Биология – предмет, который раскрывает основные закономерности жизненных явлений. Общая биология Что изучает общая биология
Читайте также
Биология – наука о живой природе, изучающая жизнь, как особую форму материи, законы ее существования и развития. Биология, прежде всего, это комплекс знаний о жизни и совокупность научных дисциплин (более 300), которые изучают живое: химический состав, тонкую и грубую структуру, распространение, функционирование, его прошлое, настоящее и будущее, а также практическое значение и применение. Термин «биология» в современном понимании введен одновременно в 1802 г. Ж.-Б. Ламарком и немецким естествоиспытателем Г. Р. Тревиранусом.
Предмет исследования биологии – все проявления жизни:
Строение и функции, развитие и распространение живых организмов (прокариот, протист, растений, грибов, животных и человека);
Строение, функции и развитие природных сообществ, их связь друг с другом и окружающей средой;
Историческое развитие и эволюция живых организмов.
Задачи , которые решает биология:
Выявление и объяснение общих свойств и многообразия живых организмов;
Познание закономерностей в строении и функционировании живых систем разных рангов, их взаимосвязей, устойчивости и динамичности;
Изучение исторического развития органического мира;
Составление на основе полученных данных научной картины мира;
Обеспечение сохранности биосферы и способности природы к самовоспроизведению.
Методы , используемые для решения задач:
- наблюдение : дает возможность описать биологические явления;
- сравнение : позволяет найти закономерности, общие для различных явлений;
- экспериментальный (опыт) : исследователь искусственно создает ситуацию, которая помогает изучить свойства биологических объектов;
- моделирование : с помощью компьютерных технологий имитируются отдельные биологические процессы или явления (поведение биологической системы в заданных параметрах):
- исторический : позволяет на основе данных о современном органическом мире и его прошлом изучать процессы развития живой природы (впервые применил Ч. Дарвин).
Для описания и исследования биологических процессов биологи используют также методы: химические, физические, математические, технических наук, географии, геологии, геохимии и т. д. В результате возникают смежные (пограничные) дисциплины – биохимия, биофизика, почвоведение, радиобиология, радиоэкология и т. д.
Все науки можно классифицировать:
· по предмету изучения:
- зоология (изучает происхождение, строение и развитие животных, их образ жизни, распространение на земном шаре), включающая более узкие дисциплины – энтомологию (о насекомые), орнитологию (о птицах), ихтиологию (о рыбах), териологию (о млекопитающих);
- ботаника (изучает распространительные организмы, их происхождение, строение, развитие, жизнедеятельность, свойства, разнообразие, классификацию, а также структуру, развитие и расположение на земной поверхности растительных сообществ – фитоценозов ), в пределах которой выделяют бриологию (о мхах), дендрологию (о деревьях);
- микробиология (микроорганизмы);
- микология (грибы);
- лихенология (лишайники);
- альгология (водоросли);
- вирусология (вирусы);
- гидробиология (изучает организмы, обитающие в водной среде) и др.;
· по исследованию свойств организма:
- анатомия и морфология (предметом их изучения являются внешнее и внутреннее строение и форма организмов);
- физиология (изучает функции живых организмов, их взаимную связь, зависимость от внешних и внутренних условий); подразделяется на физиологию человека, физиологию животных, растений и т. д.;
- цитология (изучает клетку, как структурную и функциональную единицу организмов;
- гистология (изучает строение тканей организмов животных);
- эмбриология и биология индивидуального развития (изучает закономерности индивидуального развития);
- экологию (изучает образ жизни животных и растений в их взаимосвязи с условиями внешней среды) и т. д.
· по использованию определенных методов исследования:
- биохимия (изучает химический состав организмов, структуру и функции химических веществ химическими методами);
- биофизика (изучает физические и физико-химические явления в клетках и организмах с применением физических методов);
- биометрия (на основе обмера живых тел, их частей, процессов и реакций и последующего вычисления проводит математическую обработку данных с целью установления зависимостей, закономерностей, незаметных при описании отдельных явлений и процессов) и др.;
- генетика (изучает закономерности наследственности и изменчивости);
· по практическому применению биологических знаний:
- биотехнология (совокупность промышленных методов, позволяющих с высокой эффективностью использовать живые организмы для получения ценных продуктов – антибиотиков, аминокислот, белков, витаминов, гормонов и др., для защиты растений от вредителей и болезней, для юорьбы с загрязнением окружающей среды, в очистных сооружениях и т. д.);
- агробиология (комплекс знаний о возделывании сельскохозяйственных культур);
- селекция (наука о методах создания сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов с нужными для человека свойствами);
- животноводство , ветеринария, медицинская биология, фитопатология и др.;
· по изучению уровня организации живого:
- молекулярная биология (исследует жизненные явления на молекулярно-генетическом уровне и учитывает значение трехмерной структуры молекул);
- цитология и гистология (изучают клетки и ткани живых организмов);
- популяционно-видовая биология (изучает популяции);
- биоценология (изучает биогеоценозы);
- общая биология (изучает общие закономерности, раскрывающие суть жизни);
- биогеография (изучает общие закономерности географического распространения живых организмов на Земле;
- систематика (изучает многообразие организмов и распределение их по группам);
- палеонтология (изучает историю органического мира по останкам животных и растений);
- эволюционное учение (изучает историческое развитие живой природы и многообразие органического мира).
Практическое значение и применение достижений современной биологии:
1. Биология – теоретическая база многих наук.
2. Знания биологии необходимы для осмысления места человека в системе природы, понимания взаимосвязей организмов и окружающей их неживой природы.
3. Биология оказывает определяющее влияние на прогресс сельскохозяйственного производства и медицины:
Охрана окружающей среды;
Распознавание, профилактика и лечение заболеваний растений, животных и человека;
Расширение масштабов рыбоводства и звероводства;
Вовлечение в хозяйственный оборот новых территорий;
Развитие селекции микроорганизмов, растений и животных;
Прогнозирование экологических ситуаций в различных регионах и состояния биосферы в целом.
4. Биологическая подготовка занимает особое место в системе медицинского образования.
