Одной из самых древних, но при этом прогрессивных даже на сегодняшний день наук является биология. Это наука, изучающая все многообразие живой природы вокруг нас. Ведь ежедневно мы сталкиваемся с сотнями живых существ: насекомыми, бактериями, вирусами, растениями и, конечно же, людьми. Каждый организм имеет свои особенности строения и жизнедеятельности, все между собой связаны определенными закономерностями и состоят в различного рода взаимоотношениях. Все это и изучает такая обширная, увлекательная и поистине великая наука, как биология.

Биосфера планеты Земля

Наша планета населена самыми разнообразными формами жизни. Все они, взаимодействуя между собой, образуют общую оболочку. Живую оболочку планеты Земля. Она носит название биосферы. Помимо биосферы наша планета имеет такие оболочки, как гидросфера, литосфера и атмосфера. Естественно, что вся биомасса биосферной оболочки не смогла бы существовать отдельно от других оболочек. Поэтому это разделение весьма условно. На самом деле каждая из оболочек имеет в своем составе представителей биосферы.

Например, литосфера густо заселена червями, бактериями, личинками, насекомыми и млекопитающими животными. Также именно в ней располагаются нижние части большинства существующих наземных растений.

Гидросфера, представленная совокупностью всех видов воды на Земле, является вообще целым миром, прекрасным и интересным, по своему составу биомассы. Атмосфера также не исключение. Разнообразные бактерии, вирусы, насекомые, птицы и даже млекопитающие являются неотъемлемой ее частью и используют ее для постоянного места жительства. При этом в целом практически все живые существа (за исключением некоторых видов бактерий) способны жить только в аэробных условиях, то есть в условиях земной атмосферы.

Вся биомасса биосферной оболочки - это многомиллионное сообщество живых существ. И такая наука о живой природе, как биология, со всеми включенными в нее отделами, как раз и занимается подробнейшим изучением этого великого сообщества.

Методы и материалы, применяемые в биологии

Для комплексного анализа и удобного и подробного рассматривания всех живых объектов природы в биологии используются специальные материалы. Такие, как:

• скальпель;
• зажимы;
• щипцы;
• измерительные приборы;
• ловушки-морилки;
• ступки и пестики;
• пробирки;
• ванночки и чашки Петри;
• препаровальные иглы и столики;
• зеркальца и лупы;
• самые разные и так далее.

Это, конечно, далеко не полный список всего многообразия материалов, которые помогают биологам в познании живого и в научных исследованиях.

Также существуют специфические приемы, которые использует биология как наука. Методы биологии разнообразны, но к основным из них можно отнести следующие.

Биологическая методология

Научные методы биологии

Название метода	Используемые материалы	Практическое значение
Наблюдение	Полевой дневник, бинокль, лупа, микроскоп, видео и фото аппаратура и прочее.	Получение визуальной информации о наблюдаемом объекте без вмешательства в природные процессы, накопление полезной информации.
Описание	Компьютер, писчие принадлежности, бумага.	Фиксация тех результатов, что были получены методом наблюдения. Этот метод обеспечивает историческую значимость для сохранения полезной информации.
Эксперимент	Лабораторное оборудование, микроскоп и т. д.	Практическое подтверждение выдвигаемых научных гипотез.
Сравнение	Литература или эксперименты по теме.	Дает возможность выбора более правильного результата, а также показывает все различия в жизнедеятельности, строении организмов в зависимости от различных факторов.
Моделирование (включает в себя обобщение, систематизацию)	Материалы для создания моделей изучаемого объекта.	Позволяет воссоздать картину происходящих процессов и спрогнозировать результат.
Аналитический метод	Измерительные приборы, ЭВМ	Позволяет вывести общие закономерности или различия в живой природе, а также обеспечивает систематизацию накопленных знаний.
Современные методы: РСА (рентгеноструктурный анализ); центрифугирование; радиография; цитохимия (гистохимия); культивирование организмов на питательных средах; микроскопия (электронная, флуоресцентная, контрастная, темнопольная); прижизненное окрашивание.	Центрифуги, специальные микроскопы, чашки Петри, на основе агара, специфическое оборудование и приборы.	Обеспечивают точный анализ самых мельчайших живых единиц, дают полную информацию о процессах, происходящих на молекулярном уровне. Позволяют вмешиваться в геном и задавать нужные свойства живым организмам.

В итоге мы получаем следующий результат. Биология - это наука, изучающая живые системы совершенно полно, комплексно и с использованием самых разнообразных современных технологий.

