ПРЕДМЕТ И МЕТОД НА БИОЛОГИЯТА
1. Предмет на биологията - особености на живите системи
Предметът на биологията се посочва в самото й име – на гръцки
"биология" значи "наука за живота". Какво представлява животът? По-лесно е да разпознаем живите тела,
отколкото да опишем свойствата им. На Земята сме заобиколени от живот и го приемаме за даденост.
Можем да го оценим по достойнство само след като видим място, лишено от него.
Горе: изглед от Марс. Снимката е взета от
Astronomy Picture of the Day,
оригинален източник NASA, с любезното им разрешение.
Долу: обикновен земен пейзаж за сравнение, собствена снимка.
Животът може да се определи като свойство
на дадено тяло да поддържа и развива собствен облик, противопоставяйки
се на склонността на материята да приема възможно най-устойчивата термодинамично
форма. Интересно е да се сравнят живите тела с кристалите, чиито свойства повърхностно
наподобяват някои страни на живота. Те като организмите имат подредена
структура и могат да нарастват, включвайки все нови частици от средата.
Ако един кристал бъде разтрошен от външна сила на части, те са способни
да растат самостоятелно. Спонтанно “размножаване” при кристалите обаче
няма. Кристалът може да приеме или отдаде частици в околния разтвор, но
не извършва нищо подобно на метаболизъм. И може би най-важното, когато
подложим кристал на въздействие, което го уврежда, той не оказва никаква
съпротива.
За разлика от кристала всяко живо същество се опитва да избегне
уврежданията. То се премества по-далеч от източника на опасността, расте
в обратна посока, усилва своя метаболизъм така, че да може да устои на
въздействието, или, обратно, изпада в състояние на покой, докато неблагоприятният
период отмине. Накратко, докато неживите тела са инертни при всякакви обстоятелства,
живите системи се защитават активно. На неживото тяло му е все едно дали
ще го има или не, а живото се стреми към самосъхранение. За всяко
живо същество околната среда не е безразлична, а е съвкупност от проблеми,
които то трябва да реши, за да оцелее, да нарасне и да се размножи.
Живите тела могат да се разпознаят по това, че правят някои неща, които неживите
тела не могат да правят. Тези "неща" се наричат жизнени процеси или функции.
Ето най-важните от тях:
- Самоподдържане: живото тяло, докато е живо, запазва характерния си облик (самоподдържа се), като поддържа сравнително устойчиво стационарно състояние (саморегулация). Това става не чрез неподвижност на изграждащите го частици, а чрез периодичната им подмяна при съхраняване на общата им подредба (самообновяване).
- Растеж и размножаване: живото тяло разпростира тази своя идентичност и върху околната материя, като я включва в себе си (растеж) и в нови, подобни на него живи тела (размножаване или самовъзпроизвеждане).
- Обмяна на веществата и поток на енергията: за да осъществи тези процеси, живото тяло приема отвън свободна енергия (поток на енергията) и вещества (обмяна на веществата) и ги преобразува вътре в себе си (вътрешна обмяна на веществата или метаболизъм).
- Дразнимост: живото тяло възприема промените в околната среда (наречени още стимули) и реагира на тях, като променя жизнените си процеси по подходящ начин (дразнимост).
Живите тела (съществата, организмите) могат да извършват всичко
изброено по-горе, защото са подходящо устроени. Обратно, строежът на неживите тела
a priori изключва жизнените процеси. Следователно животът се характеризира
не само с функции, а и със съответни структури.
Ето най-важните особености на живите структури:
- Те са подредени, т.е. крайно
малка е вероятността съставните им частици да заемат такова положение случайно.
- Този ред не е наложен от външна сила, а най-важните съставни молекули заемат местата си,
като се разпознават помежду си – самосглобяване (самоорганизация).
Най-малката жива система, т.е. най-малката структура, която осъществява всички жизнени функции,
е клетката. Субклетъчните структури, наречени органели, проявяват някои от присъщите на живота
свойства, но не всички. С други думи, под клетъчното равнище целостта на живота се губи.
Затова смятаме клетката за основна структурна и функционална единица на живата материя,
"атом" на живота. Организмите са или отделни клетки, или множества от клетки.
