История биологии

редактировать

История изучения жизни от древних времен до наших дней Фронтиспис к Эразму Дарвину 's Стихотворение на тему эволюции «Храм Природы» показывает богиню, стягивающую завесу с природой (в лице Артемиды ). Аллегория и метафора часто играли роль в истории биологии.

История биологии прослеживает изучение живого мира с древних до современные времена. Хотя концепция биологии как единой связной области возникла в 19 веке, биологические науки возникли из традиций медицины и естествознания, восходящих к аюрведа, древнеегипетская медицина и труды Аристотеля и Галена в древнем греко-римском мире. Этот древний труд получил дальнейшее развитие в средние века мусульманскими врачами и такими учеными, как Авиценна. В период европейского Возрождения и раннего Нового времени биологическая мысль в Европе была революционизирована благодаря возобновлению интереса к эмпиризму и открытию многих новых организмов. Видными в этом движении были Везалий и Харви, которые использовали эксперименты и тщательное наблюдение в физиологии, а также натуралисты, такие как Линней и Бюффон, которые начали классифицировать разнообразие жизни и летопись окаменелостей, а также развитие и поведение организмов. Антони ван Левенгук с помощью микроскопии раскрыл ранее неизвестный мирорганизмов, заложив основу теории клеток. Растущее значение естественного богословия, отчасти являющееся ответом на подъем механической философии, способствовало развитию естествознания (хотя оно закрепило аргумент из замысла ).

На протяжении 18-19 веков биологические науки, такие как ботаника и зоология, становились все более профессиональными научными дисциплинами. Лавуазье и другие ученые-физики начали соединять одушевленный и неодушевленный миры с помощью физики и химии. Исследователи-натуралисты, такие как Александр фон Гумбольдт, исследовали взаимодействие между организмом и окружающей средой и то, как эта взаимосвязь зависит от географии, заложив основы биогеографии, экологии и этология. Натуралисты начали отвергать эссенциализм и учитывать исчезновения и изменчивости видов. Теория клетки открыла новый взгляд на фундаментальные основы жизни. Эти разработки, а также результаты эмбриологии и палеонтологии были синтезированы Чарльзом Дарвином в теории эволюции естественный отбор. Конец 19 века ознаменовался падением самопроизвольного зарождения и подъемом микробной теории болезни, хотя механизм наследования оставался загадкой.

В начале 20 века повторное открытие работ Менделя привело к быстрому развитию генетики Томасом Хантом Морганом и его учениками, и к 1930-м годам сочетание популяционной генетики и естественного отбора в «неодарвиновском синтезе ». Новые дисциплины быстро развивались, особенно после, как Уотсон и Крик предложили преобразовали ДНК. После соединения центральной догмы и взлома генетического кода, биология в степени разделилась на биологию организма - области, которые имеют дело с целыми организмами и группов - и поля относящиеся к клеточной и молекулярной биологии. К концу 20 века новые области, такие как геномика и протеомика, обращали эту тенденцию: биологи-организаторы использовали молекулярные методы, молекулярные и клеточные биологи изучали взаимодействие между генами и окружающей средой. а также генетика природных популяций организмов.

Содержание

  • 1 Этимология «биологии»
  • 2 Древние и средневековые знания
    • 2.1 Ранние культуры
      • 2.1.1 Древняя Месопотамия
      • 2.1.2 Древние китайские традиции
      • 2.1.3 Древние индийские традиции
      • 2.1.4 Древние египетские традиции
    • 2.2 Древнегреческие и римские традиции
    • 2.3 Средневековые и исламские знания
  • 3 Возрождение и раннее современное развитие
    • 3.1 Семнадцатый и восемнадцатый века
  • 4 XIX век : появление биологических дисциплин
    • 4.1 Естествознание и натурфилософия
      • 4.1.1 Геология и палеонтология
      • 4.1.2 Эволюция и биогеография
    • 4.2 Физиология
      • 4.2.1 Теория клеток, эмбриология и теория микробов
      • 4.2.2 Рост органической химии и экспериментальной физиологии
  • 5 Биологические науки двадцатого века
    • 5.1 Экология и наука об окружающей среде
    • 5.2 Классическая генетика, современный синтез и теория эволюции
    • 5.3 Биохимия, микробиология и молекулярная биология
      • 5.3.1 Происхождение молекулярной биологии
      • 5.3.2 Пр. Общество молекулярной биологии
    • 5.4 Биотехнология, генная инженерия и геномика
      • 5.4.1 Рекомбинантная ДНК
      • 5.4.2 Молекулярная систематика и геномика
  • 6 Биологические науки XXI века
  • 7 См. также
  • 8 Ссылки
    • 8.1 Цитаты
    • 8.2 Источники
  • 9 Этимология слова «биология»

    Слово «биология» образовано объединением греческого βίος (биос), означающее «жизнь», и поэтому суффикс «-логия», означающий «наука о», «знание о», «изучение», «примерно о», основанный на греческом глаголе λέγειν, 'legein' «выбирать», «собирать» (ср. существительное λόγος, 'logos' «слово»). Термин биология в ее современных условиях, по-видимому, был введен независимо Томасом Беддо (в 1799 г.) Карлом Фридрихом Бурдах (в 1800 г.) Готфридом Рейнхольдом Тревиранусом (Biologie oder Philosophie der lebenden Natur, 1802) и Жан-Батист Ламарк (Hydrogéologie, 1802). Само слово указаний в названии тома 3 Майкла Кристофа Хэноу Philosophiae naturalisive Physicae dogmaticae: Geologia, biologia, phytologia generalis et dendrologia, опубликованной в 1766 году.

    До биологии, для изучения животных и растений использовалось несколько терминов. Естественная история относится к описательным аспектам биологии, хотя она также включает минералогию и другие небиологические области; от средневековья до эпохи Возрождения объединяющей рамкой естественной истории была scala naturae или Великая цепь бытия. Натурфилософия и естественное богословие охватывает концептуальную и метафизическую основу жизни растений и животных, занимаясь проблемами, почему организмы существуют и ведут себя так, как они делают, хотя эти предметы также включают в себя то, что теперь геология, физика, химия и астрономия. Физиология и (ботаническая) фармакология были областью медицины. Ботаника, зоология и (в случае окаменелостей) геология заменили естественную историю и натурфилософию в 18-19 веках до того, как биология получила широкое распространение. По сей день широко используются «ботаника» и «зоология», хотя к ним присоединились другие дисциплины биологии.

