что такое биологическая революция
Партия 2017 года. Биологическая революция. 1
Развитие эволюционных идей в биологии имеет свою историю. Первая идея античной диалектики образ изменения и развития окружающего мира, вторая утверждала неизменность.
Ламарк определял две формы изменчивости:
1) прямую — изменчивость растений и низших животных под влиянием среды;
2) косвенную — изменчивость высших животных, обладателей развитой нервной системы.
Теория катастроф Ж. Кювье
Новым обобщением в теории эволюции живой природы стала теория катастроф Ж.Л. Кювье.
Методологической основной стали успехи в сравнительной анатомии и палеонтологии.
Ж.Л. Кювье. установил, что все органы любого живого организма представляют собой части единой целостной системы, строение каждого органа соотносится со строением других.
Соответствие органов животных друг другу Кювье назвал принципом корреляций (соотносительности). Руководствуясь принципом Кювье, можно в любом фрагменте организма, как в зеркале, рассматривать все животное. Применение принципа корреляций в палеонтологии позволяло восстанавливать облик давно исчезнувших животных. Его вывод: животные, жившие на планете, погибали почти мгновенно, а на их месте возникали совершенно иные виды, причем смена моря и суши происходила неоднократно, а на Земле периодически происходили гигантские катаклизмы, уничтожавшие целые материки и их обитателей. В последствие на их месте появлялись новые организмы. Так родилась теория катастроф. Таких глобальных явлений насчитали двадцать семь.
Позиции теории спокойно прожила до середины XIX в. В это время появился подход к пониманию геологических явлений — принцип актуализма Ч. Лайеля: для познание прошлого Земли нужно изучить ее настоящее.
Теория эволюции Ч. Дарвина
Дарвин создал новое учение о живой природе, сведя отдельные эволюционные идеи в одну стройную теорию эволюции, которую изложил в книге «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859).
При этом в природе нет двух совершенно тождественных организмов. ибо всё многообразие является результатом процесса изменчивости.
Итак, концепция Дарвина движущими факторами эволюции признаёт изменчивость, наследственность и естественный отбор.
Он различал два вида изменчивости: 1) наследственную (неопределенную) и
2) ненаследственную (определенную).
Под неопределенной (индивидуальной) изменчивостью рассматривается появление разнообразных незначительных отличий у особей одного и того же вида, в дальнейшем «неопределенные» изменения назвали мутациями.
Наследственность. В процессе размножения от поколения к поколению передаются код наследственной информации, определяющий возможность развития будущих признаков в определенном диапазоне. Считается, что наследуется не признак, а норма реакции развивающейся особи на действие внешней среды.
Дарвин показал, что каждый организм — это результат взаимодействия между генетической программой его развития и условиями ее реализации.
Борьба за существование представлена Дарвиным как совокупность взаимоотношений организмов одного вида друг с другом и другими видами, как и неживыми факторами внешней среды. Он выделил три основные формы борьбы за существование: 1) межвидовую, 2) внутривидовую и 3) борьбу с неблагоприятными условиями внешней среды.
Совершенствование механизма приспособления организмов усложняет уровень их организации и формирует эволюционный процесс. В нём есть постепенность и медленность процесса изменений и способность объединять эти изменения в крупные, решающие основания, приводящие к появлению новых видов.
Исходя из того, что естественный отбор обеспечивает выживание и размножение индивидов и групп особей, лучше приспособленных к данным условиям существования.
Однако теория не объясняла появление у организмов многих структур, кажущихся бесполезными. Как позднее выяснилось, многие различия между видами, не ивлияющие на выживание, являются побочным эффектом действия генов, обусловливающих незаметные, но важные для выживания физиологические признаки. Слабым местом было и раскрытие наследственности. Если эволюция связана со случайными изменениями и наследственной их передачей потомству, тогда как они могут сохраниться и усиливаться впоследствии, ибо обычно они передаются в ослабленном виде.
