.
Еще одна задача связана с защитой растений от насекомых-вредителей. Путем генетической модификации растений можно уменьшить интенсивность обработки полей пестицидами. Например, трансгенные растения картофеля и томатов стали устойчивы к колорадскому жуку, растения хлопчатника — к разным насекомым, в том числе и к хлопковой совке.
Использование генной инженерии позволило сократить применение инсектицидов (препаратов для уничтожения насекомых) на 40–60%.
Благодаря генной инженерии зерновые культуры стали более устойчивы к климатическим условиям, кроме того появилась возможность увеличить количество витаминов и полезных веществ в продукте. Например, можно обогатить рис витамином «А» и выращивать его в тех регионах, где люди имеют массовую нехватку этого элемента.
С помощью генной инженерии пытаются решить и экологические проблемы. Так, уже созданы особые сорта растений с функцией очистки почвы. Они поглощают цинк, никель, кобальт и иные опасные вещества из загрязненных промышленными отходами почв.
Скотоводство
В Кемеровской области работа генетиков позволила получить устойчивое к вирусу лейкоза племенное поголовье высокопродуктивных животных. Для проведения эксперимента кузбасские ученые отобрали здоровых коров черно-пестрой породы массой до 500 кг. Животным трансплантировали модифицированные эмбрионы, устойчивые к вирусу лейкоза. В середине сентября 2020 года родилось 19 телят с измененными генами.
«В месячном возрасте была проведена оценка, которая показала, что телята отличаются от своих сверстников только устойчивостью к вирусу. Пять особей отобрали для дальнейшей селекционной работы. Это позволит закрепить наследственные признаки устойчивости к вирусу лейкоза у последующих поколений», — пояснила руководитель проекта, доктор биологических наук, профессор кафедры зоотехнии Кузбасской ГСХА Татьяна Зубова.
По словам Зубовой, лейкоз крупного рогатого скота — вирусная хронически неизлечимая болезнь, при которой возникают поражение кроветворной системы и новообразования. Данное заболевание наносит значительный ущерб генофонду пород и мясной промышленности в целом, потому что мясо зараженных животных запрещено употреблять в пищу. Единственным доступным методом борьбы с лейкозом ранее было только уничтожение зараженного скота.
Этот успех позволяет говорить о том, что в дальнейшем будет возможно редактировать гены крупного рогатого скота и от других болезней.
С прицелом на человека
В 2009 году группа ученых под руководством молодого исследователя Джея Нейтца из Вашингтонского университета сумели с помощью генной терапии вернуть обезьянам способность различать оттенки зеленого и красного, которой они были лишены от рождения.
В область сетчатки глаза двух подопытных обезьян был введен безвредный вирус, несущий недостающий ген фоточувствительного рецептора. Вскоре после процедуры обе обезьяны начали различать оттенки красного и зеленого на сером фоне. Два года наблюдения не выявили у них каких-либо нарушений, поэтому ученые не исключают, что данную методику уже вскоре можно будет применять у людей, страдающих дальтонизмом.
Ученые шагнули еще дальше и уже пробуют выращивать в теле животных органы для трансплантации людям. Для минимизации риска отторжения тканей животным вводят специальные гены. Этими опытами занимается научная лаборатория Рослинского института в Великобритании, которая представила миру овцу Долли.
В 2019 году британские ученые вывели кур, яйца которых содержат два вида человеческих белков, способных противодействовать артриту и некоторым видам онкологических заболеваний. В яйцах содержится человеческий белок под названием IFNalpha2a, обладающий мощными противовирусными и противораковыми свойствами, а также человеческий и свиной вариант белка под названием макрофаг-CSF, который планируют использовать для создания препарата, стимулирующего самостоятельное заживление поврежденных тканей.
Изменение ДНК человека
Первые клинические испытания методов генной терапии были предприняты 22 мая 1989 года с целью генетического маркирования опухоль-инфильтрующих лимфоцитов в случае прогрессирующей меланомы.
