ПРЕДМЕТ БИОЛОГИИ И ЕЕ СТРУКТУРА
Биология – это наука о живых существах, их строении, функциях, происхождении, эволюции, формах активности, природных сообществах живых организмов, их распространении, связях друг с другом и с неживой природой. Биология рассматривает общие и частные закономерности, присущие жизни во всех ее проявлениях и свойствах: обмен веществ, размножение, наследственность, изменчивость, приспособляемость, рост, развитие и т.д.
По объектам исследования биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию.
По свойствам, проявлениям живого в биологии выделяются:
- морфология – наука о строении живых организмов;
- физиология – наука о функционировании организмов;
- молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток;
- экология, рассматривающая образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой;
- генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости.
По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются:
- анатомия, изучающая макроскопическое строение животных и человека;
- гистология, изучающая строение тканей;
- цитология, исследующая строение живых клеток.
Эта многоплановость комплекса биологических наук обусловлена чрезвычайным многообразием живого мира. К настоящему времени биологами обнаружено и описано более 1 млн видов животных, около полумиллиона растений, несколько сот тысяч грибов, более 3 тысяч видов бактерий. Число неописанных видов оценивается по меньшей мере в
|
|
|
1 млн.
В развитии биологии выделяют три основных этапа:
1. Систематики – начало связано с именем шведского естествоиспытателя К. Линнея (1707 –1778). В своей работе «Система природы» он создал систему классификации растительного и животного мира: царство, тип, класс, отряд, семейство, род, вид. Линней определил соотношение между различными систематическими группами, четко их выделив и показав их иерархическую соподчиненность.
2. Эволюционный. Первую эволюционную гипотезу предложил Ж.-Б.Ламарк в своей книге «Философия зоологии» (1809). Он высказал предположение об изменении организмов под влиянием окружающей среды и передаче приобретенных признаков потомкам. Однако он в своей теории опирался на ряд неверных исходных положений, ему не удалось решить вопрос о соотношении внешних и внутренних факторов эволюции. Дальнейшее развитие эволюционной теории в биологии связано с работами английского естествоиспытателя Ч. Дарвина. По Дарвину эволюция осуществляется в результате взаимодействия трех основных факторов: изменчивости, наследственности и естественного отбора. Дарвин установил движущие силы эволюции органического мира, объяснил процесс развития и становления биологических видов.
|
|
|
3. Молекулярной биологии и генетики – первые работы в этом направлении выполнены Г. Менделем, установившим законы наследственности и элементарную единицу наследственности – ген.
Каждый из этапов связан с изменением представлений о мире живого, со сменой основ биологического мышления, со сменой биологических парадигм. Благодаря развитию современной биологии микромира, познанию молекулярных структур живого стали отчетливо просматриваться единство природы, органического и неорганического мира, специфика живого.
ОСНОВНЫЕ ПРИЗНАКИ ЖИВОГО
Вопрос о происхождении и сущности жизни, специфике живого вещества является ключевым для многих естественно-научных дисциплин, для формирования научной картины мира. Сторонники механицизма и его более поздней разновидности – редукционизма не признавали качественную специфику живых организмов, считая, что жизненные процессы можно представить как результат действия физических и химических процессов. Этой точки зрения придерживался ряд видных ученых и в ХХ веке.
Н.Бор в 30-е годы ХХ века предсказывал, что исследование жизни на атомном уровне приведет к парадоксу, аналогичному тому, который возник при исследованиях спектров атомов и который был разрешен только с помощью новой квантовой механики. Н.Бор рассматривал проблему связи биологии и физики на основе принципа дополнительности, считая, что собственно биологические законы дополнительны законам, которым подчиняются тела неорганического мира. Нельзя одновременно определять физико-химические свойства организма и явления жизни – анализ свойств одного исключает подробный анализ другого.
|
|
|
В 1945 г. Э.Шредингер написал книгу «Что такое жизнь? С точки зрения физика», где рассмотрел три основные проблемы биофизики:
1. Термодинамические основы жизни. Организм – открытая высокоорганизованная упорядоченная система, находящаяся в неравновесном состоянии благодаря потоку энтропии во внешнюю среду, способная поддерживать упорядоченность за счет саморегуляции и самовоспроизведения.
2. Молекулярные основы жизни. Ген должен быть молекулой с апериодической структурой. Поставлен вопрос о структуре вещества наследственности и о причинах его устойчивого воспроизводства в ряду поколений.
3. Квантово-механические закономерности. Соответствие биологических процессов законам квантовой механики, что отчетливо проявляется в радиобиологических явлениях.
|
|
|
Сторонники витализма объясняют специфику живого существованием особых биологических закономерностей, наличием в биологических системах особой нематериальной и непознаваемой «жизненной силы», «души», которая не подчиняется физическим и химическим законам, придает живым организмам их целостность и целесообразность, особого рода упорядоченность и способность стремиться к определенным целям. Зарождение витализма происходило во времена античности в трудах Платона, Аристотеля, Плотина. Виталисты пытаются доказать нематериальный характер жизни и невозможность понять ее сущность. Однако под влиянием успехов физики и химии, биофизики и биохимии в объяснении многих биологических процессов к середине ХХ века витализм был вытеснен из сферы биологического познания.