5. Многие биологические принципы и положения
Используются в технике:
Являются основой ряда производств пищевой, легкой, микробиологической и др. отраслей промышленности.
6. Широко внедряются современные биотехнологии, созданные на базе клеточной и генной инженерии (получение штаммов микроорганизмов, способных синтезировать человеческий инсулин, соматотропный гормон, интерфероны, иммуногенные препараты, вакцины и др.).
8. Генетические исследования позволили разработать методы ранней (пренатальной) диагностики, лечения и профилактики многих наследственных болезней человека.
Самообновление – способность организмов постоянно обновлять структурные элементы – молекулы, ферменты, органоиды, клетки – путем замены «износившихся», выполнивших свои функции (форменные элементы крови, клетки эпидермиса кожи и т. д.). При этом организмы используют вещества и энергию, которые поступают в клетки (поток вещества и энергии ). Самообновление обеспечивают обмен веществ и преобразование энергии , реакции матричного синтеза , дискретность .
Самовоспроизведение – способность живых организмов производить себе подобных с сохранением у потомков строения и функций родительских форм . При размножении живых организмов потомство обычно похоже на родителей: кошки рожают котят, собаки - щенков. Из семян одуванчика опять вырастет одуванчик. Размножение и обеспечивает свойство самовоспроизведения. Процесс самовоспроизведения осуществляется практически на всех уровнях организации. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, органоиды клеток (митохондрии, пластиды) после деления сходны со своими предшественниками. Из одной молекулы ДНК при ее удвоении образуются две дочерние молекулы, полностью повторяющие исходную. В основе самовоспроизведения лежат реакции матричного синтеза , т. е. образование новых молекул и структур на основе информации (поток информации ), заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК. Следовательно, самовоспроизведение тесно связано с явлением наследственности .
Саморегуляция – способность организмов в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов (гомеостаз) на основе потока вещества, энергии и информации. При этом недостаток поступления питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а избыток вызывает запасание этих веществ. Саморегуляция осуществляется разными путями благодаря деятельности регуляторных систем – нервной и эндокринной – и основана на принципе обратных связей : сигналом для включения той или иной системы может быть изменение концентрации какого-либо вещества или состояния какой-либо системы. Так, повышение концентрации глюкозы в крови приводит к усилению выработки гормона поджелудочной железы инсулина, уменьшающего содержание этого сахара в крови; снижение уровня глюкозы в крови замедляет выделение гормона в кровяное русло. Уменьшение числа клеток в ткани (при пилинге, дермабразии кожи, в результате травмы) вызывает усиленное размножение оставшихся клеток; восстановление нормального количества клеток дает сигнал о прекращении интенсивного клеточного деления).
Из других свойства, характерных для живого, некоторые в той или иной мере похожи на процессы, протекающие в неживой природе.
Единство химического состава . Живые организмы достаточно четко отграничены от неживого своим химическим составом (нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и т. д.). Живые существа состоят из тех же элементов, что и объекты неживой природы. Но они образуют в организме сложные молекулы, в неживой природе не встречающиеся. Кроме того, различны и соотношения этих элементов в живом и неживом. Если элементарный состав неживой природы наряду с кислородом представлен кремнием , железом , магнием , алюминием и т. д., то в живых организмах 98% химического состава приходится только на четыре элемента – углерод , азот, водород и кислород. Кроме того, все живые организмы построены в основном из четырех групп сложных органических молекул: белков, углеводов, липидов и нуклеиновых кислот. Следует отметить и тот факт, что состав химических элементов в разных средах неживой природы, в отличие от живых организмов, разный. В гидросфере преобладает водород и кислород , в атмосфере – азот и кислород, в литосфере – кремний и кислород .
Обмен веществ и преобразование энергии . Это общее свойство всего живого представляет собой совокупность всех химических превращений, происходящих в организме и обеспечивающих сохранение и воспроизведение жизни. Организм – открытая система, находящаяся в устойчивом стационарном состоянии: скорость непрерывного поступления веществ и энергии из среды уравновешивается скоростью непрерывного переноса веществ и энергии из системы.
Организм потребляет из окружающей среды вещества и энергию, использует их для обеспечения химических реакций, а затем возвращает в среду но уже в другой форме, эквивалентное количество энергии (в виде тепла) и вещества (в виде продуктов распада). Организмы потребляют вещества из окружающей среды в процессе питания . Автотрофы – растения, большинство протистов и некоторая часть прокариот, способные к фотосинтезу, сами создают органические вещества из неорганических с помощью энергии света. Гетеротрофы – животные, грибы, часть протистов и большинство прокариот используют органические вещества других организмов, расщепляют их ферментами и усваивают продукты расщепления.
Значительная часть органических веществ (углеводы, белки, липиды), поступающих в результате автотрофного или гетеротрофного питания, содержат в химических связях энергию. В процессе дыхания эта энергия высвобождается и аккумулируется в АТФ. Конечные продукты обмена, зачастую токсичные, в процессе выделения , или экскреции выводятся из организма.
Таким образом, для организмов характерны обмен веществ с окружающей средой и энергозависимость. Обмен веществ и преобразование энергии обеспечивают постоянство химического состава и строения всех частей организма и, как следствие, постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды. Другие признаки – рост, раздражимость, наследственность, изменчивость, размножение – все это результат обмена веществ и его проявление.
Размножение . При размножении организмы производят себе подобных и увеличивают тем самым количество особей. В процессе размножения из поколения в поколение передаются признаки, свойства и особенности развития организмов данного вида. Благодаря размножению численность вида поддерживается в течение длительного времени на определенном уровне. Смена поколений обеспечивается половым и бесполым размножением.
Наследственность. Заключается в способности организмов при воспроизведении передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение . В основе наследственности лежит стабильность носителей генетической информации, т. е. постоянство строения молекул ДНК. Генетическая информация, заключенная в ДНК, определяет возможные пределы развития организма, его структур, функций и реакций на окружающую среду. В то же время потомки обычно бывают похожи на своих родителей, но не идентичны им.