Био Революция. Как новые технологии меняют бизнес и общество
Благодаря новым технологиям мы можем производить мясо без животных, лечить неизлечимые болезни, редактируя генетическую ткань человека, и производить промышленные химикаты на дрожжевых фабриках. Быстрое и все более дешевое секвенирование ДНК углубило наше понимание того, как работает биология, и такие инструменты, как CRISPR, в настоящее время используются для перекодирования биологии для лечения болезней или снижения уровня уязвимости культур к изменению климата. Это то, что ученые называют Био Революцией.
Согласно новому исследовательскому отчету McKinsey Global Institute, Био Революция уже приносит пользу обществу. Так, ученые смогли упорядочить геном коронавируса в течение нескольких недель, а не месяцев, как это было в предыдущих вспышках. Био-инновации позволяют быстро внедрять клинические испытания вакцин, искать эффективные методы лечения и глубоко исследовать пути передачи вируса.
По оценкам доклада, благодаря этим приложениям биоинновации могут снизить от 1% до 3% общего глобального бремени болезней в ближайшие 10–20 лет, что примерно равнозначно устранению глобального бремени болезней, связанных с раком легких, раком молочной железы и простаты. Со временем, если будет раскрыт весь потенциал, 45% глобального бремени болезней можно будет решить, используя науку, которая сегодня возможна.
На сегодняшний день до 60% физического вклада в мировую экономику являются либо биологическими (например, древесина для строительства или животные для разведения продуктов питания), либо небиологическими (например, цемент или пластик), но в принципе могут быть получены с течением времени с использованием биологии. Нейлон уже можно производить с использованием генно-инженерных дрожжей вместо нефтехимических, например, «кожа» изготавливается из грибных корней, а бактерии производят цемент.
Многие приложения коммерциализируются. Это может привести к прямым экономическим выгодам в размере от 2 до 4 трлн. долларов в таких разнообразных сферах, как сельское хозяйство и текстильное производство.
Слияние биологии и вычислительной техники уже создает новые возможности. Вычислительная техника ускоряет открытие и производительность в биологии. Биотехнологические компании и научно-исследовательские институты, которые все чаще используют автоматизированную автоматизацию и датчики в лабораториях, используют множество биологических данных из-за более дешевого секвенирования.
Новое производство на основе биологии уже сокращает затраты, повышает производительность и снижает воздействие на окружающую среду и мир природы. Например, в косметике Amyris теперь производит сквалан, увлажняющее масло, используемое во многих продуктах по уходу за кожей, путем ферментации сахаров с использованием генно-инженерных дрожжей вместо обработки масла печени от глубоководных акул, что было не только дорого, но и угрожало видам. с исчезновением. В области текстильной промышленности американский стартап Tandem Repeat производит самовосстанавливающуюся, биоразлагаемую и перерабатываемую ткань с использованием белков, кодируемых генами кальмара.
Биологическая революция может полностью изменить пищевой бизнес, поскольку растительные белки и выращенное в лаборатории мясо приобретают популярность и в процессе сокращают выбросы парниковых газов в результате обезлесения и животноводства. Одно исследование показало, что культивируемое мясо может снизить выбросы парниковых газов на 80% или более по сравнению с обычным мясом, если вся энергия, используемая в производстве, поступает из безуглеродных источников.
В сельском хозяйстве более глубокое понимание роли микробиома открывает возможности для повышения операционной эффективности и производительности. Благодаря профилированию бактерий и грибков в почве, Trace Genomics, например, дает понимание, которое помогает выбрать специально подобранные семена и питательные вещества, и дает возможность раннего прогнозирования заболеваний почвы. На потребительских рынках для персонализации ухода за кожей используются текущие исследования взаимосвязи между кишечным микробиомом и кожей. Например, сингапурская геномная фирма Imagene Lab предлагает персонализированную сыворотку на основе результатов анализов ДНК кожи, которые оценивают такие признаки, как преждевременный распад коллагена.