14 сентября 1990 года в Бетесде (США) четырехлетней девочке, страдающей наследственным иммунодефицитом, обусловленным мутацией в гене аденозиндезаминазы (АDA), были пересажены ее собственные лимфоциты.
Работающая копия гена ADA была введена в клетки крови с помощью модифицированного вируса, в результате чего клетки получили возможность самостоятельно производить необходимый белок. Через шесть месяцев количество белых клеток в организме девочки поднялось до нормального уровня.
После этого область генной терапии получила толчок к дальнейшему развитию. С 1990-х годов сотни лабораторий ведут исследования по использованию генной терапии для лечения различных заболеваний. Уже сегодня с помощью генной терапии можно лечить диабет, анемию и некоторые виды онкологии.
Генная терапия
Генная терапия — введение, удаление или изменение генетического материала, в частности ДНК или РНК, в клетке пациента для лечения определенного заболевания.
Существует три основных стратегии использования генной терапии:
Наиболее часто применяемый метод включает вставку «терапевтического» гена для замены «ненормального» или «вызывающего болезнь».
В 2015 году впервые была проведена процедура изменения ДНК человека с целью продления молодости клеток, когда американке Элизабет Пэрриш 44 лет ввели в организм препарат, влияющий на ДНК, а в 2018 году китайский ученый Хэ Цзянькуй заявил, что с его помощью у двух детей-близнецов якобы изменены гены для выработки у них иммунитета к вирусу ВИЧ, носителем которого являлся их отец.
Все это, с одной стороны, выглядит грандиозно и обнадеживает, но с другой, — вызывает опасения, ведь генетические манипуляции, теоретически, возможно использовать не только в благих и мирных целях.
После эксперимента с ДНК близнецов в Китае, ЮНЕСКО выступила с инициативой о запрете изменения генов у новорожденных до того момента, пока достоверно не будет доказана безопасность таких манипуляций.
Этическая сторона вопроса
В 1997 году ЮНЕСКО выпустила Всеобщую декларацию о геноме человека и его правах, рекомендовав мораторий на генетическое вмешательство в зародышевую линию человека, а в декабре 2015 года на международном саммите по геномному редактированию человека изменение гаметоцитов и эмбрионов для генерации наследственных изменений у людей было объявлено безответственным.
Российское сообщество генетиков в большинстве своем считает, что такие эксперименты на данный момент преждевременны и требуют более глубокого исследования и обсуждений.
«Вопрос клонирования уже давно стоит на горизонте. Этично ли выращивать клонов, чтобы потом забирать их органы для трансплантации человеку… Большой вопрос. Само собой, это абсолютно нормально, что нет единой точки зрения, ведь смысл подобных дискуссий как раз в том, чтобы найти правильные формулировки и отрегулировать потенциально спасительное, но при этом очень опасное знание», — говорит Алевтина Федина.
Страх неизвестности
Вариантов развития событий в области генной инженерии существует множество, и далеко не все они изучены и, в принципе, известны. Поэтому они должны быть последовательно зафиксированы и регламентированы.
Естественно, больше всего опасений вызывают плохие сценарии развития событий. Как правило, все начинается с помощи людям и изобретения новых лекарств. Но потом человек может прийти к желанию сделать своего ребенка светловолосым и зеленоглазым или создать армию универсальных солдат, не боящихся боли и не ведающих страха.
Олег Долгицкий, социальный философ, отмечает, что современное общество настолько неоднородно в культурном и экономическом плане, что любые методы, способные существенно изменить геном, могут создать условия не только для классового, но и видового расслоения, где представители «первого мира» смогут существенно продлевать свою жизнь и не бояться никаких болезней, в отличие от менее богатых людей. Это является серьезнейшей почвой для конфликтов и столкновений.
Эксперты убеждены, что генная инженерия — это будущее медицины. Возможность избавить младенца от пожизненного гнета заболевания, излечить людей от рака, найти лекарство против ВИЧ — за всем этим будет стоять генная инженерия. При этом желание человека изменить, например, цвет глаз или предотвратить наследственное заболевание, несмотря на все риски, будет только расти. И похоже, что остановить этот процесс уже не представляется возможным.