Основные разделы биологии

Сегодня биология насчитывает десятки побочных молодых наук, которые образовались от нее из-за накопления большого объема различных знаний в самых тонких вопросах, касающихся живых систем. Мы же выделим основные, исторически сложившиеся разделы биологической науки.

1. Общая биология.
2. Генетика.
3. Зоология.
4. Ботаника.
5. Физиология растений и животных.
6. Анатомия.
7. Физиология человека.
8. Экология.
9. Биогеография.
10. Биохимия.

В первую очередь, биология - наука о природе. Поэтому все перечисленные разделы являются основополагающими в контексте рассмотрения данной науки.

Общая биология: суть, предмет изучения

Под этим названием подразумевается изучение основных жизненных моментов каждой живой системы: возникновение, развитие, становление в природе, функционирование. Вследствие этого общая биология включает в себя следующие разделы:

• Клеточная теория и строение клетки.
• Онтогенез организмов.
• Молекулярная биология.
• Генетика.
• Эволюция всего живого.
• Экология.
• Учение о биосферной оболочке Земли.

Из приведенного списка становится понятно, что данная биология - это наука, изучающая универсальные характеристики, присущие всем живым системам в целом. В курсе школьного обучения общую биологию преподают в старших классах, с 9 по 11 включительно. И это правильно, ведь понятия, которые она в себя включает, достаточно сложные, объемные и требуют уже более сформировавшегося мировоззрения у учащихся.

Ботаника в школьном курсе

На сегодняшний день ученые называют цифру примерно 350 000 видов, когда речь заходит о многообразии современных растений. Естественно, эта цифра слишком велика, а растения уникальны и интересны, чтобы не образовалась отдельная наука, которая занимается исключительно их изучением. К такой науке и относится ботаника, раздел биологии.

Все растения можно разделить на наземные и водные. Но это только очень грубая, поверхностная классификация. На самом деле существует множество таксонов, родов, видов, подвидов и других систематических единиц, на которые подразделяются растения. Это составляет суть одного из отделов ботаники.

Также есть ряд других отделов, охватывающих все стороны растительной жизни:

• морфология растений;
• физиология растений;
• экология;
• биогеография;
• филогения;
• эволюция;
• экономическая ботаника.

Совокупность всех этих наук, а также тех отделов, которые входят в каждую из них, в свою очередь, позволяет осуществлять комплексное тотальное изучение любого растительного организма. Поэтому с уверенностью можно сказать, что биология - наука о растениях.

Ботаника изучается в школьном курсе биологии в 6-7 классах, в зависимости от программы обучения. Вопросы филогении и эволюции изучаются в 11 классе.

Зоология в школьном курсе

Наукой зоологией описано свыше 1350000 видов представителей животного мира. Подавляющее большинство составляют беспозвоночные - насекомые, черви, морские обитатели. Такая цифра не является окончательной, ведь свои исследования зоологи не прекращают. Несмотря на то, что, казалось бы, уже нечего открывать и все животные известны, периодически происходят открытия новых видов.

Зоология - одна из древнейших наук, которые включает биология. Животные - одни из самых распространенных и повсеместно встречающихся живых систем нашей планеты. Зоология занимается изучением строения (как внешнего, так и внутреннего) всех животных, их систематикой, физиологией, анатомией, этологией, экологией и географией.

Также, как и ботаника, зоология является обязательным разделом биологической науки для изучения в школе. Ее курс приходится на 7 класс.

Роль биологии в жизни человека

Биология - это наука, изучающая и охватывающая настолько много различных жизненных сфер, что не остается сомнений в ее важности и значимости. Основные примеры, которые явно покажут и докажут это, следующие:

1. Животные, невосприимчивые к раковым опухолям (акулы и скаты) являются прекрасной основой для нахождения и открытия лекарства от этой болезни XXI века.
2. Достижения микробиологов, биохимиков и медицинских биологов позволяют человечеству избавляться от множества самых различных недугов, в том числе вирусной и бактериальной природы.
3. Биотехнология, клеточная и дает возможность повысить производительность сельского хозяйства и обеспечить питанием целые народы.
4. Антропологическая биология позволяет выявить истоки всего живого, воссоздать картину мира и избежать ошибок в будущем.

Это далеко не все причины и обстоятельства, которые позволяют говорить о биологии как о чрезвычайно важной и значимой в жизни и практической деятельности людей науке.

Новые разделы биологии

К современным, молодым и перспективным разделам биологической науки относятся такие, как:

• биотехнология;
• микробиология;
• клеточная инженерия;
• генная инженерия;
• молекулярная биология;
• биохимия;
• медицинская биология.