Изменчивость . Способность организмов приобретать в ходе онтогенеза новые свойства и признаки и утрачивать старые, называется изменчивостью. Это свойство как бы противоположно наследственности, но вместе с тем тесно связано с ней, так как при этом изменяются гены, определяющие развитие тех или иных признаков. Если бы репродукция матриц – молекул ДНК – всегда происходила с абсолютной точностью, то при размножении организмов осуществлялась бы преемственность только существовавших прежде признаков, и приспособление видов к меняющимся условиям среды оказалось бы невозможным. Следовательно, изменчивость – это способность организмов приобретать новые признаки и свойства, в основе которой лежат изменения молекул ДНК. Таким образом, самоудвоение молекул ДНК делает возможным не только сохранение у потомков наследственных особенностей родителей, но и отклонение от них, т. е. изменчивость, в результате которой организмы приобретают новые признаки и свойства. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора, т. е. отбора наиболее приспособленных особей к конкретным условиям существования в природных условиях, что, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.
Рост и развитие. Независимо от способа размножения (бесполое или половое) все дочерние особи образующиеся из одной зиготы, споры, почки или клетки, получают по наследству только генетическую информацию, т. е. возможность проявлять те или иные признаки и свойства. Новый организм реализует полученную наследственную информацию в ходе роста и развития. Развитие – изменение внешнего или внутреннего строения организма. Развитие живых организмов представлено онтогенезом (индивидуальным развитием) и филогенезом (историческим развитием) . На протяжении онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организма (проявление цвета глаз, способность держать голову, сидеть, ходить, появление зубов и т. д. у детей). Развитие сопровождается ростом – постепенным увеличением размеров развивающегося организма, за счет процесса увеличения количества клеток и накоплением массы внеклеточных образований в результате обмена веществ.В процессе развития возникает специфическая структурная организация индивида, а увеличение его массы обусловлено репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток. При смене многочисленных поколений происходит изменение видов, или филогенез (эволюция) – это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни.
Раздражимость. В процессе эволюции у организмов выработалось свойство избирательно реагировать на воздействия внешней или внутренней среды – раздражимость. Например, у млекопитающих при повышении температуры тела кровеносные сосуды кожи расширяются, рассеивая избыточное тепло и тем самым восстанавливая оптимальная температура тела.
Любое изменение условий среды, окружающих организм, является раздражителем , а реакция организма на внешние раздражители служит показателем его чувствительности и проявлением раздражимости. Наиболее яркой формой проявления раздражимости является движение . У растений – это тропизмы и настии , у протист – таксисы ; реакции многоклеточных организмов - рефлексы , осуществляющиеся посредством нервной системы. Сочетание «раздражитель – реакция» могут накапливаться в виде опыта и использоваться организмом в дальнейшем.
Адаптация к окружающей среде. Живые организмы не только хорошо приспособлены к среде обитания, но и прекрасно соответствуют своему образу жизни. Особенности строения, жизнедеятельности и поведения, обеспечивающие выживание и размножение в их среде обитания, называются адаптациями (приспособлениями).
Дискретность и целостность . Дискретность – это всеобщее свойство материи: каждый атом состоит из элементарных частиц, атомы образуют молекулу. Простые молекулы входят в состав сложных соединений или кристаллов и т. д.. Живые системы резко отличаются от неживых объектов своей исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью. В то же время отдельный организм, или иная биологическая система (вид, биогеоценоз и др.), дискретен и целостен, т. е. состоит из отдельных изолированных (обособленных и отграниченных в пространстве), но в тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих функциональное единство. Любой вид организмов включает отдельные особи. Тело высокоорганизованной особи образует пространственно отграниченные органы, которые, в свою очередь, состоят из отдельных клеток. Энергетический аппарат клетки представлен митохондриями, аппарат синтеза белка – рибосомами и т. д. вплоть до макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты и т. д.), каждая из которых может выполнять свою функцию, лишь будучи пространственно изолированной от других. Дискретность строения организма – основа его структурной упорядоченности, она создает возможность постоянного самообновления его путем замены «износившихся» структурных элементов без прекращения выполняемой функции. Дискретность вида определяет возможность его эволюции путем гибели или устранения из размножения неприспособленных особей и сохранения индивидов с полезными для выживания признаками.
Текущая страница: 1 (всего у книги 26 страниц) [доступный отрывок для чтения: 18 страниц]
А. А. Каменский, Е. А. Криксунов, В. В. Пасечник
Биология. Общая биология. 10–11 классы
Введение
Вы начинаете изучение школьного курса «Общая биология». Это условное название части школьного курса биологии, задача которого – изучение общих свойств живого, законов его существования и развития. Отражая живую природу и человека как ее часть, биология приобретает все большее значение в научно-техническом прогрессе, становясь производительной силой. Биология создает новую технологию – биологическую, которая должна стать основой нового индустриального общества. Биологические знания должны способствовать формированию биологического мышления и экологической культуры у каждого члена общества, без чего дальнейшее развитие человеческой цивилизации невозможно.
§ 1. Краткая история развития биологии
1. Что изучает биология?
2. Какие биологические науки вам известны?
3. Каких ученых-биологов вы знаете?
Биология как наука. Вы хорошо знаете, что биология – это наука о жизни. В настоящее время она представляет совокупность наук о живой природе. Биология изучает все проявления жизни: строение, функции, развитие и происхождение живых организмов, их взаимоотношения в природных сообществах со средой обитания и с другими живыми организмами.
С тех пор как человек стал осознавать свое отличие от животного мира, он начал изучать окружающий его мир. Сначала от этого зависела его жизнь. Первобытным людям необходимо было знать, какие живые организмы можно употреблять в пищу, использовать в качестве лекарств, для изготовления одежды и жилищ, а какие из них ядовиты или опасны.
С развитием цивилизации человек смог позволить себе такую роскошь, как занятие наукой в познавательных целях.
Исследования культуры древних народов показали, что они имели обширные знания о растениях, животных и широко их применяли в повседневной жизни.
Современная биология – комплексная наука, для которой характерно взаимопроникновение идей и методов различных биологических дисциплин, а также других наук – прежде всего физики, химии и математики.