Има една група тела, които нямат клетъчен строеж и въпреки това често се смятат за живи.
Това са вирусите. Те нямат собствена обмяна на веществата и, когато са извън своята клетка-гостоприемник,
изобщо не изглеждат живи. От друга страна, вирусите притежават най-характерното за живота свойство –
запазване и разпространяване на собствената идентичност. За да се избягнат безплодните спорове
дали вирусите са живи или не, те се разглеждат отделно от всички (останали) организми като особени,
неклетъчни, "почетни" форми на живот. Имат своя класификация, отделна от тази на
клетъчните организми.
Склонността на организмите към самосъхранение и размножаване не бива да
се разбира в смисъл, че животът поначало е съзнателен. Безспорно някои
живи системи имат съзнание – ние с вас спадаме към тях. Но доколкото можем
да съдим, огромното мнозинство организми не са съзнателни и се грижат за
себе си и потомството си просто защото така са програмирани.
Тази програма, която определя идентичността на всеки организъм (както структура,
така и функции), е изцяло вградена в самия него. Тя се нарича наследствена
програма или наследствена информация, понеже се предава в поколението
му при размножаването. Съставена е от отделни команди, наречени гени, и е
записана линейно в една или повече молекули ДНК, наречени хромозоми.
Наследствената програма на отделния организъм се нарича още генотип.
Всяко живо същество грижливо пази наследствената си програма от повреди и промени.
Но макар и рядко, в генотипа все пак възникват случайни
промени, наречени мутации. В дългосрочен план те са нужни за запазването
и обогатяването на живия свят, но в краткосрочен план по-често носят вреда, отколкото
полза. Затова мутациите не се насърчава от организма,
а става "пряко волята му" и въпреки приспособленията за защита на старата
наследствена информация.
През повечето време организмите пазят генотипа си не само от мутации,
а и от смесване с чужд генотип. Понякога обаче протича пренос на гени
между различни организми, например при полово размножаване. Мутациите и преносът на гени
променят генотиповете и така създават наследствена изменчивост.
Така сред дотогава сходните организми възниква генетично разнообразие.
Размножаването бързо създава твърде много организми. Възниква положение,
при което не всички могат да оцелеят – борба за съществуване. Обикновено
в нея участват организми с различна наследствена информация (поради мутациите
и преноса на гени). Вероятността да оцелеят и да се размножат е по-голяма за тези организми,
чиято програма е по-подходяща за момента. Резултатът е избирателно запазване
на определени генотипове, наречено естествен отбор.
Чрез съвместното действие на мутациите и естествения отбор
с течение на времето живите същества търпят необратимо развитие,
наречено еволюция. Тя се смята за свойство на организмите също като
жизнените функции, но за разлика от тях протича "сама", без да е специално
предвидена в наследствената програма. В хода на еволюцията организмите
се нагаждат към околната среда – процес, наречен адаптация.
След предмета на биологията се полага накратко да разгледаме нейния метод.
В следващите раздели под "биологичен метод" ще имаме предвид някакво конкретно
действие, например дисекция, кръстосване, микроскопско наблюдение или електрофореза.
Тук обаче ще разгледаме общия за цялата биология метод, който включва не
само всички тези конкретни методи, а и съответния начин на мислене. Нарича
се научен метод.
Освен от биологията научният метод се използва от физиката и химията. Общо
трите науки се наричат естествени или природни и предметът им е всичко,
което може да се изучава чрез научния метод. Извън него остават изкуствата,
идеологиите, религиите и чисто дедуктивните области на мисълта като математика,
логика и философия. Научният метод е индуктивен, т.е. насочен към заобикалящия
ни свят. Т. нар. обществени науки също се опитват да го използват, но с
редица ограничения и доста променлив успех, поради което ние от природните
науки ги гледаме със самодоволно пренебрежение и полугласно изказваме съмнения
дали това изобщо са науки.
Характерно за природните науки е, че те изследват само естествени явления
и търсят за тях само естествени обяснения.
Това се нарича механистичен материализъм или методологичен натурализъм.
Живите хора, които правят науката, са длъжни строго да спазват нейните ограничения.