Весь комплекс этих наук позволяет охарактеризовать любое существо, относящееся к живой системе. Поэтому биология - это наука о живой природе, в первую очередь, и о тех благах, которые она может дать человеку.

Биология в школе

Косвенно биология затрагивается уже на этапе курса природоведения (5 класс школьной программы). Именно как предмет она начинается с 6 класса (ботаника), 7 класс - зоология, 8 класс - анатомия, 9-11 - общая биология.

Школьный курс данной науки затрагивает самые различные темы по биологии, которые касаются практически всех ее отраслей и разделов. Это делается для формирования у детей целостной картины восприятия мира, а также для четкого усвоения учащимися важности и значимости достижений биологических наук в современном мире.

Общая биология изучает основные закономерности жизненных явлений, которые протекающих на различных уровнях организации живого. Рассмотрение организации живой материи начинается с выяснения строения и свойств сложных органических молекул. Клетки многоклеточных организмов входят в состав тканей, две или несколько тканей образуют орган. Многоклеточный организм сложного строения, что имеет в своем составе ткани и органы, в то же время является элементарной единицей биологического вида. Взаимодействующие между собой виды составляют сообщество, или экологическую систему, которая, в свою очередь, является одним из компонентов биосферы.

Соответственно этому выделяют несколько уровней организации живой материи.

1. Молекулярный. Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, проявляется на уровне функционирования биологических макромолекул - биополимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращения энергии, передача наследственной информации и тому подобное.

2. Клеточный. Клетка является структурной и функциональной единицей, а также единицей развития всех живых организмов, что живут на Земле. Свободноживущих неклітинних форм жизни не существует.

3. Тканевый. Ткань представляет собой совокупность сходных по строением клеток, объединенных выполнением общей функции.

4. Органный. Органы - это структурно-функциональные объединение нескольких типов тканей. Например, кожа человека какразные вещества. Вследствие целого ряда сложных химических превращений вещества из окружающей среды уподобляются веществам живого организма и из них строится его тело. Эти процессы называются ассимиляцией или пластическим обменом.

5. Организменный. Многоклеточный организм является целостной системой органов, специализированных для выполнения различных функций.

6. Популяционно-видовой. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим жильем, создает популяцию как систему надорганізмового порядке. В этой системе осуществляются простые, элементарные эволюционные преобразования.

7. Біогеоценотичний. Биогеоценоз - совокупность организмов разных видов и различной сложности организации со всеми факторами среды обитания.

Приведем несколько примеров. Растения с двуокиси углерода и воды синтезируют сложные органические соединения - углеводы (крахмал и целлюлозу), которые используются как запасные питательные вещества и строительный материал. Белок куриного яйца в организме человека претерпевает ряд сложных преобразований, прежде чем превратится в белки, свойственные организму, - гемоглобин, кератин или любой другой.

Другая сторона обмена веществ - процессы диссимиляции, в результате которых сложные органические соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому дисиміляцію называют еще энергетическим обменом.

Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и строения всех частей организма и как следствие - постоянство их функционирования в непрерывно переменных условиях окружающей среды.

Самовоспроизводство (репродукция). При размножении живых организмов потомство обычно похоже на родителей: кошки воспроизводят котят, собаки - щенят. Из семян одуванчика снова растет одуванчик. Деление одноклеточного организма - амебы - приводит к образование двух амеб, полностью схожих с материнской клеткой. Таким образом, размножение - это свойство организмов воспроизводить себе подобных.

Что лежит в основе процесса самовоспроизведения? Обратим внимание на то, что этот процесс осуществляется практически на всех уровнях организации живой материи. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, органеллы клеток (митохондрии, пластиди и т. п) после деления сходны со своими предшественниками. С одной молекулы ДНК - дезоксирибонуклеиновой кислоты - при ее удвоении образуются две дочерние молекулы, полностью повторяя начальную.

В основе самовоспроизведения лежат реакции матричного синтеза, то есть образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в последовательности нуклеїдів ДНК. Следовательно, самовоспроизведение - одно из основных свойств живого, тесно связанное с явлением наследственности.

Наследственность. Заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Она обусловлена стабильностью, т. е. постоянством строения молекул ДНК.

Изменчивость. Это свойство будто противоположная наследственности, но вместе с тем тесно связана с ней, поскольку при этом меняются наследственные задатки - 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 биологических матриц.

Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора, то есть отбора найпристосованіших особей к конкретным условиям существования в природных условиях, что, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.

Рост и развитие. Способность к развитию - всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта, вследствие которого изменяется его состав или структура. Развитие живой формы существования материи представлено индивидуальным развитием, или онтогенезом, и историческим развитием, или філогенезом.