Если такими рисками не управлять, вполне возможно, что весь потенциал Био Революции может не реализоваться. По оценкам ученых, около 70% от общего потенциального воздействия может зависеть от отношения общества и способа управления инновациями в рамках существующих режимов регулирования. Тем не менее, если риски можно управлять и смягчать, Био Революция может изменить наш мир. Ученые совместно с передовыми компаниями в настоящее время используют силу природы для решения насущных проблем в медицине, сельском хозяйстве и за ее пределами и помогают выработать ответ на глобальные вызовы от пандемий до изменения климата, пишет StatNews.
Биологическая Революция
За последнее столетие было сделано много важных научных открытий в области биологии, и эта тенденция сохраняется, появляются новые и новые открытия.
Биология: Продолжение Физики
Аэропланы и другие объекты, сделанные руками человека, могут быть сложными предметами. Но по сравнению с развитыми биологическими формами, эти объекты сравнительно просты. В общем, важность и влияние основ масштабирования возрастает со сложностью объекта или жизненной формы. Для развитых форм жизни, размеры имеют большое значение. Кроме понимания основ физики, понимание основ масштабирования и процесса эволюции – возможно являются самыми важными и направляющими для понимания биологии.
Как водомерка ходит по воде? Как летучая мышь ориентируется в пещере или не замерает ночью? Как пчела летает? Как геккон ходит по потолку? Как дерево обеспечивает водой свою листву на вершине? Как питательные вещества проходят сквозь стенки клетки? Что определяет формы данных особей?
Понимание законов физики, и в частности, понимание влияния размеров, ключ к ответу на большинство вопросов биологии.
Теория Эволюции
И даже при том что, теория эволюции воспринималась лучше, чем особенности масштабирования Галилея, мало кто из биологов мог бы остаться довольным тем, как медленно общественность воспринимает теорию эволюции Дарвина.
Одна из немногих оставшихся проблем, все еще занимающая биологов, это то, что теория эволюции не может сама по себе объяснить форму наземных обитателей Мезозоя. Но вместе теории эволюции и решение плотной атмосферы разрешают эти загадки. Понимания процесс эволюции, мы можем по-новому взглянуть флору и фауну прошлого и настоящего, и понять, что происходит.
Объяснение Процесса Эволюции
Возможно, наиболее трудным для понимания общественности является тот факт, что оба, процесс эволюции и креативность человека, в состоянии производить функционирующие объекты. Люди легко понимают, что делает тот или иной человек, и почти каждый способен сам создавать новые вещи таким путем. То есть легко сделать ошибку, решив, что эволюция использует схожий процесс для произведения ее удачных форм. Но процесс для создания объектов человеком, и процесс создания биологических объектов, абсолютно разные процессы.
Человеку свойственно сначала выявить нужду в том или ином, затем определить, каковы будут основные функции, создать дизайн, до того как начать создавать это. В любом случае строитель, изобретатель или инженер ограничен до некоторой степени как во времени, так и в ресурсах, которые должны быть затрачены на достижение поставленной цели. Так как ресурсы ограничены, необходимо подходить избирательно к тому, как использовать эти ресурсы. Человек нуждается в знании научных принципов, или по крайней мере человек должен быть способен следовать дизайну и прошлому опыту, создавая что-то новое.
В отличие от человека, процесса эволюции не имеет никакого плана, дизайна. В добавок, природа располагает почти неограниченными временем и ресурсами для эволюции видов. В каждом поколении отбираются наиболее подходящие индивидумы для воспроизводства следующего поколения, и в этом пошаговом процессе, достигается совершенная форма.
Первая ключевая концепция эволюции Дарвина заключается в том, что все особи воспроизводят больше потомства, чем могут быть обеспечены существующими природными ресурсами. Но существует не только борьба за пищу, но так же борьба за то, чтобы не стать пищей для кого-то. Детеныши приходят в конкурентный мир, где они должны соревноваться за то, чтобы выжить. Как результат, не все воспроизведенное потомство выживет, чтобы воспроизвести следующее поколение.