    Древние и средневековые знания

    Ранние культуры

    Глиняные модели печени животных, датируемые между девятнадцатым и восемнадцатым веками до нашей эры, найдены в королевском дворце в Мари.

    179>древние люди должны быть и знания о растяжении и животных, чтобы увеличить свои шансы на выживание. Это могло нарушить знание анатомии человека и животных и проблем поведения животных (например, моделей перемещения). Однако первый важный поворотный момент в биологических знаниях произошел с неолитической революцией около 10 000 лет назад. Сначала люди одомашнили растения для земледелия, домашний скот животных, чтобы сопровождать образовавшиеся оседлые общества.

    Древние культуры Месопотамии, Египта, Индийский субконтинент и Китай, среди прочего, родили известных хирургов и студентов естественных наук, таких как Сусрута и Чжан Чжунцзин, отражая сложные системы естественной философии. Однако корни современной биологии обычно восходят к светской традиции древнегреческой философии.

    Древней Месопотамии

    Месопотамцы, похоже, мало интересовались природой. мир как таковой, предпочитая изучать, как боги устроили вселенную. Физиология животных изучалась для гадания, в частности, анатомия печени, которая рассматривается как важный орган в гаруспицих. Поведение животных тоже изучалось в гадательных целях. Большая часть информации о дрессировке и приручении животных, вероятно, передавалась устно, но сохранился один текст, посвященный дрессировке лошадей.

    Древние месопотамцы не делали различия между «рациональной наукой» и магией. Когда человек заболел, врачи прописали ему как волшебные формулы, так и лекарственные препараты. Самые ранние медицинские рецепты появились в шумерском во время Третьей династии Ура ( (c.2112 - ок. 2004 г. до н.э.). Однако самый обширный вавилонский медицинский текст - это диагностический справочник, письменный, или главный ученым, Эсагил-кин-апли из Борсиппа, во время правления вавилонского царя Адад-апла- иддина (1069 - 1046 г. до н.э.). В восточно-семитских культурах главным лечебным авторитетом был заклинатель-целитель, известный как ашипу. Эта профессия передавалась от отца кну и пользовалась большим уважением. Менее часто прибегали к помощи асу, целительницы, которая лечила физические симптомы с помощью лекарств, состоящих из продуктов животного происхождения и минералов, а также зелий, клизм и мазей или припарок. Эти врачи, которые могли быть мужчинами или женщинами, также перевязывали раны, поправляли конечности и выполняли простые операции. Древние месопотамцы также практиковали профилактику и приняли меры для распространения болезней.

    Древние китайские традиции

    Описание редких животных (写生 珍禽 图) Хуангюань (903- 965) во время династии Сун.

    В древнем Китае биологические темы можно найти разбросанными по нескольким дисциплинам, включая работы гербологов, врачей, алхимиков и философов. Даосская традиция китайской алхимии, например, может считаться частными науками о жизни из-за ее упора на здоровье (с конечной целью эликсир жизни ). Система классической китайской медицины обычно вращалась вокруг теории инь и ян и пяти фаз. Даосские философы, такие как Чжуанцзы в 4 веке до н.э., также высказывали идеи, связанные с эволюцией, такие как отрицание устойчивости биологических видов и предположение, что виды развили разные атрибуты в ответ на

    Древние индийские традиции

    На Индийском субконтиненте известна одна из старейших организованных систем медицины в форме Аюрведы, которая возникла около 1500 г. до н.э. из Атхарваведа (одна из четырех древнейших книг индийских знаний, мудрости и культуры).

    Древнеиндийская аюрведическая традиция разработала концепцию трех юморов, напоминающую концепцию четырех юморов из древнегреческой медицины, хотя Аюрведическая включала осложнения, такие как система тело, состоящее из пяти элементов и семи основных тканей. Авторы аюрведы также классифицировали живые существа на категории в зависимости от способа рождения (из матки, яиц, тепла и влаги и семян) и подробно объяснили зачатие плода. Они также добились значительных успехов в области хирургии, часто без использования человеческого вскрытия или животных вивисекции. Одним из самых ранних аюрведических трактатов был Сушрута Самхита, приписываемый Сушруте в 6 веке до нашей эры. Это также была ранняя Материя медика, описывающая 700 лекарственных растений, 64 препарата из минеральных источников и 57 препаратов животных источников.

    Древние египетские традиции

    Более сохранилась дюжина медицинские папирусов, в первую очередь Папирус Эдвина Смита (старейшее сохранившееся хирургическое руководство) и Папирус Эберса (руководство по приготовлению и использованию материалов). medica от различных болезней), оба класса к XVI век до нашей эры.

    Древний Египет также известен разработкой бальзамирования, которое использовалось для мумификации, чтобы сохранить человеческие останки и предотвратить разложение.

    Древнегреческий и римские традиции

    Фронтиспис к расширенной и иллюстрированной версии 1644 года книги Historia Plantarum, используется написанной Теофрастом около 300 г. до н.э.

    досократовским философом задавали много вопросов о жизни, но дали мало систематических знаний, представляющих специфический биологический интерес, хотя попытки атомистов объяснить жизнь чисто физическими терминами периодически повторяются на протяжении истории биологии. Однако медицинские теории Гиппократа и его последователей, особенно юморизм, оказали долгосрочное влияние.

    Философ Аристотель был самым влиятельным знаток живого мира античности. Хотя его ранние работы по натурфилософии были спекулятивными, более поздние биологические сочинения Аристотеля были более эмпирическими, сосредоточив внимание на биологической причинности и разнообразии жизни. Он провел бесчисленное количество наблюдений за природой, особенно за привычками и атрибутами растений и животных в окружающем мире, он уделил большое внимание классификации. Всего Аристотель классифицировал 540 видов животных и проанализировал не менее 50. Он считал, что интеллектуальные цели, формальные причины управляют всеми природными процессами.