На протяжении онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организмов. Развитие сопровождается ростом. Независимо от способа размножения все дочерние особи, образующиеся из одной зиготы или споры, почки или клетки, получают по наследству только генетическую информацию, то есть возможность проявлять те или иные признаки.

В процессе развития возникает специфическая структурная организация индивида, а увеличение его массы обусловлено репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток. Филогенез, или эволюция, - это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Результатом эволюции является все многообразие живых организмов на Земле.

Раздражение. Любой организм неразрывно связано с окружающей средой: извлекает из нее питательные вещества, подвергается воздействию неблагоприятных факторов среды, вступает во взаимодействие с другими организмами и тому подобное. В процессе эволюции у живых организмов выработались и закрепились свойства избирательно реагировать на внешние воздействия. Это свойство носит название раздражение. Любое изменение условий окружающей среды по отношению к организму раздражение, а его реакция на внешние раздражители служит показателем его чувствительности и проявлением раздражения.

Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществляется с помощью нервной системы и называется рефлексом.

Организмы, не имеющие нервной системы, например простейшие или растения, лишены рефлексов. их реакции, выражающиеся в изменении характера движения или роста, принято называть таксисами или тропізмами, добавляя при их обозначении название раздражителя. Например, фототаксис - движение в направлении к свету; хемотаксис - перемещение организма по отношению к концентрации химических веществ. Каждый род таксиса может быть положительным или отрицательным в зависимости от того, действует раздражитель на организм притягаючим или отталкивающим образом.

Под тропізмами понимают определенный характер роста, которое свойственно растениям. Так, геліотропізм (от греч. helios - Солнце) означает рост надземных частей растений (стебля, листьев) по направлению к Солнцу, а геотропизм (от греч. geos - Земля) - рост подземных частей (корней) в направлении к центру Земли.

8. Дискретность (от лат. discretus - прерывистый, разделенный). Дискретность - всеобщее свойство материи. Так, с курса физики и общей химии известно, что каждый атом состоит из элементарных частиц, что атомы образуют молекулу. Простые молекулы входят в состав сложных соединений или кристаллов и тому подобное. Жизнь на Земле также проявляется в виде дискретных форм. Это означает, что отдельный организм или иная биологическая система (вид, биоценоз и т. п) состоит из отдельных изолированных, то есть обособленных или отграниченных в пространстве, но тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, создавая структурно-функциональное единство. Например, 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 отдельными митохондриями, аппарат синтеза белка - рибосомами и т. д. вплоть до макромолекул, 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 структурных элементов (молекул, ферментов, органоидов клетки, целых клеток), что «износились», без прекращения выполняемой функции. Дискретность вида предопределяет возможность его эволюции путем гибели или устранения от размножения непригодных особей и сохранения индивидов с полезными для выживания признаками.

9. Саморегуляция (авторегуляція). Это способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условияхокружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов. При этом недостаток поступления каких-либо питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а избыток вызывает запасание этих веществ. Подобные реакции осуществляются разными путями благодаря деятельности регуляторных систем - нервной и эндокринной. Сигналом для включения той или иной регулирующей системы может быть изменение концентрации какого-либо вещества или состояния какой-либо системы.

Например, понижение концентрации АТФ - универсального аккумулятора (накопителя) энергии в клетке - служит сигналом, запуская процесс ее синтеза. Наоборот, восполнение запасов АТФ прекращает интенсивный синтез этой вещества. Повышение концентрации глюкозы в крови приводит к усилению выработка гормона поджелудочной железы - инсулина, который уменьшает содержание сахара в крови. Снижение уровня глюкозы в крови замедляет выделение гормона в кровяное русло. Уменьшение числа клеток в ткани (например, в результате травмы) вызывает усиленное размножение клеток, что остались; восстановление нормальной количества клеток дает сигнал о прекращении интенсивного клеточного деления.

10. Ритмичность. Это свойство присуще как живой, так и неживой природе. Обусловлено оно различными космическими и планетарными причинами: вращением Земли вокруг Солнца, сменой времен года, фазами Луны и тому подобное. Для неживой природы характерны, например, изменения освещенности и температуры в течение года и суток, приливы и отливы в морях и океанах, перемещение воздушных масс - ветры и тому подобное. Живые организмы также подчиняются внешним датчикам времени, однако реакция их значительно сложнее изменении окружающей среды.