Моховидные растения – что такое, названия представителей, виды, размножение, примеры кратко (5 класс, биология)
Что такое мох
Отдел моховидные насчитывает около 25 тысяч видов. Растения отдела, как и другие представители мохообразных, обладают характерной особенностью жизненного цикла, в котором гаплоидный гаметофит преобладает над диплоидным спорофитом.
Биология моховидных доказывает происхождение мхов, как и других споровых, от псилофитов (другое название — риниофиты), древних, ныне вымерших предков, наземных растений. Однако существуют и другие гипотезы.
Отдел моховидные отличается тем, что его представители не имеют цветков, корней, проводящей системы. Для них характерно размножение спорами, созревающими в спорангиях спорофита. Преобладающий в жизненном цикле гаплоидный гаметофит представляет собой многолетнее зелёное растение. Оно часто имеет корнеподобные выросты (ризоиды) и обладает листоподобными боковыми выростами.
Рис. 1. Мох кукушкин лён.
Если сравнить с остальными группами высших растений, представители моховидных имеют более простое строение. Тем не менее, большинство из них имеют стебель и листья, но листья и стебли мхов нельзя назвать настоящими. Ложные листочки бесчерешковые, расположены на стебле по спирали.
Спорофит не имеет способности укореняться, и он находится прямо на гаметофите. Спорофит представлен тремя составными частями:
Рис. 2. Строение спорофита мха.
Кратко перечислим основные особенности мхов.
Мохообразные растения обладают рядом характеристик, которые отличают их от других групп высших растений. Главное отличие заключается в отсутствии корней, в качестве компенсации которых выступают многочисленные ризоиды. Они служат для прикрепления к субстрату и, кроме того, для частичного всасывания воды, которая в основном поглощается нижней частью растения. Мхи имеют ассимиляционную, проводящую, запасающую и покровную ткани. Но растения группы мхи не имеют настоящих сосудов и механической ткани, тогда как у всех высших растений есть.
Ареал распространения мхов
Мхи отличаются неприхотливостью, а потому встречаются на всех континентах, даже в Антарктике, довольно часто произрастают там, где условия обитания экстремальны. Для мхов характерно плотное освоение территории.
Как пример идеальных условий для мхов можно назвать влажные затенённые места, зачастую рядом с водоёмом. Однако мхи можно встретить и на открытом пространстве, сухих участках. Некоторые моховидные обитают в пресноводных водоёмах. В солёной морской воде мхи не живут, только отдельные виды можно отыскать на прибрежных скалах.
Рис. 3. Сфагнум. 
Что мы узнали?
Группа растений мхи относится к высшим растениям, но они не имеют настоящих корней, стеблей и листьев. Гаплоидный гаметофит преобладает над диплоидным спорофитом. Размножаются мхи, как гриб, спорами. Это первые растения на суше. В настоящее время мхи встречаются практически повсеместно, о них можно подготовить тематический доклад на урок биологии в 5 классе.
В начале была классификация
Как в биологии складывалось понятие вида
Человек на протяжении всей своей истории пытался осознать окружающий мир путем деления его на понятные и не смешивающиеся классы объектов и явлений. Так, в каждом языке имеются слова для различных видов растений и животных, выделенных на основе длительных наблюдений за природой. Современная наука разработала новые методы разграничения биологических видов, но принципиально не изменила стремления людей к удобной и непротиворечивой классификации объектов действительности. Однако живая природа, похоже, устроена гораздо сложнее, чем нам бы хотелось. Подробнее об этом рассказывает старший научный сотрудник Почвенного института им. В.В. Докучаева Тимофей Чернов.
Проблема вида
В основе любой науки лежит какая-либо классификация объектов, которые эта наука исследует. Не важно, что именно вы изучаете, — химические элементы, минералы, числа или живых существ, — чтобы ориентироваться в разнообразии изучаемых объектов, вам надо выделить базовые единицы этого разнообразия и объединить их в какую-либо систему. В биологической науке базовые единицы, из которых строится система многообразия жизни, называются видами.