Следующий пункт, это то, что всегда существуют какие-то физические и поведенческие различия потомства сообщества. Эти изменения – результат репродуктивного генетического процесса. Добавьте к этому случайные мутации и в результате получим, что потомство будет выглядеть как родители, но тем не менее, за исключением близнецов, каждый индивидуален.
Из-за изменений внутри видов и конкуренции, существует процесс отбора, чьи гены получит следующее поколение. Статистически, гены, которые имеют наилучший шанс быть переданы потомкам, будут от тех, кто доказал себя более способными 1) выживанию к моменту репродуктивной зрелости и 2) к воспроизводству. Это то, что имеется в виду под утверждением эволюции: «выживает самый подходящий».
Как почти все великие научные идеи, по сути, процесс эволюции это всего лишь простая идея: только выжившие могут произвести потомство, так что в каждом поколении индивидуумы, наиболее подходящие к окружающей среде, отобраны для воспроизводства потомства. Из-за этого процесса отбора, особи как целое будут эволюционировать в направлении особей, обладающих самыми совершенными признаками.
Но понятие «самые совершенные признаки» или «самые подходящие» имеют значение только в условиях определенной окружающей среды. Окружающая среда может рассматриваться при ее взаимодействии с физической средой и ее взаимодействис с другими видами, биологической средой.
Примерами физической среды является, находятся ли особи в океане или на суше. Наземные животные могут попытаться найти свою нишу в широком разнообразии климатаических зон, например, в пустыне, тропиках или вблизи полярных областей. Каждая физическая среда обладает уникальными, только ей свойственными особенностями, с которыми могут столкнуться виды,
Растения, животные и другие формы жизни – сложные объекты, построенные из различного биологического материала. Этот различный биологический материал обладает физическими особенностями, схожими с физическими особенностями, свойственными неживым объектам. Для позвоночных, костный материал будет иметь определенную прочность, кровь будет передвигаться по артериям подобно другим жидкостям, и жар будет уходить через кожу на основе ее термопроводимости. Физические формы жизни должны быть правильными, чтобы выжить в физической среде.
Но это далеко не все, что необходимо, так как очень редко виды существуют одни в физической среде. Необходимо также соответсвовать требованиям биологической среды. Цветы будут цвести, так как насекомые будут помогать в их воспроизводстве, и добыча будет убегать от преследующего хищника, потому что от этого зависит жизнь. Взаимодействие между видами и достижение репродуктивных целей часто создают креативные и удивительные эволюционные решения. В каждой природной нише, виды должны будут бороться за выживание и воспроизводство. Сильнейшие особи – продукт их среды.
Чтобы лучше понять процесс эволюции, давайте рассмотрим пример гепарда и газели. Эти животные, как и большинство видов дикой природы, хорошо приспособлены к своей среде. Заметьте, что оба вида физически подходят, быстро бегают, окрашены в темно-коричневый и белый камуфляж, хорошо подходящий к их среде. То, что эти животные так хорошо адаптированы к среде, в которой они обитают, не случайность природы.
Когда гепард убивает, вероятнее всего его жертва, эта убитая газель, была больной или самой медленной в группе. Устраняя самых слабых газелей в стаде, гепард тем самым способствует тому, что оставшиеся более здоровые и быстрые газели производят потомство.
Форма Следует Функции: Понимание Наземной Биологии Мезозойского Мира
Миллионы людей видели экспозицию скелетов динозавров. Детьми, возможно, мы могли задавать вопросы о том, как динозавры могли быть такими большими, или почему они имели такую форму. Может быть, мы были удовлетворены полученными ответами на эти вопросы, может быть, нет. Но будучи детьми, даже если мы не были удовлетворены, мы, тем не менее, не могли ничего с этим поделать.