Повсюду в живой и неживой природе распространены колебательные процессы. Океанские приливы и отливы, смена дня и ночи, фаз Луны, чередование времен года, периодическое увеличение солнечной активности, цикличность геологических процессов, в том числе периодическая смена суш морем и моря сушей, - все это различные формы колебательных процессов. Периодические изменения в окружающей среде имеют глубокий влияние на живую природу и на собственные ритмы живых организмов.

Ритм - это повторение одного и того же состояния через разные промежутки времени. В биологии под ритмичностью понимают периодические изменения интенсивности физиологических функций с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия). Хорошо известны суточные ритмы сна и бодрствования у человека; сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих (суслики, ежи, медведи) и много других.

Ритмичность направлена на согласование функций организма с окружающей средой, то есть на приспособление к постоянно меняющимся условиям существования.

11. Энергозависимость. Живые тела являются «открытыми» для поступления энергии системы. Это понятие заимствовано из физики. Под «открытыми» понимают динамические, есть системы, которые не находятся в состоянии покоя, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне. Итак, живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступает энергия и материя в виде пищи из окружающей среды. Следует отметить, что живые организмы в отличие от объектов неживой природы отграничены от окружающей среды оболочками (наружная клеточная мембрана у одноклеточных, покровная ткань у многоклеточных). Эти оболочки затрудняют обмен веществ между организмом и внешней средой, сводят к минимуму потери веществ и поддерживают пространственное единство системы.

Таким образом, живые организмы резко отличаются от объектов физики и химии - неживых систем - своей исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства. Живет является особой ступенью развития материи.

Теперь, после ознакомления с основными свойствами живых организмов, можно сформулировать определение понятия «жизнь». Материалистическое определение жизни дал Ф. Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своей сути в постоянном самооновленні химических составных частей этих тел». Это определение дано Энгельсом более 100 лет назад. В него вошли два важных положения: 1) жизнь тесно связана с белковыми телами и 2) непременное условие жизни - постоянный обмен веществ, с прекращением которого прекращается и жизнь.

Достижения биологии нашего времени позволили вскрыть новые черты, характерные для живых организмов, и на этом основании дать более подробное определения понятия «жизнь». Одно из таких определений принадлежит М. В. Волькенштейну: «Живые тела, существующие на Земле, являются открытыми саморегулирующимися и самовідтворюваними системами, построенными из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот».

План лекции:

1. Актуальность биологических знаний в современном мире. Место общей биологии в системе биологических наук.

2. Методы изучения.

3. Понятие «жизнь» и свойства живого.

4. Уровни организации живого.

5. Практическое значение биологии.

1. Актуальность биологически знаний в современном мире.

БИОЛОГИЯ – наука о жизни во всех её проявлениях и закономерностях, управляющих живой природой. Название ее возникло из сочетания двух греческих слов: БИОС – жизнь, ЛОГОС – учение. Эта наука изучает все живые организмы.

Термин «биология» ввёл в научный оборот французский учёный Ж. Б. Ламарк в 1802 году. Предмет изучения биологии – живые организмы (растения, животные, грибы, бактерии), их строение, функции, развитие, происхождение, взаимоотношения со средой.

В органическим мире выделяют 5 царств: бактерии (дробянки), растения, животные, грибы, вирусы. Эти живые организмы изучаются соответственно науками: бактериология и микробиология, ботаника, зоология, микология, вирусология. Каждая из этих наук делится на разделы. Например, зоология включает энтомологию, териологию, орнитологию, ихтиологию и др. каждая группа животных изучается по плану: анатомия, морфология, гистология, зоогеография, этология и т.д. Кроме этих разделов можно назвать ещё: биофизика, биохимия, биометрия, цитология, гистология, генетика, экологи, селекция, космическая биология, генная инженерия и много других.

Таким образом, современная биология – комплекс наук, изучающих живое.

Но эта дифференцировка привела бы науку к тупику, если бы не было интегрирующей науки – общей биологии. Она объединяет все биологические науки на теоретическом и практическом уровнях.

· Что же изучает общая биология?

Общая биология изучает закономерности жизни на всех уровнях ее организации, механизмы биологических процессов и явлений, пути развития органического мира и его рациональное использование.

· Что может объединять все биологические науки?

Общая биология играет объединяющую роль в системе знаний о живой природе, поскольку в ней систематизируются ранее изученные факты, совокупность которых позволяет выявить основные закономерности органического мира.

· Какова цель общей биологии?

Осуществление разумного использования, охрана и воспроизведение природы.

2. Методы изучения биологии.