Основные направления развития современной биологии. В настоящее время условно можно выделить три направления в биологии.
Во-первых, это классическая биология. Ее представляют ученые-натуралисты, изучающие многообразие живой природы. Они объективно наблюдают и анализируют все, что происходит в живой природе, изучают живые организмы и классифицируют их. Неправильно думать, что в классической биологии все открытия уже сделаны. Во второй половине XX в. не только описано много новых видов, но и открыты крупные таксоны, вплоть до царств (Погонофоры) и даже надцарств (Архебактерии, или Археи). Эти открытия заставили ученых по-новому взглянуть на всю историю развития живой природы. Для настоящих ученых-натуралистов природа – это самоценность. Каждый уголок нашей планеты для них уникален. Именно поэтому они всегда среди тех, кто остро чувствует опасность для окружающей нас природы и активно выступает в ее защиту.
Второе направление – это эволюционная биология. В XIX в. автор теории естественного отбора Чарлз Дарвин начинал как обычный натуралист: он коллекционировал, наблюдал, описывал, путешествовал, раскрывая тайны живой природы. Однако основным результатом его работы, сделавшим его известным ученым, стала теория, объясняющая органическое разнообразие.
В настоящее время изучение эволюции живых организмов активно продолжается. Синтез генетики и эволюционной теории привел к созданию так называемой синтетической теории эволюции. Но и сейчас еще есть много нерешенных вопросов, ответы на которые ищут ученые-эволюционисты.
Созданная в начале XX в. нашим выдающимся биологом Александром Ивановичем Опариным первая научная теория происхождения жизни была чисто теоретической. В настоящее время активно ведутся экспериментальные исследования данной проблемы и благодаря применению передовых физико-химических методов уже сделаны важные открытия и можно ожидать новых интересных результатов.
Чарлз Дарвин (1809–1882)
Александр Иванович Опарин (1894–1980)
Новые открытия позволили дополнить теорию антропогенеза. Но переход от животного мира к человеку и сейчас еще остается одной из самых больших загадок биологии.
Третье направление – физико-химическая биология, исследующая строение живых объектов при помощи современных физических и химических методов. Это быстро развивающееся направление биологии, важное как в теоретическом, так и в практическом отношении. Можно с уверенностью говорить, что в физико-химической биологии нас ждут новые открытия, которые позволят решить многие проблемы, стоящие перед человечеством.
Развитие биологии как науки. Современная биология уходит корнями в древность и связана с развитием цивилизации в странах Средиземноморья. Нам известны имена многих выдающихся ученых, внесших вклад в развитие биологии. Назовем лишь некоторых из них.
Гиппократ (460 – ок. 370 до н. э.) дал первое относительно подробное описание строения человека и животных, указал на роль среды и наследственности в возникновении болезней. Его считают основоположником медицины.
Аристотель (384–322 до н. э.) делил окружающий мир на четыре царства: неодушевленный мир земли, воды и воздуха; мир растений; мир животных и мир человека. Он описал многих животных, положил начало систематике. В написанных им четырех биологических трактатах содержались практически все известные к тому времени сведения о животных. Заслуги Аристотеля настолько велики, что его считают основоположником зоологии.
Теофраст (372–287 до н. э.) изучал растения. Им описано более 500 видов растений, даны сведения о строении и размножении многих из них, введены в употребление многие ботанические термины. Его считают основоположником ботаники.
Гай Плиний Старший (23–79) собрал известные к тому времени сведения о живых организмах и написал 37 томов энциклопедии «Естественная история». Почти до средневековья эта энциклопедия была главным источником знаний о природе.
Клавдий Гален в своих научных исследованиях широко использовал вскрытия млекопитающих. Он первым сделал сравнительно-анатомическое описание человека и обезьяны. Изучал центральную и периферическую нервную систему. Историки науки считают его последним великим биологом древности.
В средние века господствующей идеологией была религия. Подобно другим наукам, биология в этот период еще не выделилась в самостоятельную область и существовала в общем русле религиозно-философских взглядов. И хотя накопление знаний о живых организмах продолжалось, о биологии как науке в тот период можно говорить лишь условно.
Эпоха Возрождения является переходной от культуры средних веков к культуре нового времени. Коренные социально-экономические преобразования того времени сопровождались новыми открытиями в науке.
Самый известный ученый этой эпохи Леонардо да Винчи (1452–1519) внес определенный вклад и в развитие биологии.
Он изучал полет птиц, описал многие растения, способы соединения костей в суставах, деятельность сердца и зрительную функцию глаза, сходство костей человека и животных.
Во второй половине XV в. естественнонаучные знания начинают быстро развиваться. Этому способствовали географические открытия, позволившие существенно расширить сведения о животных и растениях. Быстрое накопление научных знаний о живых организмах вело к разделению биологии на отдельные науки.
В XVI–XVII вв. стали стремительно развиваться ботаника и зоология.
Изобретение микроскопа (начало XVII в.) позволило изучать микроскопическое строение растений и животных. Были открыты невидимые для невооруженного глаза микроскопически малые живые организмы – бактерии и простейшие.
Большой вклад в развитие биологии внес Карл Линней, предложивший систему классификации животных и растений.
Карл Максимович Бэр (1792–1876) в своих работах сформулировал основные положения теории гомологичных органов и закона зародышевого сходства, заложившие научные основы эмбриологии.
Клавдий Гален (ок. 130 – ок. 200)
Карл Линней (1707–1778)
В 1808 г. в работе «Философия зоологии» Жан Батист Ламарк поставил вопрос о причинах и механизмах эволюционных преобразований и изложил первую по времени теорию эволюции.
Огромную роль в развитии биологии сыграла клеточная теория, которая научно подтвердила единство живого мира и послужила одной из предпосылок возникновения теории эволюции Чарлза Дарвина. Авторами клеточной теории считают зоолога Теодора Шванна (1818–1882) и ботаника Маттиаса Якоба Шлейдена (1804–1881).
На основе многочисленных наблюдений Ч. Дарвин опубликовал в 1859 г. свой основной труд «О происхождении видов путем естественного отбора или Сохранении благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь», в котором сформулировал основные положения теории эволюции, предложил механизмы эволюции и пути эволюционных преобразований организмов.