    Аристотель и почти все западные ученые после него до 18 века считали, что существовали по ступенчатой ​​шкале совершенства, восходящей от растений к людям: scala naturae или Великая Цепь Бытия. Преемник Аристотеля в лицее, Теофраст, написал серию книг по ботанике - История растений, которые сохранились как важнейший вкладчности в ботанику., даже в Средние века. Многие имена Теофраста сохранились до наших дней, например, карпос для фруктов и перикарпион для семенных сосудов. Диоскорид написал новаторскую и энциклопедическую фармакопею, De Materia Medica, включающую описание примерно 600 растений и их использования в медицине.. Плиний Старший в своей Естественной истории собрал аналогичный энциклопедический отчет о вещах в природе, включая описания многих растений и животных.

    Несколько в области ученых Эллинистический период при Птолемеях - особенно Герофил Халкидонский и Эрасистрат Хиосский - внесения поправок в физиологические работы Аристотеля, даже выполняя вскрытия и вивисекции. Клавдий Гален стал важнейшим авторитетом в области медицины и анатомии. Хотя несколько древних атомистов, таких как Лукреций, оспаривали телеологическую точку зрения Аристотеля, что все аспекты жизни являются результатом замысла или цели, телеологии (и после подъема христианства, естественного богословия ) оставались центральными в биологической мысли по существу до 18-19 веков. Эрнст В. Майр утверждал, что «Ничего серьезного не произошло в биологии после Лукреция и Галена до эпохи Возрождения». Идеи греческих традиций естественной истории и медицины сохранились, но в целом безоговорочно принимались в средневековой Европе.

    Средневековые и исламские знания

    Биомедицинская работа Ибн ан-Нафиса, один из первых приверженцев экспериментального опыта, открывший легочное и коронарное кровообращение

    Упадок Римской империи привел к исчезновению или уничтожению многих знаний, хотя врачи все еще включил многие аспекты греческой традиции в обучение и практику. В Византии и исламском многие греческие произведения были переведены на арабский, и многие из трудов Аристотеля были сохранены

    De arte venandi, автор Фридрих II, император Священной Римской империи, был влиятельным средневековым учебником естествознания, в котором изучалась морфология птиц .

    В Средневековье некоторые европейцы такие науки, как Хильдегард Бингенская, Альберт Великий и Фридрих II писали о естественной истории. Возвышение европейских университетов, хотя и важно для развития физики и философии, мало повлияло на биологические науки.

    Возрождение и ранние современные разработки

    Европейское Возрождение вызвало возникший интерес как к эмпирической естественной истории, так и к физиологии. В 1543 году Андреас Везалий современную эру западной медицины своим основополагающим анатомией человека трактатом De humani corporis fabrica, основанным на вскрытии трупов. Везалий был первым из ряда анатомов, которые постепенно заменили схоластику на эмпиризм в физиологии и медицине, полагаясь на личный опыт, а не на авторитет и абстрактные рассуждения. Через траволечение медицина также косвенно стало источником обновленного эмпиризма в изучении растений. Отто Брунфельс, Иероним Бок и Леонхарт Фукс много писали о диких растениях, что положило начало природному подходу ко всему диапазону растительной жизни. Бестиарии - жанр, сочетающий в себе как естественные, так и образные знания животных - также стал более изощренным, особенно благодаря работам Уильяма Тернера, Пьера Белона, Гийом Ронделет, Конрад Гесснер и Улисс Альдрованди.

    Художники, такие как Альбрехт Дюрер и Леонардо да Винчи, часто работающие с натуралистами, также интересовались телами животных и людей, детально изучая физиологию и способствуя росту анатомических знаний. Традиции алхимии и естественной магии, особенно в работах Парацельса, также претендовали на знание живого мира. Алхимики подвергали органическое вещество химическому анализу и обильно экспериментировали как с биологической, так и с минеральной фармакологией. Это было частью более масштабного изменения мировоззрения (подъем механической философии ), продолжавшегося до 17 века, когда традиционная метафора природы как организма была заменена метафорой природы как машины.

    Семнадцатый и восемнадцатый века

    Систематизация, наименование и классификация преобладали в естествознании на протяжении большей части XVII и XVIII веков. Карл Линней опубликовал основную таксономию для мира природы в 1735 году (варианты которой используются с тех пор), а в 1750-х годах ввел научные названия для все его виды. В то время как Линней рассматривал виды как неизменные части спроектированной иерархии, другой великий естествоиспытатель XVIII века, Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон, рассматривал виды как искусственные категории, а живые формы - как податливые - даже предполагая возможность общего происхождения. Хотя он был противником эволюции, Бюффон - ключевая фигура в истории эволюционной мысли ; его работа повлияла на эволюционные теории как Ламарка, так и Дарвина.

    . Открытие и описание новых видов и коллекция образцов стали страстью джентльменов-ученых и прибыльное предприятие для предпринимателей; Многие натуралисты путешествовали по миру в поисках научных знаний и приключений.

    Кабинеты редкостей, такие как Оле Ворм, были центрами биологических знаний в период раннего Нового времени, принося организмы по всему миру вместе в одном месте. До эпохи исследований натуралисты плохо представляли себе масштабы биологического разнообразия.

    Распространение работы Везалия на эксперименты над еще живыми телами (как людей, так и животных), Уильям Харви и другие натурфилософы исследовали роль крови, вен и артерий. Работа Харви De motu cordis 1628 года стала началом конца теории Галена, и вместе с исследованиями метаболизма Санторио Санторио она послужила влиятельной моделью количественных подходов к физиологии.

    В начале 17 века микромир биологии только начинал открываться. Некоторые линз и натурфилософы создавали примитивные микроскопы с конца XVI века, и Роберт Гук опубликовал основополагающую микрофотографию, основанную на наблюдениях с его составным микроскопом. в 1665 году. Но только после того, как Антони ван Левенгук начал кардинальные улучшения в производстве линз, начавшиеся в 1670-х годах, - в конечном итоге достигнув 200-кратного увеличения с помощью одной линзы, - ученые разработали сперматозоиды, бактерии, инфузории и явная странность и разнообразие микроскопической жизни. Похожие исследования Яна Сваммердама вызвали новый интерес к энтомологии и построили основные методы микроскопического препарирования и окрашивания.

    В Micrographia, Роберт Гук применили слово «клетка» »К биологическим структурам, таким как этот кусок пробки, но только в 19 ученых считали клетки универсальной жизни.