Основными методами биологии являются:

наблюдение (позволяет описать биологические явления),

сравнение (дает возможность найти общие закономерности в строении, жизнедеятельности различных организмов),

эксперимент или опыт (помогает исследователю изучить свойства биологических объектов),

моделирование (имитируются многие процессы, недоступные для непосредственного наблюдения или экспериментального воспроизведения),

исторический метод (позволяет на основе данных о современном органическом мире и его прошлом познать процессы развития живой природы).

Общая биология пользуется методами других наук и комплексными методами, которые позволяют изучать и решать поставленные задачи.

1. ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЙ метод, или морфологический метод изучения. Глубокое внутренне сходство организмов может показать родство сравниваемых форм (гомология, аналогия органов, рудиментарные органы и атавизмы).

2. СРАВНИТЕЛЬНО – ЭИБРИОЛОГИЧЕСКИЙ - выявление зародышевого сходства, работы К. Бэра, принцип рекапитуляции.

3. КОМПЛЕКСНЫЙ – метод тройного параллелизма.

4. БИОГЕОГРАФИЧЕКИЙ – позволяет проанализировать общий ход эволюционного процесса в самых разных масштабах (сравнивание флор и фаун, особенности распространения близких форм, изучение реликтовых форм).

5. ПОПУЛЯЦИОННЫЙ – позволяет улавливать направления естественного отбора по изменению распределения значений признака в популяциях на разных стадиях ее существования или при сравнении разных популяций.

6. ИММУНОЛОГИЧЕКИЙ – позволяет с большой степенью точности выявить «кровное родство» разных групп.

7. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ – позволяет определить генетическую совместимость сравниваемых форм, а значит, определить степень родства.

Нет ни одного «абсолютного» или совершенного метода. Целесообразно использовать их в комплексе, поскольку они взаимодополняемы.

3. Понятие «жизни» и свойства живого.

Что такое жизнь?
Одно из определений более 100 лет назад дал Ф. Энгельс: "Жизнь есть способ существования белковых тел, непременное условие жизни - постоянный обмен веществ, с прекращением которого прекращается и жизнь.»

По современным представлениям, жизнь - это способ существования открытых коллоидных систем, обладающих свойствами саморегуляции, воспроизведения и развития на основе геохимического взаимодействия белков, нуклеиновых кислот других соединений вследствие преобразования веществ и энергии из внешней среды.

Жизнь возникает и протекает в виде высокоорганизованных целостных биологических систем. Биосистемами являются организмы, их структурные единицы (клетки, молекулы), виды, популяции, биогеоценозы и биосфера.

Живые системы обладают рядом общих свойств и признаками, которые отличают их от неживой природы.

1. Все биосистемы характеризуются высокой упорядоченностью , которая может поддерживаться только благодаря протекающим в них процессам. В состав всех биосистем, лежащих выше молекулярного уровня, входят определенные элементы (98% химического состава приходится на 4 элемента: углерод, кислород, водород, азот, а в общей массе веществ основную долю составляет вода - не мене 70 – 85%). Упорядоченность клетки проявляется в том, что для нее характерен определенный набор клеточных компонентов, а упорядоченность биогеоценоза - в том, что в его состав входят определенные функциональные группы организмов и связанная с ними неживая среда.
2. Клеточное строение : Все живые организмы имеют клеточное строение, за исключением вирусов.