В XIX в. благодаря работам Луи Пастера (1822–1895), Роберта Коха (1843–1910), Ильи Ильича Мечникова в качестве самостоятельной науки оформилась микробиология.
XX век начался с переоткрытия законов Грегора Менделя, что ознаменовало собой начало развития генетики как науки.
В 40–50-е годы XX в. в биологии стали широко использоваться идеи и методы физики, химии, математики, кибернетики и других наук, а в качестве объектов исследования – микроорганизмы. В результате возникли и стали бурно развиваться как самостоятельные науки биофизика, биохимия, молекулярная биология, радиационная биология, бионика и др. Исследования в космосе способствовали зарождению и развитию космической биологии.
Жан Батист Ламарк (1774–1829)
Илья Ильич Мечников (1845–1916)
В XX в. появилось направление прикладных исследований – биотехнология. Это направление, несомненно, будет стремительно развиваться и в XXI в. Более подробно об этом направлении развития биологии вы узнаете при изучении главы «Основы селекции и биотехнологии».
В настоящее время биологические знания используются во всех сферах человеческой деятельности: в промышленности и сельском хозяйстве, медицине и энергетике.
Чрезвычайно важное значение имеют экологические исследования. Мы, наконец, стали осознавать, что хрупкое равновесие, существующее на нашей маленькой планете, легко разрушить. Перед человечеством встала грандиозная задача – сохранение биосферы с целью поддержания условий существования и развития цивилизации. Без биологических знаний и специальных исследований решить ее невозможно. Таким образом, в настоящее время биология стала реальной производительной силой и рациональной научной основой отношений между человеком и природой.
Грегор Мендель (1822–1884)
Классическая биология. Эволюционная биология. Физико-химическая биология.
1. Какие направления в развитии биологии вы можете выделить?
2. Какие великие ученые древности внесли заметный вклад в развитие биологических знаний?
3. Почему в средние века о биологии как науке можно было говорить лишь условно?
4. Почему современную биологию считают комплексной наукой?
5. Какова роль биологии в современном обществе?
Подготовьте сообщение на одну из следующих тем:
1. Роль биологии в современном обществе.
2. Роль биологии в космических исследованиях.
3. Роль биологических исследований в современной медицине.
4. Роль выдающихся биологов – наших соотечественников в развитии мировой биологии.
Насколько изменились взгляды ученых на разнообразие живого, можно продемонстрировать на примере разделения живых организмов на царства.
Еще в 40-е годы XX столетия все живые организмы делились на два царства: Растения и Животные. В царство растений включались также бактерии и грибы. Позднее более детальное изучение организмов привело к выделению четырех царств: Прокариоты (Бактерии), Грибы, Растения и Животные. Данная система приводится в школьной биологии.
В 1959 г. было предложено делить мир живых организмов на пять царств: Прокариоты, Протисты (Простейшие), Грибы, Растения и Животные.
Данная система часто приводится в биологической (особенно переводной) литературе.
Разработаны и продолжают разрабатываться и другие системы, включающие 20 и более царств. Например, предложено выделить три надцарства: Прокариоты, Археи (Архебактерии) и Эукариоты. Каждое надцарство включает несколько царств.
§ 2. Методы исследования в биологии
1. Чем наука отличается от религии и искусства?
2. Какова основная цель науки?
3. Какие методы исследования, применяемые в биологии, вы знаете?
Наука как сфера человеческой деятельности. Наука – одна из сфер человеческой деятельности, цель которой – изучение и познание окружающего мира. Для научного познания необходим выбор определенных объектов исследования, проблем и методов их изучения. Каждая наука имеет свои методы исследования. Однако независимо от того, какие методы используются, для каждого ученого важнейшим всегда остается принцип «Ничего не принимай на веру». Главная задача науки – построение системы достоверного знания, основанного на фактах и обобщениях, которые можно подтвердить или опровергнуть. Научные знания постоянно берутся под сомнение и принимаются лишь при достаточных доказательствах. Научным фактом (греч. factum – сделанное) является лишь тот, который можно воспроизвести и подтвердить.
Научный метод (греч. methodos – путь исследования) – это совокупность приемов и операций, используемых при построении системы научных знаний.
Вся история развития биологии наглядно свидетельствует о том, что она определялась разработкой и применением новых методов исследования. Основными методами исследования, применяемыми в биологических науках, являются описательный, сравнительный, исторический и экспериментальный.
Описательный метод. Он широко применялся еще учеными древности, занимавшимися сбором фактического материала и его описанием. В основе его лежит наблюдение. Практически до XVIII в. биологи в основном занимались описанием животных и растений, делали попытки первичной систематизации накопленного материала. Но описательный метод не потерял своего значения и сегодня. Например, он используется при открытии новых видов или изучении клеток с помощью современных методов исследования.
Сравнительный метод. Он позволил выявлять сходства и различия между организмами и их частями и стал применяться в XVII в. Использование сравнительного метода позволило получить данные, необходимые для систематизации растений и животных. В XIX в. он был использован при разработке клеточной теории и обосновании теории эволюции, а также в перестройке ряда биологических наук на основе этой теории. В наше время сравнительный метод также широко применяется в различных биологических науках. Однако если бы в биологии использовались лишь описательный и сравнительный методы, то она так и осталась бы в рамках констатирующей науки.
Исторический метод. Этот метод помогает осмыслить полученные факты, сопоставить их с ранее известными результатами. Он стал широко применяться во второй половине XIX в. благодаря работам Ч. Дарвина, который с его помощью научно обосновал закономерности появления и развития организмов, становления их структур и функций во времени и пространстве. Применение исторического метода позволило превратить биологию из науки описательной в науку, объясняющую, как произошли и как функционируют многообразные живые системы.
Экспериментальный метод. Применение экспериментального метода в биологии связывают с именем Уильяма Гарвея, который использовал его в своих исследованиях при изучении кровообращения. Но широко применяться в биологии он начал лишь с начала XIX в., прежде всего при изучении физиологических процессов. Экспериментальный метод позволяет изучать то или иное явление жизни с помощью опыта.