С други думи, ученият в частния си живот може да вярва в Бог, множество богове,
самодиви, хороскопи, черна магия и изобщо в каквото желае, но докато е на работа,
никога не трябва да "обяснява" естествени явления чрез свръхестествени сили или субекти.
Добро описание на философската основа на науката дава през 2005 г. американският съдия
Джон Джоунс. Той трябва да се произнесе относно преподаването на т. нар. "интелигентен
дизайн" в държавните училища. Обосновавайки решението си - че "интелигентният дизайн"
не трябва да се преподава, защото не е наука, а религия - съдията заявява:
"От ХVІ-ХVІІ век насам науката търси само естествени причини за обяснение на естествените
явления... Свръхестествените обяснения могат да имат своята стойност, но те не са част от науката.
Това самоналожено ограничение на науката... се нарича от философите “методологичен натурализъм”;
известно е още като научен метод. Методологичният натурализъм е основен принцип на съвременната
наука, който изисква от учените да обясняват околния свят само с това, което можем да наблюдаваме,
проверим, възпроизведем и докажем."
Наблюдаваните (емпирични) природни явления, изучавани от естествените науки,
се наричат факти или данни. Наблюдавайки ги, ученият търси закономерности,
с които да ги обясни. Когато открие закономерност (или поне така мисли), той я описва в
мисловно построение, наречено теория. Накратко, науката е създаване, проверка и
подобряване на теории.
За създаването на теории няма рецепта. Нютон стига до идеята за гравитацията,
след като наблюдава падането на една ябълка. (Противно на разпространеното твърдение
ябълката не е паднала на главата му.) Теориите не могат да се изведат от фактите - по-скоро обратното: всяко
описание на факти и всяко наблюдение неизбежно става в рамките на някаква теория, която може да не е изрично
формулирана или дори осъзната от наблюдателя. Теориите обаче трябва да се съгласуват с известните факти.
Добрите теории имат и прогностична стойност, т.е. правят
допускания за някои все още неизвестни факти. Чудесни примери за това дава астрономията с точното предсказване
на бъдещи слънчеви и лунни затъмнения; в повечето научни области обаче прогностичната стойност на теориите е
по-скромна.
Веднъж създадени, теориите се проверяват и обогатяват, като се съпоставят с нови факти. За целта изследователят
или отчита явления, протичащи спонтанно в природата (наблюдение), или създава обстановка, в която предизвиква
и до голяма степен контролира явленията (опит, експеримент). Опитите обикновено се извършват в специално
пригодено помещение, наречено лаборатория.
Докато е нова и още не е претърпяла проверка, теорията се нарича хипотеза. Ако се окаже, че противоречи на
резултатите от новото наблюдение или опит, тя се преработва или отхвърля. Обратно, ако се съгласува с
емпиричните данни, това говори добре за нея и вече можем да я наречем
теория; но проверките ще продължат. Те трябва да се правят от различни учени и в различни лаборатории, а не само от
екипа, който е създал теорията и изпитва бащинска привързаност към нея. Дори дадена теория да е била потвърдена
от хиляди опити, ако влезе в противоречие с
нови факти, тя ще трябва да се преразгледа. Действията по създаването и проверката на теориите
съставят научния метод. Чрез него теориите постепенно стават все по-добри и това усъвършенстване всъщност е
научният напредък.
За да може да се проверява чрез наблюдения и опити, теорията трябва поначало да бъде опитно проверима и
опровержима. Т.е. за всяка теория трябва да можем да посочим факти, които, ако бъдат наблюдавани,
биха я опровергали. Теория, която не може да се опровергае, има нулево информационно съдържание.
Тя не може да обясни нищо и не е истинска теория. (Твърди се, че когато попитали генетика Дж. Холдейн
какво би опровергало еволюционната теория, той отговорил: “Вкаменени зайци в пластове от докамбрия”.)
Именно в проверката на хипотезите и теориите, а не в тяхното създаване, се проявява отличителната черта
на науката - критичното мислене.