3. Метаболизм . Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее вещества, необходимые для питания и дыхания, и выделяя продукты жизнедеятельности. Смысл биотических круговоротов заключается в преобразовании молекул, обеспечивающих постоянство внутренней среды организма и, таким образом, непрерывность его функционирования в постоянно меняющихся условиях внешней среды (поддержание гомеостаза) .
4. Репродукция, или самовоспроизведение , - способность живых систем воспроизводить себе подобных. Этот процесс осуществляется на всех уровнях организации живого;
а) редупликация ДНК - на молекулярном уровне;
б) удвоение пластид, центриолей, митохондрий в клетке - на субклеточном уровне;
в) деление клетки путем митоза - на клеточном уровне;
г) поддержание постоянства клеточного состава за счет размножения отдельных клеток - на тканевом уровне;
д) на организменном уровне репродукция проявляется в виде бесполого размножения особей (увеличение численности потомства и преемственность поколений осуществляется за счет митотического деления соматических клеток) или полового (увеличение численности потомства и преемственность поколений обеспечиваются половыми клетками - гаметами).
5. Наследственность заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. .
6. Изменчивость - это способность организмов приобретать новые признаки и свойства; в ее основе лежат изменения биологических матриц - молекул ДНК.
7. Рост и развитие . Рост - процесс, в результате которого происходит изменение размеров организма (за счет роста и деления клеток). Развитие - процесс, в результате которого происходит качественно изменение организма. Под развитием живой природы - эволюции понимают необратимое, направленное, закономерное изменение объектов живой природы, которое сопровождается приобретением адаптации (приспособлений), возникновением новых видов и вымиранием прежде существовавших форм. Развитие живой формы существования материи представлено индивидуальным развитием, или онтогенезом, и историческим развитием, или филогенезом.
8. Приспособленность . Это соответствие между особенностями биосистем и свойствами среды, с которой они взаимодействуют. Приспособленность не может быть достигнута раз и навсегда, так как среда непрерывно меняется (в том числе благодаря воздействию биосистем и их эволюции). Поэтому все живые системы способны отвечать на изменения среды и вырабатывать приспособления ко многим из них. Долгосрочные приспособления биосистем осуществляются благодаря их эволюции. Краткосрочные приспособления клеток и организмов обеспечиваются благодаря их раздражимости.
9 . Раздражимость . Способность живых организмов избирательно реагировать на внешние или внутренние воздействия. Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществляется через посредство нервной системы и называется рефлексом. Организмы, которые не имеют нервной системы, лишены и рефлексов. У таких организмов реакция на раздражение осуществляется в разных формах:
а) таксисы - это направленные движения организма в сторону раздражителя (положительный таксис) или от него (отрицательный). Например, фототаксис - это движение в направлении к свету. Различают также хемотаксис, термотаксис и др.;
б) тропизмы - направленный рост частей растительного организма по отношению к раздражителю (геотропизм - рост корневой системы растения по направлению к центру планеты; гелиотропизм - рост побеговой системы по направлению к Солнцу, против силы тяжести);
в) настии - движения частей растение по отношению к раздражителю (движение листьев в течение светового дня в зависимости от положения Солнца на небосводе или, например, раскрытие и закрытие венчика цветка).
10 . Дискретность (деление на части) . Отдельный организм или иная биологическая система (вид, биоценоз др.) состоит из отдельных изолированных, т. е. обособленных или отграниченных в пространстве, но, тем не менее, связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Клетки состоят из отдельных органоидов, ткани - из клеток, органы - из тканей и т. п. Это свойство позволяет осуществить замену части без остановки функционирования целостной системы и возможность специализации различных частей на неодинаковых функциях.
11. Авторегуляция - способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов - гомеостаз. Саморегуляция обеспечивается деятельностью регуляторных систем - нервной, эндокринной, иммунной и др. В биологических системах надорганизменного уровня саморегуляция осуществляется на основе межорганизменных и межпопуляционных отношений.
12 . Ритмичность . В биологии под ритмичностью понимают периодические изменения интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия).
Ритмичность направлена на согласование функций организма с окружающей средой, т. е. на приспособление к периодически меняющимся условиям существования.
13. Энергозависимость. Живые тела представляют собой "открытые" для поступления энергии системы. Под "открытыми" системами понимают динамические, т. е. не находящиеся в состоянии покоя системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне. Таким образом, живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступают энергия в виде пищи из окружающей среды.

14. Целостность - живая материя определенным образом организована, подчинена ряду специфических законов, характерных для неё.

4. Уровни организации живой материи.

Во всём многообразии живой природы можно выделить несколько уровней организации живого. Просмотр учебного фильма «Уровни организации живого» и на его основе составление краткого опорного конспекта.

1. Молекулярный. Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, состоит из биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. С этого уровня начинаются разнообразные процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др.

2. Клеточный. Клетка - структурная и функциональная единица, а также единица развития всех живых организмов, обитающих на Земле. На клеточном уровне сопрягаются передача информации и превращение веществ и энергии.

5. Биогеоценотический. Биогеоценоз - совокупность организмов разных видов и различной сложности организации с факторами среды их обитания. В процессе совместного исторического развития организмов разных систематических групп образуются динамичные, устойчивые сообщества.

6. Биосферный. Биосфера - совокупность всех биогеоценозов, система, охватывающая все явления жизни на нашей планете. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов.

5. Практическое значение общей биологии.

o В БИОТЕХНОЛОГИИ – биосинтез белков, синтез антибиотиков, витаминов, гормонов.

o В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ – селекция высокопродуктивных пород животных и сортов растений.

o В СЕЛЕКЦИИ МИКРОООРГАНИЗМОВ.

o В ОХРАНЕ ПРИРОДЫ – разработка и внедрение методов рационального и рачительного природоиспользования.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение «биологии». Кто предложил данный термин?

2. Почему современную биологию считают комплексной наукой? Из каких подразделов состоит современная биология?