Большой вклад в утверждение экспериментального метода в биологии внес Г. Мендель, который, изучая наследственность и изменчивость организмов, впервые использовал эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы, формулируемой на основании получаемых результатов. Работа Г. Менделя стала классическим образцом методологии экспериментальной науки.
Уильям Гарвей (1578–1657)
В XX в. экспериментальный метод стал ведущим в биологии. Это стало возможным благодаря появлению новых приборов для биологических исследований (электронный микроскоп, томограф и др.) и использованию методов физики и химии в биологии.
В настоящее время в биологическом эксперименте широко используют различные виды микроскопии, включая и электронную с техникой ультратонких срезов, биохимические методы, разнообразные способы культивирования и прижизненного наблюдения культур клеток, тканей и органов, метод меченых атомов, рентгеноструктурный анализ, ультрацентрифугирование, хроматографию и т. д. Не случайно во второй половине XX в. в биологии развилось целое направление – создание новейших приборов и разработка методов исследования.
В биологических исследованиях все шире применяют моделирование, которое считают высшей формой эксперимента. Так, ведутся активные работы по компьютерному моделированию важнейших биологических процессов, основных направлений эволюции, развития экосистем или даже всей биосферы (например, в случае глобальных климатических или техногенных изменений).
Экспериментальный метод в сочетании с системно-структурным подходом коренным образом преобразил биологию, расширил ее познавательные возможности и открыл новые пути для использования биологических знаний во всех сферах человеческой деятельности.
Научный факт. Научный метод. Методы исследования: описательный, сравнительный, исторический, экспериментальный.
1. В чем заключаются основная цель и задача науки?
2. Почему можно утверждать, что развитие биологии определялось разработкой и применением новых научных методов исследования?
3. Какое значение имели описательный и сравнительный методы для развития биологии?
4. В чем сущность исторического метода?
5. Почему экспериментальный метод получил наибольшее распространение в XX в.?
Предложите методы исследования, которые вы будете применять при изучении антропогенного воздействия на какую-либо экосистему (водоем, лес, парк и т. д.).
Предложите несколько своих вариантов путей развития биологии в XXI веке.
Какие болезни, по вашему мнению, будут побеждены человечеством при помощи методов молекулярной биологии, иммунологии, генетики в первую очередь.
Научное исследование, как правило, состоит из нескольких этапов (рис. 1). На основании сбора фактов формулируется проблема. Для ее решения выдвигаются гипотезы (греч. hypothesis – предположение). Каждая гипотеза проверяется экспериментально в ходе получения новых фактов. Если полученные факты противоречат гипотезе, то она отвергается. Если гипотеза согласуется с фактами и позволяет делать верные прогнозы, то она может стать теорией (греч. theoria – исследование). Однако даже верная теория по мере накопления новых фактов может пересматриваться и уточняться. Наглядным примером служит теория эволюции.
Некоторые теории заключаются в установлении связи между различными явлениями. Это правила и законы.
Из правил возможны исключения, а законы действуют всегда. Например, закон сохранения энергии справедлив как для живой, так и неживой природы.
Рис. 1. Основные этапы научного исследования
§ 3. Сущность жизни и свойства живого
1. Что такое жизнь?
2. Что считают структурно-функциональной единицей живого?
3. Какие свойства живого вам известны?
Сущность жизни. Вы уже знаете, что биология – это наука о жизни. Но что такое жизнь?
Классическое определение немецкого философа Фридриха Энгельса: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка» – отражает уровень биологических знаний второй половины XIX в.
В XX в. делались многочисленные попытки дать определение жизни, отражающие всю многогранность данного процесса.
Все определения содержали следующие постулаты, отражающие сущность жизни:
– жизнь есть особая форма движения материи;
– жизнь есть обмен веществ и энергии в организме;
– жизнь есть жизнедеятельность в организме;
– жизнь есть самовоспроизведение организмов, которое обеспечивается передачей генетической информации от поколения к поколению.
Жизнь представляет собой форму движения материи высшую по сравнению с физической и химической формами ее существования.
В самом общем смысле жизнь можно определить как активное, идущее с затратой энергии, полученной извне, поддержание и самовоспроизведение специфических структур, состоящих из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот.
Ни нуклеиновые кислоты, ни белки в отдельности не являются субстратом жизни. Они становятся субстратом жизни лишь тогда, когда находятся и функционируют в клетках. Вне клеток – это химические соединения.
По определению отечественного биолога В. М. Волькенштейна, «живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».
Свойства живого. Для живого характерен ряд общих свойств. Перечислим их.
1. Единство химического состава. Живые существа образованы теми же химическими элементами, что и неживые объекты, но в живых существах 90 % массы приходится на четыре элемента: С, О, N, Н, которые участвуют в образовании сложных органических молекул, таких, как белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды.
2. Единство структурной организации. Клетка является единой структурно-функциональной единицей, а также единицей развития почти для всех живых организмов на Земле. Исключением являются вирусы, но и у них свойства живого проявляются, лишь когда они находятся в клетке. Вне клетки жизни нет.
3. Открытость. Все живые организмы представляют собой открытые системы, т. е. системы, устойчивые лишь при условии непрерывного поступления в них энергии и вещества из окружающей среды.
4. Обмен веществ и энергии. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой. Обмен веществ осуществляется в результате двух взаимосвязанных процессов: синтеза органических веществ в организме (за счет внешних источников энергии – света и пищи) и процесса распада сложных органических веществ с выделением энергии, которая затем расходуется организмом.
Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.
5. Самовоспроизведение (репродукция ). Способность к самовоспроизведению является важнейшим свойством всех живых организмов. В ее основе лежит информация о строении и функциях любого живого организма, заложенная в нуклеиновых кислотах и обеспечивающая специфичность структуры и жизнедеятельности живого.
6. Саморегуляция. Любой живой организм подвергается воздействию непрерывно меняющихся условий окружающей среды. В то же время для протекания процессов жизнедеятельности в клетках необходимы определенные условия. Благодаря механизмам саморегуляции сохраняется относительное постоянство внутренней среды организма, т. е. поддерживается постоянство химического состава и интенсивность течения физиологических процессов (иными словами, поддерживается гомеостаз: от греч. homoios – одинаковый и stasis – состояние).