Това не е широко известно, защото в учебните заведения почти
винаги се преподават само теориите (без научния метод) и те се поднасят
като догми. Общоприетите в момента теории се представят така, сякаш са
неопровержимо доказани и ще останат завинаги. По-старите, вече опровергани
теории от днешна позиция се разглеждат като очевидни заблуди, едва ли не
като примери за човешка тъпота. Създава се впечатление, че ученият е човек,
който подробно се е запознал с известните до момента факти и вярва в “правилните”
теории, които ги обясняват. В действителност отличителната черта на човека
на науката е не това в какво вярва, а това защо вярва. Той
вярва в общоприетите теории само защото те са най-добрите налични обяснения
на фактите и е готов да се откаже тях, ако те се сблъскат с нови факти.
Както пише авторът на блога "Photon in the darkness": "Повечето хора мислят, че ученият е само
някакъв жив склад за “факти", защото на това са ги учили в часовете по природни науки в гимназията.
Но това е много далеч от истината. Наистина ученият трябва да усвои огромно количество информация,
но по-важно е, че той трябва да се научи на определено мислене. Много по-лесно е да разкажеш на
учениците за периодичната система, отколкото да ги научиш как да формулират проверима хипотеза.
И е много по-лесно да преподадеш цикъла на Кребс, отколкото да обясниш как от опитните данни да се
правят верни и защитими изводи."
Трябва да се признае, че живите хора, които реално правят
наука, често се отклоняват от идеала за учен.
Когато дадена теория влезе в противоречие с някакви наблюдения или експерименти,
привържениците й не се отказват от нея веднага. Те първо искат потвърждение
на новите факти с довода, че най-вероятно опонентите не са си провели наблюденията
и опитите както трябва или неправилно са разтълкували получените данни. От емоционална гледна точка
ни е по-лесно да си затворим очите за неудобните нови факти, отколкото да се откажем от любима
теория. Историята на науката е пълна с примери как добри нови теории, които за
разлика от старите са били съобразени с всички известни факти, са били
отричани години наред, преди да бъдат признати от научната общност. В някои случаи, за да се
възприеме новата теория, е нужна смяна на поколенията.
От друга страна, трябва да се имат предвид и далеч по-многобройните
случаи, в които консерваторите се оказват прави. Оспорването на неочакваните
научни съобщения е полезно за науката. То наистина слага пречки пред новите
добри теории, но затова пък рядко допуска общоприета теория да бъде заменена
с някоя от непрекъснато предлаганите нови по-лоши теории. Освен това гарантираното
наличие на опоненти подобрява качеството на научните изследвания. За да
бъдат новите резултати по-трудно оспорими, те се повтарят (изискване за
възпроизводимост), за предпочитане от други изследователи и в други лаборатории.
Използват се възможно най-прецизни измервателни уреди (точност на наблюдението).
Това е важно, защото можем да грешим не само в теорията, а и в това, което смятаме за факти:
ние възприемаме не самите природни явления, а някаква представа за тях, осигурена от нашите
сетива и уреди, и тази представа е точна само колкото въпросните сетива и уреди.
Когато провеждаме опит, наред с пробата, която изследваме и не знаем какво ще получим,
залагаме контроли, в които неизвестният фактор е заменен с известен. Можем да подготвим
контролата така, че да има всички условия за дадено явление и да сме сигурни в неговото
протичане - положителна контрола. Можем и да премахнем една от предпоставките за явлението и така да
сме сигурни, че то няма да настъпи - отрицателна контрола. В даден опит можем да включим положителна
контрола, в друг - отрицателна, а в трети - и двата вида (колкото повече контроли, толкова по-добре).
После резултатите от пробата и контролите се сравняват. От всички "технически подробности" на научния
метод може би използването на контроли е най-важната.
Пример за изследвания с отрицателна контрола са клиничните изпитания на нови лекарства. (Ясно е, че
тук няма откъде да се намери положителна контрола.) Пациентите-участници в изследването се разпределят
случайно в две групи. Едната получава експерименталното лекарство, а другата – плацебо, т.е. препарат без
физиологично действие. Пациентите и изследователите, които отчитат състоянието им, не трябва да знаят
кой в коя група е (т. нар. двойно сляпо отчитане). Така, ако има разлика между двете групи, може да се приеме,
че тя наистина се дължи на лекарството. Ако няма контролна група, дори да се наблюдава
подобрение у пациентите, не би могло да се каже дали то се дължи на лекарството - възможно е организмът да
се е възстановил спонтанно или пък подобрението да е чисто самовнушение, което би се постигнало и с
плацебо.