Но так же как палеонтологи стараются объяснить размеры динозавров, так же они стараются объяснить форму динозавров. Поэтому сейчас самое время по-новому взглянуть на форму динозавров с применением научных принципов.Применяя знание физики и понимание процесса эволюции, мы просыпаеься от нашего полусонного состояния. Форма динозавров буквально кричит нам, сквозь время «Посмотри на меня! Разве ты не можешь понять, что я делаю?»
Давайте для начала посмотрим на фотографию Эдмонтозавра, выставленного в Музее Природы и Науки Денвера. Для этого вида динозавра характерна типичная для динозавров форма, в частности, длинный, сильных хвост и задние конечности, более сильные, чем передние.
Хвост Динозавра
Наиболее распространенная и практическая цель гибкого хвоста – управлять движениями животного сквозь плотную жидкую среду. Животные, обитающие в такой плотной жидкой среде, например рыбы, могут эффективно использовать их гибкий хвост для выталкивания из жидкости, таким образом двигая животное вперед. Однако это невозможно, когда животное окружено жидкостью с низкой плотностью. Так что современные наземные обитатели, как, например, собаки или человечек, живущие в современной низко-плотной жидкой атмосфере, имеют рудиментарный хвост или не имеют его вовсе.
Птицы летают в среде современной атмосферы с низкой плотностью, но хвост птицы это руль, и он используется больше как аэродинамический руль, чем как движущая сила. Наземные змеи – это один длинный гибкий хвост, так что они могут показаться исключением. Но остальную часть тела змеи лежит на земле, то есть они как бы «плавают» по поверхности земли. Движение, которое используют наземные змеи для передвижения по земле, то же самое движение, что используют и морские змеи для плавания в воде.
Крокодил – одно из животных, которые благополучно выжили со времен Мезозоя и существуют и в наши дни, и они тоже имеют гибкий хвост. Но, учитывая то, как много времени они проводят в воде, эти животные могут считаться скорее водными, чем сухопутными. Они прячутся под водой в надежде напасть на животных, испытывающих жажду, и остановившихся у воды, чтобы ее утолить. Быстрота, скоторой эти большие животные выплывают из засады – свидетельство эффективности сильного гибкого хвоста, двигающего животного через плотную жидкую среду.
Однако, существуют по крайней мере несколько наземных рептилий, не использующих с пользой свой хвост. Современные наземные ящерицы имеют длинный хвост, который, возможно, мог выполнять определенную задачу в прошлом, но сейчас это просто рудиментарная часть, волочащаяся позади животного. Возможно, именно из-за наземных ящериц палеонтологи решили, что хвост динозавра не служил никакой определенной цели.
Тем не менее, хвост типичного динозавра больше и более развит, чем рудиментарный хвост современных ящериц. Как показано на фотографии Эдмунтозавра, хвосты почти всех динозавров имеют ребра, идущие от позвоночника. Заметьте также, что кости, идущие вверх и вниз от позвоночника хвоста, сходны по своему строению с ребрами рыб – животных, которые определенно используют свой хвост для движения в плотной жидкой среде. Для чего динозаврам был бы нужен такой хорошо развитый хвост, если бы он не выполнял определенную функцию?
Лапы Динозавров
Еще более озадачивает строение задних лап динозавров, так как они намного больше передних. Это характерно для всех динозавров, и единственным исключением является Брахиозавр.
В то время как такое строение ног не имеют смысла в современной среде, оно приобретает смысл, если сильная горизонтальная сила отталкивала назад объекты. Для механизмов, сделанных руками человека, от колес часто зависит мобильность. Схожесть между наклоненными колесами трактора и конечностями динозавра не случайна. Для обоих объектов мобильность – результат существующей сильной горизонтальной силы, затрудняющее движение трактора или динозавра вперед.