Разделение живых организмов на виды — занятие не одних только ученых. У всех народов Земли, во всех языках, виды растений и животных имеют собственные названия. Задолго до того, как биологи начали составлять научные определители, люди без проблем отличали пшеницу от ржи, куницу от соболя, черного дрозда от дрозда-рябинника, и то, что живые существа объединяются в подобные группы, казалось им вполне очевидным. В конце концов, виды различают не только люди, но и множество других живых существ. Например, коалы, питающиеся исключительно листьями эвкалипта, умеют отличать съедобные виды от тех, что содержат слишком много ядовитых веществ. Но научное выделение видов, конечно, отличается от «бытового». Очень часто там, где люди видели один вид, биологи выделяют множество разных, довольно трудно различимых (или вовсе не различимых) для неспециалиста. Например, такое дерево, как береза, воспринимается многими людьми как один вид. При этом сайт британских Королевских ботанических садов Кью (один из крупнейших депозитариев ботанического разнообразия) приводит минимум 60 видов и гибридов, относящихся к роду Береза (Betula).
Отец-основатель современной биологической систематики Карл Линней со своими учениками и помощниками сумел выделить около 20000 видов растений и животных, живущих на Земле. За последующие 250 лет ученые описали около 1,2 миллиона. А сколько видов всего живет на нашей планете? Оценки варьируются очень широко — от 3 до 100 миллионов видов. В 2011 году группа ученых из университета Далхаузи при помощи несложной и элегантной модели оценила разнообразие растений, животных, грибов и простейших в 8,7 миллиона видов. На данный момент эта оценка устраивает большинство ученых, и если она верна, то пока что мы знаем «в лицо» не более 15 процентов обитателей нашей планеты. Но почему оценки общего количества видов настолько разные? Очень просто: представления о том, что такое вид, неоднократно менялись с развитием науки, и до сих пор в биологии нет единого ответа на этот вопрос.
Идеальный цветок
Первые попытки научно систематизировать многообразие жизни начинаются тогда же, когда и попытки научного познания вообще. Античные натурфилософы Гептадор, Аристотель и «отец ботаники» Теофраст составляли описания форм и строения живых существ и пытались разработать их единую классификацию. В первую очередь для определения вида использовались морфологические признаки (то есть внешний облик) живых существ. Ранние естествоиспытатели описывали внешний вид животных и растений, подчеркивая те признаки, которые казались им особенно значимыми. Сумма этих признаков дает нам облик конкретного вида и позволяет отличать его от других.
Такая концепция вида называется типологической. Французский ученый, автор трактата «Естественные семейства растений» Мишель Адансон описывал ее применение так:
«Сначала я сделал полное описание каждого растительного вида, рассматривая детально каждую часть в отдельной статье. По мере того, как я сталкивался с новыми видами, относительно уже разобранных, я их описывал, опуская сходства и отмечая лишь различия. Из общего впечатления, полученного от рассмотрения этих описаний, я почувствовал, что растения сами естественным образом разместились в классы и семейства, которые уже не могли быть ни искусственными, ни произвольными, поскольку основывались не на одной или нескольких частях, а на всех».
Обратите внимание, что Адансон не говорит о каких-либо численных измерениях сходства и различия видов. «Из общего впечатления», «почувствовал», «сами естественным образом разместились» — речь идет скорее об интуиции при длительном изучении живых существ. То есть на основании опыта и сравнения признаков ученый понимает, что это — один вид, а это — другой, и формирует некий образ в своем сознании — тип, определяющий эталонный облик представителей вида.
Типологическая концепция применима не только к биологическим видам — так же, на основе суммы признаков, формирующих эталонный облик, различали минералы и горные породы, языки, болезни, национальности и вообще все, что людям нужно различать и классифицировать. Применение этой концепции в научной сфере метко и несколько шуточно описал академик И.С. Барсков определением: «Вид – это то, что считает видом опытный систематик».