В настоящее время большинство ученых убеждено, что жизнь представляет собой особую форму существования материального мира. Современная биология в вопросе о сущности жизни часто идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. Только совокупность данных свойств дает представление о специфике живого.
К числу свойств живого относят следующие:
- Метаболизм. Наиболее важным свойством всех живых организмов является обмен веществ, или метаболизм, представляющий собой совокупность биохимических реакций, обеспечивающих жизнь. Живые организмы получают вещество, энергию и информацию из окружающей среды, используя их на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию. Процессы обмена веществ делят на анаболизм, или ассимиляцию, и катаболизм, или диссимиляцию. При анаболизме идет синтез сложных веществ из простых, сопровождающийся накоплением энергии. Катаболизм – это расщепление сложных веществ, сопровождающееся освобождением энергии. Эти две стороны обмена связаны неразрывно и протекают одновременно и непрерывно.
Каждый живой организм и каждая клетка представляют собой открытую термодинамическую систему, которая непрерывно превращает содержащуюся в органических веществах потенциальную (химическую) энергию в энергию всех рабочих процессов организма. В конечном счете, вся энергия уходит из организма в окружающую среду и рассеивается в ней. Баланс энтропии в открытой системе определяется процессами как внутри нее, так и процессами обмена с окружающей средой. Обмен веществ в живых организмах с точки зрения термодинамики необходим для того, чтобы воспрепятствовать увеличению энтропии, обусловленному внутренними необратимыми процессами в организме.
Существуют два вида питания организмов: автотрофное и гетеротрофное. Автотрофное питание означает синтез всех необходимых органических веществ из неорганических. Этим видом питания обладают растения и прокариоты. Зеленые растения синтезируют органические вещества с использованием энергии Солнца путем реакции фотосинтеза. В результате фотосинтеза создается основная масса органического вещества и поддерживается газовый состав атмосферы. Гетеротрофное питание означает получение органических веществ в готовом виде, оно характерно для животных, грибов и многих бактерий.
Обмен веществ может происходить без участия кислорода – анаэробный обмен. У большинства организмов питательные вещества расщепляются и высвобождают энергию в процессе клеточного кислородного дыхания – аэробный обмен. При нем высвобождается гораздо больше энергии.
- Сложная структура. Живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах. Живые организмы не только изменяются, но и усложняются. У растения или животного появляются новые ветви или органы, отличающиеся по своему химическому составу от породивших их структур.
- Раздражимость. Живые организмы активно реагируют на физические или химические факторы и их изменения в окружающей среде. Способность реагировать на внешние раздражения – универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных.
- Размножение и рост. Все живое размножается и растет. Способность к самовоспроизведению – самая поразительная способность живых организмов. Потомство и похоже, и чем-то отличается от своих родителей. В этом проявляется действие механизма наследственности.
- Адаптация. Живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни. Адаптация помогает выжить организмам в постоянно меняющихся условиях внешней среды. Организм отвечает на изменения либо относительно быстро благодаря раздражимости, либо более длительно – путем возникновения мутаций и появления новых признаков, которые будут сохранены естественным отбором.
- Передача информации. Живые организмы способны передавать потомству заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Эта информация содержится в генах – единицах наследственности, мельчайших внутриклеточных структурах. Генетический материал определяет направление развития организма. Вот почему потомки похожи на родителей. Однако эта информация в процессе передачи несколько видоизменяется, искажается. В связи с этим потомки не только похожи на родителей, но и отличаются от них.
- Гомеостаз.Гомеостазом называется относительное динамическое постоянство состава и свойств организма, устойчивость его основных физиологических функций. Живые организмы, обитающие в непрерывно изменяющихся внешних условиях, поддерживают постоянство своего химического состава и интенсивность течения всех физиологических процессов с помощью механизмов саморегуляции. Важную роль в реализации гомеостаза играют петли обратной связи, возникающие в живом веществе и определяющие его реакции на внешние возмущения, нарушающие его стабильность. Гомеостаз – фундаментальный принцип для всего живого.
- Движение. Оно более заметно у животных, чем у растений.
Из совокупности указанных признаков вытекает следующее обобщенное определение сущности живого: жизнь есть форма существования сложных открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты. Один из главных критериев жизни – способность живых организмов сохранять и передавать информацию.
Современная теоретическая биология основные свойства живого формулирует в виде пяти аксиом:
1. Все живые организмы характеризуются единством фенотипа (совокупностью всех признаков и свойств) и программой его построения – генотипа (совокупностью всех генов), передающегося по наследству из поколения в поколение (аксиома А.Вейсмана).
2. Генетическая программа образуется матричным путем, т.е. для строительства гена будущего поколения используется ген предшествующего поколения (аксиома Н.К.Кольцова).