Для того что перевернуть затвердевшую землю, необходимая сильная горизонтальная сила чтобы тянуть плуг сквозь почву. В то время как трактор тянет плуг, заднее крепление натянуто, это значит что есть горизонтальная сила, тянущая плуг вперед, и равная ей, но противоположная сила, тянущая трактор назад. Эта задняя сила на трактор производит вращение, переносящее большую часть веса трактора на задние колеса. Тракторы имеют такое строение колес, потому что когда они работают на полную мощность, почти весь их вес приходится на задние колеса, и таким образом, только задние колеса эффективны для толкания трактора вперед. Нет никакой нужды подводить энергию на передние колеса или делать их очень большими, так как большой вес приходится на них только когда трактор ничего не тянет.
Динозавры имеют такое же строение лап, потому что когда они двигались максимально быстро, почти весь их вес приходился на задние ноги, так что только они, а не передние конечности, участвовали в толкании динозавра вперед. Чтобы понять форму динозавров мы должны рассматривать силы, действовавшие на динозавров, принимая во внимание процесс эволюции.
Возможно ноги динозавров имеют такое строение, потому что травоядные проводят большую часть времени, общипывая обильную растительность. Тем не менее, эта день-за днем неповоротливость имела небольшое влияние на шансы динозавров на выживание. Момент жизни или смерти наступал, когда беспощадный хищник неожиданно появлялся буквально из ниоткуда. Эта драма Мезозойского мира во многом схожа преследованием газелей гепардом в современной Африке. В обоих случаях выживание как хищника, так и добычи, часто зависит от того, кто выиграет гонки. И хищник и жертва будут использовать все средства чтобы победить, так как на кону их жизни. Для динозавров, их главное средство движения- задние ноги и хвост.
В атмосфере, плотность которой составляла 2/3 плотности их собственного тела, их хвосты плавно двигались в плотной жидкой среде. Но пока плотная жидкость была их преимуществом при использовании этих средств движения, она была также препятствием при движении впере. Эта горизонтальная сила сопротивления – именно то, что объясняет, почему вес животных перемещался на их задние ноги, когда они бежали.
Эдмунтозавр на самом деле был одним из самых быстрых динозавров Мезозойской эры. Подобные по форме травоядные, как стегозавры и анкилозавры, по крайней мере имели какую-то броню. С такой броней эти динозавры могли возможно выжить после атаки хищника. Но Эдмунтозавр полностью зависел от скорости, развиваемой при помощи хвоста и сильных задних ног, чтобы обгонять хищников.
Брахиозавр был медленным динозавром. Вместо того, чтобы спасаться бегством, как другие травоядные, его поведение было сравнимо с современными слонами – он пугал хищников своими размерами. С устройством ног, отличным от всех других динозавров, он не развивал нужной скорости, но выгодно выделялся по росту, и мог дотянуться до самых высоких ветвей. За исключением Брахиозавра, все динозавры имели сильные задние ноги и мощный хвост для плавания в плотной атмосфере Мезозоя.
Палеонтологи не могли представить, что атмосфера могла быть такой плотной, что динозавры могли использовать их хвосты. Они предполагали, что динозавры просто волокли свои длинные хвосты по земле. Но несмотря на эти убеждения, не было обнаружено никаких доказательств в защиту того, что динозавры волокли свои хвосты.
Форма динозавров – свидетельство физической среды, в которой они обитали. Наиболее вероятным объяснением уникальной формы динозавров может быть предположение их обитания в жидкой среде, которая была меньше, но сравнима с плотностью их тел. Плотность жидкости должна была бы быть по крайней мере в сотни раз больше, чем плотность современной атмосферы, но все же меньше плотности воды. В жидкости с плотностью 2/3 плотности тела динозавров, гибкий хвост помогал бы динозаврам двигаться вперед, а строение ног было бы логичным для животных, которые должны были двигаться так быстро, как только возможно, через эту плотную жидкость.
Форма динозавров – сильный аргумент в поддержку решения плотной атмосферы.