Несмотря на высокую роль интуиции и субъективности выбранных признаков, ученые, описывавшие виды на основании типологии, не считали, что «придумывают» их. Карл Линней, например, был убежден, что описывая виды животных и растений, он ни больше ни меньше как выделяет элементарные акты божественного творения жизни на Земле. Как и многие его современники, он считал, что виды во всем своем многообразии созданы в начале времен и существуют неизменными до наших дней, задача лишь в том, чтобы подобрать правильные признаки для их выделения.
Как же быть с тем, что представители одного вида хоть и похожи, но все же несколько отличаются друг от друга по размерам, строению и свойствам? То есть как быть с тем, что биологи сейчас называют внутривидовой изменчивостью? А никак, в рамках исторической типологической концепции эту изменчивость часто просто не замечали. Для науки того времени была характерна большая преемственность идей античных мыслителей — Платона и Аристотеля. Согласно платоновским концепциям «мира идей» и «мира вещей», реальные объекты — лишь воплощения их идеальной сущности, и воплощения, как правило, неточные. Таким образом, слегка отличающиеся друг от друга представители одного вида (например, побеги ромашки с разным количеством листьев и лепестков) — это искаженные отражения образа этого вида, типичной, идеальной ромашки.
С тех пор фундаментальные основы научных представлений, конечно же, сильно изменились, и сегодняшние студенты-биологи знакомятся с платоновским идеализмом только в курсе истории философии. Но сама типологическая концепция вида вынужденно сохраняет подобное отношение к внутривидовой изменчивости. Откройте любой биологический определитель с рисунками, например «Флора средней полосы европейской части России» П.Ф. Маевского, и вы увидите изображения симметричных растений с геометрически правильным расположением веточек, листьев и цветков — ту самую «идеальную ромашку», точного аналога которой в природе вы никогда не найдете. Именно поэтому в таких определителях чаще всего используются рисунки, а не фотографии: типичного представителя вида в природе не существует, он — плод нашей способности к обобщению.
Иллюстрации в ботанических определителях почти всегда рисованные, так как в природе практически невозможно найти особь с «типичными» чертами
Математика — царица наук
До начала XVIII века типологическая концепция была единственной концепцией биологического вида. Однако восемнадцатый век породил множество новых идей, совершивших переворот в научном познании мира. Многие корни того, что мы называем современной наукой, лежат в конце XVII — начале XVIII века, в трудах создателя классической физики Исаака Ньютона. Помимо основных законов механики, он дал науке новый подход, основанный на использовании опытных данных и математических моделей.
«Лучшим и наиболее безопасным методом философствования, как мне кажется, должно быть сначала прилежное исследование свойств вещей и установление этих свойств с помощью экспериментов, а затем постепенное продвижение к гипотезам, объясняющим эти свойства», — писал Ньютон.
На смену ученому-созерцателю, пытающемуся раскрыть тайны природы «пытливостью ума», пришел ученый-экспериментатор, проводящий точные измерения и скрупулезные расчеты.
Этот переворот в умах не мог не отразиться на представлениях естествоиспытателей о сущности биологического вида. Приоритет математики — «царицы наук» — в описании природных объектов привел к развитию того, что сейчас мы называем номиналистической концепцией вида. Согласно ей, виды — это не явления природы, а искусственный конструкт, абстракции, созданные человеком для удобства. В реальности существуют лишь отдельные организмы — индивидуумы, более или менее схожие друг с другом по своим свойствам, и эти свойства, как и все остальное в мире, можно измерить и рассчитать.
Определение вида, таким образом, превращается в математическую задачу: для этого необходимо досконально измерить различные (желательно — все) параметры живых организмов, условиться друг с другом о некоторых критериях сходства и далее объединять их в виды на основе этих критериев. Приверженец номиналистической концепции, американский систематик Чарльз Бесси в начале XX века писал: «Виды в природе реально не существуют. Они являются умозрительными понятиями и ничем более виды были изобретены, чтобы мы могли рассматривать совокупно большие количества особей».