7. Развитие и рост. В процессе индивидуального развития (онтогенеза) постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организма и осуществляется его рост. Кроме того, все живые системы эволюционируют – изменяются в ходе исторического развития (филогенеза).
8. Раздражимость. Любой живой организм способен избирательно реагировать на внешние и внутренние воздействия.
9. Наследственность и изменчивость. Преемственность поколений обеспечивается наследственностью. Потомки не являются копиями своих родителей из-за способности наследственной информации к изменениям – изменчивости.
Отдельные свойства, перечисленные выше, могут быть присущи и неживой природе. Например, кристаллы в насыщенном растворе соли могут «расти». Однако этот рост не имеет тех качественных и количественных параметров, которые присущи росту живого.
Для горящей свечи тоже характерны процессы обмена веществ и превращения энергии, но она не способна к саморегуляции и самовоспроизведению.
Следовательно, все перечисленные выше свойства в своей совокупности характерны только для живых организмов.
Жизнь. Открытая система.
1. Почему очень сложно дать определение понятия «жизнь»?
2. В чем отличие химической организации живых организмов от объектов неживой природы?
3. Почему живые организмы называются открытыми системами?
4. Чем принципиально отличаются процессы обмена у живых организмов и в неживой природе?
5. Какова роль изменчивости и наследственности в развитии жизни на нашей планете?
Сравните сущность процессов роста, размножения и обмена веществ в неживой природе и у живых организмов.
Приведите примеры свойств, характерных для живого организма, которые можно наблюдать и у неживых объектов.
Организм (лат. organizo – устраиваю) – это особь, индивид (лат. individuus – неделимый), самостоятельно взаимодействующий со средой своего обитания. Термин «организм» легко понять, но почти невозможно однозначно определить. Организм может состоять из одной клетки и может быть многоклеточным. Разные колониальные организмы могут состоять из однородных организмов, например вольвокс, или представлять собой комплекс высокодифференцированных особей, составляющих единое целое, например португальский кораблик – колониальное кишечнополостное животное. Иногда даже отделенные друг от друга особи образуют группы, отличающиеся определенными индивидуальными свойствами: например, у пчел, как и у других социальных насекомых, семья имеет ряд свойств организма.
Наука о закономерностях, единых для всего живого. Она изучает общие законы жизни и те особенности, которые характерны для всех видов живых существ независимо от их систематического положения. Чем отличается живое от неживого, каковы основные и общие для всех организмов закономерности жизненных явлений - ответ на эти вопросы составляет задачу общей биологии.
Обмен веществ и энергии между организмом и средой, способность к размножению, наследственность и изменчивость - неотъемлемые свойства всех организмов. Эти свойства - основа эволюции - необратимого исторического развития живой природы, которое сопровождается приспособлением организмов к условиям существования, образованием и вымиранием видов, преобразованием биогеоценозов и биосферы в целом. В результате эволюции возник многообразный мир живых существ.
Различают несколько структурно-функциональных уровней организации жизни (живой материи). Нижний, наиболее древний - суборганизменный. Это уровень молекулярных структур, где проходит граница между живым и неживым. Следующий уровень - клеточный. Клетка, ее структуры и основные биохимические процессы сходны у всех организмов. За ним следует уровень целостного организма. Неотъемлемые свойства всех организмов - способность к размножению, наследственность и изменчивость. Более сложный уровень организации жизни - популяционно-видовой. Высший уровень - экосистемный, биосферно-биогеоценотический, на котором сообщества популяций животных и растений вместе с их средой обитания образуют функционально-структурное единство. Целостность экосистем (биогеоценозов, биосферы) обусловлена обменом веществ и энергии между ее компонентами.
Общая биология изучает законы, характерные для всех уровней организации жизни. Значение этой дисциплины исключительно велико как в формировании материалистического мировоззрения, так и в ряде жизненно важных областей человеческой деятельности. Она приобретает все возрастающее практическое значение для сельского хозяйства, лесной и рыбной промышленности, биотехнологии, медицины, для рационального использования естественных ресурсов и охраны природы.
Биология служит теоретической базой сельскохозяйственного производства. Многие ее разделы непосредственно связаны с растениеводством и животноводством. Обеспечение все увеличивающегося населения земного шара продовольствием невозможно без создания новых высокоурожайных сортов сельскохозяйственных культур и продуктивных пород домашних животных. Достичь этого можно лишь зная законы наследственности и изменчивости. Благодаря открытиям в молекулярной биологии развивается биотехнология - производство ферментов, гормонов, кормовых белков, аминокислот с помощью микроорганизмов. Повышение плодородия земель, создание условий для получения устойчивых программированных урожаев - эти экологические задачи должны решать агрономы-биологи.
Биология изучает биологическую форму движения материи, т. е. совокупность организмов, живущих на , в том числе человека. Из-за огромного разнообразия представителей живого на Земле биология представляет собой комплекс различных биологических наук и включает ботанику, микологию (науку о грибах), зоологию, комплекс наук о человеке как биологическом объекте, общую биологию и другие науки. Ниже рассмотрены общие представления о биологии и ее составляющих.
Биология - комплекс наук, изучающих все живое вещество и организмы, им образуемые.
Какие науки включает в себя биология:
Ботаника - наука, изучающая биологические особенности растений. Совокупность всех растений на Земле называют флорой Земли. Традиционно вместе с растениями в курсе ботаники изучают грибы, вирусы, которые в строгом смысле не относятся к растениям, а принадлежат к другим царствам организмов. Так, грибы образуют особое царство Грибы, а наука о грибах называется микологией.
Зоология - наука, изучающая царство Животные.
Совокупность всех животных, населяющих Землю, называют фауной Земли. Принято говорить о фауне той или иной области, того или иного региона и т. д.
Биологические особенности человека изучает целый комплекс наук: анатомия, гигиена человека (несмотря на то что человек является структурной единицей царства Животные, он относится к , отряду приматов, семейству человекообразных обезьян, роду человек, виду человек разумный).