Добрата контрола трябва да бъде еднаква с пробата по всичко освен по един важен параметър. Например, ако
изследваме последиците от тимектомия (отстраняване на тимуса) при мишки, можем да използваме като отрицателни
контроли мишки, които просто сме оставили на мира. Това обаче не са добри контроли, защото няма да знаем дали
влошаването на състоянието на оперираните мишки се дължи на липсата на тимус или на самата операция. Затова трябва
извършим върху контролите “лъжлива тимектомия”, т.е. да отворим и после да затворим гръдната им кухина, без да
махаме тимуса.
Научното изследване, след като се проведе, се описва в научен труд, който се публикува в специализирано списание
или поне се представя на научен форум. Резултат, който не е публикуван, все едно не е получен.
Всяко научно изследване е насочено към определен проблем. Той може да бъде установяване на нови факти и
сравняването им с наличните теории или пък противоречие между вече известни факти и наличните теории. Научният труд
започва с обобщаване на наличните данни и теории, като по-старите изследвания се цитират в раздел "Литература"
(References). След това се поставя проблемът. Т. нар. обзорни статии спират
дотук. При оригиналните статии това е раздел "Въведение" (Introduction).
След това авторите описват как са подходили към проблема: какви наблюдения или/и опити са извършили и как са ги
организирали. Това се описва в раздел "Материали и методи" (Materials and methods).
Описанието трябва да е достатъчно подробно, за да могат други изследователи да възпроизведат изследването.
Опитните процедури трябва да бъдат внимателно замислени и изпълнени. Ако методите не са издържани, всичко установено
чрез тях става невалидно.
Това, което се установи след опита (или при описателните изследвания – след спонтанния ход на събитията),
се описва в раздел "Резултати" (Results).
Новите данни се представят чрез снимки, графики, таблици и т. н. Ако е подходящо, прилагат се статистически методи,
за да се докаже, че установената разлика между проби и контроли е статистически значима, т.е. малко
вероятно е да се дължи на чиста случайност.
В този раздел авторите не излагат идеи. Резултатите от наблюденията и опитите им се оставят да говорят сами.
Следва раздел "Обсъждане" (Discussion). Тук авторите обясняват и анализират резултатите си и
ги сравняват с предишни публикувани изследвания - свои и на други учени.
Накрая правят изводи от изследването си, понякога в отделен малък раздел, и посочват с какво то допринася за
науката. Не винаги анализът е правилен. Ако обаче резултатите са нови и верни, те остават валидни.
Основни източници
Вилли К., В. Детье. Биология (биологические процессы и законы). Мир, Москва,
1974. Превод от: Villee C.A., V.G. Dethier. Biological Principles and Processes.
W.B. Saunders Co., Philadelphia, 1971.
Марков Г. Тайните на клетката. 3. осн. прер. изд. Народна просвета, София,
1984.
Попър К. Безкрайното търсене: автобиография на един интелектуалец. ИК Златорогъ,
София, 1998. Превод от: Popper K.R. Unended Quest: An Intellectual Autobiography.
Open Court, La Salle, Illinois, 1982.
Weisz Р.В. The science of biology. 3. edn. McGraw-Hill Inc., USA, 1967.
Prometheus (2005). If you want to drive the bus...
[Online] http://photoninthedarkness.blogspot.bg/2005/07/if-you-want-to-drive-bus.html
Robert Nemiroff, Jerry Bonnell (1996). Astronomy Picture of the Day: If You Could Stand on Mars.
Credit: NASA, Viking 1, USGS.
[Online]
http://zuserver2.star.ucl.ac.uk/~apod/apod/ap960207.html
URL
http://www.mayamarkov.com/biology/b01_zhivot/b01_zhivot.htm
Публикувано 2005 г.
На този адрес от 2016 г.
Последни промени 2016 г.
Copyright © Майя Маркова
Основна
страница
Следваща глава