    По мере того, как микроскопический мир расширялся, макроскопический мир сжимался. Ботаники, такие как Джон Рэй, работали над тем, чтобы объединить поток недавно обнаруженных организмов, отправив со всего земного шара, в последовательную таксономию и последовательную теологию (естественное богословие ). Споры по поводу другого потопа, Ноахского, послужили катализатором развития палеонтологии ; в 1669 г. Николас Стено опубликовал эссе о том, как останки живых организмов могут быть захвачены слоями осадочных пород и минерализованы для образования окаменелостей. Хотя идеи Стено об окаменелости были хорошо известны и широко обсуждались среди натурфилософов, органическое происхождение всех окаменелостей не было принято всеми натуралистами до конца 18 века из-за философских и теологических споров по таким вопросам, как возраст Земли. и вымирание.

    XIX век: появление биологических дисциплин

    Вплоть до XIX века область биологии степени была разделена между медициной формы, которая исследовала вопросы и функции (то есть физиологии) и естественная, которая касалась разнообразия жизни и взаимодействий между различными формами жизни, а также жизнью и неживым. В 1900 году большая часть этих совпадений, в то время как естественная история (и ее аналог натурфилософия ) в степени уступила место более специализированным научным дисциплинам - цитологии, бактериологии, морфология, эмбриология, география и геология.

    Во время своих путешествий Александр фон Гумбольдт нанесение на карту распределение растений по ландшафтам и регистрацию различных физических условий, таких как давление и температура.

    Естествознание и натурфилософия

    Широкое распространение естествознания в начале середины 19 века привело к масса новой информации о разнообразии и распространении живых организмов. Особое значение имеет работа Александра Гумбольдта, в которой анализировалась взаимосвязь между организмом и их средой (т. Е. Область естественной истории ) с использованием количественных подходов естественной истории. философия (т.е. физика и химия ). Работа Гумбольдта заложила основы биогеографии и вдохновила несколько поколений ученых.

    Геология и палеонтология

    Возникшая дисциплина геология также сблизила естественную историю и натурфилософию; создание стратиграфической конструкции связывает пространственное оборудование с их временным распределением, что является основным предшественником концепций эволюции. Жорж Кювье и другие добились больших успехов в сравнительной анатомии и палеонтологии в конце 1790-х и начале 19 века. Вымершие серии лекций и статей, в которых проводились подробные сравнения между живыми млекопитающими и ископаемыми останками, удалось установить, что ископаемые останки были вымершими останками видами, а не существующими останками. видов, все еще живущих в других частях света, как это считалось широко. Окаменелости, обнаруженные и описанные Гидеоном Мантеллом, Уильямом Баклендом, Мэри Эннинг и Ричардом Оуэном среди других, помогли установить, что существовала «эпоха» рептилий », которая предшествовала даже доисторическим млекопитающим. Эти открытия захватили общественное воображение и привлекли внимание к истории жизни на Земле. Большинство этих геологов придерживались катастрофизма, но влиятельные Принципы геологии Чарльза Лайелла (1830) популяризировали хаттоновский униформизм, теорию это объясняло геологическое и настоящее на равных.

    Эволюция и биогеография

    Самой известной эволюционной теорией до Дарвина была теория Жана-Батиста Ламарка ; Основываясь на наследовании приобретенных характеристик (механизм наследования, который был широко принят до 20 века), он описал цепочку развития, простирающуюся от самого низшего микроба до человека. Британский натуралист Чарльз Дарвин, объединив биогеографический подход Гумбольдта, униформистскую геологию Лайелла, труды Томаса Мальтуса о росте населения и его собственный морфологический опыт, создал более успешную эволюционную теорию, основанную на естественном отборе ; аналогичные приводства Альфреда Рассела Уоллеса к независимым выводам.

    Публикация в 1859 г. теории Дарвина в О центральном происхождении посредством естественного отбора или сохранения Одобренные расы в борьбе за жизнь часто считают событием в истории современной биологии. Авторитет Дарвина как натуралиста, трезвый тон работы и прежде всего, явная сила и объем представленных доказательств, позволили добиться успеха там, где предыдущие эволюционные работы, такие как анонимные Остатки творения, потерпели неудачу.. К концу 19 века другие ученые были установлены в эволюции и общем происхождении. Согласно современным представлениям, согласно принципам несовместимого с наследованием случайных вариаций, существует естественный отбор не может считаться механизмом эволюции до 20 века.

    Чарльз Дарвин эволюционное дерево из его Первой тетради по трансмутации видов (1837)

    Уоллес, следуя более ранним работам де Кандолля, Гумбольдта и Дарвина, внес большой вклад в зоогеографию. Из-за своего интереса к гипотезе трансмутации он уделяет особое внимание географическому распределению близкостных видов во время полевых исследований сначала в Южной Америке, а на Малайском архипелаге. Находясь на архипелаге, он идентифицировал линию Уоллеса, которая проходит через Острова Специй, разделяя фауну архипелага между азиатской зоной и Новой Гвинеей / Австралией. зона. На его ключевой вопрос о том, почему фауна острова с таким похожим климатом должна быть такой разной, можно было ответить, только их происхождение. В 1876 году он написал «Географическое распространение животных», которое было стандартным справочником на протяжении более полувека, а в 1880 году - продолжение «Островная жизнь», посвященное биогеографии островов. Он расширил шестизонную систему, разработанную Филипом Склейтером, для описания географического распределения птиц на животных всех видов. Его метод табулирования данных по группам животных в географических цифрах высветил разрывы; и его понимание эволюции предоставляет ему рациональные объяснения, которые раньше не делались.

    Научное изучение быстро росло вслед за Дарвином «Происхождение видов» с работой Фрэнсиса Гальтона и биометристов. Происхождение генетики обычно восходит к работе 1866 года монаха Грегора Менделя, проявляют приписывают законы наследования. Однако его работа была признана значимой только через 35 лет. Между тем, множество теорий наследования (основанных на пангенезе, ортогенезе или других механизмов) активно обсуждались и исследовались. Эмбриология и Экология также стала центральной биологической областью, особенно с эволюцией и популяризированной работой Эрнста Геккеля. Однако большая часть работ 19 века по наследственности относилась не к области естествознания, а к области.

    Физиология

    В течение 19 века сфераологии значительно расширилась: от области, ориентированной в первую очередь на медицину, до обширных исследований физических и химических процессов жизни, включая растения, животные и даже микроорганизмы помимо физи человека. Живые существа как машины стали доминирующей метафорой в биологическом (и социальном) мышлении.