Такой подход к определению видов можно сравнить с выделением цветов в радуге. Радуга — это непрерывный спектр постепенно изменяющихся цветов, но человеку удобнее обращаться с дискретными единицами — отдельными цветами, и поэтому даже ученые употребляют фразы типа «синяя и зеленая части спектра» — так проще. Да, природа неразрывна, но для достижения определенных целей мы можем провести внутри нее границы — хоть и понимаем, что в реальности их нет.
Номиналистическая концепция привела естествоиспытателей XVIII века к другой крайне важной для биологии идее. Если видов как реальных единиц не существует, если облик и свойства живых организмов не заданы раз и навсегда их принадлежностью к некоему идеальному образу, то, может быть, свойства этих организмов — не неизменны? Приверженцы номиналистической концепции вида — видные ученые XVIII века Ж.-Б. Ламарк и де Бюффон — уверенно высказывали идеи об изменении живых организмов во времени, от поколения к поколению, иначе говоря — о существовании биологической эволюции.
Скрещиваются — не скрещиваются
В середине XIX века эволюционные идеи нашли воплощение в трудах Чарльза Дарвина. Со временем теория Дарвина полностью изменила представления ученых об устройстве жизни на Земле, в том числе — о сущности видов живых существ.
Эта теория говорит, что все живое на Земле находится под влиянием механизмов изменчивости и естественного отбора, а значит, виды могут возникать и исчезать в процессе эволюции. Эти представления привели к новой, биологической, концепции вида, которая стала преобладающей во второй половине XIX века и (правда, в несколько усложненном и измененном виде) господствует до сих пор.
Согласно ей, виды являются не какими-то идеальными образами, не элементарными актами творения жизни, но и не просто условными группами, введенными учеными для удобства, а реально существующими в природе группами особей, постепенно изменяющимися во времени. Если в типологии внутривидовая изменчивость игнорируется, а в номинализме просто принимается как данность, то в биологической концепции ей придается очень большое значение. Изменчивость особей одного вида — это именно та основа, за которую «цепляется» естественный отбор. А основным критерием принадлежности особей к одному виду является способность скрещиваться и передавать потомству свои признаки. Изменчивость и способность скрещиваться дает возможность видам изменяться, приобретать и закреплять новые свойства в процессе эволюции.
Звучит как очень простая и удобная система разделения видов: скрещиваются — один вид, не скрещиваются — разные. Однако в природе все устроено не так просто.
Например, всем известная птица — Большая синица (Parus major). Центр происхождения этого вида находится в Европе, оттуда она распространилась на восток по всей сибирской тайге вплоть до Приамурья. Синица — птица лесная, она не может жить в азиатских степях и пустынях, поэтому другая ветвь распространения Parus major пошла к югу от них — по горным лесам Средней Азии, в Индию и Китай. По мере расселения синица приспосабливалась к местным условиям, образовав около 15 различных подвидов. И когда наконец, после долгого пути через всю Евразию, две ветви синиц встретились на Дальнем Востоке, в бассейне реки Амур, обнаружилось, что они практически не скрещиваются между собой и даже не очень хорошо образуют гибриды!
Ученым, использующим биологическую концепцию вида, не оставалось ничего иного, как признать пришедший из Китая подвид восточной синицы отдельным видом — Parus minor. Однако это разделение, хорошо работающее в Приамурье, далеко не так заметно на всем остальном пути расселения синицы, где подвиды плавно сменяют друг друга, отлично скрещиваясь между собой. Чем не доказательство как минимум частичной правоты биологов-номиналистов, говоривших, что разделение видов — это проведение границ там, где на самом деле есть лишь непрерывный градиент изменчивости?
Подобные сложности встречаются для многих видов, впрочем, они имеют скорее частный характер. Помимо них, у биологической концепции вида есть гораздо более серьезное ограничение — критерий скрещиваемости работает только для тех организмов, которые в принципе способны скрещиваться, то есть для тех, у кого есть половое размножение. С животными и растениями эта концепция, как правило, работает неплохо. C царством грибов уже начинаются некоторые проблемы. А вот для микроорганизмов, особенно для бактерий, которые вообще не имеют полового процесса, она не применима в принципе.