3. Какие специальные науки можно выделить в биологии? Дайте их краткую характеристику.

4. Какие методы исследования используют в биологии?

5. Приведите определение понятия «жизнь».

6. Почему живые организмы называют открытыми системами?

7. Перечислите основные свойства живого.

8. Чем отличаются живые организмы от неживых тел?

9. Какие уровни организации характерны для живой материи?

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Биологический факультет

Кафедра микробиологии

И.В. ДАРМОВ

Общая биология

Курс лекций

Учебное пособие

Допущено редакционно-издательской комиссией методического совета ФГБОУ ВПО «ВятГУ» в качестве учебного пособия для студентов направления 020400.62 «Биология» всех профилей подготовки

Рецензенты:

доцент кафедры биотехнологии ФГБОУ ВПО «ВятГУ»,

кандидат биологических наук О. Н. Шуплецова;

главный научный сотрудник НИЦ 33 ЦНИИИ МО РФ, г. Киров, доктор биологических наук, профессор В.Б. Калининский

Дармов, И.В.

УДК 573(07)

Учебное пособие предназначено для студентов направления 020400.62 «Биология» всех профилей подготовки, изучающих дисциплину «Общая биология».

Тех. редактор Е.В. Кайгородцева

© ФГБОУ ВПО «ВятГУ», 2014

1.Биология как наука. Свойства живых систем……………………………...4

2.Основы цитологии. Прокариоты…………………………………………..17

3.Основы цитологии. Эукариоты. Мембранные компоненты …………….21

4.Основы цитологии. Эукариоты. Немембранные компоненты…....……..29

5.Бесполое размножение. Митоз……………………………………………..34

6.Половое размножение. Мейоз………………………...……………………43

7.Основные закономерности наследственности……………………...……54

8.Основные закономерности изменчивости……………………………...…64

9.Биологическое разнообразие……………………………………………….79

Список использованных источников……………………………….…….105

Лекция №1

Тема лекции: Биология как наука. Свойства живых систем.

План лекции:

1. Биология как наука

2. Методы биологии

3. Основные концепции биологии

4. Уровни организации живого

5. Основные свойства живых систем

6. Современное определение живого организма и жизни

1. Биология как наука

Биология (греч.bios – жизнь,logos – слово, учение) – совокупность наук о жизни, о живой природе.Предмет биологии - строение живых организмов, их функции, происхождение, развитие, взаимоотношения со средой. Наряду с физикой, химией, астрономией, геологией и т.д. относится кестественным наукам .

Биология – одна из старейших наук, хотя термин этот появился лишь в 1797 году (его автор - немецкий профессор анатомии Т.Руз (1771-1803). "Отцом биологии" часто называют Аристотеля (384-322 до н.э.), которому принадлежит первая классификация животных.

Каковы особенности биологии как науки?

1.1 Биология тесно связана с философией . Это связано с тем, что из 3-х фундаментальных проблем естествознания 2 являются предметом биологических исследований.

1. Проблема происхождения Вселенной, космоса, природы вообще (ей занимается физика, астрономия).

2. Проблема происхождения жизни, т.е. живого из неживого.

3. Проблема происхождения Разума и человека как его носителя.

Решение этих вопросов тесно связано с решением основного вопроса философии : что первично – материя или сознание? Поэтому значительное место в биологии занимают философские аспекты.

1.2. Связь биологии с социальными и этическими проблемами.

Социал-дарвинизм, например, переносит на человеческое общество понятие "естественный отбор", различия между классами объясняются биологическими факторами.

Другие примеры: расизм, пересадка органов, проблема старения.

1.3. Глубокая специализация биологии.

В результате дифференциации биологии по объекту изучения возникли частные биологические науки: ботаника, зоология, микробиология (бактериология, вирусология, микология и др.).

Другое подразделение биологических наук - по уровням организации и свойствам живой материи : генетика (наследственность), цитология (клеточный уровень), анатомия и физиология (строение и функционирование организмов), экология (взаимоотношения организмов с окружающей средой) и т.д.

В результате интеграции с другими науками возникли: биохимия, биофизика, радиобиология, космическая биология и др.

Т.е. биология – комплекс наук, а общая биология занимается изучением наиболее общих закономерностей строения, жизнедеятельности, развития, происхождения живых организмов. Главный вопрос, на который пытается ответить общая биология, – что такое жизнь?

1.4. В настоящее время биология, оставаясь теоретической основой познания живого, становится непосредственно производительной силой , рождает новые технологии: биотехнологию, генную и клеточную инженерию и др.

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.