    Инновационная лабораторная посуда и экспериментальные методы, разработанные Луи Пастером и другими биологами, способствовавшие развитию молодой области бактериология в конце 19 века.

    Клеточная теория, эмбриология и теория микробов

    Достижения микроскопии также оказали глубокое влияние на биологическое мышление. В начале 19 века ряд биологов указали на центральное значение клетки . В 1838 и 1839 годах Шлейден и Шванн начали продвигать идеи, что (1) основная единица организмов - это клетка и (2) что отдельные клетки обладают всеми характеристиками жизнь, хотя они выступали против идеи, что (3) все клетки возникают в результате деления других клеток. Однако благодаря работам Роберта Ремака и Рудольфа Вирхова, к 1860-м годам большинство биологов приняли все три принципа того, что стало известно как теория клетки.

    Клетка. Теория привела биологов к переосмыслению отдельных организмов как взаимозависимых совокупностей отдельных клеток. Ученые в растущей области цитологии, вооруженные все более мощными микроскопами и новыми методами окрашивания, вскоре обнаружили, что даже отдельные клетки были намного сложнее, чем гомогенные заполненные жидкостью камеры, описанные ранее. микроскописты. Роберт Браун описал ядро ​​ в 1831 году, и к концу XIX века цитологи идентифицировали многие ключевые компоненты клетки: хромосомы, центросомы. митохондрии, хлоропласты и другие структуры, видимые при окрашивании. Между 1874 и 1884 годами Вальтер Флемминг описал дискретные стадии митоза, показывая, что они не были артефактами окрашивания, а имели место в живых клетках, и, более того, что количество хромосом удвоилось непосредственно перед ячейка разделилась, и была получена дочерняя ячейка. Большая часть исследований репродукции клеток была объединена в теории наследственности Августа Вейсмана : он определил ядро ​​(в частности, хромосомы) как наследственный материал, предложил различие между соматическими клетками и половые клетки (утверждая, что число хромосом должно быть уменьшено вдвое для половых клеток, что является предшественником концепции мейоза ) и принял теорию Хьюго де Фриза из пангенес. Вейсманизм оказал огромное влияние, особенно в новой области экспериментальной эмбриологии.

    К середине 1850-х годов теория болезни миазмов была в значительной степени вытеснена микробной теорией болезни, вызывая широкий интерес к микроорганизмам и их взаимодействиям с другими формами жизни. К 1880-м годам бактериология становилась последовательной дисциплиной, особенно благодаря работе Роберта Коха, который ввел методы выращивания чистых культур на агаровых гелях, содержащих определенные питательные вещества. в чашках Петри. Давняя идея о том, что живые организмы могут легко возникать из неживой материи (спонтанное зарождение ), подверглась критике в серии экспериментов, проведенных Луи Пастером, в то время как споры о витализме vs. механизм (вечная проблема со времен Аристотеля и греческих атомистов) продолжал быстро развиваться.

    Рост органической химии и экспериментальной физиологии

    В химии одним центральным вопросом был различие между органическими и неорганическими веществами, особенно в контексте органических преобразований, таких как ферментация и гниение. Со времен Аристотеля они считались по существу биологическими (жизненными ) процессами. Однако Фридрих Велер, Юстус Либих и другие пионеры развивающейся области органической химии - опираясь на работы Лавуазье - показали, что органический мир часто может быть проанализированы физико-химическими методами. В 1828 году Велер показал, что органическое вещество мочевина может быть создано химическими средствами, не связанными с жизнью, что стало серьезным вызовом для витализма. Клеточные экстракты («ферменты»), которые могут влиять на химические превращения, были открыты, начиная с диастазы в 1833 году. К концу 19 века концепция ферментов была хорошо установлена, хотя уравнения химической кинетики не применялось к ферментативным реакциям до начала 20 века.

    Физиологи, такие как Клод Бернар, исследовали (с помощью вивисекции и других экспериментальных методов) химические и физические функции живых организмов в беспрецедентной степени, заложив основу для эндокринологии (область, которая быстро развивалась после открытия первого гормона, секретина в 1902 году), биомеханики и изучение питания и пищеварение. Важность и разнообразие методов экспериментальной физиологии как в медицине, так и в биологии резко возросли во второй половине XIX века. Контроль и манипулирование жизненными процессами стали центральной задачей, эксперимент был поставлен в центр биологического образования.

    Биологические науки двадцатого века

    Файл: Эмбриональное развитие саламандры, снято в 1920-е гг. Gv Плей-медиа Эмбриональное развитие саламандры, снято в 1920-е годы

    В начале 20 века биологические исследования были в основном профессиональным занятием. Большая часть работы по-прежнему выполнялась в режиме естественной истории, в котором упор делался на морфологический и филогенетический анализ, а не на экспериментальные причинные объяснения. Однако анти- виталисты физиологи-экспериментаторы и эмбриологи, особенно в Европе, становились все более влиятельными. Огромный успех экспериментальных подходов к развитию, наследственности и метаболизму в 1900-х и 1910-х годах в отношении экспериментов в биологии. В последующие десятилетия экспериментальная работа заменила естествознание в качестве доминирующего метода исследования.

    Экология и наука об окружающей среде

    В начале 20-го века натуралисты столкнулись с растущим давлением, требующими строгости и желательно экспериментирование с их методами, как это сделали недавно известные лабораторные биологические дисциплины. Экология возникла как комбинация биогеографии с концепцией биогеохимического цикла, впервые предложенной химиками; полевые биологи разработали количественные методы, такие как квадратные, адаптировали лабораторные инструменты и лаборатории для полевых исследований, чтобы еще больше отделить свою работу от традиционной естественной истории. Зоологи и ботаники сделали все возможные варианты, чтобы смягчить непредсказуемость живого мира, лабораторные эксперименты и частично контролируемую природную среду, такую ​​сады; новые учреждения, такие как Станция экспериментальной эволюции Карнеги и Морская биологическая лаборатория, предоставили более контролируемую среду для изучения организмов на протяжении всего их жизненного цикла.