Долгое время систематика бактерий строилась при помощи типологических и номиналистических подходов. Виды выделяли на основе тех признаков, которые можно было исследовать под микроскопом или при помощи культивирования бактерий: формы клеток, выделяемых пигментов, типа питания. Но в конце XX века в биологии произошел еще один переворот, который в очередной раз изменил привычные подходы в систематике, в том числе в систематике бактерий.
Эволюция генов
Речь идет о развитии методов анализа ДНК и появлении новой — филогенетической — систематики. Ее основной идеей является классификация организмов по принципу эволюционного родства на основе сходства генов. В принципе, биологическая систематика, основанная на идеях дарвинизма, занималась тем же самым — пыталась построить классификацию, соответствующую эволюционному древу жизни, пользуясь сравнительным анализом различных живых существ и их ископаемых родственников. Но с развитием генетических методов этот процесс пошел намного проще и быстрее.
Анализы ДНК поставили точку во многих спорных вопросах эволюционной систематики. Мы наконец выяснили, что большая панда относится не к енотам или куньим, а к медведям, окончательно доказали близкое родство человека с африканскими человекообразными обезьянами, определили положение многих других спорных групп. При этом некоторые устоявшиеся представления в систематике перевернулись с ног на голову. Например, привычное всем царство простейших — амеб, инфузорий и других одноклеточных организмов — разлетелось на множество групп, некоторые из которых родственны животным, некоторые — грибам, а другие формируют совершенно самостоятельное ветви на эволюционном дереве.
Сравнительный анализ ДНК, бесспорно, — мощный инструмент для определения степени родства различных групп организмов друг с другом. Но может ли он помочь нам различать виды?
В принципе, да. Мы можем определить примерный уровень различия генов у разных видов, и использовать его как «мерку» видовых различий. Как правило, для этого используются гены, которые кодируют рибосомы (внутриклеточные машинки для синтеза белка) или гены митохондрий (структур для синтеза энергии внутри клетки). Чем дальше расходятся организмы в процессе эволюции — тем больше различаются у них эти гены. У разных видов различия таких генов-маркеров, соответственно, должны быть выше некоторого порогового значения.
Но если группа слабо исследована и уровень внутривидовых различий для нее неизвестен, то выделение видов по такой системе может давать совершенно неправильные результаты. Предположим, что мы расположили популяции изучаемых организмов в виде точек на плоскости. Чем больше расстояние между точками — тем сильнее различия между ними. В таком случае виды должны образовывать на этой плоскости группы близко расположенных точек. Однако при этом некоторые точки, удаленные на относительно большое расстояние друг от друга, могут входить в одну большую группу (т.е. по сути — в крупный вид с высокой внутривидовой изменчивостью), и наоборот, точки, расстояние между которыми невелико, могут относиться к двум близким, но все же разным видам. Если мы выделяем виды при помощи универсальной «мерки», плохо представляя себе всю картину разнообразия изучаемых организмов, то мы неизбежно будем ошибаться.
Слева — один вид с высокой внутривидовой изменчивостью, справа — два разных, но близких вида
У каждого своя ниша
Помимо таких чисто методических трудностей у геносистематики есть и концептуальные проблемы. Что мы, собственно, хотим сделать, выделяя виды на основе сходства рибосомальных или митохондриальных генов? Просто пытаемся построить эволюционное дерево, на котором каждая «веточка» будет отдельным видом, или же мы хотим выделить группы, которые реально отличаются друг от друга по своим свойствам и функциям? Это не одно и то же.
Ведь помимо теории эволюции, изучающей их происхождение, понятие вида очень важно для экологии — науки о взаимоотношениях живых организмов с окружающей средой и друг с другом. Одной из основных концепций экологии является понятие об экологической нише — сумме условий, в которых существует каждый вид. Экологическую нишу определяет строение организма, тип питания и обмена веществ, все характерные для вида черты. Тесно связано с ней правило экологической индивидуальности, согласно которому каждый вид обладает своим уникальным сочетанием условий существования — уникальной экологической нишей.