3. При передаче генетические программы изменяются случайно и ненаправленно, также случайно они могут оказаться удачными в данной среде (1-я аксиома Ч.Дарвина).
4. Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипа многократно усиливаются (аксиома Н.В.Тимофеева-Ресовского).
5. Многократно усиленные изменения генетических программ подвергаются отбору условиями внешней среды (2-я аксиома Ч.Дарвина).
СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ЖИВОГО
Структурный, или системный анализ обнаруживает, что мир живого чрезвычайно многообразен, имеет сложную структуру. На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни, или подсистемы живого мира. Наиболее распространенным является выделение на основе критерия масштабности следующих уровней организации живого.
Биосферный уровень– наивысший уровень организации жизни, охватывающий все явления жизни на планете. Биосфера включает всю совокупность живых организмов Земли, в том числе и человека, вместе с окружающей их природной средой. Биотический обмен веществ объединяет все структурные уровни организации жизни в одну систему. Биосфера является единой экологической системой. На биосферном уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле. Термин «биосфера» был введен в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Э.Зюссом.
Биогеоценозный уровень.Биогеоценоз (экосистема) – сложная динамическая система, представляющая собой совокупность биотических и абиотических элементов, связанных между собой обменом веществ, энергии и информации. Биогеоценозы – это участки Земли с определенными природно-климатическими условиями (геоценозы) и связанные с ними биоценозы, представляющие единый природный взаимообусловленный комплекс с динамичными обратными связями. Биогеоценоз представляет собой устойчивую систему, которая может существовать на протяжении длительного времени в состоянии динамического равновесия. Нарушение динамического равновесия между элементами биогеоценоза приводит к экологической катастрофе.
В биогеоценозе выделяют следующие подсистемы:
1) продуценты – первичные системы, непосредственно перерабатывающие неживую материю (водоросли, микроорганизмы, растения);
2) консументы первого порядка – вторичный уровень, на котором вещество и энергия получаются за счет использования продуцентов (травоядные животные);
3) консументы второго порядка (хищники и т.д.);
4) сапрофиты и сапрофаги (падальщики), питающиеся мертвыми животными;
5) редуценты – группа бактерий и грибов, разлагающих остатки органической материи.
Через эти уровни в биогеоценозе происходит круговорот веществ. Рациональное использование природы невозможно без знания структуры и законов функционирования биогеоценозов или экосистем.
Биоценозный уровень. Биоценоз – совокупность всех организмов, населяющих участок среды с однородными условиями жизни; совокупность популяций, сообщество микроорганизмов, животных и растений, обитающих на определенной территории. Обычно биоценозы состоят из нескольких популяций.
Популяционно-видовойуровень – это надорганизменный уровень, основной единицей которого является популяция. Популяция – совокупность особей одного вида, занимающих определенную территорию, относительно изолированных от других групп этого же вида, свободно скрещивающихся между собой, воспроизводящая себя на протяжении длительного времени и обладающая общим генетическим фондом. Видом называется совокупность особей, сходных по строению и физиологическим свойствам, имеющих общее происхождение, могущих свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Вид существует только через популяции. Популяции выступают в качестве элементарных единиц эволюции, изменения их генофонда ведут к образованию новых видов. Изучение популяционно-видового уровня важно для определения факторов, влияющих на численность популяций, для исследования путей исторического развития живого, его эволюции.
Онтогенетический (организменный и органотканевый) уровень отражает признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ. Основной единицей жизни на онтогенетическом уровне выступает отдельная особь, а элементарным явлением – онтогенез (процесс индивидуального развития организма от рождения через последовательные морфологические, физиологические и биохимические изменения до смерти, процесс реализации наследственной информации). Биогенетический закон, сформулированный Э.Геккелем, утверждает, что онтогенез в краткой форме повторяет филогенез, т.е. отдельный организм в своем индивидуальном развитии в сокращенной форме проходит все стадии развития своего вида. Биологическая особь может быть как одноклеточным, так и многоклеточным организмом.
Все многоклеточные организмы состоят из органов и тканей. Ткани – это группа физиологически объединенных клеток и межклеточных веществ для выполнения определенных функций. Ткани могут образовываться как из одинаковых, так и из разных клеток.
Органы – это относительно крупные функциональные единицы, которые объединяют различные ткани в те или иные физиологические комплексы. Органы входят в состав более крупных единиц – систем организма. Выделяют нервную, пищеварительную, сердечно-сосудистую, дыхательную и другие системы.
Клеточный уровень. На клеточном уровне организации основной структурной единицей всех живых организмов является клетка, представляющая собой наименьшую самостоятельную единицу строения, функционирования и развития живого организма, элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию. Клеточный уровень отражает процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.
Молекулярно-генетический уровеньсоставляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации, наследственности, изменчивости, исследование эволюционных процессов, развитие генной инженерии и биотехнологии. Это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, лежащих в основе процессов жизнедеятельности организмов. На этом уровне элементарной структурной единицей является ген.
Разделение живой материи на уровни весьма условно.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 2127; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!