    экология Концепция преемственности, впервые предложенная в 1900-х и 1910-х годах Генри Чендлером Коулсом и Фредериком Клементсом, сыграла важную роль в ранней экологии растений Альфред Лотка 681>уравнения хищник-жертва, G. Исследования Эвелин Хатчинсон биогеографии и биогеохимической структуры озер и рек (лимнология ) и исследования Чарльза Элтона пищевых цепей животных были пионерами среди череда количественных методов, были. освоены развивающиеся экологические специальности. Экология стала самостоятельной дисциплиной в 1940-х и 1950-х годах после того, как Юджин П. Од синтезировал концепции экосистемной экологии, поместив отношения между группами организма (особенно материальные и энергетические) в центре поля.

    В 1960-х годах, когда теоретики эволюции эволюции исследовали множественные единицы, экологились к эволюционным подходам. В популяционной экологии споры по поводу группового отбора были краткими, но энергичными; к 1970 году большинство биологов согласились с тем, что естественный отбор редко бывает эффективным выше уровня организма. Однако эволюция экосистема стала предметом постоянных исследований. Экология быстро расширилась с ростом экологического движения; Международная биологическая программа попыталась применить методы большие науки (которые были столь успешны в науках) к экологии экосистем и насущным экологическим проблемам, в том, как независимые усилия меньшего масштаба, такие как островная биогеография и Экспериментальный лес Хаббарда помогли пересмотреть рамки все более разнообразной дисциплины.

    Классическая генетика, современный синтез и теория теории

    Иллюстрация Томаса Ханта Моргана о кроссинговере, часть теории наследственности Менделя с хромосомами

    1900 год ознаменовал так называемое повторное открытие Менделя : Хьюго де Фриз, Карл Корренс и Эрих фон Чермак независимо друг от друга пришли к законам Менделя (которые фактически не присутствовали в работе Менделя). Вскоре после этого цитологи (клеточные биологи) предположили, что хромосомы были наследственным материалом. Между 1910 и 1915 годами Томас Хант Морган и «дрозофилы » в его лаборатории по изучению мух выковали эти две идеи - обе противоречивые - в «теорию менделевских хромосом» наследственности. Они количественно оценили феномен генетического сцепления и постулировали, что гены находятся на хромосомах, как бусинки на нитке; они выдвинули гипотезу кроссинговера для объяснения сцепления и построили генетические карты плодовой мушки Drosophila melanogaster, которая стала широко используемым модельным организмом.

    Hugo де Фрис пытался связать новую генетику с эволюцией; основываясь на своей работе с наследственностью и гибридизацией, он предложил теорию мутационизма, которая была широко принята в начале 20 века. Ламаркизм, или теория наследования приобретенных характеристик, также имел немало приверженцев. Дарвинизм считался несовместимым с постоянно изменяющимися чертами, изучаемыми биометристами, которые казались наследственными только частично. В 1920-е и 1930-е годы - после принятия теории менделевских хромосом - возникла дисциплина популяционная генетика с работами Р.А. Фишер, J.B.S. Холдейн и Сьюэлл Райт объединили идею эволюции посредством естественного отбора с менделевской генетикой, создав современный синтез. наследование приобретенных признаков было отвергнуто, а мутационизм уступил место по мере созревания генетических теорий.

    Во второй половине века идеи популяционной генетики начали применяться в новой дисциплине - генетика поведения, социобиология и, особенно у людей, эволюционная психология. В 1960-е годы У.Д. Гамильтон и другие разработали подходы теории игр для объяснения альтруизма с эволюционной точки зрения через родственный отбор. Возможное происхождение высших организмов через эндосимбиоз и противоположные подходы к молекулярной эволюции с точки зрения , ориентированной на ген (которая считала отбор преобладающей причиной эволюции) и нейтральной Теория (которая сделала генетический дрейф ключевым фактором) вызвала постоянные споры о правильном балансе адаптационизма и случайности в эволюционной теории.

    В 1970-х Стивен Джей Гулд и Найлс Элдридж предложили теорию прерывистого равновесия, которая утверждает, что застой является наиболее заметной особенностью летописи окаменелостей и что большинство эволюционных изменений происходят быстро. в течение относительно коротких периодов времени. В 1980 Луис Альварес и Уолтер Альварес выдвинули гипотезу о том, что ударное событие стало причиной вымирания мелового – палеогенового. Также в начале 1980-х годов статистический анализ палеонтологической летописи морских организмов, опубликованный Джеком Сепкоски и Дэвидом М. Раупом, привел к лучшему пониманию важности массового вымирания. события к истории жизни на Земле.

    Биохимия, микробиология и молекулярная биология

    К концу 19 века все основные пути метаболизма лекарств, а также схемы метаболизма белков и жирных кислот и синтеза мочевины. В первые десятилетия 20-го века второстепенные компоненты пищевых продуктов, используемые в питании человека, витамины, начали выделять и синтезировать. Усовершенствованные лабораторные методы, такие как хроматография и электрофорез, привели к быстрому прогрессу в физиологической химии, которая - как биохимия - начала достигать независимости от своего медицинского происхождения. В 1920-х и 1930-х годах биохимики во главе с Гансом Кребсом и Карлом и Герти Кори начали разрабатывать многие из центральных метаболических путей жизни: цикл лимонной кислоты, гликогенез и гликолиз, а также синтез стероидов и порфиринов. Между 1930-ми и 1950-ми годами Фриц Липманн и другие установили роль АТФ как универсального переносчика энергии в клетке, а митохондрий как источника энергии. ячейка. Такие традиционно биохимические исследования продолжали очень активно проводиться на протяжении всего 20 века и в 21 веке.

    Истоки молекулярной биологии

    После расцвета классической генетики многие биологи, в том числе и новая волна ученые-физики в области биологии - исследовали вопрос о гене и его физической природе. Уоррен Уивер - глава научного подразделения Фонда Рокфеллера - выдавал гранты для содействия исследованиям, в которых методы физики и химии применялись для решения основных биологических проблем, введя в обращение термин молекулярный биология для этого подхода в 1938 г.; многие важные биологические открытия 1930-х и 1940-х годов были профинансированы Фондом Рокфеллера. Кристаллизация вируса табачной мозаики в виде чистого нуклеопротеина в 1935 году убедила многих ученых в том, что Наследственность может быть объяснена исключительно через физику и химию.

    Подобно биохимии, быстро развивались частично совпадающие дисциплины бактериология и вирусология (позже объединенная как микробиология), находящиеся между наукой и медициной. в начале 20 века. Выделение Феликсом д'Эреллем бактериофага во время Первой мировой войны положило начало длительному исследованию фаговых вирусов и бактерий, которые они заражают.