Общая биология - особый раздел биологии, изучающий наиболее общие закономерности биологической формы существования материи.
На современном этапе развития биологии общая биология представляет собой комплекс наук, состоящий из отдельных, достаточно самостоятельных, но тесно взаимосвязанных наук: молекулярной биологии, цитологии, теории развития и размножения, генетики, селекции, эволюционной теории, экологии. В предмете Общая биология эти науки представлены в виде разделов, которыми в курсе Общая биология с основами экологии и природоохранной деятельности являются следующие:
1. Цитология - раздел, изучающий клетку, ее химический состав, биохимические процессы, протекающие в клетке, строение и функции отдельных органоидов клетки.
2. Учение об индивидуальном развитии - онтогенезе - раздел, включающий учение о размножении и развитии организмов (тесно связан с цитологией).
3. Генетика с основами селекции - раздел, рассматривающий закономерности наследственности, изменчивости, их материальные носители (генетика), принципы и методы выведения новых пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов (селекция); теоретической основой селекции является генетика.
4. Эволюционное учение (теория) - раздел, изучающий филогенез (историческое развитие видов); составной частью этого учения является дарвинизм; основой данного учения (теории) - генетика, селекция и другие биологические науки.
5. Экология с основами природоохранной деятельности - раздел, рассматривающий вопросы взаимосвязи организмов друг с другом, средой обитания, а также воздействие человека на Природу и пути преодоления негативных последствий этого воздействия.
Общая биология тесно взаимосвязана с комплексом медицинских и сельскохозяйственных наук, являясь, с одной стороны, их базой, а с другой - эти науки дают богатый фактический материал для иллюстрации общебиологических закономерностей. Знание и понимание вопросов общей биологии невозможно без владения знаниями математики, химии, физики, геологии, астрономии, философии и других наук естественного и гуманитарного циклов. Так, без знания основ органической химии невозможно понять ни молекулярную биологию, ни проблемы обмена веществ, лежащих в основе экологии, ни вопросы цитологии. Все это делает необходимым глубокое усвоение знаний как общебиологического характера, так и знаний других и естественно-математических и гуманитарных наук.
Знания общебиологических понятий и закономерностей имеют огромное значение для каждого человека, поскольку они являются базой для понимания основных проблем экологии (как специальной отрасли знаний), без овладения которыми современный человек не сможет выжить в постоянно усложняющейся экологической обстановке на нашей планете.
Что такое наука биология? Говоря простым языком, это изучение жизни во всем ее разнообразии и величии. От микроскопических водорослей и бактерий до больших слонов и гигантских синих китов, жизнь на нашей планете представляет невероятное многообразие. Беря это во внимание, откуда мы заем, что является живым? Каковы основные характеристики жизни? Все это очень важные вопросы с одинаково важными ответами!
Характеристики жизни
К живым существам относиться, как видимый , и , так и невидимый мир бактерий и вирусов. На базовом уровне мы можем сказать, что жизнь упорядочена. Организмы имеют чрезвычайно сложную организацию. Мы все знакомы с замысловатыми системами основной - клеткой.
Жизнь может «работать» . Имеется введу не ежедневное разнообразие работы, а поддержание метаболических процессов, путем получения энергии в виде пище из окружающей среды.
Жизнь растет и развивается . Это означает больше, чем просто копирование или увеличение размера. Живые организмы также имеют возможность восстанавливаться при определенных типах повреждений.
Жизнь может воспроизводиться . Вы когда-нибудь видели размножение грязи или камней? Вероятней всего нет! Жизнь способна происходить только от других живых существ.
Жизнь может реагировать . Вспомните о том, как в последний раз вы ударялись какой-нибудь частью своего тела. Почти мгновенно следует болевая реакция. Жизнь характеризуется реакцией на различные стимулы и внешние раздражители.
Наконец, жизнь может адаптироваться и отвечать требованиям, предъявляемым окружающей средой.
Существует три основных типа приспособлений, которые могут возникать у высших организмов:
- Обратимые изменения происходят как ответ на изменения в окружающей среде. Предположим, вы живете вблизи уровня моря и отправляетесь в горную местность. Вы можете начать испытывать затрудненное дыхание и увеличение частоты сердечных сокращений в результате изменения высоты. Эти симптомы исчезают, когда вы возвращаетесь к уровню моря.
- Соматические изменения происходят в результате продолжительных изменений в окружающей среде. Используя предыдущий пример, если вы долго будете оставаться в горной местности, вы заметите, что ваш сердечный ритм начнет замедляться, и вы начнете нормально дышать. Соматические изменения также обратимы.
- Окончательный тип адаптации называется генотипическим (вызванным генетической мутацией). Эти изменения происходят в генетическом составе организма и не обратимы. Примером может служить развитие устойчивости к пестицидам у насекомых и пауков.
Таким образом, жизнь организована, «работает», растет, размножается, реагирует на стимулы и приспосабливается. Эти характеристики лежат в основе изучения науки общей биологии.
Основные принципы современной биологии
Фундамент науки биологии, которая существует сегодня, основан на пяти основных принципах. Это теория клеток, теория генов, эволюция, гомеостаз и законы термодинамики.
- : все живые организмы состоят из клеток. является основной единицей жизни.
- : черты наследуются посредством передачи генов. расположены на и состоят из ДНК.
- : любое в популяции, которое унаследована в течение нескольких поколений. Эти изменения могут быть небольшими или большими, заметными или не столь заметными.
- : способность поддерживать постоянную внутреннюю среду в ответ на изменения окружающей среды.
- : энергия постоянна и энергетическое преобразование не является полностью эффективным.
Разделы биологии
Область науки биологии очень широка и может быть разделена на несколько дисциплин. В самом общем смысле эти дисциплины классифицируются по типу изучаемого организма. Например, занимается исследованиями животных, ботаника занимается изучением растений, а микробиология изучает микроорганизмы. Эти области исследований, также можно разбить на несколько специализированных поддисциплин. Некоторые из них включают анатомию, генетику и физиологию.