Значит, у разных видов должны быть разные экологические ниши. Однако эволюционные различия видов (читай: различия маркерных генов), совсем не обязательно совпадают с экологическими различиями.
Особенно ярко эта разница заметна для тех же бактерий, которые способны обмениваться отдельными признаками друг с другом путем горизонтального обмена генов. В результате иногда популяция бактерий, не являющаяся отдельной эволюционной «ветвью», может внезапно получить какой-либо совершенно новый признак, например патогенность к человеку. Согласно геносистематике, это будет все тот же вид, но экологические черты этих бактерий и их роль в экосистеме значительно изменятся.
Бактерии вида Escherichia coli (кишечная палочка) образуют огромное количество вариаций — от безобидных обитателей почвы и природных вод до опасных патогенных форм, которые могут вызывать тяжелейшие формы пищевого отравления или менингита. Разнообразие признаков и генов внутри этого вида удивительно высоко — лишь около 20 процентов генов являются общими для всех популяций кишечной палочки, остальное — различия и мутации, причем до 18 процентов их генома может быть представлено заимствованиями от других видов бактерий. Количество разных экологических ниш, которые могут занимать представители этого вида, огромно. Тем не менее мы называем кишечную палочку одним видом, так как резких границ внутри Escherichia coli нет — лишь множество комбинаций различных признаков.
Бывает и обратная ситуация, когда эволюционно разошедшиеся группы бактерий относят к разным видам, при том что их морфология и физиология (а значит, и их экологические ниши) абсолютно одинаковы. Единственное, чем они различаются — рибосомальными генами, которые постепенно менялись на их эволюционном пути. Так в чем смысл выделять их в разные виды? И что, в конце концов, является для нас объектом классификации: рибосомы или все-таки живые организмы в целом?
Что же такое «вид»?
Все это заставляет систематиков снова и снова спрашивать себя о том, что мы имеем в виду, когда произносим слово «вид». Историк и философ науки Джон C. Уилкинс в 2002 году составил список из 26 относительно принятых в биологии концепций вида. Среди них есть типологические, номиналистические, биологические и сочетающие в себе черты разных подходов. Какая из этих концепций правильная? Как часто бывает в науке — ни одна, и в то же время все сразу. Биологическая концепция является базовой для высших организмов. Типологические концепции до сих пор применяется во многих простых случаях разделения видов. Номиналистические используются в геносистематике и тогда, когда биологический критерий вида не работает. Некоторые концепции вроде бы универсальны и подходят для всех живых существ, но чем более концепция общая — тем хуже она применима на практике.
В итоге на вопрос «что такое вид?» ученые, занимающиеся разными группами организмов, отвечают по-разному. В статье микробиологов из Канады, опубликованной в журнале Genome Biology, с некоторым фатализмом утверждается, что «чем больше мы узнаем о геномах, тем более невероятной кажется сама идея о возможности существования универсального понятия вида». В некоторых ситуациях исследователи в принципе не употребляют слово «вид» и используют специальные, более подходящие под конкретный случай термины, например «геновид», «риботип» или «операциональная таксономическая единица».
Научные споры (ну или более мягко — дискуссии) по поводу применимости различных концепций вида в биологии, скорее всего, не утихнут никогда. Биологическая наука продолжает развиваться, и классификация живых существ, как и ее основа — концепция вида, тоже вынуждена развиваться, чтобы соответствовать новым задачам биологии.
В конце концов, наивно ждать, что природа раз и навсегда заботливо предоставит нам удобные дискретные единицы для изучения многообразия жизни. Все та же статья канадских ученых заканчивается словами: «. в использовании понятия вида нам, микробиологам, стоит прислушаться к совету философа Уильяма Джеймса, который писал: «Лишь наш понятийный аппарат вносит диалектические противоречия в ни в чем не повинную реальность, поэтому решение представляется простым. Надо пользоваться понятиями, когда они полезны, и отказываться от них, когда они мешают пониманию».