    Разработка стандартные, генетически однородные организмы, которые могли давать повторяемые экспериментальные результаты, были необходимы для развития молекулярной генетики. После первых работ с дрозофилой и кукурузой внедрение более простых модельных систем, таких как хлебная плесень Neurospora crassa, позволило связать генетику с биохимией, в первую очередь с Бидл и Татум гипотеза «один ген - один фермент» в 1941 году. Генетические эксперименты с еще более простыми системами, такими как вирус табачной мозаики и бактериофаг с помощью новых технологий электронной микроскопии и ультрацентрифугирования заставил ученых переосмыслить буквальный смысл жизни; наследственность вируса и воспроизводство клеточных структур нуклеопротеинов вне ядра («плазмагены») усложнили принятую теорию менделевских хромосом.

    «центральная догма молекулярной биологии » (первоначально « догма "только в шутку)" был предложен Фрэнсисом Криком в 1958 году. Это реконструкция Криком того, как он понимал центральную догму того времени. Сплошные линии представляют (как казалось в 1958 году) известные способы передачи информации, а пунктирные линии представляют постулируемые.

    Освальд Эйвери показал в 1943 году, что ДНК, вероятно, была генетическим материалом хромосома, а не ее белок; вопрос был окончательно решен с помощью эксперимента Херши-Чейза 1952 года - одного из многих вкладов так называемой группы фагов, сосредоточенной вокруг физика, ставшего биологом Макса Дельбрюка. В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, основываясь на работе Мориса Уилкинса и Розалинды Франклин, предположили, что структура ДНК была двойная спираль. В своей знаменитой статье «Молекулярная структура нуклеиновых кислот » Уотсон и Крик застенчиво отметили: «От нашего внимания не ускользнуло то, что конкретное сочетание, которое мы постулировали, сразу же предполагает возможный механизм копирования генетического материала». После того, как в 1958 году эксперимент Мезельсона-Шталя подтвердил полуконсервативную репликацию ДНК, большинству биологов стало ясно, что последовательность нуклеиновой кислоты должна каким-то образом определять аминокислотную последовательность в белках. ; физик Джордж Гамов предположил, что фиксированный генетический код соединяет белки и ДНК. Между 1953 и 1961 годами было мало известных биологических последовательностей - ДНК или белков, - но было множество предложенных кодовых систем, что еще более усложнило ситуацию из-за расширения знаний о промежуточной роли РНК. Чтобы действительно расшифровать код, потребовалась обширная серия экспериментов в области биохимии и бактериальной генетики между 1961 и 1966 годами, наиболее важными из которых были работы Ниренберга и Хорана.

    Расширение молекулярной биологии

    В дополнение к Отделу биологии Caltech, Лаборатория молекулярной биологии (и ее предшественников) в Кембридже, а также несколько других Институт Пастера стал крупным центром молекулярно-биологических исследований в конце 1950-х годов. Ученые из Кембриджа под руководством Макса Перуца и Джона Кендрю сосредоточились на быстро развивающейся области структурной биологии, сочетающей рентгеновскую кристаллографию с молекулярным моделированием и новыми вычислительными возможностями цифровых вычислений (прямо и косвенно получая выгоду от военного финансирования науки ). Несколько биохимиков во главе с Фредериком Сэнгером позже присоединились к Кембриджской лаборатории, объединив исследования макромолекулярной структуры и функции. В Институте Пастера Франсуа Жакоб и Жак Моно после эксперимента PaJaMo 1959 года выпустили серию публикаций, касающихся лака оперон, который установил концепцию регуляции гена и определил то, что стало известно как информационная РНК. К середине 1960-х интеллектуальное ядро ​​молекулярной биологии - модель молекулярной основы метаболизма и воспроизводства - было в основном завершено.

    Конец 1950-х - начало 1970-х годов был периодом интенсивных исследований и институционального расширения. для молекулярной биологии, которая лишь недавно стала довольно последовательной дисциплиной. В чем организменный биолог Э. О. Уилсон назвал «Молекулярные войны», методы и практики молекулярной биологии быстро распространились, часто становясь доминирующими в отделах и даже целых дисциплинах. Молекуляризация была особенно важна в генетике, иммунологии, эмбриологии и нейробиологии, тогда как идея о том, что жизнь контролируется "<428">генетическая программа "- метафора, которую Джейкоб и Моно представили из новых областей кибернетики и информатики - стала влиятельной перспективой во всей биологии. Иммунология, в частности, стала связана с молекулярной биологией, причем инновации текли в обоих направлениях: теория клонального отбора, разработанная Нильсом Джерном и Фрэнком Макфарлейном Бернетом в середине 1950-х годов. помогли пролить свет на общие механизмы синтеза белка.

    Устойчивость к растущему влиянию молекулярной биологии была особенно очевидна в эволюционной биологии. Секвенирование белков имело большой потенциал для количественного изучения эволюции (с помощью гипотезы молекулярных часов ), но ведущие биологи-эволюционисты поставили под сомнение актуальность молекулярной биологии для ответа на большие вопросы эволюционной причинности. Факультеты и дисциплины разделились, когда организменные биологи подтвердили свою важность и независимость: Феодосий Добжанский сделал знаменитое заявление, что «ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции » в ответ на молекулярный вызов. После 1968 года проблема стала еще более острой; нейтральная теория молекулярной эволюции Мотоо Кимуры предполагает, что естественный отбор не является повсеместной причиной эволюции, по крайней мере, на молекулярном уровне, и что молекулярная эволюция может быть процессом, принципиально отличным от морфологической эволюции. (Разрешение этого «молекулярного / морфологического парадокса» было центральным направлением исследований молекулярной эволюции с 1960-х годов.)

    Биотехнология, генная инженерия и геномика

    Биотехнология в общем смысле была важная часть биологии с конца 19 века. С индустриализацией пивоварения и сельского хозяйства химики и биологи осознали огромный потенциал биологических процессов, контролируемых человеком. В частности, ферментация оказалась большим подспорьем для химической промышленности. К началу 1970-х годов был разработан широкий спектр биотехнологий, от таких препаратов, как пенициллин и стероиды, до пищевых продуктов, таких как Chlorella и одноклеточный белок, и до газохол - а также широкий спектр гибридных и сельскохозяйственных технологий, составляющих основу Green Revolution.

    Тщательно сконструированные штаммы бактерии Escherichia coli являются важнейшими инструментами в биотехнологии, а также во многих других биологических областях.

    Рекомбинантная ДНК

    Биотехнология в современном понимании генной инженерии началась в 1970-х годах, когда изобретение методов рекомбинантной ДНК. Рестрикционные ферменты были открыты и охарактеризованы в конце 1960-х годов, вслед за выделением, затем дупликацией, а затем синтезом вирусных генов. Начиная с лаборатории Пола Берга в 1972 г. (при поддержке EcoRI из лаборатории Герберта Бойера, основываясь на работе с лигазой лаборатория Артура Корнберга ), молекулярные биологи соединили эти части, чтобы получить первые трансгенные организмы. Вскоре после этого другие начали использовать плазмидные векторы и добавлять гены устойчивости к антибиотикам, что значительно расширило возможности рекомбинантных методов.

    Остерегайтесь потенциальные опасности (особенно возможность размножения бактерий с вирусным геном, вызывающим рак), научное сообщество, а также широкий круг научных посторонних отреагировали на эти разработки как с энтузиазмом, так и с пугающей сдержанностью. Выдающиеся молекулярные биологи во главе с Бергом предложили ввести временный мораторий на исследования рекомбинантной ДНК до тех пор, пока не удастся оценить опасности и разработать политику. Этот мораторий в значительной степени соблюдался, пока участники Асиломарской конференции по рекомбинантной ДНК 1975 не разработали стратегические рекомендации и не пришли к выводу, что эту технологию можно безопасно использовать.

    Вслед за Асиломаром появились новые методы генной инженерии и приложения развивались быстро. Методы секвенирования ДНК значительно улучшились (впервые были предложены Фредериком Сэнгером и Уолтером Гилбертом ), как и синтез олигонуклеотидов и трансфекция техники. Исследователи научились контролировать экспрессию трансгенов и вскоре начали спешить - как в академическом, так и в промышленном контексте - за создание организмов, способных экспрессировать человеческие гены для производства человеческих гормонов. Однако это была более сложная задача, чем ожидали молекулярные биологи; разработки между 1977 и 1980 годами показали, что из-за феномена расщепления генов и сплайсинга у высших организмов была гораздо более сложная система экспрессии генов, чем у бактериальных моделей более ранних исследований. В первой такой гонке по синтезу человеческого инсулина выиграла Genentech. Это ознаменовало начало бума биотехнологий (а с ним и эпоху патентов на гены ) с беспрецедентным уровнем совпадения между биологией, промышленностью и правом.

    Молекулярная систематика и геномика

    Внутри 48-луночного термоциклера, устройства, используемого для проведения полимеразной цепной реакции сразу на многих образцах

    К 1980-м годам секвенирование белков уже изменило методы научной классификации организмов (особенно кладистики ), но вскоре биологи начали использовать последовательности РНК и ДНК в качестве символов ; это расширило значение молекулярной эволюции в эволюционной биологии, поскольку результаты молекулярной систематики можно сравнить с традиционными эволюционными деревьями, основанными на морфологии. Следуя новаторским идеям Линн Маргулис по эндосимбиотической теории, которая утверждает, что некоторые из органелл эукариотических клеток произошли от свободноживущих прокариотических организмов через симбиотические взаимоотношения, даже общее разделение древа жизни было пересмотрено. В 1990-х годах пять областей (растения, животные, грибы, протисты и монеранцы) превратились в три (архей, бактерий и эукариев ). на основе новаторской Карла Вёза молекулярной систематики работы с секвенированием 16S рРНК.

    Разработка и популяризация полимеразной цепи реакция (ПЦР) в середине 1980-х (Кэри Маллис и другие из Cetus Corp. ) ознаменовала еще один переломный момент в истории современной биотехнологии, значительно увеличив легкость и скорость генетического анализа. В сочетании с использованием тегов экспрессируемых последовательностей , ПЦР привела к открытию гораздо большего количества генов, чем можно было бы найти с помощью традиционных биохимических или генетических методов, и открыла возможность секвенирования целых геномов.

    единство большей части морфогенеза организмов от оплодотворенного яйца до взрослой особи стало выясняться после открытия генов гомеобокса сначала у плодовых мух, затем у других насекомых и животных, включая люди. Эти разработки привели к достижениям в области эволюционной биологии развития в направлении понимания того, как эволюционировали различные планы тела животных типов и как они связаны друг с другом.

    Проект генома человека - крупнейшее и наиболее дорогостоящее отдельное биологическое исследование, которое когда-либо проводилось - началось в 1988 году под руководством Джеймса Д. Уотсона после предварительной работы с генетически более простыми модельными организмами. например E. coli, S. cerevisiae и C. elegans. Стрелковое секвенирование и методы открытия генов, впервые примененные Крейгом Вентером - и подпитываемые финансовыми обещаниями патентов на гены с Celera Genomics - привели к государственно-частному соревнованию по секвенированию это закончилось компромиссом с первым проектом последовательности ДНК человека, объявленным в 2000 году.

    Биологические науки двадцать первого века

    В начале 21 века биологические науки сошлись с ранее дифференцированными новыми и классические дисциплины, такие как Физика, в такие области исследований, как Биофизика. Были достигнуты успехи в аналитической химии и физическом оборудовании, включая улучшенные датчики, оптику, индикаторы, приборы, обработку сигналов, сети, роботов, спутники и вычислительную мощность для сбора, хранения, анализа, моделирования, визуализации и симуляции. Эти технологические достижения позволили проводить теоретические и экспериментальные исследования, включая публикации в Интернете по молекулярной биохимии, биологических систем и науке об экосистемах. Это обеспечило всемирный доступ к лучшим измерениям, теоретическим моделям, сложным симуляциям, экспериментам с теоретическими предсказательными моделями, анализу, всемирным интернет-наблюдениям отчетности, открытым экспертным обзорам, сотрудничеству и публикациям в Интернете. Возникли новые области биологических исследований, в том числе биоинформатика, нейробиология, теоретическая биология, компьютерная геномика, астробиология и Синтетическая биология.

    См. Также

    Ссылки

    Цитаты

    Источники

    Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-23 14:43:26
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте